CN105717784B - 电力授时方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力授时领域，具体公开了电力授时方法。该方法包括：当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比大于第一阈值时，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比不大于第一阈值时，基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率。应用本发明可实现对本地原子钟的精确可靠地授时。

Description

电力授时方法
技术领域
本发明涉及电力授时领域，更具体地，涉及电力授时方法。
背景技术
随着我国国民经济的发展，电能的需求量不断增加，尤其近年来，智能电网的建立及快速发展，对电网、电能质量以及供电可靠性的要求越来越高。智能电网的运行及数字化电网的实现，需要全网时间同步的紧密支持。随着智能电网建设的逐步推进，对系统时间的可靠性及精度将会提出更高的要求。国家电网公司发布的《智能电网技术标准体系》和《智能电网关键设备(系统)研制规划》要求2015年前建成包括电力市场交易运营系统、节能发电调度系统、电力应急处理、继电保护运行管理系统等在内的智能电网调度系统，届时需要在北京市电网系统内实现微秒量级或者更加精确的时间同步，实现故障行波测距、广域相角一致、差动保护等关键技术。因此研制并建立高可靠性、高准确性、多冗余的智能电网时间传递系统是非常必要的。
电力系统主要的授时方式有脉冲对时、串口报文对时、网络授时和卫星系统授时等。传统的脉冲对时和串口报文对时方式精度仅为1秒，不能满足智能电网建设和运行的要求。网络授时受网络波动的影响，消息传输延迟相差可能性很大，也就是引入了很大的非对称性误差，严重影响同步精度，授时精度不高，不适合在智能电网大规模使用。利用卫星对电力系统授时，有着精度高、受环境干扰小、实时性好等优点。电力系统目前普遍采用GPS卫星系统授时，不同装置设备单独配置独立的GPS接收机的授时模式，接收机采取单向授时模式，接收GPS卫星广播电文信号，自主获得本地时间(时钟)与GPS系统时间的钟差，以GPS时间为主基准实现时间同步，时间同步精度取决于GPS时钟信号的精度，一般单向授时的精度为100ns。
但是在实际卫星传播信道中，常有许多建筑群、障碍物等造成传输路径的时延不同，各条传播路径会随时间变化，参与干涉的各分量场之间的相互关系也就随时间而变化，由此引起合成波场的随机变化，多径效应非常明显。特别是对于分散建设在市区、郊区中的电力变电站、调度中心等，多径效应是影响时间传递误差的重要因素。由于多径效应等因素的影响，卫星系统授时的精度在特定区域、特定角度或者特定时间内可能会大大远于100ns，导致整体误差达不到智能电网的运行要求。
发明内容
本发明提出了一种能够实现精确可靠的电力授时的方法。
根据本发明的一方面，提出了一种电力授时方法，该方法包括：当接收的第一GNSS卫星导航信号(例如位于电力部门本地的GNSS接收机接收的卫星导航信号)的信噪比大于第一阈值时，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比不大于第一阈值时，基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率。
根据本发明的另一方面，提出了一种电力授时方法，该方法包括：当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比大于第一阈值时，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比不大于第一阈值并且不小于第二阈值时，基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率，第二阈值小于第一阈值；当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比小于第二阈值时，基于下列预估模型修正本地原子钟的频率，所述第二阈值小于所述第一阈值：
y＝D*(t-t0)+y0，
其中，D和y0是基于历史数据确定的常数参数，t0表示历史数据的起始时刻，t表示预估时刻，y表示在预估时刻t本地原子钟相对于标准时间的预估频率偏差。
本发明的各个方面通过采用多系统的本地原子钟时间频率修正手段，实现了精确可靠的电力授时。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个具体示例的用于修正本地原子钟的频率的示意图。
图2示出了根据本发明的一个具体示例的基于远程标准原子钟修正本地原子钟的频率的系统的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
本发明公开了一种电力授时方法。该方法可以包括：
步骤101，当接收的第一GNSS卫星导航信号(例如位于电力部门本地的GNSS接收机接收的卫星导航信号)的信噪比大于第一阈值时，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；
步骤102，当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比不大于第一阈值时，基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率。
本实施例中，当卫星导航信道的传输质量较好时，可直接基于卫星导航信号对本地原子钟授时，而当受诸如多径干扰等因素影响导致信道传输质量不理想时，可基于远程标准原子钟的标准时间对本地原子钟授时，从而即便在卫星导航系统本身的授时精度较差时仍可以实现对本地原子钟的精确授时。
上述本地原子钟可以是铷钟，上述远程标准原子钟可以是铯钟。铯钟具有很高的频率准确度和稳定度，例如国家计量部门通常可采用铯钟得到国家时间基准UTC(NIM)，也可称其为标准时间。铯钟的价格昂贵，所以诸如电力公司等可采用铷钟作为本地原子钟，其价格便宜但频率准确度和稳定度逊于铯钟。
GNSS卫星导航系统可包括国外的GPS系统、GLONASS系统、Galileo系统和我过的北斗卫星导航系统。国外的卫星导航系统的可用性和授时精度受制于该国的政策，广泛使用会对我国电力安全、国家安全带来巨大隐患。北斗卫星导航系统是我国自行开发研制的卫星导航系统，于1994年启动，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具备短报文通信能力，现已初步具备区域导航、定位和授时能力，授时精度为10ns。
但是，仅采用单一的北斗卫星导航系统的卫星授时可能也存在着较大的风险。一是北斗系统建成时间不长，其时间稳定性还有待考评。二是卫星导航系统最主要的应用是在国防领域，在非常时期，根据国家安全需要，任何一个卫星导航系统都存在突然加密、降级直至关闭的可能和风险。因此，根据本发明，用于接收第一GNSS卫星导航信号的接收机可以包括北斗卫星导航信号接收模块，还可以包括下面中的至少一者：GPS卫星导航信号接收模块、GLONASS卫星导航信号接收模块或Galileo卫星导航信号接收模块，这有利于进一步提高电力授时的可靠性。
为确保本地原子钟的准确度，可按照一定频率(例如每16min一次)本地原子钟进行授时。
在一个示例中，在步骤101中的，可以得到从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号tsat和从本地原子钟得到的秒脉冲信号tlocal之间的差值Δti＝tsat-tlocal，并可以基于在不同时刻得到的一系列差值Δti来修正本地原子钟的频率，i＝1,2,...N。获取相邻Δti的时间间隔可以是预定的。
例如，可基于下式计算本地原子钟的频率调整量Δf：
其中cv可以表示本地原子钟的钟速率，钟速率通常指某一原子钟的输出频率相对于标称频率的平均频率偏差，可表示为Δt可以表示在ΔT的时间长度内得到的所有Δti的算术平均值。
在计算频率调整量Δf前，可先对该一系列Δti进行时间扩展处理以及卡尔曼滤波处理。通过时间扩展处理可提高对数据差异的分辨率，通过卡尔曼滤波处理可对数据进行平滑滤波，减小噪声和干扰的影响。
发明人经过长期观察发现诸如铷钟的本地原子钟的频率稳定度在某一时间段内较高，在该时间段后其频率稳定度可能出现不同程度的恶化。可基于本地原子钟的频率稳定度来确定ΔT的取值，以得到更为准确的频率调整量Δf。进一步地，GNSS卫星导航信号的频率稳定度在经过一定时间后才能满足预期，考虑本地原子钟的频率稳定度并结合GNSS卫星导航信号的频率稳定度，当本地原子钟的频率稳定度大于5E-12(即5x10-12)时，可设置ΔT＝3600s；当本地原子钟的频率稳定度不大于5E-12时，可设置ΔT＝5000s，经验证应用该ΔT值能够得到精确的频率调整量Δf。频率稳定度是决定原子钟性能的主要指标，指原子钟频率信号的平均频率随机起伏的程度。
图1示出了根据本发明的一个具体示例的基于GNSS卫星导航信号修正本地原子钟的频率的示意图。
GNSS卫星导航接收机201可接收第一GNSS卫星导航信号。时间间隔测量模块203可分别从GNSS卫星导航接收机201和本地原子钟202(例如铷钟)获取1PPS，然后可得到其差值Δti。在不同时刻得到的一系列Δti可被送入时间间隔扩展模块204以被扩展，i＝1,2,...N，然后再送入卡尔曼滤波器205以被平滑滤波，最后在频率调整量计算单元207中计算本地原子钟的频率调整量Δf。此外，可选地，每隔较长的时间间隔，例如半年或者一年，可由频率稳定度测量模块206测量经卡尔曼滤波后的Δti的稳定度，并基于其衡量本地原子钟的频率稳定度，并据此调整ΔT的取值。
在一个示例中，在步骤102中，可得到从第一GNSS卫星导航信号(例如位于电力部门本地的GNSS接收机接收的卫星导航信号)得到的秒脉冲信号和从本地原子钟得到的秒脉冲信号之间的差值Δtb，还可得到从第二GNSS卫星导航信号中(例如位于远程计量单位的GNSS接收机接收的卫星导航信号)得到的秒脉冲信号和从远程标准电子钟得到的秒脉冲信号之间的差值Δty，第二GNSS卫星导航信号和第一GNSS卫星导航信号是被共视地接收的，然后可基于差值Δtyb＝Δty-Δtb来修正本地原子钟的频率。由于第一GNSS卫星导航信号和第二GNSS卫星导航信号是共视地接收的，因此消除了从卫星导航信号中得到的秒脉冲信号的影响，Δtyb相当于本地原子钟的秒脉冲信号和远程标准原子钟的秒脉冲信号之间的偏差。这种情况下，GNSS卫星导航信号仅充当授时信号的传递途径，因此即使因为信道质量较差，也不影响本地电力系统授时的准确度。
例如，在这种情况下，可考虑基于下式计算本地原子钟的频率调整量Δfby：
其中cv可表示本地原子钟的钟速率，Δt可表示在ΔT的时间长度内得到的所有Δtyb的算术平均值。ΔT可以是基于本地原子钟的频率稳定度确定的。类似地，例如，当诸如铷钟的本地原子钟的频率稳定度大于5E-12时，可设置ΔT＝3600s；当诸如铷钟的本地原子钟的频率稳定度不大于5E-12时，可设置ΔT＝5000s。
图2示出了根据本发明的一个具体示例的基于远程标准原子钟修正本地原子钟的频率的系统的示意性图。
在远程的国家计量单位，可以经由GNSS卫星导航信号接收机301接收来自卫星303的第二GNSS卫星导航信号，可以从该第二GNSS卫星导航信号中解析得到秒脉冲信号；同时可从设置在国家计量单位的远程标准原子钟(诸如铯钟)302得到秒脉冲信号；两个秒脉冲信号输出到时间间隔测量模块308，进一步可以得到该两个秒脉冲信号之间的差值Δty；然后可以以标准文件的形式将差值Δty传输至电力公司的中央控制系统307。
同时，在电力公司本地，可以经由GNSS卫星导航信号接收机304从卫星303接收第一GNSS卫星导航信号，可以从该第一GNSS卫星导航信号中解析得到秒脉冲信号；从设置在电力公司本地的本地原子钟(诸如铷钟)305得到秒脉冲信号；两个秒脉冲信号输出到时间间隔测量模块306，进一步可以得到该两个秒脉冲信号之间的差值Δtb；然后可以将差值Δtb输出给中央控制系统307。
中央控制系统307可以基于Δtyb＝Δty-Δtb修正本地原子钟的频率。
实施例2
以上的实施例1描述了在正常情况下根据本发明进行电力授时的方法。当出现意外情况时，例如卫星发生故障或者传输链路发生故障时，卫星导航信号不仅不能作为授时基准，甚至不能确保基本的数据传输功能。为应对意外情况，本发明还公开了如下的电力授时方法：
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比大于第一阈值时，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比不大于第一阈值并且不小于第二阈值时，基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率，第二阈值小于第一阈值；
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比小于第二阈值时，基于下列预估模型修正本地原子钟的频率，所述第二阈值小于所述第一阈值：
y＝D*(t-t0)+y0，
其中，D和y0是基于历史数据确定的常数参数，t0表示历史数据的起始时刻，t表示预估时刻，y表示在预估时刻t本地原子钟相对于标准时间的预估频率偏差。D和y0可以是通过最小二乘法拟合得到的。
上述实施例中的前两种情况的各个方面可参照实施例1中的相关描述，为使表述简要在此不再对其赘述。第三种情况可确保即使在卫星导航系统完全不可用的情况下，仍能尽可能保证本地原子钟的准确度。
应用示例
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
发明人在国家电网北京电力公司对根据本发明的电力授时方法进行验证。当作为本地原子钟的铷钟由北京市地方原子时标驾驭时，分别在电力公司和北京计量院采集了3个月比对数据，验证与北京市原子时标的同步误差。实验结果统计结果如表1所示，3个月内时差数据的标准偏差为5.4ns，时间稳定度为1.7ns，达到并优于同步在±20ns以内的预期目标
表1 远程标准原子钟驾驭时的实验结果统计数据
总数 最大值 最小值 平均值 标准差 时间稳定度
统计数据 8100 53.4ns -8.4ns 10.2ns 5.4ns 1.7ns
当铷钟由GNSS卫星导航系统驾驭时，分别在电力公司和中国计量院采集了3个月比对数据，验证与国家时间基准UTC(NIM)的同步误差。实验结果统计结果如表2所示，3个月内时差数据的标准偏差为27ns，时间稳定度为7ns，达到并优于与UTC(NIM)同步在±100ns以内的预期目标。
表2 GNSS卫星导航信号驾驭时的实验结果统计数据
总数 最大值 最小值 平均值 标准差 时间稳定度
统计数据 8002 74ns -99ns -17.6ns 27ns 7ns
当铷钟自由运行，由频率数据预估修正后产生时，分别在电力公司和中国计量院采集了1天比对数据，验证与国家时间基准UTC(NIM)的同步误差。实验结果统计结果如表3所示，由频率预估修正时，1天内时差数据的标准偏差为62ns，时间稳定度为23ns，达到并优于与UTC(NIM)在1天之内同步在±1μs以内的预期目标。
表3 基于预估模型修正的实验结果统计数据
总数 最大值 最小值 平均值 标准差 时间稳定度
统计数据 90 -60ns -447ns -217ns 62ns 23ns
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种电力授时方法，该方法包括：
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比大于第一阈值时，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比不大于第一阈值时，基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率；
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比小于第二阈值时，基于本地原子钟的历史数据，通过预估模型修正本地原子钟的频率；
其中，基于从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率包括：
得到从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号tsat和从本地原子钟得到的秒脉冲信号tlocal之间的差值Δti＝tsat-tlocal；
基于在多个时刻得到的一系列差值Δti修正本地原子钟的频率，i＝1,2,...N，
基于从远程标准原子钟得到的秒脉冲信号修正本地原子钟的频率包括：
得到从第一GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号和从本地原子钟得到的秒脉冲信号之间的差值Δtb；
得到从第二GNSS卫星导航信号得到的秒脉冲信号和从远程标准电子钟得到的秒脉冲信号之间的差值Δty，其中第二GNSS卫星导航信号和第一GNSS卫星导航信号是被共视地接收的；
基于Δtyb＝Δty-Δtb修正本地原子钟的频率；
当接收的第一GNSS卫星导航信号的信噪比小于第二阈值时，基于下列预估模型修正本地原子钟的频率，所述第二阈值小于所述第一阈值：
y＝D*(t-t0)+y0，
其中，D和y0是基于历史数据确定的常数参数，t0表示历史数据的起始时刻，t表示预估时刻，y表示在预估时刻t本地原子钟相对于标准时间的预估频率偏差，D和y0通过最小二乘法拟合得到。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述一系列差值Δti修正本地原子钟的频率包括：
基于下式计算本地原子钟的频率调整量Δf：
其中cv表示本地原子钟的钟速率，Δt表示在ΔT的时间长度内得到的所有Δti的算术平均值。
3.根据权利要求2所述的方法，该方法还包括在计算频率调整量Δf前，先对所述一系列差值Δti进行时间扩展处理以及卡尔曼滤波处理。
4.根据权利要求1所述的电力授时方法，其中，基于Δtyb＝Δty-Δtb修正本地原子钟的频率包括：
基于下式计算本地原子钟的频率调整量Δfby：
其中cv表示本地原子钟的钟速率，Δt表示在ΔT的时间长度内得到的所有Δtyb的算术平均值。
5.根据权利要求2或4所述的方法，其中，ΔT是基于本地原子钟的频率稳定度确定的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
当所述本地原子钟的频率稳定度大于5E-12时，ΔT＝3600s；
当所述本地原子钟的频率稳定度不大于5E-12时，ΔT＝5000s。
7.根据权利要求1所述的电力授时方法，其中，用于接收第一GNSS卫星导航信号的接收机包括北斗卫星导航信号接收模块，还包括下面中的至少一者：GPS卫星导航信号接收模块、GLONASS卫星导航信号接收模块或Galileo卫星导航信号接收模块。
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