GPS衛(wèi)星同步時鐘（時間同步系統(tǒng)）在電力自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言
    隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，火電廠熱工自動化系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的時代已經(jīng)到來。這一方面為各控制和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析和應(yīng)用提供了更好的平臺、另一方面對各種實時和歷史數(shù)據(jù)時間標(biāo)簽的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。
    使用價格并不昂貴的GPS時鐘來統(tǒng)一全廠各種系統(tǒng)的時鐘，已是目前火電廠設(shè)計中采用的標(biāo)準(zhǔn)做法。電廠內(nèi)的機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)、輔助系統(tǒng)可編程控制器(PLC)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、電廠管理信息系統(tǒng)(MIS)等的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號接口，得到標(biāo)準(zhǔn)的TOD(年月日時分秒)時間，然后按各自的時鐘同步機(jī)制，將系統(tǒng)內(nèi)的從時鐘偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)，從而達(dá)到全廠的時鐘同步。
一、GPS時鐘及輸出
1.1 GPS時鐘
    全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)由一組美國國防部在1978年開始陸續(xù)發(fā)射的衛(wèi)星所組成，共有24顆衛(wèi)星運(yùn)行在6個地心軌道平面內(nèi)，根據(jù)時間和地點，地球上可見的衛(wèi)星數(shù)量一直在4顆至11顆之間變化。
    GPS時鐘是一種接受GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接受裝置。為獲得準(zhǔn)確的GPS時間，GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛(wèi)星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后，GPS時鐘只要接受到1顆GPS衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準(zhǔn)確性。
    作為火電廠的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，我們對GPS時鐘的基本要求是：至少能同時跟蹤8顆衛(wèi)星，有盡可能短的冷、熱啟動時間，配有后備電池，有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。
1.2 GPS時鐘信號輸出
    目前，電廠用到的GPS時鐘輸出信號主要有以下三種類型：
1.2.1 1PPS/1PPM輸出
    此格式時間信號每秒或每分時輸出一個脈沖。顯然，時鐘脈沖輸出不含具體時間信息。
1.2.2 IRIG-B輸出
    IRIG(美國the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)(IRIG Standard 200-98)。其中在時鐘同步應(yīng)用中使用最多的是IRIG-B編碼，有bc電平偏移(DC碼)、1kHz正弦載波調(diào)幅(AC碼)等格式。IRIG-B信號每秒輸出一幀(1fps)，每幀長為一秒。一幀共有100個碼元(100pps)，每個碼元寬10ms，由不同正脈沖寬度的碼元來代表二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)志位(P)，見圖1.2.2-1。
         
        
    為便于理解，圖1.2.2-2給出了某個IRIG-B時間幀的輸出例子。其中的秒、分、時、天(自當(dāng)年1月1日起天數(shù))用BCD碼表示，控制功能碼(Control Functions，CF)和標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制當(dāng)天秒數(shù)碼(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)則以一串二進(jìn)制“0”填充(CF和SBS可選用，本例未采用)。
1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485輸出
    此時鐘輸出通過EIA標(biāo)準(zhǔn)串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時間報文，每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗、時鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無標(biāo)準(zhǔn)格式，下圖為一個用17個字節(jié)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間的實例：
         
1.3 電力自動化系統(tǒng)GPS時鐘的應(yīng)用
    電力自動化系統(tǒng)內(nèi)有眾多需與GPS時鐘同步的系統(tǒng)或裝置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機(jī)保護(hù)裝置等。在確定GPS時鐘時應(yīng)注意以下幾點：
    (1)這些系統(tǒng)分屬熱控、電氣、系統(tǒng)專業(yè)，如決定由DCS廠商提供的GPS時鐘實現(xiàn)時間同步(目前通常做法)，則在DCS合同談判前，就應(yīng)進(jìn)行專業(yè)間的配合，確定時鐘信號接口的要求。(GPS時鐘一般可配置不同數(shù)量、型式的輸出模塊，如事先無法確定有關(guān)要求，則相應(yīng)合同條款應(yīng)留有可調(diào)整的余地。)
    (2)各系統(tǒng)是否共用一套GPS時鐘裝置，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)時鐘接口配合的難易程度、系統(tǒng)所在地理位置等綜合考慮。各專業(yè)如對GPS時鐘信號接口型式或精度要求相差較大時，可各自配置GPS時鐘，這樣一可減少專業(yè)間的相互牽制，二可使各系統(tǒng)時鐘同步方案更易實現(xiàn)。另外，當(dāng)系統(tǒng)之間相距較遠(yuǎn)(例如化水處理車間、脫硫車間遠(yuǎn)離集控樓)時，為減少時鐘信號長距離傳送時所受的電磁干擾，也可就地單設(shè)GPS時鐘。分設(shè)GPS時鐘也有利于減小時鐘故障所造成的影響。
    (3)IRIG-B碼可靠性高、接口規(guī)范，如時鐘同步接口可選時，可優(yōu)先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B類編碼的總稱，具體按編碼是否調(diào)制、有無CF和SBS等又分成多種(如IRIG-B000等)，故時鐘接收側(cè)應(yīng)配置相應(yīng)的解碼卡，否則無法達(dá)到準(zhǔn)確的時鐘同步。
    (4)1PPS/1PPM脈沖并不傳送TOD信息，但其同步精度較高，故常用于SOE模件的時鐘同步。RS-232時間輸出雖然使用得較多，但因無標(biāo)準(zhǔn)格式，設(shè)計中應(yīng)特別注意確認(rèn)時鐘信號授、受雙方時鐘報文格式能否達(dá)成一致。
    (5)火電廠內(nèi)的控制和信息系統(tǒng)雖已互連，但因各系統(tǒng)的時鐘同步協(xié)議可能不盡相同，故仍需分別接入GPS時鐘信號。即使是通過網(wǎng)橋相連的機(jī)組DCS和公用DCS，如果時鐘同步信號在網(wǎng)絡(luò)中有較大的時延，也應(yīng)考慮分別各自與GPS時鐘同步。
二、西門子TELEPERMXP時鐘同步方式
    這里以西門子公司的TXP系統(tǒng)為例，看一下DCS內(nèi)部及時鐘是如何同步的。
    
    TXP的電廠總線是以CSMA/CD為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)，在總線上有二個主時鐘：實時發(fā)送器(RTT)和一塊AS620和CP1430通訊/時鐘卡。正常情況下，RTT作為TXP系統(tǒng)的主時鐘，當(dāng)其故約40s后，作為備用時鐘的CP1430將自動予以替代(實際上在ES680上可組態(tài)2塊)CP1430作為后備主時鐘)。見圖2-1。
    RTT可自由運(yùn)行(free running)，也可與外部GPS時鐘通過TTY接口(20mA電流回路)同步。與GPS時鐘的同步有串行報文(長32字節(jié)、9600波特、1個啟動位、8個數(shù)據(jù)位、2個停止位)和秒/分脈沖二種方式。
    RTT在網(wǎng)絡(luò)層生成并發(fā)送主時鐘對時報文，每隔10s向電廠總線發(fā)送一次。RTT發(fā)送時間報文最多等待1ms。如在1ms之內(nèi)無法將報文發(fā)到總線上，則取消本次時間報文的發(fā)送：如報文發(fā)送過程被中斷，則立即生成一個當(dāng)前時間的報文。時鐘報文具有一個多播地址和特殊幀頭，日期為從1984.01.01至當(dāng)天的天數(shù)，時間為從當(dāng)天00：00：00，000h至當(dāng)前的ms值，分辨率為10ms。
    OM650從電廠總線上獲取時間報文。在OM650內(nèi)，使用Unix功能將時間傳送給終端總線上的SU、OT等。通常由一個PU作為時間服務(wù)器，其他OM650設(shè)備登錄為是境客戶。
    AS620的AP在啟動后，通過調(diào)用“同步”功能塊，自動與CP1430實現(xiàn)時鐘同步。然后CP1430每隔6s與AP對時。
    TXP時鐘的精度如下：
    
    從上述TXP時鐘同步方式及時鐘精度可以看出，TXP系統(tǒng)內(nèi)各進(jìn)鐘采用的是主從分級同步方式，即下級時鐘與上級時鐘同步，越是上一級的時鐘其精度越高。
三、時鐘及時鐘同步誤差
3.1 時鐘誤差
    眾所周知，計算機(jī)的時鐘一般都采用石英晶體振蕩器。晶振體連續(xù)產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖，計數(shù)器則對這些脈沖進(jìn)行累計得到時間值。由于時鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、勻載電容、激勵電平以及晶體老化等多種不穩(wěn)定性因素的影響，故時鐘本身不可避免地存在著誤差。例如，某精度為±20ppm的時鐘，其每小時的誤差為：(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)＝72ms，一天的累計誤差可達(dá)1.73s；若其工作的環(huán)境溫度從額定25℃變?yōu)?/span>45℃，則還會增加±25ppm的額外誤差。可見，DCS中的時鐘若不經(jīng)定期同步校準(zhǔn)，其自由運(yùn)行一段時間后的誤差可達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)用所無法忍受的程度。
    隨著晶振制造技術(shù)的發(fā)展，目前在要求高精度時鐘的應(yīng)用中，已有各種高穩(wěn)定性晶振體可供選用，如TCXO(溫度補(bǔ)償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等。
3.2 時鐘同步誤差
    如果對類似于TXP的時鐘同步方式進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)時鐘在自上而下的同步過程中產(chǎn)生的DCS的絕對對時誤差可由以下三部分組成：
3.2.1 GPS時鐘與衛(wèi)星發(fā)射的UTC(世界協(xié)調(diào)時)的誤差
    這部分的誤差由GPS時鐘的精度所決定。對1PPS輸出，以脈沖前沿為準(zhǔn)時沿，精度一般在幾十ns至1μs之間；對IRIG-B碼和RS-232串行輸出，如以中科院國家授時中心的地鐘產(chǎn)品為例，其同步精度以參考碼元前沿或起始相對于1PPS前沿的偏差計，分別達(dá)0.3μs和0.2ms。
3.2.2 DCS主時鐘與GPS時鐘的同步誤差
    DCS網(wǎng)絡(luò)上的主時鐘與GPS時鐘通過“硬接線”方式進(jìn)行同步。一般通過DCS某站點內(nèi)的時鐘同步卡接受GPS時鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間編碼、硬件。例如，如在接受端對RS-232輸出的ASCII碼字節(jié)的發(fā)送延遲進(jìn)行補(bǔ)償，或?qū)?/span>IRIG-B編碼采用碼元載波周期計數(shù)或高頻銷相的解碼卡，則主時鐘與GPS時鐘的同步精度可達(dá)很高的精度。
3.2.3 DCS各站點主從時鐘的同步誤差
    DCS主時鐘與各站點從時鐘通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，其間存在著時鐘報文的發(fā)送時延、傳播時延、處理時延。表現(xiàn)在：(1)在主時鐘端生成和發(fā)送時間報文時，內(nèi)核協(xié)議處理、操作系統(tǒng)對同步請求的調(diào)用開銷、將時間報文送至網(wǎng)絡(luò)通信接口的時間等；(2)在時間報文上網(wǎng)之前，還必須等待網(wǎng)絡(luò)空閑(對以太網(wǎng))，遇沖突還要重發(fā)；(3)時間報文上網(wǎng)后，需一定時間通過DCS網(wǎng)絡(luò)媒介從主時鐘端傳送到子時鐘端(電磁波在光纖中的傳播速度為2/3光速，對DCS局域網(wǎng)而言，傳播時延為幾百ns，可忽略不計)；(4)在從時鐘端的網(wǎng)絡(luò)通信接口確認(rèn)是時間報文后，接受報文、記錄報文到達(dá)時間、發(fā)出中斷請求、計算并校正從時鐘等也需要時間。這些時延或多或少地造成了DCS主從時鐘之間、從從時鐘之間的時間同步誤差。
    當(dāng)然，不同網(wǎng)絡(luò)類型的DCS、不同的時鐘通信協(xié)議和同步算法，可使網(wǎng)絡(luò)對時的同步精度各不相同，上述分析只是基于一般原理上探討。事實上，隨著人們對網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的不懈研究，多種復(fù)雜但又高效、高精確的時鐘同步協(xié)議和算法相繼出現(xiàn)并得到實際應(yīng)用。例如，互聯(lián)網(wǎng)上廣為采用的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)在DCS局域網(wǎng)上已能提供±1ms的對時精度(如GE的ICS分散控制系統(tǒng))，而基于IEEE1588的標(biāo)準(zhǔn)精確時間協(xié)議(Standard Precision Time Protocol，PTP)能使實時控制以太網(wǎng)上的主、從時鐘進(jìn)行亞微秒級同步。
四、時鐘精度與SOE設(shè)計
    雖然DCS的普通開關(guān)量掃描速率已達(dá)1ms，但為滿足SOE分辨率≤1ms的要求，很長一段時間內(nèi)，人們都一直都遵循這樣的設(shè)計方法，即將所有SOE點置于一個控制器之下，將事件觸發(fā)開關(guān)量信號以硬接線接入SOE模件，其原因就在于不同控制器其時鐘存在著一定的誤差。關(guān)于這一點，西門子在描述其TXP系統(tǒng)的FUN B模件分散配置的工程實際情況來看，由于時鐘不能同步而無法做到1ms SOE分辯率，更有甚至因時鐘相差近百ms，造成SOE事件記錄順序的顛倒。
    那么，如何既能滿足工程對于SOE分散設(shè)計的要求(如設(shè)置了公用DCS后，機(jī)組SOE與公用系SOE應(yīng)分開，或希望進(jìn)入控制器的MFT、ETS的跳閘信號無需經(jīng)輸出再返至SOE模件就能用于SOE等)，又不過分降低SOE分辨率呢?通過對DCS產(chǎn)品的分析不難發(fā)現(xiàn)，通常采用的辦法就是將控制器或SOE模件的時鐘直接與外部GPS時鐘信號同步。例如，在ABB Symphony中，SOEServerNode(一般設(shè)在公用DCS網(wǎng)上)的守時主模件(INTKM01)接受IRIG-B時間編碼，并將其產(chǎn)生的RS-485時鐘同步信號鏈接到各控制器(HCU)的SOE時間同步模件(LPD250A)，其板載硬件計時器時鐘可外接1PPM同步脈沖，每分鐘自動清零一次；再如，MAX1000＋PLUS的分散處理單元(DPU 4E)可與IRIG-B同步，使DPU的DI點可同時用做SOE，由于采用了1PPM或RS-485、IRIG-B硬接線時鐘“外同步”，避開了DCS時鐘經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同步目前精度還較差的問題，使各受控時鐘之間的偏差保持在較小的范圍內(nèi)，故SOE點分散設(shè)計是可行的。
    由此可見，在工程設(shè)計中應(yīng)結(jié)合采用的DCS特點來確定SOE的設(shè)計方案。不可將1ms的開關(guān)量掃描速率或1ms的控制器(或SOE模件)時鐘相對誤差等同于1ms的SOE分辨率，從而簡單地將SOE點分散到系統(tǒng)各處。同時也應(yīng)看到，SOE點“分散”同“集中”相比，雖然分辨率有所降低，但只要時鐘相對誤差很小(如與1ms關(guān)一個數(shù)量級)，還是完全能滿足電廠事故分析實際需要的。
五、結(jié)束語
5.1 目前火電廠各控制系統(tǒng)已不再是各自獨立的信息孤島，大量的實時數(shù)據(jù)需在不同地方打上時戳，然后送至SIS、MIS，用于各種應(yīng)用中。因此，在設(shè)計中應(yīng)仔細(xì)考慮各種系統(tǒng)的時鐘同步方案和需達(dá)到的時鐘同步精度。
5.2 在DCS設(shè)計中不僅要注意了解系統(tǒng)主、從時鐘的絕對對時精度，更應(yīng)重視時鐘之間的相對誤差。因為如要將SOE點分散設(shè)計的同時又不過分降低事件分辨率，其關(guān)鍵就在于各時鐘的偏差應(yīng)盡可能小。
5.3 完全有理由相信，隨著網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的不斷發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)各時鐘進(jìn)行高精度的同步將變得十分平常。今后電廠各系統(tǒng)的對時準(zhǔn)確性將大大提高，像SOE點分散設(shè)計這種基于高精確度時鐘的應(yīng)用將會不斷出現(xiàn)。