Атомные часы

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

Атомные часы важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты. Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр, содержащих секунду в своём определении.

Содержание

Устройство часов [ править | править код ]

Часы состоят из нескольких частей:

квантовый дискриминатор, ,
комплекс электроники.

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, [2] 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10 −6 , например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около Δ ν / ν = 10 − 7 > . С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой ν o > постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии ν a , регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня Δ ν / ν = 10 − 14 > .

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов [3] .

Национальные центры стандартов частоты [ править | править код ]

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты [4] :

Национальный институт передовой промышленной науки и технологии ( англ. ) (AIST), Токио (Япония);
Федеральное физико-техническое агентство ( нем. ) (PTB), Брауншвейг (Германия);
Национальная лаборатория метрологии и испытаний ( фр. ) (LNE), Париж (Франция). (NPL), Лондон, Великобритания.

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева.

Типы атомных часов [ править | править код ]

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекулы водорода, йода, метана, оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки ( англ. ) — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна, в котором происходит уширение спектра до одной октавы.

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist ) разработали часы, действующие на одном атоме ртути [5] . При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США [6] . Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства) [7] [8] [9] [10] . В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность — 5 · 10 -11 за час, масса — 35 г, потребляемая мощность — 115 мВт [11] .

Читайте так же:

Регулировка клапанов змз 523

GPS: как работает инъекция времени NTP

Недавно я узнал о файле gps.conf в каталоге /system/etc/ . Похоже, что настройка значений NTP_SERVER на NTP сервера ближе к обычному местоположению улучшает TTFF.

Читая исходный код в классе LocationProvider , кажется, что в boot время извлекается из NTP сервера и «injected» в вычислениях. AFAIK каждый GPS sat имеет очень точные атомные часы, и каждый из них в созвездии синхронизирован с так называемым «GPS time». Как только приемник получает 4 или более спутников,он решает (некоторым методом) уравнение,в котором есть четыре неизвестных: x,y,z,b; где (x, y, z) — местоположение приемника, а b-разница во времени между внутренними часами приемника и (правильным) временем GPS. Как только он исправлен, часы приемника синхронизируются с правильным временем. (Пожалуйста, поправьте меня, если я ошибаюсь).

До сих пор у меня есть несколько вопросов относительно того, как работает инъекция времени NTP:

Время GPS-это примерно TAI (международное атомное время) плюс смещение. Однако эти два времени не зависят от вращения Земли. Учитывая, что NTP сервера возвращают UTC времени, можно ли вывести GPS времени из UTC времени?
Как получение NTP времени с более близкого сервера улучшает «quality» приближения времени GPS?
Предполагая, что у нас есть начальное значение времени GPS (каким-то образом выведенное из времени NTP), о чем идет речь? Является ли это значение времени правильным для решения уравнения только с x,y, z в качестве неизвестных? Если это так, то первое исправление также является лишь приближением, не так ли?
Как более качественное начальное приближение для времени GPS улучшает TTFF? Не потому ли, что при более низком качестве NTP раз первые исправления считаются неприемлемыми и отбрасываются?
Помогает ли наличие приблизительной начальной позиции получить следующее правильное исправление (например, прослушивание только подмножества SAT)?

3 ответа

gps точность синхронизации времени

у меня есть сервер времени GPS NTP, синхронизирующий мой PC. HOW могу ли я сравнить 1PPS приемника GPS с тактовым импульсом моего PC, чтобы увидеть, насколько точно он синхронизирован с временем GPS?(может быть, с помощью осциллографа!)

Насколько точен NTP для синхронизации времени набора серверов? Я пишу сервис, который требует набора серверов (некоторые действуют как клиенты, некоторые как серверы), синхронизированных с детализацией второго уровня. Мне интересно, является ли NTP лучшей вещью для использования, или есть что-то.

Ну, изучив немного википедии и некоторые другие источники, позвольте мне высказать несколько предположений.

Да, вы можете вывести GPS раз из UTC раз. Вам просто нужно знать смещение, которое передается каждые 15 секунд и меняется примерно раз в 18 месяцев. Источник: Википедия

NTP не дает вам точного времени. Он измеряет время, в течение которого сообщение передается от клиента к серверу, и время, в течение которого ответ передается от сервера к клиенту. Это время затем используется для расчета задержки соединения. Который затем применяется в качестве смещения к полученному времени. Это работает для симметричных маршрутов. Если маршруты асимметричны, возникает ошибка. Таким образом, чем ближе сервер, тем ниже вероятность и уровень асимметрии, тем меньше ошибка. Источник: Википедия снова

сигнал NTP не используется непосредственно для получения исправления GPS. Но для точного исправления вам нужны очень точные часы. Мы говорим о наносекундах. спутники GPS действительно передают текущее GPS время, но даже когда оно движется со скоростью света, существует некоторая задержка. GPS приемник не имеет возможности узнать, какова задержка, поэтому он должен аппроксимировать несколько принятых сигналов. С каждой полученной передачей часы становятся все более точными. Таким образом, чем больше у вас времени в начале, тем меньше сигналов времени вам нужно получить, чтобы иметь точные часы. Источник: Википедия

Ну, в значительной степени объяснено в 3. — чем меньше ошибка синхронизации, тем меньше сигналов требуется для аппроксимации правильного времени.

Я немного предполагаю здесь, но наличие приблизительного местоположения может помочь вам лучше приблизиться к расстоянию от спутника и, следовательно, задержке. (Не уверен, что это действительно используется.)

Я надеюсь, что в этом есть хоть какой-то смысл 😉

Мой ответ будет больше сосредоточен на стороне NTP вашего вопроса. Для GPS я изучил эту статью PDF, упомянутую в комментарии мирабилоса.

Согласно этому документу, для теплого запуска приемника GPS вам необходимо знать время в течение 20 секунд, положение в пределах 100 км, скорость в пределах 25 м/с и данные альманаха не старше нескольких недель. Вам все еще нужно загрузить эфемерные данные с каждого спутника, что занимает от 30 секунд до 3 минут в зависимости от типа приемника GPS.

Для горячего старта вам также нужны данные эфемериды (они действительны в течение 4 часов). Они также доступны через A-GPS (см. Ниже).

протокол NTP использует иерархию серверов, начиная с исходного источника времени — GPS, атомные часы, . Это называется источником stratum-0. NTP сервер, непосредственно подключенный к этому источнику, называется stratum-1. Сервер, использующий его в качестве вышестоящего сервера,-это stratum-2 и так далее. Вам нужно специальное настроенное оборудование для достижения ошибки менее 1 мс даже для серверов stratum-1 (из-за задержек прерываний CPU, задержек последовательного порта, изменений температурного генератора).

Читайте так же:

Двигатель 1gr регулировка клапанов

При нормальном HW в нормальной сети (например, не насыщенная ссылка DSL) вы можете достичь точности около 10 мс. Например , пул NTP считает свои серверы допустимыми и достаточно хорошими, если у них есть время с точностью до 100 мс. Точность времени от NTP зависит не от географического положения между вами и сервером NTP, а в большей степени от страты, качества этого сервера и того, насколько далеко сервер находится в зависимости от топологии сети.

Android телефоны обычно знают время с точностью не менее 1 секунды. Либо через периодическую синхронизацию времени по сети GSM, либо, если доступно соединение для передачи данных (wifi или сотовая связь), также через NTP.

Для упомянутого приложения FasterGPS — изменение вашего сервера NTP на лучший не поможет вам иметь более быстрый TTFF. Для этого вам нужно будет иметь время с точностью до наносекунд, что невозможно с помощью NTP. Только сам чип GPS способен отслеживать время с такой точностью. Что помогает на android иметь более быстрый TTFF, так это:

У вас уже есть хорошее время в течение 20 секунд на вашем телефоне android
Имея приблизительную возможность либо через Wifi, либо из сети GSM (в пределах нескольких километров на основе опор передачи)
Используя A-GPS — он загружает свежую копию альманаха и эфемерид для всех спутников GPS через Интернет, поэтому вам не нужно загружать ее со спутников GPS (что занимает 30 секунд для эфемерид и 15 минут для альманаха). С A-GPS вы можете использовать горячий старт и иметь TTFF менее 10 секунд.

Насколько точны часы GPS?

В моей компании у нас есть критические системы, которые требуют точного времени. Таким образом, у нас есть серверное устройство NTP с наружной антенной GPS, которая принимает время от спутников GPS. Мои вопросы таковы: Насколько точны часы времени? Стоит ли продолжать в том же духе или.

Используют ли устройства Android протокол сетевого времени (NTP) для синхронизации времени? В настройках моего устройства я вижу checkbox со следующим текстом синхронизировать с сетью, но я не знаю, используют ли они NTP. Мне это нужно для моей бакалаврской диссертации, для которой я использую.

Ян прав в своем комментарии, что ответы связаны с тем, как на самом деле работает приемник GPS. Приемник быстрее придет к решению, если у него есть более точная оценка смещения тактовой частоты приемника. Многие приемники реализуют итерационное решение, основанное на первоначальной оценке положения приемника и смещения тактовой частоты. Если эти оценки уже близки к истинному значению, то потребуется меньше итераций. Это только часть причины, по которой TTFF будет меньше. Есть и другие важные факторы. Если исходная оценка положения и времени хороша, то процесс поиска для получения спутниковых сигналов займет значительно меньше времени, поскольку приемник может вычислить, какие спутники должны быть видны, и он также может оценить приблизительный доплеровский сдвиг, испытываемый каждым из сигналов относительно системы отсчета приемника.

GPS Time Synchronization для вашего ПК

Сервер синхронизации времени GPS поставляется в виде антенны GPS и программного обеспечения NTP. Антенна передает спутниковые атомные часы на ПК с Windows. Программное обеспечение NTP позволяет вам превратить ваш компьютер в одноуровневый сервер, который обеспечивает синхронизированное время для небольшой сети других устройств.

В качестве обновления по сравнению с TS-400-GPS антенна TS-500-GPS отслеживает до 12 спутников для получения наиболее надежного сигнала и использует выходной сигнал в секунду (PPS) для повышения точности.

Антенна должна быть установлена снаружи, и в идеале с углом обзора 360 ° для лучшего сигнала. Максимальная длина кабеля 15 метров позволяет достичь идеального положения антенны. Степень защиты IP65 гарантирует надежность при любых погодных условиях.

Получая время от спутниковых атомных часов напрямую, вы наслаждаетесь точным временем без необходимости открывать порт в брандмауэре для другого источника времени, что делает сервер времени GPS безопасным решением.

Основные преимущества синхронизации времени GPS

Точный: получает сигнал времени от 12 спутников.
Безопасный: обеспечивает точное время из-за вашего брандмауэра.
Простота в использовании: может быть запущен в течение нескольких минут.
Надежность: трехлетняя гарантия, сертификация FCC и CE. Антенна GPS рассчитана на IP65.

Сигнал антенны: активный 12 — канальный GPS —
Источник питания: 85-260 В, 47-63 Гц
Протоколы: SNTP через программное обеспечение Time-Sync
Соединения: последовательный интерфейс RS232
Монтаж: антенна должна быть установлена снаружи, в идеале с обзором неба на 360 °.
Операционная система: Windows
Рабочая влажность: Макс. 85%
Рабочая температура: 0-50 ° C (32-122 ° F)
Точность сети: типично ± 20 мс
Точность сигнала (GPS): <1 мкс относительно GPS

Антенна TS-500-GPS с кабелем длиной 10 метров (максимально возможный: 15 метров)
Инструкция по эксплуатации
Кабель питания
CD с программным обеспечением NTP

Золотые и премиальные пакеты поддержки
Цифровые настенные часы
Дополнительные лицензии на программное обеспечение

GPS синхронизация времени

Антенна GPS и программное обеспечение NTP, которое превращает ваш компьютер с Windows в одноуровневый сервер, позволяющий синхронизировать небольшую сеть.

Синхронизация времени сети

Сервер времени GPS начального уровня, который получает сигнал от восьми спутников. Идеально подходит для установки времени для одной рабочей станции или небольшой сети.

Время синхронизации с NTP-сервером

Обладая автономными часами, NTP-сервер передает спутниковые атомные часы на ПК с Windows и другие сетевые устройства.

Сервер синхронизации времени

Сервер времени, идеально подходящий для небольших предприятий, оснащен стоечными часами и синхронизирует ваши устройства с сигналом времени GPS.

Сервер синхронизации времени

Получает сигнал времени от восьми спутников и доставляет его на ПК с Windows и другие устройства.

Синхронизация времени Ethernet

Радио антенна и программное обеспечение NTP для синхронизации времени на вашем ПК и сетевых устройствах.

Синхронизация времени сети

Поставляет радио атомное время в вашу сеть. Особенности автономных часов, которые отображают время и состояние сигнала.

Синхронизация сервера NTP

Радиоантенна и программное обеспечение NTP, которое поставляет безопасный и надежный сигнал времени на ваш компьютер.

Windows Server Time Sync

Rackmount сервер времени, который безопасно устанавливает время на ПК с Windows и сетевых устройствах. ЖК-экран отображает время и уровень сигнала.

Синхронизация времени NTP

Радио-сервер начального уровня. Идеально подходит для установки времени на одном ПК и безопасной синхронизации небольшой сети с другими устройствами.

Синхронизация времени на подстанциях

Государственные первичные атомные эталоны времени, которые являются хранителями самого понятия «секунда», обеспечивают отклонение частоты не более чем 10 -14 – 10 -15 , то есть ошибка в 1 секунду будет накапливаться на протяжении 30 миллионов лет. Разумеется, столь высокая точность не нужна в большинстве приложений, в том числе – в системах автоматизации подстанций (ПС). Но какая же точность требуется от систем времени, контролирующих работу ПС? Что стоит за сухими цифрами технических требований и насколько они оправданны? А самое главное, соответствуют ли им внутренние часы интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ) и позволяют ли они соотносить значения и события во времени настолько точно, насколько это необходимо для ведения режимов в реальном времени, анализа текущих процессов, регистрации аварий и учета электроэнергии? Статья посвящена требованиям к точности синхронизации часов электронного оборудования, работающего в автоматизированных системах управления подстанций.

ООО «Инженерный центр «Энергосервис», г. Архангельск

Согласно современным требованиям, предъявляемым к синхронизации времени в автоматизированных системах учета электроэнергии (АИИС КУЭ), синхронизация времени в приборах учета должна выполняться с точностью не хуже ±5 секунд в сутки. Такая точность вполне достаточна, так как не вызовет существенного искажения объема учтенной электроэнергии за расчетный период.

Читайте так же:

Ap3616m28 g1 регулировка тока

К автоматизированным системам управления подстанций (АСУ ТП) требования существенно строже: точность синхронизации устройств должна быть не хуже 1 мс – это необходимо для фиксации меток времени событий (изменение состояния коммутационных аппаратов, сигналов срабатывания защит и автоматики и пр.).

В сетях передачи данных АСУ ТП для синхронизации времени, как правило, используют протокол NTP (SNTP) или синхронизацию по выделенным линиям (PPS, IRIG).

Протокол сетевого времени NTP и его вариант SNTPv4 (Simple Network Time Protocol, RFC 4330) обеспечивает точность порядка 1–10 мс. Для большей части электронного оборудования этого достаточно, но гарантировать более высокую точность по протоколу NTP невозможно из-за непредсказуемых сетевых задержек.

На примере многофункционального измерительного преобразователя ЭНИП-2, разработанного специалистами ООО «Инженерный центр „Энергосервис“», проверим, насколько точно синхронизируются устройства по SNTP. Для этого соберем схему, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Схема измерения точности синхронизации времени измерительного преобразователя ЭНИП-2 с помощью блока коррекции времени ЭНКС-2

ЭНИП‑2 синхронизируется по сети от блока коррекции времени ЭНКС-2. Одновременно выход PPS блока коррекции времени ЭНКС‑2 через транзисторный ключ подключается к дискретному входу синхронизируемого ЭНИП‑2.

Оценка точности синхронизации ЭНИП‑2 определяется по присвоенной метке времени срабатывания дискретного входа от PPS. Фронт сигнала PPS составляет 500 мс. Результат опыта фиксируется по данным в журнале событий дискретных сигналов ЭНИП‑2 (рис. 2), который показывает, что незагруженная локальная сеть и протокол SNTP вполне уверенно обеспечивают точность не хуже 1 мс.

Рис. 2. Оценка точности синхронизации ЭНИП-2 по меткам времени в журнале событий

Устройства ЦПС, являющиеся публикаторами Sampled Values (СТО 56947007-29.240.10.265-2019 «Общие требования к метрологическому контролю измерительных каналов ЦПС») и образующие шину процесса, должны быть синхронизированы с точностью в 1 мкс. Устройства синхронизированных векторных измерений, входящие в состав СМПР, также должны быть синхронизированы с точностью 1 мкс (СТО 59012820.29.020.011-2016 «Релейная защита и автоматика. Устройства синхронизированных векторных измерений. Нормы и требования»).

Для достижения точности синхронизации с точностью в 1 мкс обычно используют выделенные каналы (IEC 61869-9, п. 6.904.1) по протоколам IRIG и сигналам PPS. Однако стандарт IEC/IEEE 61850-9-3 предлагает более эффективный и удобный способ синхронизации вышеуказанных систем – синхронизацию времени по сети Ethernet c применением протокола PTPv2 (IEEE 1588-2008).

В сети с поддержкой PTPv2 принята топология ведущего и ведомых устройств, где подчиненные часы синхронизируются с главными, гроссмейстерскими, часами (рис. 3). Гроссмейстерские часы, как правило, синхронизируются от приемников GPS/ГЛОНАСС. Протокол PTPv2 дает возможность точно учитывать задержку распространения пакетов в сети Ethernet. Для этого при построении сети применяются Ethernet-коммутаторы с поддержкой PTP, так называемые прозрачные часы, которые учитывают задержку времени на передачу PTP-пакета далее по маршруту, изменяя при этом содержимое пакета.

Рис. 3. Пример локальной сети с синхронизацией часов устройств (IED) по PTPv2

Для PTPv2 разработаны различные профили. Профиль для электроэнергетики (Power Profile) первоначально был описан в документе IEEE C37.238-2011. Впоследствии профиль Power Profile Utility был представлен в IEC/IEEE 61850-9-3:2016. Текущая редакция профиля Power Profile для электроэнергетики описана в стандарте IEEE C37.238-2017, который решает проблемы совместимости первой редакции Power Profile с Power Profile Utility.

Таким образом, применение PTPv2 для синхронизации устройств в сети связано и с правильным проектированием (количество коммутаторов, топология, количество гроссмейстерских часов и т. д.), и с корректностью настроек устройств (выбор профиля или настройка конкретных параметров). Только в этом случае гарантирована точность не хуже ±1 мкс.

Теперь попробуем разобраться, отчего на цифровой подстанции так важна точность не хуже 1 мкс и как можно проверить такую точность синхронизации времени в оконечном устройстве.

Предварительно выскажем мнение: в случае с преобразователями аналоговых сигналов возможна только косвенная оценка – по погрешности измерения абсолютного угла. Обычно представление о том, что система синхронизации работает в соответствии с нормативными требованиями, основано на параметрах применяемого источника синхронизации. То есть пользователь имеет сертифицированный источник времени (средство измерения), но фактически оценить точность синхронизации времени в устройствах способен лишь косвенно и часто без возможности получить конкретные цифры.

В свою очередь, PTP позволяет проверить работу системы синхронизации и связанной с ней сетевой инфраструктуры, для чего применяются эталонные приемники протокола PTPv2 с выходами PPS. Но об этом чуть позже.

Для начала определим, какие погрешности могут возникнуть при проблемах с определением времени выборки (sampled values – SV). Например, для SV256 замена значения выборки на соседнюю в случайном порядке дает погрешность по RMS до 0,25 %. Это равнозначно отклонению времени измерений на величину от –78,125 до +78,125 мкс.

Такое поведение средства измерения оказало бы заметное влияние на амплитуду гармоник высокого порядка. Однако здесь мы описали чисто теоретическую ситуацию, а фактически если измерения начнут отставать из-за точности синхронизации, то выборки будут сдвигаться все вместе (то есть измеренные значения будут сдвинуты относительно реальной кривой оцифрованного сигнала на одинаковое время).

Читайте так же:

Как регулировка тнвд ямз 238

Традиционные электромагнитные трансформаторы тока и напряжения подключены непосредственно к измерительным приборам (терминалам, IED), измерительная информация от ТТ и ТН поступает в реальном времени процесса. На цифровой подстанции измерительная информация передается только в цифровом виде, а значит, чтобы сопоставить полученные SV от разных ПАС, необходимо как минимум синхронизировать их внутренние часы (привязать к одной системе отсчета, например к всемирному координированному времени UTC). В ПАС необходимо запускать АЦП в моменты времени, строго соответствующие выбранному значению SV, а затем маркировать измерения (SmpCnt). В таком случае ПАС будут делать выборки в условно одинаковые моменты времени (с погрешностью синхронизации). Однако передаваемые выборки доставляются до подписчиков SV с задержками, определяемыми быстродействием ПАС, характеристиками и режимом работы локальной сети. Устройства, подписанные на SV, упорядочивают полученные значения по значению SmpCnt, тем самым «восстанавливают» во времени кривые сигналов относительно друг друга. Ошибка синхронизации времени ПАС в 1 мкс соответствует абсолютной погрешности, равной 1,08 угловой минуты.

Таким образом, точность синхронизации времени в устройствах ПАС напрямую влияет на их угловую погрешность, от которой в свою очередь зависит измерение мощности, учет электроэнергии, точность векторных измерений в устройствах – подписчиках SV.

Стандарт IEC 61869-9 требует, чтобы при потере синхронизации времени поток SV выдавался с точностью 1 мкс в течение 5 секунд. Переход с одних гроссмейстерских часов на другие, как правило, занимает не более 3 секунд (3 интервала announce frame), а значит, во время смены источника синхронизации качество потока Sampled Values не должно изменяться.

Заметим, что точность в 1 мкс исключительно важна именно для публикаторов SV, а для приемников SV (счетчики, устройства контроля параметров качества, РЗА, РАС) допустима синхронизации с точностью 1 мс (например, NTP), поскольку сам поток SV уже несет информацию о времени в пределах 1 секунды (SmpCnt).

Исходя из сказанного выше, логично утверждать, что в процессе наладки и сдачи в эксплуатацию цифровой подстанции следует уделять особое внимание проверке системы синхронизации времени. Для этого на исследуемом участке сети (например, на самом удаленном, который находится за максимальным количеством коммутаторов от гроссмейстерских часов) необходимо принять сигнал PTP и сравнить с эталонным значением всемирного координированного времени:
— используя эталонное устройство с приемником GPS/ГЛОНАСС, которое также может принять PTP-сигнал и определить погрешность синхронизации;
— используя эталонное устройство с приемником GPS/ГЛОНАСС и импульсным выходом (PPS), преобразователь сигналов PTP в PPS и осциллограф для сравнения двух сигналов PPS (рис. 4).

Рис. 4. Тестирование сети сравнением сигналов PPS

Если точность синхронизации в результате проверки окажется не хуже 1 мкс, значит, можно сделать вывод, что сеть организована и настроена правильно. Если в дальнейшем сеть не будет перестроена, то можно допустить, что со временем точность синхронизации не изменится.

Заметим, что источники SV – ПАС, как правило, не имеют выхода PPS, поэтому определить погрешность синхронизации в этих устройствах напрямую невозможно. Обратимся к стандарту на устройства сопряжения IEC 61869-13, который в п. 5.6 поясняет: «Требования к точности SAMU (ПАС) напрямую включают все погрешности, связанные с синхронизацией времени». То есть угловая погрешность напрямую зависит от погрешности синхронизации времени, и, следовательно, судить о точности синхронизации устройства можно только косвенно – по угловой погрешности.

Стандарт IEC 61869-13 устанавливает различные классы точности для измерительных каналов тока и напряжения. Например, для такого распространенного класса точности, как 0,2, по угловой погрешности напряжения требуется уложиться в 10 угловых минут. Это значение включает и возможную погрешность синхронизации, которая при требовании к точности синхронизации 1 мкс (1,08 угловой минуты) составляет 1,08 % от общей погрешности.

Для чрезвычайно точного класса 0,05, которому в настоящее время могут соответствовать только лабораторные установки, это уже 2,5 угловой минуты. Доля погрешности синхронизации для класса 0,05 составит уже 43,2 % от общей погрешности. Учитывая, что серийное измерительное устройство необходимо поверять, то есть должен существовать эталонный генератор аналогового сигнала с точностью выше в несколько раз, чем поверяемое устройство, выпуск измерительных устройств с классом точности 0,05 представляет собой экономически неоправданную задачу. Перейти на класс 0,05 способно помочь в том числе и повышение точности синхронизации, что в свою очередь может дать больший запас по погрешности на измерения.

В заключение сделаем следующие выводы:
— синхронизация времени чрезвычайно важна для обеспечения точности измерения на цифровых подстанциях;
— оценка точности системы синхронизации времени может быть осуществлена с помощью эталонных приемников сигналов синхронизации с импульсными выходами и должна проводиться в рамках приемо-сдаточных испытаний системы.

голоса

Рейтинг статьи

Атомные часы