部署-GPS授時系統：GPS授時系統

時間 2019-11-12

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ylbtech-部署-GPS授時系統：GPS授時系統

GPS授時系統是針對自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產品，GPS授時產品它從GPS衛星上獲取標準的時間信號，將這些信息經過各類接口類型來傳輸給自動化系統中須要時間信息的設備（計算機、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、遠動RTU），這樣就能夠達到整個系統的時間同步。算法

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一、

中文名：GPS授時系統
外文名：GPS time transfer system

設備：計算機、保護裝置
機組：分散控制系統(DCS)

前言

隨着計算機和網絡通訊技術的飛速發展， 火電廠熱工自動化系統數字化、網絡化的時代已經到來。這一方面爲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臺、另外一方面對各類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時鐘來統一全廠各類系統的時鐘，已經是目前火電廠設計中採用的標準作法。電廠內的 機組分散控制系統(DCS)、輔助系統可編程控制器(PLC)、廠級監控信息系統(SIS)、電廠管理信息系統(MIS)等的 主時鐘經過合適的GPS時鐘信號接口，獲得標準的TOD(年月日時分秒)時間， 而後按各自的時鐘同步機制，將系統內的從時鐘誤差限定在足夠小的範圍內，從而達到全廠的時鐘同步。

簡介

1、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，經過計算得出GPS時間的接受裝置。 爲得到準確的GPS時間，GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛星的信號，計算出本身所在的三維位置。在已經得出具體位置後， 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。

做爲火電廠的標準時鍾，咱們對GPS時鐘的基本要求是：至少能同時跟蹤8顆衛星，有儘量短的冷、熱啓動時間，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如下三種類型：

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)，每幀長爲一秒。一幀共有100個碼元(100pps)，每一個碼元寬10ms，由不一樣正脈衝寬度的碼元來表明二進制0、1和位置標誌位(P)，見圖1.2.2-1。

爲便於理解，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)和標準二進制當天秒數碼(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)則以一串二進制「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

此時鐘輸出經過EIA標準串行接口發送一串以 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，下圖爲一個用17個字節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衆多需與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。在肯定 GPS時鐘時應注意如下幾點：

時間同步(目前一般作法)，則在DCS合同談判前，就應進行專業間的配合，肯定時鐘信號接口的要求。(GPS時鐘通常可配置不一樣數量、型式的輸出模塊，如事先沒法肯定有關要求，則相應合同條款應留有可調整的餘地。)
系統時鐘接口配合的難易程度、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，這樣一可減小專業間的相互牽制，二可以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，爲減小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時鐘也有利於減少時鐘故障所形成的影響。
時鐘同步接口可選時，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等又分紅多種(如IRIG-B000等)，故時鐘接收側應配置相應的解碼卡，不然沒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可否達成一致。
時鐘同步信號在網絡中有較大的時延，也應考慮分別各自與 GPS時鐘同步。
TELEPERMXP 時鐘同步方式

這裏以西門子公司的 TXP系統爲例，看一下 DCS內部及時鐘是如何同步的。

TXP的電廠總線是以 CSMA/CD爲基礎的以太網，在總線上有二個主時鐘：實時發送器(RTT)和一塊AS620和CP1430通信/時鐘卡。正常狀況下，RTT做爲TXP系統的主時鐘，當其故約40s後，做爲備用時鐘的CP1430將自動予以替代(實際上在ES680上可組態2塊)CP1430做爲後備主時鐘)。見圖2-1。

RTT可自由運行(free running)，也可與外部 GPS時鐘經過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、9600波特、1個啓動位、8個數據位、2箇中止位)和秒/分脈衝二種方式。

RTT在網絡層生成併發送主時鐘對時報文，每隔10s向電廠總線發送一次。RTT發送時間報文最多等待1ms。如在1ms以內沒法將報文發到總線上，則取消本次時間報文的發送：如報文發送過程被中斷，則當即生成一個當前時間的報文。時鐘報文具備一個多播地址和特殊幀頭，日期爲從1984.01.01至當天的天數，時間爲從當天00：00：00，000h至當前的ms值，分辨率爲10ms。

OM650從電廠總線上獲取時間報文。在OM650內，使用Unix功能將時間傳送給終端總線上的SU、OT等。一般由一個PU做爲時間服務器，其餘OM650設備登陸爲是境客戶。

AS620的AP在啓動後，經過調用「同步」功能塊，自動與CP1430實現時鐘同步。而後CP1430每隔6s與AP對時。

TXP時鐘的精度以下：

從上述TXP時鐘同步方式及時鐘精度能夠看出，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。

3、時鐘及時鐘同步偏差

3.1時鐘偏差

衆所周知，計算機的時鐘通常都採用 石英晶體振盪器。晶振體連續產生必定頻率的時鐘脈衝，計數器則對這些脈衝進行累計獲得時間值。因爲時鐘振盪器的 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，故時鐘自己不可避免地存在着偏差。例如，某精度爲±20ppm的時鐘，其每小時的偏差爲：(1×60×60×1000ms)×(20/10.6)=72ms，一天的累計偏差可達1.73s；若其工做的環境溫度從額定25℃變爲45℃，則還會增長±25ppm的額外偏差。可見，DCS中的時鐘若不經按期同步校準，其自由運行一段時間後的偏差可達到系統應用所沒法忍受的程度。

隨着晶振製造技術的發展，目前在要求高精度時鐘的應用中，已有各類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 時鐘同步偏差

若是對相似於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當中產生的DCS的絕對對時偏差可由如下三部分組成：

3.2.1 GPS時鐘與衛星發射的UTC(世界協調時)的偏差

這部分的偏差由GPS時鐘的精度所決定。對1PPS輸出，以脈衝前沿爲準時沿，精度通常在幾十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鍾產品爲例，其同步精度以參考碼元前沿或起始相對於1PPS前沿的誤差計，分別達0.3μs和0.2ms。

3.2.2 DCS主時鐘與 GPS時鐘的同步偏差

DCS網絡上的主時鐘與GPS時鐘經過「硬接線」方式進行同步。通常經過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、硬件。例如，如在接受端對RS-232輸出的 ASCII碼字節的發送延遲進行補償，或對 IRIG-B編碼採用碼元載波週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偏差

DCS主時鐘與各站點從時鐘經過網絡進行同步，其間存在着時鐘報文的發送時延、傳播時延、處理時延。表如今：(1)在主時鐘端生成和發送時間報文時，內核協議處理、操做系統對同步請求的調用開銷、將時間報文送至網絡通訊接口的時間等；(2)在時間報文上網以前，還必須等待網絡空閒(對以太網)，遇衝突還要重發；(3)時間報文上網後，需必定時間經過DCS 網絡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爲2/3光速，對 DCS局域網而言，傳播時延爲幾百ns，可忽略不計)；(4)在從時鐘端的網絡通訊接口確認是時間報文後，接受報文、記錄報文到達時間、發出中斷請求、計算並校訂從時鐘等也須要時間。這些時延或多或少地形成了DCS主從時鐘之間、從從時鐘之間的時間同步偏差。

固然，不一樣網絡類型的DCS、不一樣的時鐘通訊協議和同步算法，可以使網絡對時的同步精度各不相同，上述分析只是基於通常原理上探討。事實上，隨着人們對網絡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算法相繼出現並獲得實際應用。例如，互聯網上廣爲採用的網絡時間協議(Network Time Protocol， NTP)在 DCS局域網上已能提供±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)能使實時控制以太網上的主、從時鐘進行亞微秒級同步。

4、時鐘精度與SOE設計

雖然 DCS的普通開關量掃描速率已達1ms，但爲知足SOE分辨率≤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，即將全部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，其緣由就在於不一樣控制器其時鐘存在着必定的偏差。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狀況來看，因爲時鐘不能同步而沒法作到1ms SOE分辯率，更有甚至因時鐘相差近百ms，形成SOE 事件記錄順序的顛倒。

那麼，如何既能知足工程對於SOE分散設計的要求(如設置了公用 DCS後，機組SOE與公用系SOE應分開，或但願進入控制器的 MFT、ETS的跳閘信號無需經輸出再返至SOE模件就能用於SOE等)，又不過度下降SOE分辨率呢?經過對DCS產品的分析不難發現，一般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(通常設在公用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 時鐘同步信號連接到各控制器(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點可同時用作SOE，因爲採用了1PPM或RS-48五、IRIG-B 硬接線時鐘「外同步」，避開了 DCS時鐘經網絡同步目前精度還較差的問題，使各受控時鐘之間的誤差保持在較小的範圍內，故SOE點分散設計是可行的。

因而可知，在工程設計中應結合採用的DCS特色來肯定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)時鐘相對偏差等同於1ms的SOE分辨率，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，雖然分辨率有所下降，但只要時鐘相對偏差很小(如與1ms關一個數量級)，仍是徹底能知足電廠事故分析實際須要的。

GPS授時系統的特色：

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算法，晶體選用高精度恆溫晶體振盪器，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狀況下，天天時鐘走時偏差不超過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/高穩晶體振盪器守時技術授時，實現多基準冗餘授時，可以智能判別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，消除因晶體振盪器老化形成的頻偏帶來的影響。

6．具備外部時間基準信號時延補償功能，可以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．因爲裝置輸出的1PPS等時間信號是內置振盪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，至關於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，工做穩定可靠，裝置電源供電自適應。（按定貨技術協議配置，缺省爲單電源。）

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，該信號做爲互聯主時鐘的「後備」外部時間基準，當主時鐘的「主」外部時間基準故障時，該信號中止輸出。消除當主時鐘互聯時「主」外部時間基準發生故障所引發的工做狀態不肯定性。

12．裝置具備自復位能力，在因干擾形成裝置程序出錯時，能自動恢復正常工做。

13．裝置全部輸入、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容許短路5分鐘以上，不會形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」燈多種工做狀態指示，便於運行值班人員的平常巡視。

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情況。

18．裝置可經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情況。

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。爲未來其它信號基準源(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，爲從此建設三網合一的數字同步網打下基礎。同時爲未來現場改造擴建時增長或更改對時信號接口提供了方便。

21．裝置不只實現了板卡全兼容，還提供了豐富的信號接口資源和開放式特殊接口設計平臺，具有優異的兼容能力。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、42二、23二、AC、光）、DCF77信號（有源、無源）、時間報文（ RS232、RS422/48五、光）、 PTP、 NTP/ SNTP網絡時間信號，能夠知足電廠/變電站內不一樣設備的對時接口要求。

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，經過WEB方式對設備進行遠程管理，完成對設備的衛星接收情況、設備工做狀態、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：裝置冷啓動時，〈5min；裝置熱啓動時，〈1min。正常狀態下可同時跟蹤8～12顆GPS衛星；裝置冷啓動時不小於4顆衛星；裝置熱啓動時不小於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；冷啓動首捕時間：≤2秒；失鎖重捕時間：≤1 秒；1PPS精度：優於100nS。

5．平均無端障間隔時間( MTBF)≥150000小時；平均維修時間（ MTTR）：通常不大於30分，使用壽命很多於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盪器選用 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。