摘要：GPS就是全球定位係統（Global Position System），是美國利用新一代衛星組建的衛星導航係統
，由空間衛星、地麵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無條件使用於全球所有的民用領域，隨著時間的推移，GPS在電力係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於北極星核潛艇導航的子午衛星導航係統Transit，1964年研製成功，並逐步應用到其它軍事和民用目的。由於Transit衛星軌道低，受大氣影響大，定位精度受到限製，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1萬公裏的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，決定開發全球定位係統GPS。GPS於1986年發射第一顆衛星，原計劃1988年完成，但由於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，每秒鍾通過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
，隻能美國及其盟國軍事和授權的民用部門使用。

　　二、GPS在電力係統中的應用

　　相對於GPS的定位功能來說，GPS的定時功能在電力係統中的應用更加重要和普遍。電力係統中如微機保護及安全自動化係統
、遠動及微機監控係統、調度自動化係統

、故障錄波器、shigujiluyidengxuduozidonghuazhuangzhi，douxuyaoyigejingquedeshijianbiaozhun，erqiesuizhedianlixitongdefazhan，duishijianbiaozhundejingqueduyetichulegenggaodeyaoqiu。chuantongdedingshifangshiyouliangzhong：（1）電(dian)網(wang)調(tiao)度(du)中(zhong)心(xin)通(tong)過(guo)通(tong)信(xin)通(tong)道(dao)同(tong)步(bu)係(xi)統(tong)內(nei)各(ge)個(ge)電(dian)站(zhan)的(de)時(shi)鍾(zhong)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)需(xu)要(yao)專(zhuan)用(yong)的(de)通(tong)信(xin)通(tong)道(dao)，由(you)於(yu)從(cong)調(tiao)度(du)中(zhong)心(xin)到(dao)達(da)各(ge)個(ge)電(dian)站(zhan)的(de)距(ju)離(li)不(bu)一(yi)樣(yang)，通(tong)信(xin)延(yan)時(shi)也(ye)不(bu)一(yi)樣(yang)，因(yin)此(ci)隻(zhi)能(neng)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)時(shi)鍾(zhong)在(zai)毫(hao)秒(miao)級(ji)誤(wu)差(cha)的(de)水(shui)平(ping)；（2）利用廣播、電視
、天(tian)文(wen)台(tai)等(deng)的(de)無(wu)線(xian)報(bao)時(shi)信(xin)號(hao)，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)一(yi)般(ban)一(yi)個(ge)小(xiao)時(shi)報(bao)送(song)一(yi)次(ci)
，一(yi)個(ge)小(xiao)時(shi)內(nei)會(hui)積(ji)累(lei)較(jiao)大(da)的(de)誤(wu)差(cha)，同(tong)樣(yang)還(hai)由(you)於(yu)信(xin)號(hao)傳(chuan)播(bo)延(yan)時(shi)，時(shi)間(jian)誤(wu)差(cha)較(jiao)大(da)，很(hen)難(nan)達(da)到(dao)毫(hao)秒(miao)級(ji)，此(ci)外(wai)還(hai)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)電(dian)站(zhan)內(nei)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)影(ying)響(xiang)。

　　GPS為電力係統時鍾同步提供了新的技術保證。就算廣泛應用於民用的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同步電力係統的時鍾

，必將是電力係統主要的定時方式，同時也為電力係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係統

　　電力係統中的電壓和電流波形基本上是正弦波
，頻率
、幅(fu)值(zhi)和(he)相(xiang)角(jiao)是(shi)正(zheng)弦(xian)波(bo)的(de)三(san)個(ge)要(yao)素(su)，在(zai)同(tong)一(yi)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)，頻(pin)率(lv)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)，幅(fu)值(zhi)也(ye)很(hen)容(rong)易(yi)測(ce)量(liang)

，但(dan)相(xiang)角(jiao)測(ce)量(liang)確(que)是(shi)一(yi)個(ge)未(wei)解(jie)的(de)難(nan)題(ti)。相(xiang)角(jiao)測(ce)量(liang)的(de)主(zhu)要(yao)困(kun)難(nan)是(shi)同(tong)一(yi)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)各(ge)個(ge)電(dian)站(zhan)的(de)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)和(he)線(xian)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)相(xiang)角(jiao)必(bi)需(xu)是(shi)相(xiang)對(dui)於(yu)同(tong)一(yi)個(ge)時(shi)間(jian)標(biao)準(zhun)，傳(chuan)統(tong)的(de)定(ding)時(shi)方(fang)式(shi)誤(wu)差(cha)在(zai)1ms以上

，對於頻率為50Hz的係統來說
，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電力係統繼電保護和控製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裝置內的時鍾每秒鍾通過GPS接收機同步一次，一秒鍾間隔內由裝置內部的高穩定度晶振產生，這樣安裝在電力係統內不同電站的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，由於相角不能測量，電力係統的潮流分布隻能根據各個節點的電壓幅值、有(you)功(gong)功(gong)率(lv)和(he)無(wu)功(gong)功(gong)率(lv)
，以(yi)及(ji)當(dang)時(shi)的(de)網(wang)絡(luo)結(jie)構(gou)和(he)參(can)數(shu)
，建(jian)立(li)和(he)求(qiu)解(jie)非(fei)線(xian)性(xing)方(fang)程(cheng)來(lai)得(de)到(dao)，由(you)於(yu)解(jie)非(fei)線(xian)性(xing)方(fang)程(cheng)需(xu)要(yao)反(fan)複(fu)迭(die)代(dai)
，計(ji)算(suan)量(liang)大(da)
，計(ji)算(suan)時(shi)間(jian)長(chang)，因(yin)此(ci)得(de)不(bu)到(dao)實(shi)時(shi)的(de)潮(chao)流(liu)分(fen)布(bu)，調(tiao)度(du)員(yuan)隻(zhi)能(neng)根(gen)據(ju)經(jing)驗(yan)間(jian)接(jie)地(di)判(pan)別(bie)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)，電(dian)力(li)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)監(jian)控(kong)無(wu)法(fa)根(gen)據(ju)簡(jian)單(dan)的(de)相(xiang)角(jiao)條(tiao)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)。

　　新一代的動態安全監測係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，以便對電力係統進行穩態檢測、動態行為監測、穩定監測、故障分析等，有利於值班員對係統穩定性的判別，增強事故後幹預、防止事故擴大或連鎖發展的能力。

　　（二）故障測距

　　zaidianlixitongzhong，shudianxianlujingchangfashenggezhongguzhang
，youyuxianluhenchang，bingqiehenduoxianludixingfuza，xunzhaoguzhangdidianjiufeichangfeishifeilifeiqian。chuantongdeguzhangcejufangfaliyongdianyachuyidianliudedaozukang，ranhougenjuxianlucanshugujiguzhangjuli，youyuxianluguzhangdaduofeijinshuduanjie
，guoduzukangwufaqueding，yinciwuchahenda。

　　（三）雷電監測係統

　　雷(lei)電(dian)破(po)壞(huai)是(shi)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。盡(jin)管(guan)雷(lei)電(dian)是(shi)一(yi)種(zhong)隨(sui)機(ji)的(de)自(zi)然(ran)現(xian)象(xiang)
，但(dan)是(shi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)多(duo)年(nian)的(de)監(jian)測(ce)，得(de)到(dao)雷(lei)電(dian)活(huo)動(dong)的(de)統(tong)計(ji)規(gui)律(lv)，這(zhe)對(dui)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)規(gui)劃(hua)和(he)設(she)計(ji)
，減(jian)少(shao)雷(lei)害(hai)損(sun)失(shi)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。雷(lei)電(dian)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)由(you)中(zhong)心(xin)主(zhu)站(zhan)和(he)分(fen)布(bu)在(zai)不(bu)同(tong)位(wei)置(zhi)的(de)基(ji)站(zhan)組(zu)成(cheng)
，雷(lei)閃(shan)時(shi)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)波(bo)往(wang)空(kong)間(jian)的(de)各(ge)個(ge)方(fang)向(xiang)傳(chuan)播(bo)
，各(ge)個(ge)基(ji)站(zhan)測(ce)量(liang)接(jie)收(shou)到(dao)電(dian)磁(ci)波(bo)的(de)時(shi)間(jian)和(he)電(dian)磁(ci)波(bo)的(de)幅(fu)值(zhi)，並(bing)傳(chuan)送(song)達(da)中(zhong)心(xin)主(zhu)站(zhan)，中(zhong)心(xin)主(zhu)站(zhan)根(gen)據(ju)這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)就(jiu)可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)，雷(lei)閃(shan)的(de)位(wei)置(zhi)及(ji)雷(lei)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)。與(yu)故(gu)障(zhang)測(ce)距(ju)一(yi)樣(yang)

，雷(lei)電(dian)監(jian)測(ce)的(de)精(jing)度(du)主(zhu)要(yao)依(yi)賴(lai)於(yu)時(shi)間(jian)的(de)精(jing)度(du)
，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。差動保護由於其簡單、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，問題就在於“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。

　　daiyoutongdaodeshudianxianluzonglianbaohuzaichaogaoyashudianxianluzhongyouzhezhongyaodeyiyi。zhexiebaohushiyanshi，weilefenxibaohudexiaoguo，jiluxialaideliangduandedianyadianliuboxingjiubixuyouyigegongtongdeshijianbiaozhun
，yibaozhengshiyandetongbuxing。

　　三
、結論

　　隨著電力係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由於其高精度的定時功能，必將在電力係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鍾，天文台，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層的總數限製在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係統的基礎。

　　過濾算法選擇時間的最佳路徑和來源

　　計ji算suan機ji主zhu機ji一yi般ban同tong多duo個ge時shi間jian服fu務wu器qi連lian接jie
，利li用yong統tong計ji學xue的de算suan法fa過guo濾lv來lai自zi不bu同tong服fu務wu器qi的de時shi間jian包bao
，以yi選xuan擇ze最zui佳jia的de路lu徑jing和he來lai源yuan來lai校xiao正zheng主zhu機ji時shi間jian。即ji使shi主zhu機ji在zai長chang時shi間jian無wu法fa與yu某mou一yi時shi間jian服fu務wu器qi相xiang聯lian係xi的de情qing況kuang下xia
，NTP服務依然有效運轉。

　　識別機製抗幹擾和惡意破壞

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

　　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鍾源（如石英鍾，GPS等等)做同步化，它可以提供高精準度的時間校正（LAN上與標準間差小於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鍾

、天文台
、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層的總數限製在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係統的基礎。計算機主機一般同多個時間服務器連接， liyongtongjixuedesuanfaguolvlaizibutongfuwuqideshijian，yixuanzezuijiadelujinghelaiyuanlaixiaozhengzhujishijian。jishizhujizaichangshijianwufayumouyishijianfuwuqixianglianxideqingkuangxia，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)機製，檢查來對時的信息是否是真正來自所宣稱的服務器並檢查資料的返回路徑，以提供對抗幹擾的保護機製。

　　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(fang)式(shi)主(zhu)要(yao)適(shi)用(yong)於(yu)局(ju)域(yu)網(wang)的(de)環(huan)境(jing)，時(shi)間(jian)服(fu)務(wu)器(qi)周(zhou)期(qi)性(xing)的(de)以(yi)廣(guang)播(bo)的(de)方(fang)式(shi)，將(jiang)時(shi)間(jian)信(xin)息(xi)傳(chuan)送(song)給(gei)其(qi)他(ta)網(wang)路(lu)中(zhong)的(de)時(shi)間(jian)服(fu)務(wu)器(qi)
，其(qi)時(shi)間(jian)僅(jin)會(hui)有(you)少(shao)許(xu)的(de)延(yan)遲(chi)，而(er)且(qie)配(pei)置(zhi)非(fei)常(chang)的(de)簡(jian)單(dan)。但(dan)是(shi)此(ci)方(fang)式(shi)的(de)精(jing)確(que)度(du)並(bing)不(bu)高(gao)
，對(dui)時(shi)間(jian)精(jing)確(que)度(du)要(yao)求(qiu)不(bu)是(shi)很(hen)高(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)。symmetricdefangshideyitaifuwuqikeyicongyuanduanshijianfuwuqihuoqushizhong
，ruguoxuyaoyeketigongshijianxinxigeiyuanduandeshijianfuwuqi。ciyifangshishiyongyupeizhirongyudeshijianfuwuqi
，keyitigonggenggaodejingquedugeizhuji。 client/server方式與symmetricfangshibijiaoxiangsi，zhishibutigonggeiqitashijianfuwuqishijianxinxi
，cifangshishiyongyuyitaishijianfuwuqijieshoushangcengshijianfuwuqideshijianxinxi，bingtigongshijianxinxigeixiacengdeyonghu。shangshusanzhongfangshi，shijianxinxidechuanshudoushiyongUDP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(ji)此(ci)包(bao)的(de)接(jie)收(shou)時(shi)間(jian)。在(zai)收(shou)到(dao)上(shang)述(shu)包(bao)後(hou)即(ji)可(ke)計(ji)算(suan)出(chu)時(shi)間(jian)的(de)偏(pian)差(cha)量(liang)與(yu)傳(chuan)遞(di)資(zi)料(liao)的(de)時(shi)間(jian)延(yan)遲(chi)。時(shi)間(jian)服(fu)務(wu)器(qi)利(li)用(yong)一(yi)個(ge)過(guo)濾(lv)演(yan)算(suan)法(fa)，及(ji)先(xian)前(qian)八(ba)個(ge)校(xiao)時(shi)資(zi)料(liao)計(ji)算(suan)出(chu)時(shi)間(jian)參(can)考(kao)值(zhi)，判(pan)斷(duan)後(hou)續(xu)校(xiao)時(shi)包(bao)的(de)精(jing)確(que)性(xing)
，一(yi)個(ge)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)離(li)散(san)程(cheng)度(du)，表(biao)示(shi)一(yi)個(ge)對(dui)時(shi)資(zi)料(liao)的(de)可(ke)信(xin)度(du)比(bi)較(jiao)低(di)。僅(jin)從(cong)一(yi)個(ge)時(shi)間(jian)服(fu)務(wu)器(qi)獲(huo)得(de)校(xiao)時(shi)信(xin)息(xi)，不(bu)能(neng)校(xiao)正(zheng)通(tong)訊(xun)過(guo)程(cheng)所(suo)造(zao)成(cheng)的(de)時(shi)間(jian)偏(pian)差(cha)，而(er)同(tong)時(shi)與(yu)許(xu)多(duo)時(shi)間(jian)服(fu)務(wu)器(qi)通(tong)信(xin)校(xiao)時(shi)，就(jiu)可(ke)利(li)用(yong)過(guo)濾(lv)算(suan)法(fa)找(zhao)出(chu)相(xiang)對(dui)較(jiao)可(ke)靠(kao)的(de)時(shi)間(jian)來(lai)源(yuan)，然(ran)後(hou)采(cai)用(yong)它(ta)的(de)時(shi)間(jian)來(lai)校(xiao)時(shi)。