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　　一、GPS同步時鐘及輸出
　　
　　1.1GPS同步時鐘
　　
　　定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)由一組美國*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同步時鐘是一種接受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同步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同步時鐘只要接受到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同步時鐘的基本要求是：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。
　　
　　1.2GPS同步時鐘信號輸出
　　
　　目前，電廠用到的GPS同步時鐘輸出信號主要有以下三種類型：
　　
　　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。顯然，時鐘脈沖輸出不含具體時間信息。
　　
　　1.2.2IRIG-B輸出
　　
　　IRIG(美國theInter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、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zui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制0、1和位置標(biāo)志位(P)，見圖1.2.2-1。
　　
　　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)二進制當(dāng)天秒數(shù)碼(Straight Binary Seconds TimeofDay，SBS)則以一串二進制“0”填充(CF和SBS可選用，本例未采用)。
　　
　　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同步時鐘的應(yīng)用
　　
　　電力自動化系統(tǒng)內(nèi)有眾多需與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、微機保護裝置等。在確定GPS同步時鐘時應(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同步時鐘實現(xiàn)時間同步(目前通常做法)，則在DCS合同談判前，就應(yīng)進行專業(yè)間的配合，確定時鐘信號接口的要求。(GPS同步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同步時鐘裝置，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同步時鐘信號接口型式或精度要求相差較大時，可各自配置GPS同步時鐘，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(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(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。
　　
　　(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同步時鐘信號。即使是通過網(wǎng)橋相連的機組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同步時鐘同步。
　　
　　二、中新創(chuàng)DNTS時鐘同步方式
　　
　　中新創(chuàng)科采用*的算法和高可靠的器件生產(chǎn)的DNF4533系列時間頻率產(chǎn)品可滿足現(xiàn)在和將來對時間和頻率的苛求。
　　
　　DNF4533采用高精度授時型GPS接收機和低相噪、低漂移的雙恒溫槽高穩(wěn)晶振,采用頻率測控技術(shù)，對晶體振蕩器的輸出頻率進行精密測量與校準(zhǔn)，使GPS馴服晶振的輸出頻率同步在GPS系統(tǒng)上
　　
　　DNF4533作為基準(zhǔn)時鐘源(PRS)使用。它能提供自我完善性監(jiān)控的、高穩(wěn)定的一級時鐘同步信號。輸出2048kb/s、2048kHz、1PPS及IRIG-B信號。符合ITU-TG.811要求的1級基準(zhǔn)時鐘源。
　　
　　作為再定時設(shè)備使用。再定時功能是把本設(shè)備跟蹤GPS(或地面參考)良好的定時參考信號與業(yè)務(wù)碼流信號合成在一起，使業(yè)務(wù)碼流能很好地傳遞定時參考信號，如果設(shè)備自身性能降質(zhì)或者掉電，設(shè)備自動啟動直通模式。
　　
　　作為CDMA時鐘源。它能為CDMA基站提供鐘源。可提供19.6608Mhz方波信號，PP2S信號，10M正弦信號或方波信號。可定制信號：16.384MHz,14.4MHz。（為數(shù)字集群的應(yīng)用）
　　
　　DNF4533GPS同步時鐘源產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于電信、移動通信、電力與交通、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字廣播、計量測試、天文觀測、航天測控、*工等部門。
　　
　　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
　　
　　*，計算機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1.73s；若其工作的環(huán)境溫度從額定25℃變?yōu)?5℃，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)，其自由運行一段時間后的誤差可達到系統(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的對時誤差可由以下三部分組成：
　　
　　3.2.1GPS同步時鐘與衛(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同步時鐘的精度所決定。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0.3μs和0.2ms。
　　
　　3.2.2DCS主時鐘與GPS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”方式進行同步。一般通過DCS某站點內(nèi)的時鐘同步卡接受GPS同步時鐘輸出的標(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)送延遲進行補償，或?qū)RIG-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同步時鐘的同步精度可達很高的精度。
　　
　　3.2.3DCS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(NetworkTimeProtocol，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)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FUNB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1msSOE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，機組SOE與公用系SOE應(yīng)分開，或希望進入控制器的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)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(DPU4E)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)，還是完滿足電廠事故分析實際需要的