摘要： GPS就是全球定位系統(tǒng)（Global Position System），是美國利用新一代衛(wèi)星組建的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間衛(wèi)星、地面監(jiān)控站和用戶接收機(jī)組成，全天候連續(xù)實(shí)時(shí)向用戶提供高精確度的位置、速度和時(shí)間信息。1985年美國政府同意將GPS無條件使用于全球所有的民用領(lǐng)域，隨著時(shí)間的推移，GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越大。
一、GPS概況
1959年，美國海軍委托霍普金斯大學(xué)研究用于北極星核潛艇導(dǎo)航的子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Transit，1964年研制成功，并逐步應(yīng)用到其它軍事和民用目的。由于Transit衛(wèi)星軌道低，受大氣影響大，定位精度受到限制，為此在20世紀(jì)60年代末，美國海軍又提出了Timation方案，計(jì)劃用高約1萬公里的12-18顆衛(wèi)星組成定位網(wǎng)，同時(shí)美國空軍也提出了類似功能的621B計(jì)劃，1973年美國國防部成立一個(gè)聯(lián)合辦公室，吸收了兩個(gè)計(jì)劃的優(yōu)點(diǎn)，決定開發(fā)全球定位系統(tǒng)GPS。GPS于1986年發(fā)射第一顆衛(wèi)星，原計(jì)劃1988年完成，但由于挑戰(zhàn)號(hào)航天飛機(jī)失事，直到1993年7月才部署完成。GPS由均勻分布在六條軌道上的24顆衛(wèi)星（其中3顆備用）組成，在地球上的每一個(gè)位置均能接收到4-6顆衛(wèi)星的信號(hào)，衛(wèi)星繞地球一周12小時(shí)，每秒鐘通過L1、L2兩個(gè)波段發(fā)射三種偽隨機(jī)碼：C/A碼（粗碼）、P碼（精碼）和和Y碼（加密的P碼）。C/A碼一次定位精度25m，多次定位精度8m，定時(shí)精度100nS，全世界都可以無償使用；P碼一次定位精度10m，多次定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，定時(shí)精度10nS，只能美國及其盟國軍事和授權(quán)的民用部門使用。
二、GPS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
相對于GPS的定位功能來說，GPS的定時(shí)功能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加重要和普遍。電力系統(tǒng)中如微機(jī)保護(hù)及安全自動(dòng)化系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動(dòng)化裝置，都需要一個(gè)精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的精確度也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的定時(shí)方式有兩種：（1）電網(wǎng)調(diào)度中心通過通信通道同步系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)電站的時(shí)鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達(dá)各個(gè)電站的距離不一樣，通信延時(shí)也不一樣，因此只能保證系統(tǒng)時(shí)鐘在毫秒級(jí)誤差的水平；（2）利用廣播、電視、天文臺(tái)等的無線報(bào)時(shí)信號(hào)，這種方式一般一個(gè)小時(shí)報(bào)送一次，一個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)積累較大的誤差，同樣還由于信號(hào)傳播延時(shí)，時(shí)間誤差較大，很難達(dá)到毫秒級(jí)，此外還容易受到電站內(nèi)的電磁干擾影響。
GPS為電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步提供了新的技術(shù)保證。就算廣泛應(yīng)用于民用的GPS粗碼，理論上定時(shí)精度可以達(dá)到0.1微秒，現(xiàn)在市場上銷售的接收機(jī)的定時(shí)精度都可以達(dá)到1微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的定時(shí)方式。利用GPS同步電力系統(tǒng)的時(shí)鐘，必將是電力系統(tǒng)主要的定時(shí)方式，同時(shí)也為電力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
�。ㄒ唬┫嗔繙y量和新一代的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)
電力系統(tǒng)中的電壓和電流波形基本上是正弦波，頻率、幅值和相角是正弦波的三個(gè)要素，在同一電力系統(tǒng)中，頻率是相同的，幅值也很容易測量，但相角測量確是一個(gè)未解的難題。相角測量的主要困難是同一電力系統(tǒng)中各個(gè)電站的母線電壓和線路電流的相角必需是相對于同一個(gè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的定時(shí)方式誤差在1ms以上，對于頻率為50Hz的系統(tǒng)來說，1ms就相差18°，很明顯這是不能接受的，GPS高精度的定時(shí)為相角測量提供了解決方案。在美國，IEEE電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和控制委員會(huì)設(shè)立了一個(gè)專業(yè)委員會(huì)H7，專門研究同步相量測量單元PMU（Phasor Measurement Unit）的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。PMU裝置內(nèi)的時(shí)鐘每秒鐘通過GPS接收機(jī)同步一次，一秒鐘間隔內(nèi)由裝置內(nèi)部的高穩(wěn)定度晶振產(chǎn)生，這樣安裝在電力系統(tǒng)內(nèi)不同電站的PMU采樣時(shí)間誤差在幾個(gè)微秒之內(nèi)，對應(yīng)的相角誤差不超過0.1°，可以滿足相角測量的要求。
長期以來，由于相角不能測量，電力系統(tǒng)的潮流分布只能根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值、有功功率和無功功率，以及當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，建立和求解非線性方程來得到，由于解非線性方程需要反復(fù)迭代，計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長，因此得不到實(shí)時(shí)的潮流分布，調(diào)度員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)間接地判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電力系統(tǒng)的安全監(jiān)控?zé)o法根據(jù)簡單的相角條件來實(shí)現(xiàn)。
新一代的動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)利用現(xiàn)代的通信技術(shù)，將分布在各個(gè)電站的PMU測量到的電壓電流相量、有功無功、發(fā)電機(jī)的功角等信號(hào)傳送到調(diào)度中心，由中央處理單元對這些信號(hào)進(jìn)行處理，以便對電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測、動(dòng)態(tài)行為監(jiān)測、穩(wěn)定監(jiān)測、故障分析等，有利于值班員對系統(tǒng)穩(wěn)定性的判別，增強(qiáng)事故后干預(yù)、防止事故擴(kuò)大或連鎖發(fā)展的能力。
�。ǘ┕收蠝y距
在電力系統(tǒng)中，輸電線路經(jīng)常發(fā)生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復(fù)雜，尋找故障地點(diǎn)就非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢。傳統(tǒng)的故障測距方法利用電壓除以電流得到阻抗，然后根據(jù)線路參數(shù)估計(jì)故障距離，由于線路故障大多非金屬短接，過渡阻抗無法確定，因此誤差很大。
�。ㄈ├纂姳O(jiān)測系統(tǒng)
雷電破壞是電力系統(tǒng)故障的主要因素。盡管雷電是一種隨機(jī)的自然現(xiàn)象，但是可以通過多年的監(jiān)測，得到雷電活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這對電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，減少雷害損失有著重要的意義。雷電監(jiān)測系統(tǒng)由中心主站和分布在不同位置的基站組成，雷閃時(shí)產(chǎn)生電磁波往空間的各個(gè)方向傳播，各個(gè)基站測量接收到電磁波的時(shí)間和電磁波的幅值，并傳送達(dá)中心主站，中心主站根據(jù)這些信息就可以計(jì)算出，雷閃的位置及雷電流的大小。與故障測距一樣，雷電監(jiān)測的精度主要依賴于時(shí)間的精度，GPS的使用就是為了保證各個(gè)基站和中心主站有一個(gè)共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。
�。ㄋ模├^電保護(hù)
GPS在繼電保護(hù)中的用途有兩個(gè)：線路差動(dòng)保護(hù)和保護(hù)聯(lián)合調(diào)試。
電流差動(dòng)保護(hù)原理就是基爾霍夫電流定理：同一時(shí)刻流入某個(gè)節(jié)點(diǎn)或廣義節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和為零。差動(dòng)保護(hù)由于其簡單、可靠和快速等特點(diǎn)，已經(jīng)作為主保護(hù)廣泛應(yīng)用的母線、變壓器和發(fā)電機(jī)等設(shè)備上，但是用在長距離的輸電線路就比較困難，問題就在于“同一時(shí)刻”上，傳統(tǒng)的定時(shí)方式很難保證線路兩端設(shè)備采樣時(shí)間的統(tǒng)一，GPS的出現(xiàn)為線路差動(dòng)保護(hù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了新的契機(jī)。
帶有通道的輸電線路縱聯(lián)保護(hù)在超高壓輸電線路中有著重要的意義。這些保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，為了分析保護(hù)的效果，記錄下來的兩端的電壓電流波形就必須有一個(gè)共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，以保證試驗(yàn)的同步性。
三、結(jié)論
隨著電力系統(tǒng)往大容量大網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，以及自動(dòng)化水平的不斷提高，對統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間提出了更高的要求。GPS由于其高精度的定時(shí)功能，必將在電力系統(tǒng)發(fā)揮更加廣泛的應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）的特點(diǎn)
從UTC獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間
網(wǎng)路校時(shí)協(xié)議，提供在互連的網(wǎng)路上提供校時(shí)服務(wù)和發(fā)送供給標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間給計(jì)算機(jī)。目前已成為Internet上時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NTP提供準(zhǔn)確時(shí)間，首先要有準(zhǔn)確的時(shí)間來源，這一時(shí)間應(yīng)是國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC。NTP獲得UTC的時(shí)間來源可以是原子鐘，天文臺(tái)，衛(wèi)星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準(zhǔn)確而可靠的時(shí)間源。
NTP服務(wù)器分層提供服務(wù)
時(shí)間按NTP服務(wù)器的等級(jí)傳播。按照離外部UTC源的遠(yuǎn)近將所有服務(wù)器歸入不同的Stratum（層）中。Stratum-1在頂層，有外部UTC接入，而Stratum-2則從Stratum-1獲取時(shí)間，Stratum-3從Stratum-2獲取時(shí)間，以此類推，但Stratum層的總數(shù)限制在15以內(nèi)。所有這些服務(wù)器在邏輯上形階梯式的架構(gòu)相互連接，而Stratum-1的時(shí)間服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
過濾算法選擇時(shí)間的最佳路徑和來源
計(jì)算機(jī)主機(jī)一般同多個(gè)時(shí)間服務(wù)器連接，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的算法過濾來自不同服務(wù)器的時(shí)間包，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機(jī)時(shí)間。即使主機(jī)在長時(shí)間無法與某一時(shí)間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下，NTP服務(wù)依然有效運(yùn)轉(zhuǎn)。
識(shí)別機(jī)制抗干擾和惡意破壞
為防止對時(shí)間服務(wù)器的惡意破壞，NTP使用了識(shí)別(Authentication)機(jī)制，檢查來對時(shí)的信息是否是真正來自所宣稱的服務(wù)器并檢查資料的返回路徑，以提供對抗干擾的保護(hù)機(jī)制。
網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）簡介
NTP概念簡介
Network Time Protocol（NTP）是用來使計(jì)算機(jī)時(shí)間同步化的一種協(xié)議，它可以使計(jì)算機(jī)對其服務(wù)器或時(shí)鐘源（如石英鐘，GPS等等)做同步化，它可以提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正（LAN上與標(biāo)準(zhǔn)間差小于1毫秒，WAN上幾十毫秒），且可介由加密確認(rèn)的方式來防止惡毒的協(xié)議攻擊。
NTP如何工作
NTP提供準(zhǔn)確時(shí)間，首先要有準(zhǔn)確的時(shí)間來源，這一時(shí)間應(yīng)該是國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC。 NTP獲得UTC的時(shí)間來源可以是原子鐘、天文臺(tái)、衛(wèi)星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準(zhǔn)確而可靠的時(shí)間源。時(shí)間按NTP服務(wù)器的等級(jí)傳播。按照離外部UTC 源的遠(yuǎn)近將所有服務(wù)器歸入不同的Stratun（層）中。Stratum-1在頂層，有外部UTC接入，而Stratum-2則從Stratum-1獲取時(shí)間，Stratum-3從Stratum-2獲取時(shí)間，以此類推，但Stratum層的總數(shù)限制在15以內(nèi)。所有這些服務(wù)器在邏輯上形成階梯式的架構(gòu)相互連接，而Stratum-1的時(shí)間服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)主機(jī)一般同多個(gè)時(shí)間服務(wù)器連接， 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的算法過濾來自不同服務(wù)器的時(shí)間，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機(jī)時(shí)間。即使主機(jī)在長時(shí)間無法與某一時(shí)間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下，NTP服務(wù)依然有效運(yùn)轉(zhuǎn)。 為防止對時(shí)間服務(wù)器的惡意破壞，NTP使用了識(shí)別(Authentication)機(jī)制，檢查來對時(shí)的信息是否是真正來自所宣稱的服務(wù)器并檢查資料的返回路徑，以提供對抗干擾的保護(hù)機(jī)制。
網(wǎng)絡(luò)校時(shí)協(xié)議（NTP）的實(shí)現(xiàn)
時(shí)間服務(wù)器可以利用以下三種方式與其他服務(wù)器對時(shí)：broadcast/multicastclient/serversymmetricbroadcast/multicast方式主要適用于局域網(wǎng)的環(huán)境，時(shí)間服務(wù)器周期性的以廣播的方式，將時(shí)間信息傳送給其他網(wǎng)路中的時(shí)間服務(wù)器，其時(shí)間僅會(huì)有少許的延遲，而且配置非常的簡單。但是此方式的精確度并不高，對時(shí)間精確度要求不是很高的情況下可以采用。symmetric的方式得一臺(tái)服務(wù)器可以從遠(yuǎn)端時(shí)間服務(wù)器獲取時(shí)鐘，如果需要也可提供時(shí)間信息給遠(yuǎn)端的時(shí)間服務(wù)器。此一方式適用于配置冗余的時(shí)間服務(wù)器，可以提供更高的精確度給主機(jī)。 client/server方式與symmetric方式比較相似，只是不提供給其他時(shí)間服務(wù)器時(shí)間信息，此方式適用于一臺(tái)時(shí)間服務(wù)器接收上層時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間信息，并提供時(shí)間信息給下層的用戶。上述三種方式，時(shí)間信息的傳輸都使用UDP協(xié)議。每一個(gè)時(shí)間包內(nèi)包含最近一次的事件的時(shí)間信息、包括上次事件的發(fā)送與接收時(shí)間、傳遞現(xiàn)在事件的當(dāng)?shù)貢r(shí)間、及此包的接收時(shí)間。在收到上述包后即可計(jì)算出時(shí)間的偏差量與傳遞資料的時(shí)間延遲。時(shí)間服務(wù)器利用一個(gè)過濾演算法，及先前八個(gè)校時(shí)資料計(jì)算出時(shí)間參考值，判斷后續(xù)校時(shí)包的精確性，一個(gè)相對較高的離散程度，表示一個(gè)對時(shí)資料的可信度比較低。僅從一個(gè)時(shí)間服務(wù)器獲得校時(shí)信息，不能校正通訊過程所造成的時(shí)間偏差，而同時(shí)與許多時(shí)間服務(wù)器通信校時(shí)，就可利用過濾算法找出相對較可靠的時(shí)間來源，然后采用它的時(shí)間來校時(shí)。
