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)實時向用戶提供高精確度的位置、速度和時間信息。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，計劃用高約1萬公里的12-18顆衛(wèi)星組成定位網(wǎng)，同時美國空軍也提出了類似功能的621B計劃，1973年美國國防部成立一個聯(lián)合辦公室，吸收了兩個計劃的優(yōu)點，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，原計劃1988年完成，但由于挑戰(zhàn)號航天飛機(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，在地球上的每一個位置均能接收到4-6顆衛(wèi)星的信號，衛(wèi)星繞地球一周12小時，每秒鐘通過L1、L2兩個波段發(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，定時精度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)及安全自動化系統(tǒng)、遠(yuǎn)動及微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、故障錄波器、事故記錄儀等許多自動化裝置，都需要一個精確的時間標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對時間標(biāo)準(zhǔn)的精確度也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的定時方式有兩種：（1）電網(wǎng)調(diào)度中心通過通信通道同步系統(tǒng)內(nèi)各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調(diào)度中心到達(dá)各個電站的距離不一樣，通信延時也不一樣，因此只能保證系統(tǒng)時鐘在毫秒級誤差的水平；（2）利用廣播、電視、天文臺等的無線報時信號，這種方式一般一個小時報送一次，一個小時內(nèi)會積累較大的誤差，同樣還由于信號傳播延時，時間誤差較大，很難達(dá)到毫秒級，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)的定時精度都可以達(dá)到1微秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的定時方式。利用GPS同步電力系統(tǒng)的時鐘，必將是電力系統(tǒng)主要的定時方式，同時也為電力系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
（一）相量測量和新一代的動態(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)中各個電站的母線電壓和線路電流的相角必需是相對于同一個時間標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的定時方式誤差在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)和控制委員會設(shè)立了一個專業(yè)委員會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采樣時間誤差在幾個微秒之內(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)各個節(jié)點的電壓幅值、有功功率和無功功率，以及當(dāng)時的網(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，計算量大，計算時間長，因此得不到實時的潮流分布，調(diào)度員只能根據(jù)經(jīng)驗間接地判別系統(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現(xiàn)。
新一代的動態(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)的功角等信號傳送到調(diào)度中心，由中央處理單元對這些信號進(jìn)行處理，以便對電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)檢測、動態(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。
（二）故障測距
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，尋找故障地點就非常費(fèi)時費(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，得到雷電活動的統(tǒng)計規(guī)律，這對電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計，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，雷閃時產(chǎn)生電磁波往空間的各個方向傳播，各個基站測量接收到電磁波的時間和電磁波的幅值，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間的精度，GPS的使用就是為了保證各個基站和中心主站有一個共同的時間標(biāo)準(zhǔn)。
（四）繼電保護(hù)
GPS在繼電保護(hù)中的用途有兩個：線路差動保護(hù)和保護(hù)聯(lián)合調(diào)試。
電流差動保護(hù)原理就是基爾霍夫電流定理：同一時刻流入某個節(jié)點或廣義節(jié)點的電流的代數(shù)和為零。差動保護(hù)由于其簡單、可靠和快速等特點，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“同一時刻”上，傳統(tǒng)的定時方式很難保證線路兩端設(shè)備采樣時間的統(tǒng)一，GPS的出現(xiàn)為線路差動保護(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)試驗時，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共同的時間標(biāo)準(zhǔn)，以保證試驗的同步性。
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，以及自動化水平的不斷提高，對統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時間提出了更高的要求。GPS由于其高精度的定時功能，必將在電力系統(tǒng)發(fā)揮更加廣泛的應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）的特點
從UTC獲取標(biāo)準(zhǔn)時間
網(wǎng)路校時協(xié)議，提供在互連的網(wǎng)路上提供校時服務(wù)和發(fā)送供給標(biāo)準(zhǔn)時間給計算機(jī)。目前已成為Internet上時間同步的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NTP提供準(zhǔn)確時間，首先要有準(zhǔn)確的時間來源，這一時間應(yīng)是國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC。NTP獲得UTC的時間來源可以是原子鐘，天文臺，衛(wèi)星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準(zhǔn)確而可靠的時間源。
NTP服務(wù)器分層提供服務(wù)
時間按NTP服務(wù)器的等級傳播。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獲取時間，Stratum-3從Stratum-2獲取時間，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的時間服務(wù)器是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
過濾算法選擇時間的最佳路徑和來源
計算機(jī)主機(jī)一般同多個時間服務(wù)器連接，利用統(tǒng)計學(xué)的算法過濾來自不同服務(wù)器的時間包，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機(jī)時間。即使主機(jī)在長時間無法與某一時間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下，NTP服務(wù)依然有效運(yùn)轉(zhuǎn)。
識別機(jī)制抗干擾和惡意破壞
為防止對時間服務(wù)器的惡意破壞，NTP使用了識別(Authentication)機(jī)制，檢查來對時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)時間協(xié)議（NTP）簡介
NTP概念簡介
Network Time Protocol（NTP）是用來使計算機(jī)時間同步化的一種協(xié)議，它可以使計算機(jī)對其服務(wù)器或時鐘源（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)確時間，首先要有準(zhǔn)確的時間來源，這一時間應(yīng)該是國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC。 NTP獲得UTC的時間來源可以是原子鐘、天文臺、衛(wèi)星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準(zhǔn)確而可靠的時間源。時間按NTP服務(wù)器的等級傳播。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獲取時間，Stratum-3從Stratum-2獲取時間，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的時間服務(wù)器是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。計算機(jī)主機(jī)一般同多個時間服務(wù)器連接， 利用統(tǒng)計學(xué)的算法過濾來自不同服務(wù)器的時間，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機(jī)時間。即使主機(jī)在長時間無法與某一時間服務(wù)器相聯(lián)系的情況下，NTP服務(wù)依然有效運(yùn)轉(zhuǎn)。 為防止對時間服務(wù)器的惡意破壞，NTP使用了識別(Authentication)機(jī)制，檢查來對時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)校時協(xié)議（NTP）的實現(xiàn)
時間服務(wù)器可以利用以下三種方式與其他服務(wù)器對時：broadcast/multicastclient/serversymmetricbroadcast/multicast方式主要適用于局域網(wǎng)的環(huán)境，時間服務(wù)器周期性的以廣播的方式，將時間信息傳送給其他網(wǎng)路中的時間服務(wù)器，其時間僅會有少許的延遲，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的方式得一臺服務(wù)器可以從遠(yuǎn)端時間服務(wù)器獲取時鐘，如果需要也可提供時間信息給遠(yuǎn)端的時間服務(wù)器。此一方式適用于配置冗余的時間服務(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間服務(wù)器時間信息，此方式適用于一臺時間服務(wù)器接收上層時間服務(wù)器的時間信息，并提供時間信息給下層的用戶。上述三種方式，時間信息的傳輸都使用UDP協(xié)議。每一個時間包內(nèi)包含最近一次的事件的時間信息、包括上次事件的發(fā)送與接收時間、傳遞現(xiàn)在事件的當(dāng)?shù)貢r間、及此包的接收時間。在收到上述包后即可計算出時間的偏差量與傳遞資料的時間延遲。時間服務(wù)器利用一個過濾演算法，及先前八個校時資料計算出時間參考值，判斷后續(xù)校時包的精確性，一個相對較高的離散程度，表示一個對時資料的可信度比較低。僅從一個時間服務(wù)器獲得校時信息，不能校正通訊過程所造成的時間偏差，而同時與許多時間服務(wù)器通信校時，就可利用過濾算法找出相對較可靠的時間來源，然后采用它的時間來校時。
