摘要：GPS就是全球定位系统（Global Position System），是美国利用新一代卫星组建的卫星导航系统，由空间卫星、地面监控站和用户接收机组成，全天候连续实时向用户提供高精确度的位置、速度和时间信息。1985年美国政府同意将GPS无条件使用于全球所有的民用领域，随着时间的推移，GPS在电力系统中的应用越来越大。

　　一、GPS概况

　　1959年，美国海军委托霍普金斯大学研究用于北极星核潜艇导航的子午卫星导航系统Transit，1964年研制成功，并逐步应用到其它军事和民用目的。由于Transit卫星轨道低，受大气影响大，定位精度受到限制，为此在20世纪60年代末，美国海军又提出了Timation方案，计划用高约1万公里的12-18颗卫星组成定位网，同时美国空军也提出了类似功能的621B计划，1973年美国国防部成立一个联合办公室，吸收了两个计划的优点，决定开发全球定位系统GPS。GPS于1986年发射第一颗卫星，原计划1988年完成，但由于挑战号航天飞机失事，直到1993年7月才部署完成。GPS由均匀分布在六条轨道上的24颗卫星（其中3颗备用）组成，在地球上的每一个位置均能接收到4-6颗卫星的信号，卫星绕地球一周12小时，每秒钟通过L1、L2两个波段发射三种伪随机码：C/A码（粗码）、P码（精码）和和Y码（加密的P码）。C/A码一次定位精度25m，多次定位精度8m，定时精度100nS，全世界都可以无偿使用；P码一次定位精度10m，多次定位精度可以达到厘米级，定时精度10nS，只能美国及其盟国军事和授权的民用部门使用。

　　二、GPS在电力系统中的应用

　　相对于GPS的定位功能来说，GPS的定时功能在电力系统中的应用更加重要和普遍。电力系统中如微机保护及安全自动化系统、远动及微机监控系统、调度自动化系统、故障录波器、事故记录仪等许多自动化装置，都需要一个精确的时间标准，而且随着电力系统的发展，对时间标准的精确度也提出了更高的要求。传统的定时方式有两种：（1）电网调度中心通过通信通道同步系统内各个电站的时钟，这种方式需要专用的通信通道，由于从调度中心到达各个电站的距离不一样，通信延时也不一样，因此只能保证系统时钟在毫秒级误差的水平；（2）利用广播、电视、天文台等的无线报时信号，这种方式一般一个小时报送一次，一个小时内会积累较大的误差，同样还由于信号传播延时，时间误差较大，很难达到毫秒级，此外还容易受到电站内的电磁干扰影响。

　　GPS为电力系统时钟同步提供了新的技术保证。就算广泛应用于民用的GPS粗码，理论上定时精度可以达到0.1微秒，现在市场上销售的接收机的定时精度都可以达到1微秒，远远超过了传统的定时方式。利用GPS同步电力系统的时钟，必将是电力系统主要的定时方式，同时也为电力系统的发展奠定了坚实的基础。

　　（一）相量测量和新一代的动态安全监测系统

　　电力系统中的电压和电流波形基本上是正弦波，频率、幅值和相角是正弦波的三个要素，在同一电力系统中，频率是相同的，幅值也很容易测量，但相角测量确是一个未解的难题。相角测量的主要困难是同一电力系统中各个电站的母线电压和线路电流的相角必需是相对于同一个时间标准，传统的定时方式误差在1ms以上，对于频率为50Hz的系统来说，1ms就相差18°，很明显这是不能接受的，GPS高精度的定时为相角测量提供了解决方案。在美国，IEEE电力系统继电保护和控制委员会设立了一个专业委员会H7，专门研究同步相量测量单元PMU（Phasor Measurement Unit）的规则和标准。PMU装置内的时钟每秒钟通过GPS接收机同步一次，一秒钟间隔内由装置内部的高稳定度晶振产生，这样安装在电力系统内不同电站的PMU采样时间误差在几个微秒之内，对应的相角误差不超过0.1°，可以满足相角测量的要求。

　　长期以来，由于相角不能测量，电力系统的潮流分布只能根据各个节点的电压幅值、有功功率和无功功率，以及当时的网络结构和参数，建立和求解非线性方程来得到，由于解非线性方程需要反复迭代，计算量大，计算时间长，因此得不到实时的潮流分布，调度员只能根据经验间接地判别系统的稳定性，电力系统的安全监控无法根据简单的相角条件来实现。

　　新一代的动态安全监测系统利用现代的通信技术，将分布在各个电站的PMU测量到的电压电流相量、有功无功、发电机的功角等信号传送到调度中心，由中央处理单元对这些信号进行处理，以便对电力系统进行稳态检测、动态行为监测、稳定监测、故障分析等，有利于值班员对系统稳定性的判别，增强事故后干预、防止事故扩大或连锁发展的能力。

　　（二）故障测距

　　在电力系统中，输电线路经常发生各种故障，由于线路很长，并且很多线路地形复杂，寻找故障地点就非常费时费力费钱。传统的故障测距方法利用电压除以电流得到阻抗，然后根据线路参数估计故障距离，由于线路故障大多非金属短接，过渡阻抗无法确定，因此误差很大。

　　（三）雷电监测系统

　　雷电破坏是电力系统故障的主要因素。尽管雷电是一种随机的自然现象，但是可以通过多年的监测，得到雷电活动的统计规律，这对电力系统规划和设计，减少雷害损失有着重要的意义。雷电监测系统由中心主站和分布在不同位置的基站组成，雷闪时产生电磁波往空间的各个方向传播，各个基站测量接收到电磁波的时间和电磁波的幅值，并传送达中心主站，中心主站根据这些信息就可以计算出，雷闪的位置及雷电流的大小。与故障测距一样，雷电监测的精度主要依赖于时间的精度，GPS的使用就是为了保证各个基站和中心主站有一个共同的时间标准。

　　（四）继电保护

　　GPS在继电保护中的用途有两个：线路差动保护和保护联合调试。

　　电流差动保护原理就是基尔霍夫电流定理：同一时刻流入某个节点或广义节点的电流的代数和为零。差动保护由于其简单、可靠和快速等特点，已经作为主保护广泛应用的母线、变压器和发电机等设备上，但是用在长距离的输电线路就比较困难，问题就在于“同一时刻”上，传统的定时方式很难保证线路两端设备采样时间的统一，GPS的出现为线路差动保护的发展和应用带来了新的契机。

　　带有通道的输电线路纵联保护在超高压输电线路中有着重要的意义。这些保护试验时，为了分析保护的效果，记录下来的两端的电压电流波形就必须有一个共同的时间标准，以保证试验的同步性。

　　三、结论

　　随着电力系统往大容量大网络的不断发展，以及自动化水平的不断提高，对统一标准时间提出了更高的要求。GPS由于其高精度的定时功能，必将在电力系统发挥更加广泛的应用。

　　网络时间协议（NTP）的特点

　　从UTC获取标准时间

　　网路校时协议，提供在互连的网路上提供校时服务和发送供给标准时间给计算机。目前已成为Internet上时间同步的标准协议。NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应是国际标准时间UTC。NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟，天文台，卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。

　　NTP服务器分层提供服务

　　时间按NTP服务器的等级传播。按照离外部UTC源的远近将所有服务器归入不同的Stratum（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形阶梯式的架构相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。

　　过滤算法选择时间的最佳路径和来源

　　计算机主机一般同多个时间服务器连接，利用统计学的算法过滤来自不同服务器的时间包，以选择最佳的路径和来源来校正主机时间。即使主机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下，NTP服务依然有效运转。

　　识别机制抗干扰和恶意破坏

　　为防止对时间服务器的恶意破坏，NTP使用了识别(Authentication)机制，检查来对时的信息是否是真正来自所宣称的服务器并检查资料的返回路径，以提供对抗干扰的保护机制。

　　网络时间协议（NTP）简介

　　NTP概念简介

　　Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等)做同步化，它可以提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可介由加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。

　　NTP如何工作

　　NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样就有了准确而可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传播。按照离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的Stratun（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接，而Stratum-1的时间服务器是整个系统的基础。计算机主机一般同多个时间服务器连接， 利用统计学的算法过滤来自不同服务器的时间，以选择最佳的路径和来源来校正主机时间。即使主机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下，NTP服务依然有效运转。 为防止对时间服务器的恶意破坏，NTP使用了识别(Authentication)机制，检查来对时的信息是否是真正来自所宣称的服务器并检查资料的返回路径，以提供对抗干扰的保护机制。

　　网络校时协议（NTP）的实现

　　时间服务器可以利用以下三种方式与其他服务器对时：broadcast/multicastclient/serversymmetricbroadcast/multicast方式主要适用于局域网的环境，时间服务器周期性的以广播的方式，将时间信息传送给其他网路中的时间服务器，其时间仅会有少许的延迟，而且配置非常的简单。但是此方式的精确度并不高，对时间精确度要求不是很高的情况下可以采用。symmetric的方式得一台服务器可以从远端时间服务器获取时钟，如果需要也可提供时间信息给远端的时间服务器。此一方式适用于配置冗余的时间服务器，可以提供更高的精确度给主机。 client/server方式与symmetric方式比较相似，只是不提供给其他时间服务器时间信息，此方式适用于一台时间服务器接收上层时间服务器的时间信息，并提供时间信息给下层的用户。上述三种方式，时间信息的传输都使用UDP协议。每一个时间包内包含最近一次的事件的时间信息、包括上次事件的发送与接收时间、传递现在事件的当地时间、及此包的接收时间。在收到上述包后即可计算出时间的偏差量与传递资料的时间延迟。时间服务器利用一个过滤演算法，及先前八个校时资料计算出时间参考值，判断后续校时包的精确性，一个相对较高的离散程度，表示一个对时资料的可信度比较低。仅从一个时间服务器获得校时信息，不能校正通讯过程所造成的时间偏差，而同时与许多时间服务器通信校时，就可利用过滤算法找出相对较可靠的时间来源，然后采用它的时间来校时。