GPS同步時鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的時間同步解決方案

GPS同步時鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的時間同步解決方案GPS同步時鐘系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的時間同步解決方案boulifairy導(dǎo)語：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、另一方面對各種實(shí)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。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)化的時代已經(jīng)到來。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、另一方面對各種實(shí)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同步時鐘來統(tǒng)一全廠各種系統(tǒng)的時鐘)、關(guān)心系統(tǒng))(SIS)(MIS)等的主時鐘通過適宜的GPSTOD(年月日時分秒)統(tǒng)內(nèi)的從時鐘偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)，進(jìn)而到達(dá)全廠的時鐘同步。一、GPS同步時鐘系統(tǒng)及輸出GPS同步時鐘系統(tǒng)部在197824顆衛(wèi)星運(yùn)行在6個地心軌道平面內(nèi)，依據(jù)時間和地點(diǎn)，地球上可見的411顆之間變化。GPS同步時鐘是一種承受GPS衛(wèi)星放射的低功率無線電信號，GPSGPS時間，GPS同步時鐘必需先接遭到至少4GPS衛(wèi)星的信號，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同步時鐘只要接遭到1顆GPS衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準(zhǔn)確性。GPS同步時鐘的根本要求是：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、可靈敏配置的時鐘輸出信號。GPS同步時鐘系統(tǒng)信號輸出目前，電廠用到的GPS同步時鐘輸出信號主要有下面三種類型：1.2.11PPS/1PPM輸出此格式時間信號每秒或每分時輸出一個脈沖。明顯，時鐘脈沖輸出不含具體時間信息。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)。1.2.3RS-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(bào)文，每秒輸出一次。時間報(bào)文中可插入奇偶校驗(yàn)、時鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無標(biāo)準(zhǔn)格式，電力自動化系統(tǒng)GPS同步時鐘系統(tǒng)的應(yīng)用電力自動化系統(tǒng)內(nèi)有諸多需與GPS同步時鐘同步的系統(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同步時鐘時應(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同步時鐘實(shí)現(xiàn)時間同步(目前通常做法)，則在DCS合事先無法確定有關(guān)要求，則相應(yīng)合同條款應(yīng)留有可調(diào)整的余地。)各系統(tǒng)能否共用一套GPS同步時鐘裝置，應(yīng)依據(jù)系統(tǒng)時鐘接口協(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GPS自配置GPS二可使各系統(tǒng)時鐘同步方案更易實(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，為減少時鐘信號長距離傳送時所受的電磁干擾，可以就地單設(shè)GPS同步時鐘。分設(shè)GPS同步時鐘也有利于減小時鐘故障所造成的影響。IRIG-B碼牢靠性高、接口標(biāo)準(zhǔn)，如時鐘同步接口可選時，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)，故時鐘接收側(cè)應(yīng)配置相應(yīng)的解碼卡，否則無法到達(dá)準(zhǔn)確的時鐘同步。1PPS/1PPM脈沖并不傳送TOD故常用于SOERS-232時間輸出固然使用得較受雙方時鐘報(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)的時鐘同步協(xié)議可能不盡一樣，故仍需分別接入GPS同步時鐘信號。即便是通過網(wǎng)橋相連的機(jī)組DCS和公用DCS，假設(shè)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同步時鐘同步。二、西門子TELEPERMXP時鐘同步方式這里以西門子公司的TXPDCS內(nèi)部準(zhǔn)時鐘是怎樣同步的。TXP的電廠總線是以CSMA/CD(RTT)和一塊AS620和CP1430通訊/時鐘卡。正常狀況下，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(shí)際上ES6802塊)CP1430作為后備主時鐘)。RTT可自由運(yùn)行(freerunning)GPS同步時鐘通過TTY接口(20mA電流回路)GPS同步時鐘的同步有串行報(bào)文(32字節(jié)、9600波特、1個啟動位、8個數(shù)據(jù)位、2個停頓位)和秒/分脈沖二種方式。RTT在網(wǎng)絡(luò)層生成并發(fā)送主時鐘對時報(bào)文，每隔10s向電廠總線發(fā)送一次。RTT發(fā)送時間報(bào)文最多等待1ms。如在1ms之內(nèi)無法將報(bào)文發(fā)到總線上，則取消本次時間報(bào)文的發(fā)送：如報(bào)文發(fā)送經(jīng)過被中斷，則馬上生成一個當(dāng)前時間的報(bào)文。時鐘報(bào)文具有一個多播地址和特別幀頭，日期為從1984.01.01至當(dāng)天的天數(shù)，時間為從當(dāng)天00：00：00，000hms10ms。OM650OM650Unix功能將時間傳送給終端總線上的SU、OT等。通常由一個PUOM650設(shè)備登錄為是境客戶。AS620APCP1430CP14306sAP對時。TXP時鐘的精度如下：從上述TXP時鐘同步方式準(zhǔn)時鐘精度能夠看出，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、GPS同步時鐘系統(tǒng)準(zhǔn)時鐘同步誤差時鐘誤差眾所周知，計(jì)算機(jī)的時鐘一般都承受石英晶體振蕩器。晶振體連續(xù)產(chǎn)生確定頻率的時鐘脈沖，計(jì)數(shù)器則對這些脈沖進(jìn)展累計(jì)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、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℃，則還會增加25ppm的額外誤差?？梢?，DCS中的時鐘假設(shè)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到達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用所無法忍耐的程度。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同步時鐘系統(tǒng)同步誤差假設(shè)對類似于TXP的時鐘同步方式進(jìn)展分析，不難覺察時鐘在自上而下的同步經(jīng)過中產(chǎn)生的DCS確實(shí)定對時誤差可由下面三局部組成：GPS同步時鐘與衛(wèi)星放射的UTC(世界協(xié)調(diào)時)的誤差這局部的誤差由GPS1PPS輸出，ns1s之間；對IRIG-B碼和RS-2321PPS0.3s0.2ms。DCSGPS同步時鐘的同步誤差DCS網(wǎng)絡(luò)上的主時鐘與GPS同步時鐘通過硬接線方式進(jìn)展同DCS某站點(diǎn)內(nèi)的時鐘同步卡承受GPS同步時鐘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，則主時鐘與GPS同步時鐘的同步精度可達(dá)很高的精度。DCS各站點(diǎn)主從時鐘的同步誤差DCS主時鐘與各站點(diǎn)從時鐘通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展同步，其間存在著時鐘報(bào)文的發(fā)送時延、傳播時延、處理時延。表如今：(1)在主時鐘端生成和發(fā)送時間報(bào)文時，內(nèi)核協(xié)議處理、操作系統(tǒng)對同步懇求的調(diào)用開銷、將時間報(bào)文送至網(wǎng)絡(luò)通信接口的時間等；(2)(對以太網(wǎng))，遇沖突還要重發(fā)；(3)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2/3DCS局域網(wǎng)而言，傳播時延為幾百ns，可無視不計(jì))；(4)在從時鐘端的網(wǎng)絡(luò)通信接口確認(rèn)是時間報(bào)文后，承受報(bào)文、記錄報(bào)文到達(dá)時間、發(fā)出中斷懇求、計(jì)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。固然，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一樣，上述分析只是基于一般原理上爭論。事實(shí)上，隨著人們對網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的不懈爭論，多種簡潔但又高效、高準(zhǔn)確的時鐘同步協(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)時間協(xié)議(NetworkTimeProtocol，NTP)在DCS局域網(wǎng)上已能供給1ms的對時精度(GEICS分散把握系統(tǒng))，而基于IEEE1588的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確時間協(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)置于一個把握器之下，將大事觸發(fā)開關(guān)量信號以硬接線接入SOE把握器其時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)際狀況來看，由于時鐘不能同步而無法做到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的跳閘信號無需經(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同步時鐘信號同步。例如，在ABBSymphony中，SOEServerNode(一般設(shè)在公用DCS網(wǎng)上)的守時主模件(INTKM01)承受IRIG-BRS-485時鐘同步信號鏈接到各把握器(HCU)的SOE時間同步模件(LPD250A)，其板載硬件計(jì)時器時鐘可外接1PPM同步脈理單元(DPU4E)IRIG-B同步，使DPUDI點(diǎn)可同時用做M或B硬接線時鐘外同步，避開了DCS控時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)來確定SOE1ms的開關(guān)量掃描速率或1ms的把握器(SOE模件)時鐘相對誤差等同于1msSOE區(qū)分率，進(jìn)而簡潔地將SOE點(diǎn)分散到系統(tǒng)各處。同時也應(yīng)看到，SOE點(diǎn)分散同集中相比，固然區(qū)分率有所降低，但只要時鐘相對誤差很小(如與1ms關(guān)一個數(shù)量級)，還是完全能知足電廠事故分析實(shí)際需要的。五、完畢語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