北斗卫星时钟解耦控制电网信息同步采集系统设计

贾超广，肖海霞

(1.解放军信息工程大学 导航与空天目标工程学院，郑州 450052；2.河南工程学院，郑州 450052)

1 引言

国家电网公司在“2009特高压输电技术国际会议”上提出了“坚强智能电网”的发展规划，按照规划，2011～2015年为全面建设阶段，“十二五”期间，国家坚强智能电网必将得到长足的发展。文献[1～3]都分别提到作为坚强智能电网基础部分之一的电网信息采集系统，已经难以适应坚强智能电网的要求，需要进行升级和更新换代。文献[4]指出电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，在许多场合都需要电网信息的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义，并且，文献[5～6]提到电力系统的各种监测与保护装置对电网信息采集的同步精度要求也越来越高。文献[7～8]指出应用于我国电网中同步数据采集系统大都是采用基于全球定位系统(global positioning system，GPS)的同步相量测量装置 (phase measurement unit，PMU)，电网的稳定运行对GPS的依赖也越来越强。本文基于双时钟源信息融合技术，将北斗卫星授时系统应用于电力系统信息采集同步系统中，设计了电网信息同步采集系统，可弥补长久以来使用 GPS 作为唯一同步时钟源而存在的风险性和不可依赖性，同时解决了依靠单一时钟源带来的系统可靠性问题。

2 双时钟源授时原理

2.1 GPS和北斗系统时间系统

文献[9]提到GPS系统时间(global positioning system time，GPST)属于原子时系统，是一种连续计时系统，由GPS主控站里的一组高精度原子钟所控制，是GPS系统建立的专用时间系统。GPST秒长与协调世界时(universal time coordinated，UTC)相同，但GPST不含闰秒修正，它与UTC的时刻规定与1980-01-05 T 00：00：00相同，随着时间的积累，两者之间的差异表现为秒的整数倍。

文献[10]指出北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)是我国完全自主的卫星导航定位系统，为全球四大卫星导航定位系统之一，为用户提供全天候的定位、简报文通信和精密授时三大服务。该系统有自己独立的时间系统，秒长与UTC相同，授时精度单向授时50 ns，双向授时可达20 ns。

2.2 卫星单向授时原理

卫星授时具有授时精度高、覆盖范围广等特点，是目前各行业授时应用的发展方向。

在单向授时模式下，接收机不需要与地面中心站进行交互，但需已知接收机精确坐标。地面中心站保持精确的系统标准时间，定时播发授时信息，并为定时用户提供时延修正值，包括上行传输时延、卫星到接收机的下行时延、对流层时延、电离层时延等。接收机根据本地精确坐标及卫星信号传输时延，计算出钟差并经修正得出本地精确的时间。图1为卫星系统单向授时基本原理。

2.3 双时钟源自适应无缝切换技术

为保证输出时间的正确性、安全性、可靠性以及准确时间的连续性，系统对GPS 接收机和BDS接收机的同步秒脉冲 (pulse per second，PPS)信号分别同时进行监测和处理，并对两时钟源进行实时比对，两时钟源构成互为热备份。

图1 卫星单向授时基本原理

另外，系统采用卫星系统自主完好性监测算法对跟踪到的BDS和GPS卫星的健康状况进行实时判断，同时监测BDS和GPS的导航电文、时标特性等，系统将根据卫星的健康状况同时考虑两时钟源的历史电文的误码率及历史时标的准确度、可用度和稳定度来判断参考时钟源可用性，从而确定时钟源。

为避免时钟源切换时的时间抖动给系统造成的时间系统崩溃，采用自适应平滑切换技术来保证时间的连续稳定，从而实现了双时钟源的无缝切换，保证了系统的时间同步性能。

3 系统整体结构

基于双时钟源的电网信息同步采集系统整体结构如图2所示。

图2 电网信息同步采集系统整体结构

同步采集系统主要由前端信号调理电路、A/D 转换器、嵌入式处理器、GPS+BDS接收机及其外围电路等组成。其中，前端信号调理电路包括变换电路、放大器和滤波器等，电网模拟信号经过前端信号调理电路和 A/D 转换器后变成数字信号被传送到嵌入式处理器中。嵌入式处理器采用ALTEAR EP2C20F484，其根据双时钟源融合信息实时修正时间，为系统采集的电网信息打上统一的时间标签，最终经以太网控制器完成向上层监控中心提供电网精确同步信息的功能。

4 软件设计

同步采集系统的软件设计主要由以下几个子程序模块组成：多时钟源融合子程序、定时采集子程序、网络管理子程序、系统管理子程序、协议处理子程序和数据处理子程序等。同步采集系统程序流程图如图3所示。

图3 同步采集系统程序流程

4.1 多时钟源融合子程序

多时钟源融合子程序根据接收到的GPS和BDS时间信息进行实时比对，并参考两系统完好性监测信息及历史导航电文、时标信息等，最终判定是否开启自适应平滑切换开关。

4.2 定时采集子程序

为实现输电线路信息采集端及集中器的同步性，同步采集系统接收多时钟源融合子程序发出的时间信息，并判断采样时间点，根据采样时间点按照预先输入的采样开始时间进行电网信息同步采集，在即将到来的同步秒脉冲的上升沿自动开始采样，采样控制波形由同步采样波形发生单元控制。

4.3 数据处理子程序

数据处理子程序对 A/D 转换结果进行必要的处理，以得到电压、电流信号的幅值和相位，包括对 A/D 转换结果进行变比转换和将A/D 转换结果转换为实际的电压、电流采样值。另外，还要利用快速傅立叶变换(fast Fourier transform，FFT)对离散的采样数据进行计算，得到电压、电流信号的基波及各次谐波的幅值和相位。本文采用的是基2时分傅立叶变换，这种算法与直接FFT计算相比随着取样点的增加运算量呈级数级减少。

另外，网络管理子程序用于信息同步采集系统上行通信的管理，主要负责数据的接收和发送；系统管理子程序主要包括系统设置、用户登录、系统信息、数据维护等；协议处理子程序按照Q/GDW 376.2-2009《电力用户用电信息采集系统通信协议：集中器本地通信模块接口协议》解析输入的命令帧，并完成信息采集系统的参数读取和设置等。

5 结论

本文以GPS和BDS时钟源作为双时钟源设计了电网信息同步采集系统，将高精度计时信息叠加到所采集的数据中，保证了同步控制系统的时间精度，有助于提高输电线路参数测量的精度，在输电线路参数在线测量、电网状态监测、电量信息采集、输电线路精确故障定位等功能使用中有着重要的实用价值和经济效益，有利于电网的实时监测、安全评估、保护和实时决策。应用结果表明，该电网信息同步采集系统同步精度高、性价比优良，具有较高的推广使用价值。

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