GPS授時系統

隨著計算機和網路通信技術的飛速發展，火電廠熱工自動化系統數字化、網路化的時代已經到來。這一方面為各控制和信息系統之間的數據交換、分析和應用提供了更好的平台、另一方面對各種實時和歷史數據時間標籤的準確性也提出了更高的要求。

使用價格並不昂貴的GPS時鐘來統一全廠各種系統的時鐘，已是目前火電廠設計中採用的標準做法。電廠內的機組分散控制系統(DCS)、輔助系統可編程式控制制器(PLC)、廠級監控信息系統(SIS)、電廠管理信息系統(MIS)等的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號介面，得到標準的TOD(年月日時分秒)時間，然後按各自的時鐘同步機制，將系統內的從時鐘偏差限定在足夠小的範圍內，從而達到全廠的時鐘同步。

一、GPS時鐘及輸出

1.1 GPS時鐘

全球定位系統(Global Positioning System，GPS)由一組美國國防部在1978年開始陸續發射的衛星所組成，共有24顆衛星運行在6個地心軌道平面內，根據時間和地點，地球上可見的衛星數量一直在4顆至11顆之間變化。

GPS時鐘是一種接受GPS衛星發射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接受裝置。為獲得準確的GPS時間，GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經得出具體位置后，GPS時鐘只要接受到1顆GPS衛星信號就能保證時鐘的走時準確性。

作為火電廠的標準時鐘，我們對GPS時鐘的基本要求是：至少能同時跟蹤8顆衛星，有儘可能短的冷、熱啟動時間，配有後備電池，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衝。顯然，時鐘脈衝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幾種編碼標準(IRIG Standard 200-98)。其中在時鐘同步應用中使用最多的是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，由不同正脈衝寬度的碼元來代表二進位0、1和位置標誌位(P)，見圖1.2.2-1。

為便於理解，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(自當年1月1日起天數)用BCD碼表示，控制功能碼(Control Functions，CF)和標準二進位當天秒數碼(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)則以一串二進位“0”填充(CF和SBS可選用，本例未採用)。

1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485輸出

此時鐘輸出通過EIA標準串列介面發送一串以ASCII碼錶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、診斷信息等。此輸出目前無標準格式，下圖為一個用17個位元組發送標準時間的實例：

1.3電力自動化系統GPS時鐘的應用

電力自動化系統內有眾多需與GPS時鐘同步的系統或裝置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機保護裝置等。在確定GPS時鐘時應注意以下幾點：

時間同步(目前通常做法)，則在DCS合同談判前，就應進行專業間的配合，確定時鐘信號介面的要求。(GPS時鐘一般可配置不同數量、型式的輸出模塊，如事先無法確定有關要求，則相應合同條款應留有可調整的餘地。)

系統時鐘介面配合的難易程度、系統所在地理位置等綜合考慮。各專業如對GPS時鐘信號介面型式或精度要求相差較大時，可各自配置GPS時鐘，這樣一可減少專業間的相互牽制，二可使各系統時鐘同步方案更易實現。另外，當系統之間相距較遠(例如化水處理車間、脫硫車間遠離集控樓)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GPS時鐘。分設GPS時鐘也有利於減小時鐘故障所造成的影響。

時鐘同步介面可選時，可優先採用。但要注意的是，IRIG-B只是B類編碼的總稱，具體按編碼是否調製、有無CF和SBS等又分成多種(如IRIG-B000等)，故時鐘接收側應配置相應的解碼卡，否則無法達到準確的時鐘同步。

時鐘同步。RS-232時間輸出雖然使用得較多，但因無標準格式，設計中應特別注意確認時鐘信號授、受雙方時鐘報文格式能否達成一致。

時鐘同步信號在網路中有較大的時延，也應考慮分別各自與GPS時鐘同步。

TELEPERMXP時鐘同步方式

這裡以西門子公司的TXP系統為例，看一下DCS內部及時鐘是如何同步的。

TXP的電廠匯流排是以CSMA/CD為基礎的乙太網，在匯流排上有二個主時鐘：實時發送器(RTT)和一塊AS620和CP1430通訊/時鐘卡。正常情況下，RTT作為TXP系統的主時鐘，當其故約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2塊)CP1430作為後備主時鐘)。見圖2-1。

RTT可自由運行(free running)，也可與外部GPS時鐘通過TTY介面(20mA電流迴路)同步。與GPS時鐘的同步有串列報文(長32位元組、9600波特、1個啟動位、8個數據位、2個停止位)和秒/分脈衝二種方式。

RTT在網路層生成併發送主時鐘對時報文，每隔10s向電廠匯流排發送一次。RTT發送時間報文最多等待1ms。如在1ms之內無法將報文發到匯流排上，則取消本次時間報文的發送：如報文發送過程被中斷，則立即生成一個當前時間的報文。時鐘報文具有一個多播地址和特殊幀頭，日期為從1984.01.01至當天的天數，時間為從當天00：00：00，000h至當前的ms值，解析度為10ms。

OM650從電廠匯流排上獲取時間報文。在OM650內，使用Unix功能將時間傳送給終端匯流排上的SU、OT等。通常由一個PU作為時間伺服器，其他OM650設備登錄為是境客戶。

AS620的AP在啟動后，通過調用“同步”功能塊，自動與CP1430實現時鐘同步。然後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系統內各進鍾採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，計算機的時鐘一般都採用石英晶體振蕩器。晶振體連續產生一定頻率的時鐘脈衝，計數器則對這些脈衝進行累計得到時間值。由於時鐘振蕩器的脈衝受環境溫度、勻載電容、激勵電平以及晶體老化等多種不穩定性因素的影響，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1.73s；若其工作的環境溫度從額定25℃變為45℃，則還會增加±25ppm的額外誤差。可見，DCS中的時鐘若不經定期同步校準，其自由運行一段時間后的誤差可達到系統應用所無法忍受的程度。

隨著晶振製造技術的發展，目前在要求高精度時鐘的應用中，已有各種高穩定性晶振體可供選用，如TCXO(溫度補償晶振)、VCXO(壓控晶振)、OCXO(恆溫晶振)等。

3.2時鐘同步誤差

如果對類似於TXP的時鐘同步方式進行分析，不難發現時鐘在自上而下的同步過程中產生的DCS的絕對對時誤差可由以下三部分組成：

3.2.1 GPS時鐘與衛星發射的UTC(世界協調時)的誤差

這部分的誤差由GPS時鐘的精度所決定。對1PPS輸出，以脈衝前沿為準時沿，精度一般在幾十ns至1μs之間；對IRIG-B碼和RS-232串列輸出，如以中科院國家授時中心的地鍾產品為例，其同步精度以參考碼元前沿或起始相對於1PPS前沿的偏差計，分別達0.3μs和0.2ms。

3.2.2 DCS主時鐘與GPS時鐘的同步誤差

DCS網路上的主時鐘與GPS時鐘通過“硬接線”方式進行同步。一般通過DCS某站點內的時鐘同步卡接受GPS時鐘輸出的標準時間編碼、硬體。例如，如在接受端對RS-232輸出的ASCII碼位元組的發送延遲進行補償，或對IRIG-B編碼採用碼元載波周期計數或高頻銷相的解碼卡，則主時鐘與GPS時鐘的同步精度可達很高的精度。

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路進行同步，其間存在著時鐘報文的發送時延、傳播時延、處理時延。表現在：(1)在主時鐘端生成和發送時間報文時，內核協議處理、操作系統對同步請求的調用開銷、將時間報文送至網路通信介面的時間等；(2)在時間報文上網之前，還必須等待網路空閑(對乙太網)，遇衝突還要重發；(3)時間報文上網后，需一定時間通過DCS網路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區域網而言，傳播時延為幾百ns，可忽略不計)；(4)在從時鐘端的網路通信介面確認是時間報文後，接受報文、記錄報文到達時間、發出中斷請求、計算並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。

當然，不同網路類型的DCS、不同的時鐘通信協議和同步演演算法，可使網路對時的同步精度各不相同，上述分析只是基於一般原理上探討。事實上，隨著人們對網路時鐘同步技術的不懈研究，多種複雜但又高效、高精確的時鐘同步協議和演演算法相繼出現並得到實際應用。例如，網際網路上廣為採用的網路時間協議(Network Time Protocol，NTP)在DCS區域網上已能提供±1ms的對時精度(如GE的ICS分散控制系統)，而基於IEEE1588的標準精確時間協議(Standard Precision Time Protocol，PTP)能使實時控制乙太網上的主、從時鐘進行亞微秒級同步。

四、時鐘精度與SOE設計

雖然DCS的普通開關量掃描速率已達1ms，但為滿足SOE解析度≤1ms的要求，很長一段時間內，人們都一直都遵循這樣的設計方法，即將所有SOE點置於一個控制器之下，將事件觸發開關量信號以硬接線接入SOE模件，其原因就在於不同控制器其時鐘存在著一定的誤差。關於這一點，西門子在描述其TXP系統的FUN B模件分散配置的工程實際情況來看，由於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。

那麼，如何既能滿足工程對於SOE分散設計的要求(如設置了公用DCS后，機組SOE與公用系SOE應分開，或希望進入控制器的MFT、ETS的跳閘信號無需經輸出再返至SOE模件就能用於SOE等)，又不過分降低SOE解析度呢？通過對DCS產品的分析不難發現，通常採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(一般設在公用DCS網上)的守時主模件(INTKM01)接受IRIG-B時間編碼，並將其產生的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)，其板載硬體計時器時鐘可外接1PPM同步脈衝，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，由於採用了1PPM或RS-485、IRIG-B硬接線時鐘“外同步”，避開了DCS時鐘經網路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範圍內，故SOE點分散設計是可行的。

由此可見，在工程設計中應結合採用的DCS特點來確定SOE的設計方案。不可將1ms的開關量掃描速率或1ms的控制器(或SOE模件)時鐘相對誤差等同於1ms的SOE解析度，從而簡單地將SOE點分散到系統各處。同時也應看到，SOE點“分散”同“集中”相比，雖然解析度有所降低，但只要時鐘相對誤差很小(如與1ms關一個數量級)，還是完全能滿足電廠事故分析實際需要的。

GPS授時系統的特點：

1．時間精度高，達30nS。

2．守時精度高。裝置內部守時單元採用了先進的時間頻率測控技術與智能馴服演演算法，晶體選用高精度恆溫晶體振蕩器，使裝置守時準確度優於7*10-9(0.42μS/分鐘)，即在外部時間基準異常的情況下，每天時鐘走時誤差不超過0.6mS。

3．支持單GPS、單北斗、雙GPS、雙北斗、 GPS/北斗雙系統衛星接收機配置。

4．應用GPS授時技術/北斗授時技術/B碼基準解碼接收技術/高穩晶體振蕩器守時技術授時，實現多基準冗餘授時，能夠智能判別GPS信號、北斗信號、外部B碼時間基準信號的穩定性和優劣，並提供多種時間基準配置方法。

5．採用精準的測頻與“智能學習演演算法”，使守時電路輸出信號與GPS衛星/北斗衛星信號/IRIG-B時間基準保持精密同步，消除因晶體振蕩器老化造成的頻偏帶來的影響。

6．具有外部時間基準信號時延補償功能，能夠補償外部時間基準信號（IRIG-B）的傳輸延時，從而保證了時間基準信號的精度。

7．由於裝置輸出的1PPS等時間信號是內置振蕩器的分頻秒信號輸出，同步於GPS/北斗系統但並不受GPS/北斗秒脈衝信號跳變帶來的影響，相當於UTC時間基準的復現。

8．GPS授時系統採用雙電源冗餘供電，並選用高性能、寬範圍開關電源，工作穩定可靠，裝置電源供電自適應。（按訂貨技術協議配置，預設為單電源。）

9．機箱經防磁處理，抗干擾能力強。

10．GPS/北斗接收天線重點考慮了防雷設計、穩定性設計、抗干擾設計，信號接收可靠性高，不受電廠/變電站地域條件和環境的限制。

11．裝置可輸出一路特殊的供主時鐘間互聯的IRIG-B（DC）碼信號，該信號作為互聯主時鐘的“後備”外部時間基準，當主時鐘的“主”外部時間基準故障時，該信號停止輸出。消除當主時鐘互聯時“主”外部時間基準發生故障所引起的工作狀態不確定性。

12．裝置具有自複位能力，在因干擾造成裝置程序出錯時，能自動恢復正常工作。

13．裝置所有輸入、輸出信號均電氣隔離，抗干擾能力強。

14．裝置的某一路輸出信號短路，不會影響其它輸出信號。

15．裝置的某一路輸出信號允許短路5分鐘以上，不會造成對該輸出迴路的永久性損壞。

16．裝置前面板有“電源指示”燈、“秒脈衝指示”燈、“GPS/北斗信號輸入”燈、“B碼信號輸入”燈、“GPS/北斗信號輸入異常”燈、“B碼信號輸入異常”燈多種工作狀態指示，便於運行值班人員的日常巡視。

17．裝置有電源中斷告警、GPS/北斗失步告警、外部“B碼輸入”（後備時間基準）消失告警多路報警（繼電器空接點）信號輸出，可接入電廠/變電站內的監控系統，在線監控裝置的運行狀況。

18．裝置可通過數碼管顯示跟蹤到的有效衛星個數，直觀地反映裝置的收星狀況。

19．裝置提供一路可編程的TTL脈衝信號（1PPS/1PPM/1PPH）供時鐘的準確度指標測試。

20．GPS授時系統採用全模塊化即插即用結構設計，支持板卡熱插拔，配置靈活，維護方便。為將來其它信號基準源(珈俐略衛星信號、上游地面鏈路的DCLS信號、PTP、NTP時間基準信號等) 的接入提供了方便，為今後建設三網合一的數字同步網打下基礎。同時為將來現場改造擴建時增加或更改對時信號介面提供了方便。

21．裝置不僅實現了板卡全兼容，還提供了豐富的信號介面資源和開放式特殊介面設計平台，具備優異的兼容能力。裝置可提供多路脈衝信號（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接點、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信號（TTL、422、232、AC、光）、DCF77信號（有源、無源）、時間報文（RS232、RS422/485、光）、PTP、NTP/SNTP網路時間信號，可以滿足電廠/變電站內不同設備的對時介面要求。

22．完善的北斗和GPS信號的性能監測，自動或手動選擇主用衛星信號。支持本地和遠程網管，通過WEB方式對設備進行遠程管理，完成對設備的衛星接收狀況、設備工作狀態、參數設置等信息進行管理。

GPS授時系統詳細參數：

1．時間源：GPS、北斗、CDMA、IRIG-B、恆溫晶振OCXO、原子鐘可選；

2．電源：220V/110V交、直流自適應，雙電源冗餘；

3．GPS接收頻率：1575.42MHz,接收靈敏度：捕獲〈-160dBW，跟蹤〈-163dBW。捕獲時間：裝置冷啟動時，〈5min；裝置熱啟動時，〈1min。正常狀態下可同時跟蹤8～12顆GPS衛星；裝置冷啟動時不小於4顆衛星；裝置熱啟動時不小於1顆衛星。內部電池：電池類型：鋰電池；電池壽命：≮25000h。

4．北斗接收器：通道：6；接收機靈敏度：-157.6dBW；冷啟動首捕時間：≤2秒；失鎖重捕時間：≤1 秒；1PPS精度：優於100nS。

5．平均無故障間隔時間(MTBF)≥150000小時；平均維修時間（MTTR）：一般不大於30分，使用壽命不少於20年。正常使用條件下無須維護。

6．GPS授時系統授時精度：脈衝、B碼：0.1μS，串口：10μS ，NTP/SNTP：1-10ms；

7．時間保持單元守時精度：時間保持單元晶體振蕩器選用OCXO，守時精度優於7*10-9(0.42μS/min)。

8．絕緣電阻：≮20MΩ。

9．功耗：≤20 W。

10．天線長度標配30m,可選50、60、70、80、100、120、150、200米。

11．外形尺寸：1U/2U、19英寸標準機架式機箱。

五、結束語

5.1 目前火電廠各控制系統已不再是各自獨立的信息孤島，大量的實時數據需在不同地方打上時戳，然後送至SIS、MIS，用於各種應用中。因此，在設計中應仔細考慮各種系統的時鐘同步方案和需達到的時鐘同步精度。

5.2 在DCS設計中不僅要注意了解系統主、從時鐘的絕對對時精度，更應重視時鐘之間的相對誤差。因為如要將SOE點分散設計的同時又不過分降低事件解析度，其關鍵就在於各時鐘的偏差應儘可能小。

5.3 完全有理由相信，隨著網路時鐘同步技術的不斷發展，通過網路對系統各時鐘進行高精度的同步將變得十分平常。今後電廠各系統的對時準確性將大大提高，像SOE點分散設計這種基於高精確度時鐘的應用將會不斷出現。