摘要：GPS就是全球定位系統（Global Position System），是美國利用新一代衛星組建的衛星導航系統，由空間衛星、地面監控站和用戶接收機組成，全天候連續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域，隨著時間的推移，GPS在電力系統中的應用越來越大。

　　一、GPS概況

　　1959年，美國海軍委托霍普金斯大學研究用于北極星核潛艇導航的子午衛星導航系統Transit，1964年研制成功，并逐步應用到其它軍事和民用目的。由于Transit衛星軌道低，受大氣影響大，定位精度受到限制，為此在20世紀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顆衛星組成定位網，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合辦公室，吸收了兩個計劃的優點，決定開發全球定位系統GPS。GPS于1986年發射第一顆衛星，原計劃1988年完成，但由于挑戰號航天飛機失事，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顆衛星的信號，衛星繞地球一周12小時，每秒鐘通過L1、L2兩個波段發射三種偽隨機碼：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到厘米級，定時精度10nS，只能美國及其盟國軍事和授權的民用部門使用。

　　二、GPS在電力系統中的應用

　　相對于GPS的定位功能來說，GPS的定時功能在電力系統中的應用更加重要和普遍。電力系統中如微機保護及安全自動化系統、遠動及微機監控系統、調度自動化系統、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準，而且隨著電力系統的發展，對時間標準的精確度也提出了更高的要求。傳統的定時方式有兩種：（1）電網調度中心通過通信通道同步系統內各個電站的時鐘，這種方式需要專用的通信通道，由于從調度中心到達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，很難達到毫秒級，此外還容易受到電站內的電磁干擾影響。

　　GPS為電力系統時鐘同步提供了新的技術保證。就算廣泛應用于民用的GPS粗碼，理論上定時精度可以達到0.1微秒，現在市場上銷售的接收機的定時精度都可以達到1微秒，遠遠超過了傳統的定時方式。利用GPS同步電力系統的時鐘，必將是電力系統主要的定時方式，同時也為電力系統的發展奠定了堅實的基礎。

　　（一）相量測量和新一代的動態安全監測系統

　　電力系統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準，傳統的定時方式誤差在1ms以上，對于頻率為50Hz的系統來說，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電力系統繼電保護和控制委員會設立了一個專業委員會H7，專門研究同步相量測量單元PMU（Phasor Measurement Unit）的規則和標準。PMU裝置內的時鐘每秒鐘通過GPS接收機同步一次，一秒鐘間隔內由裝置內部的高穩定度晶振產生，這樣安裝在電力系統內不同電站的PMU采樣時間誤差在幾個微秒之內，對應的相角誤差不超過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，電力系統的潮流分布只能根據各個節點的電壓幅值、有功功率和無功功率，以及當時的網絡結構和參數，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迭代，計算量大，計算時間長，因此得不到實時的潮流分布，調度員只能根據經驗間接地判別系統的穩定性，電力系統的安全監控無法根據簡單的相角條件來實現。

　　新一代的動態安全監測系統利用現代的通信技術，將分布在各個電站的PMU測量到的電壓電流相量、有功無功、發電機的功角等信號傳送到調度中心，由中央處理單元對這些信號進行處理，以便對電力系統進行穩態檢測、動態行為監測、穩定監測、故障分析等，有利于值班員對系統穩定性的判別，增強事故后干預、防止事故擴大或連鎖發展的能力。

　　（二）故障測距

　　在電力系統中，輸電線路經常發生各種故障，由于線路很長，并且很多線路地形復雜，尋找故障地點就非常費時費力費錢。傳統的故障測距方法利用電壓除以電流得到阻抗，然后根據線路參數估計故障距離，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。

　　（三）雷電監測系統

　　雷電破壞是電力系統故障的主要因素。盡管雷電是一種隨機的自然現象，但是可以通過多年的監測，得到雷電活動的統計規律，這對電力系統規劃和設計，減少雷害損失有著重要的意義。雷電監測系統由中心主站和分布在不同位置的基站組成，雷閃時產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，并傳送達中心主站，中心主站根據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準。

　　（四）繼電保護

　　GPS在繼電保護中的用途有兩個：線路差動保護和保護聯合調試。

　　電流差動保護原理就是基爾霍夫電流定理：同一時刻流入某個節點或廣義節點的電流的代數和為零。差動保護由于其簡單、可靠和快速等特點，已經作為主保護廣泛應用的母線、變壓器和發電機等設備上，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，傳統的定時方式很難保證線路兩端設備采樣時間的統一，GPS的出現為線路差動保護的發展和應用帶來了新的契機。

　　帶有通道的輸電線路縱聯保護在超高壓輸電線路中有著重要的意義。這些保護試驗時，為了分析保護的效果，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準，以保證試驗的同步性。

　　三、結論

　　隨著電力系統往大容量大網絡的不斷發展，以及自動化水平的不斷提高，對統一標準時間提出了更高的要求。GPS由于其高精度的定時功能，必將在電力系統發揮更加廣泛的應用。

　　網絡時間協議（NTP）的特點

　　從UTC獲取標準時間

　　網路校時協議，提供在互連的網路上提供校時服務和發送供給標準時間給計算機。目前已成為Internet上時間同步的標準協議。NTP提供準確時間，首先要有準確的時間來源，這一時間應是國際標準時間UTC。NTP獲得UTC的時間來源可以是原子鐘，天文臺，衛星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準確而可靠的時間源。

　　NTP服務器分層提供服務

　　時間按NTP服務器的等級傳播。按照離外部UTC源的遠近將所有服務器歸入不同的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層的總數限制在15以內。所有這些服務器在邏輯上形階梯式的架構相互連接，而Stratum-1的時間服務器是整個系統的基礎。

　　過濾算法選擇時間的最佳路徑和來源

　　計算機主機一般同多個時間服務器連接，利用統計學的算法過濾來自不同服務器的時間包，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機時間。即使主機在長時間無法與某一時間服務器相聯系的情況下，NTP服務依然有效運轉。

　　識別機制抗干擾和惡意破壞

　　為防止對時間服務器的惡意破壞，NTP使用了識別(Authentication)機制，檢查來對時的信息是否是真正來自所宣稱的服務器并檢查資料的返回路徑，以提供對抗干擾的保護機制。

　　網絡時間協議（NTP）簡介

　　NTP概念簡介

　　Network Time Protocol（NTP）是用來使計算機時間同步化的一種協議，它可以使計算機對其服務器或時鐘源（如石英鐘，GPS等等)做同步化，它可以提供高精準度的時間校正（LAN上與標準間差小于1毫秒，WAN上幾十毫秒），且可介由加密確認的方式來防止惡毒的協議攻擊。

　　NTP如何工作

　　NTP提供準確時間，首先要有準確的時間來源，這一時間應該是國際標準時間UTC。 NTP獲得UTC的時間來源可以是原子鐘、天文臺、衛星，也可以從Internet上獲取。這樣就有了準確而可靠的時間源。時間按NTP服務器的等級傳播。按照離外部UTC 源的遠近將所有服務器歸入不同的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層的總數限制在15以內。所有這些服務器在邏輯上形成階梯式的架構相互連接，而Stratum-1的時間服務器是整個系統的基礎。計算機主機一般同多個時間服務器連接， 利用統計學的算法過濾來自不同服務器的時間，以選擇最佳的路徑和來源來校正主機時間。即使主機在長時間無法與某一時間服務器相聯系的情況下，NTP服務依然有效運轉。 為防止對時間服務器的惡意破壞，NTP使用了識別(Authentication)機制，檢查來對時的信息是否是真正來自所宣稱的服務器并檢查資料的返回路徑，以提供對抗干擾的保護機制。

　　網絡校時協議（NTP）的實現

　　時間服務器可以利用以下三種方式與其他服務器對時：broadcast/multicastclient/serversymmetricbroadcast/multicast方式主要適用于局域網的環境，時間服務器周期性的以廣播的方式，將時間信息傳送給其他網路中的時間服務器，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的方式得一臺服務器可以從遠端時間服務器獲取時鐘，如果需要也可提供時間信息給遠端的時間服務器。此一方式適用于配置冗余的時間服務器，可以提供更高的精確度給主機。 client/server方式與symmetric方式比較相似，只是不提供給其他時間服務器時間信息，此方式適用于一臺時間服務器接收上層時間服務器的時間信息，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協議。每一個時間包內包含最近一次的事件的時間信息、包括上次事件的發送與接收時間、傳遞現在事件的當地時間、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。