GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的時(shí)間同步解決方案

GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的時(shí)間同步解決方案GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的時(shí)間同步解決方案boulifairy導(dǎo)語(yǔ)：隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速進(jìn)展，火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。這一方面為各把握和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析和應(yīng)用供給了更好的平臺(tái)、另一方面對(duì)各種實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)簽的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。前言隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速進(jìn)展，火電廠熱工數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。這一方面為各把握和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析和應(yīng)用供給了更好的平臺(tái)、另一方面對(duì)各種實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)簽的準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。使用價(jià)格并不昂貴的GPS同步時(shí)鐘來(lái)統(tǒng)一全廠各種系統(tǒng)的時(shí)鐘)、關(guān)心系統(tǒng))(SIS)(MIS)等的主時(shí)鐘通過(guò)適宜的GPSTOD(年月日時(shí)分秒)統(tǒng)內(nèi)的從時(shí)鐘偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)，進(jìn)而到達(dá)全廠的時(shí)鐘同步。一、GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)及輸出GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)部在197824顆衛(wèi)星運(yùn)行在6個(gè)地心軌道平面內(nèi)，依據(jù)時(shí)間和地點(diǎn)，地球上可見的411顆之間變化。GPS同步時(shí)鐘是一種承受GPS衛(wèi)星放射的低功率無(wú)線電信號(hào)，GPSGPS時(shí)間，GPS同步時(shí)鐘必需先接遭到至少4GPS衛(wèi)星的信號(hào)，計(jì)算出本人所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后，GPS同步時(shí)鐘只要接遭到1顆GPS衛(wèi)星信號(hào)就能保證時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確性。GPS同步時(shí)鐘的根本要求是：至少能同時(shí)跟蹤8顆衛(wèi)星，有盡可能短的冷、熱啟動(dòng)時(shí)間，配有后備電池，有高精度、可靈敏配置的時(shí)鐘輸出信號(hào)。GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)信號(hào)輸出目前，電廠用到的GPS同步時(shí)鐘輸出信號(hào)主要有下面三種類型：1.2.11PPS/1PPM輸出此格式時(shí)間信號(hào)每秒或每分時(shí)輸出一個(gè)脈沖。明顯，時(shí)鐘脈沖輸出不含具體時(shí)間信息。1.2.2IRIG-B輸出E、G、H幾種編碼標(biāo)準(zhǔn)(IRIGStandard200-98)。其中在時(shí)鐘同步應(yīng)用中使用最多的是IRIG-Bbc電平偏移(DC碼)、1kHz正弦載波調(diào)幅(AC碼)等格式。IRIG-B信號(hào)每秒輸出一幀(1fps)，每幀長(zhǎng)為一秒。一幀共有100個(gè)碼元(100pps)，每個(gè)碼元寬10ms，由不同正脈沖寬度的碼元來(lái)代表二進(jìn)制0、1和位置標(biāo)志位(P)。1.2.3RS-232/RS-422/RS-485輸出此時(shí)鐘輸出通過(guò)EIA標(biāo)準(zhǔn)串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時(shí)間報(bào)文，每秒輸出一次。時(shí)間報(bào)文中可插入奇偶校驗(yàn)、時(shí)鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無(wú)標(biāo)準(zhǔn)格式，電力自動(dòng)化系統(tǒng)GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)的應(yīng)用電力自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)有諸多需與GPS同步時(shí)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同步時(shí)鐘時(shí)應(yīng)留意下面幾點(diǎn)：(1)這些系統(tǒng)分屬熱控、電氣、系統(tǒng)專業(yè)，如打算由DCS廠商供給的GPS同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步(目前通常做法)，則在DCS合事先無(wú)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。)各系統(tǒng)能否共用一套GPS同步時(shí)鐘裝置，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘接口協(xié)作的難易程度、系統(tǒng)所在地理位置等綜合考慮。各專業(yè)如對(duì)GPS自配置GPS二可使各系統(tǒng)時(shí)鐘同步方案更易實(shí)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(shí)，為減少時(shí)鐘信號(hào)長(zhǎng)距離傳送時(shí)所受的電磁干擾，可以就地單設(shè)GPS同步時(shí)鐘。分設(shè)GPS同步時(shí)鐘也有利于減小時(shí)鐘故障所造成的影響。IRIG-B碼牢靠性高、接口標(biāo)準(zhǔn)，如時(shí)鐘同步接口可選時(shí)，可優(yōu)先承受。但要留意的是，IRIG-B只是B類編碼的總稱，CFSBS等又分成多種(如IRIG-B000等)，故時(shí)鐘接收側(cè)應(yīng)配置相應(yīng)的解碼卡，否則無(wú)法到達(dá)準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步。1PPS/1PPM脈沖并不傳送TOD故常用于SOERS-232時(shí)間輸出固然使用得較受雙方時(shí)鐘報(bào)文格式能否達(dá)成全都?；痣姀S內(nèi)的把握和信息系統(tǒng)雖已互連，但因各系統(tǒng)的時(shí)鐘同步協(xié)議可能不盡一樣，故仍需分別接入GPS同步時(shí)鐘信號(hào)。即便是通過(guò)網(wǎng)橋相連的機(jī)組DCS和公用DCS，假設(shè)時(shí)鐘同步信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)中有較大的時(shí)延，也應(yīng)考慮分別各自與GPS同步時(shí)鐘同步。二、西門子TELEPERMXP時(shí)鐘同步方式這里以西門子公司的TXPDCS內(nèi)部準(zhǔn)時(shí)鐘是怎樣同步的。TXP的電廠總線是以CSMA/CD(RTT)和一塊AS620和CP1430通訊/時(shí)鐘卡。正常狀況下，RTT作為TXP系統(tǒng)的主時(shí)鐘，當(dāng)其故約40s后，作為備用時(shí)鐘的CP1430將自動(dòng)予以替代(實(shí)際上ES6802塊)CP1430作為后備主時(shí)鐘)。RTT可自由運(yùn)行(freerunning)GPS同步時(shí)鐘通過(guò)TTY接口(20mA電流回路)GPS同步時(shí)鐘的同步有串行報(bào)文(32字節(jié)、9600波特、1個(gè)啟動(dòng)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)停頓位)和秒/分脈沖二種方式。RTT在網(wǎng)絡(luò)層生成并發(fā)送主時(shí)鐘對(duì)時(shí)報(bào)文，每隔10s向電廠總線發(fā)送一次。RTT發(fā)送時(shí)間報(bào)文最多等待1ms。如在1ms之內(nèi)無(wú)法將報(bào)文發(fā)到總線上，則取消本次時(shí)間報(bào)文的發(fā)送：如報(bào)文發(fā)送經(jīng)過(guò)被中斷，則馬上生成一個(gè)當(dāng)前時(shí)間的報(bào)文。時(shí)鐘報(bào)文具有一個(gè)多播地址和特別幀頭，日期為從1984.01.01至當(dāng)天的天數(shù)，時(shí)間為從當(dāng)天00：00：00，000hms10ms。OM650OM650Unix功能將時(shí)間傳送給終端總線上的SU、OT等。通常由一個(gè)PUOM650設(shè)備登錄為是境客戶。AS620APCP1430CP14306sAP對(duì)時(shí)。TXP時(shí)鐘的精度如下：從上述TXP時(shí)鐘同步方式準(zhǔn)時(shí)鐘精度能夠看出，TXP系統(tǒng)內(nèi)各進(jìn)鐘承受的是主從分級(jí)同步方式，即下級(jí)時(shí)鐘與上級(jí)時(shí)鐘同步，越是上一級(jí)的時(shí)鐘其精度越高。三、GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)準(zhǔn)時(shí)鐘同步誤差時(shí)鐘誤差眾所周知，計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘一般都承受石英晶體振蕩器。晶振體連續(xù)產(chǎn)生確定頻率的時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)器則對(duì)這些脈沖進(jìn)展累計(jì)得到時(shí)間值。由于時(shí)鐘振蕩器的脈沖受環(huán)境溫度、勻載電容、鼓舞電平以及晶體老化等多種不穩(wěn)定性因素的影響，故時(shí)鐘本身不行避開地存在著誤差。例如，某精度為20ppm)＝s，一天的累計(jì)誤差可達(dá)s5℃45℃，則還會(huì)增加25ppm的額外誤差?？梢?，DCS中的時(shí)鐘假設(shè)不經(jīng)定期同步校準(zhǔn)，其自由運(yùn)行一段時(shí)間后的誤差可到達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用所無(wú)法忍耐的程度。隨著晶振制造技術(shù)的進(jìn)展，目前在要求高精度時(shí)鐘的應(yīng)用中，TCXO(溫度補(bǔ)償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恒溫晶振)等。GPS同步時(shí)鐘系統(tǒng)同步誤差假設(shè)對(duì)類似于TXP的時(shí)鐘同步方式進(jìn)展分析，不難覺察時(shí)鐘在自上而下的同步經(jīng)過(guò)中產(chǎn)生的DCS確實(shí)定對(duì)時(shí)誤差可由下面三局部組成：GPS同步時(shí)鐘與衛(wèi)星放射的UTC(世界協(xié)調(diào)時(shí))的誤差這局部的誤差由GPS1PPS輸出，ns1s之間；對(duì)IRIG-B碼和RS-2321PPS0.3s0.2ms。DCSGPS同步時(shí)鐘的同步誤差DCS網(wǎng)絡(luò)上的主時(shí)鐘與GPS同步時(shí)鐘通過(guò)硬接線方式進(jìn)展同DCS某站點(diǎn)內(nèi)的時(shí)鐘同步卡承受GPS同步時(shí)鐘RS-232輸ASCII碼字節(jié)的發(fā)送延遲進(jìn)展補(bǔ)償，或?qū)RIG-B編碼承受碼元載波周期計(jì)數(shù)或高頻銷相的解碼卡，則主時(shí)鐘與GPS同步時(shí)鐘的同步精度可達(dá)很高的精度。DCS各站點(diǎn)主從時(shí)鐘的同步誤差DCS主時(shí)鐘與各站點(diǎn)從時(shí)鐘通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展同步，其間存在著時(shí)鐘報(bào)文的發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延。表如今：(1)在主時(shí)鐘端生成和發(fā)送時(shí)間報(bào)文時(shí)，內(nèi)核協(xié)議處理、操作系統(tǒng)對(duì)同步懇求的調(diào)用開銷、將時(shí)間報(bào)文送至網(wǎng)絡(luò)通信接口的時(shí)間等；(2)(對(duì)以太網(wǎng))，遇沖突還要重發(fā)；(3)過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò)媒介從主時(shí)鐘端傳送到子時(shí)鐘端(電磁波在光纖中的傳播速度為2/3DCS局域網(wǎng)而言，傳播時(shí)延為幾百ns，可無(wú)視不計(jì))；(4)在從時(shí)鐘端的網(wǎng)絡(luò)通信接口確認(rèn)是時(shí)間報(bào)文后，承受報(bào)文、記錄報(bào)文到達(dá)時(shí)間、發(fā)出中斷懇求、計(jì)算并校正從時(shí)鐘等也需要時(shí)間。這些時(shí)延或多或少地造成了DCS主從時(shí)鐘之間、從從時(shí)鐘之間的時(shí)間同步誤差。固然，不同網(wǎng)絡(luò)類型的DCS、不同的時(shí)鐘通信協(xié)議和同步算法，可使網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的同步精度各不一樣，上述分析只是基于一般原理上爭(zhēng)論。事實(shí)上，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)的不懈爭(zhēng)論，多種簡(jiǎn)潔但又高效、高準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步協(xié)議和算法相繼消滅并得到實(shí)際應(yīng)用。例如，互聯(lián)網(wǎng)上廣為承受的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NetworkTimeProtocol，NTP)在DCS局域網(wǎng)上已能供給1ms的對(duì)時(shí)精度(GEICS分散把握系統(tǒng))，而基于IEEE1588的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確時(shí)間協(xié)議(StandardPrecisionTimeProtocol，PTP)四、GPSSOE設(shè)計(jì)DCS的一般開關(guān)量掃描速率已達(dá)1msSOE區(qū)分率1ms的設(shè)計(jì)方法，馬上全部SOE點(diǎn)置于一個(gè)把握器之下，將大事觸發(fā)開關(guān)量信號(hào)以硬接線接入SOE把握器其時(shí)鐘存在著確定的誤差。關(guān)于這一點(diǎn)，西門子在描繪其TXP系統(tǒng)的FUNB模件分散配置的工程實(shí)際狀況來(lái)看，由于時(shí)鐘不能同步而無(wú)法做到1msSOE分辯率，更有甚至因msSOE大事記錄挨次的顛倒。SOE分散設(shè)計(jì)的要求(如設(shè)置了DCSSOESOE器的MFT、ETS的跳閘信號(hào)無(wú)需經(jīng)輸出再返至SOE模件就SOE等)SOE區(qū)分率呢?DCS產(chǎn)品的分析不難覺察，通常承受的方法就是將把握器或SOE模GPS同步時(shí)鐘信號(hào)同步。例如，在ABBSymphony中，SOEServerNode(一般設(shè)在公用DCS網(wǎng)上)的守時(shí)主模件(INTKM01)承受IRIG-BRS-485時(shí)鐘同步信號(hào)鏈接到各把握器(HCU)的SOE時(shí)間同步模件(LPD250A)，其板載硬件計(jì)時(shí)器時(shí)鐘可外接1PPM同步脈理單元(DPU4E)IRIG-B同步，使DPUDI點(diǎn)可同時(shí)用做M或B硬接線時(shí)鐘外同步，避開了DCS控時(shí)鐘之間的偏差保持在較小的范圍內(nèi)，故SOE點(diǎn)分散設(shè)計(jì)是可行的。由此可見，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合承受的DCS特點(diǎn)來(lái)確定SOE1ms的開關(guān)量掃描速率或1ms的把握器(SOE模件)時(shí)鐘相對(duì)誤差等同于1msSOE區(qū)分率，進(jìn)而簡(jiǎn)潔地將SOE點(diǎn)分散到系統(tǒng)各處。同時(shí)也應(yīng)看到，SOE點(diǎn)分散同集中相比，固然區(qū)分率有所降低，但只要時(shí)鐘相對(duì)誤差很小(如與1ms關(guān)一個(gè)數(shù)量級(jí))，還是完全能知足電廠事故分析實(shí)際需要的。五、完畢語(yǔ)目前火電廠各把握系統(tǒng)已不再是各自獨(dú)立的信息孤島，SISMIS，用于各種應(yīng)用中。因而，在設(shè)計(jì)中