京準電鐘，GPS北斗衛星授時服務器助力智慧水利系統

京準電鐘，GPS北斗衛星授時服務器助力智慧水利系統

京準電子科技官微——ahjzsz

廠 站 自 動 化 系 統 的 正 常 運 行 離 不 開 時 間 的 準 確 計量, 而 且 需 要 高 精 度 的 時 間, 否 則 就 會 因 為 時 間 不 確 定 性 引 發 許 多 問 題 [ 1] , 例 如 : 故 障 錄 波 信 息 失 去 一 定 精 度 的 時 間 參 照 將 降 低 其 有 效 性 [ 2] ; 分 相 測 量 裝 置因時間誤差可能引起較大誤差[ 3] 。
目 前 , 在 實 際 應 用 中 , 采 用 最 多 的 方 式 , 是 利 用 全 球 定 位 系 統 ( GPS) 提 供 精 確 時 間 , 通 過 GPS 接 收
機把該時間引入變電站, 再通過秒( 分) 脈 沖 、IRIG- B
碼 、DCF 77 碼 或 者 RS- 232 串 口 報 文 的 方 式 給 全 站 部分或全部裝置對時[ 4 -7] 。
如 果 全 站 的 設 備 和 節 點 機 都 直 接 通 過 以 上 直 接
連線方 式 對 時, 雖 然 精 確 度 有 所 提 高, 但 就 要 求 采 用 多 個 GPS 接 收 機 或 者 多 個 GPS 擴 展 箱 , 使 應 用 成 本
增高, 并且接線麻煩。
隨 著 廠 站 自 動 化 系 統 走 向 網 絡 化 , 間 隔 層 裝 置 開始 普 遍 直 接 上 網 。 利 用 無 處 不 在 的 網 絡 進 行 網 絡
對時也開始越來越引起人們的注意和探討。文獻[ 8]
討 論 了 網 絡 時 間 協 議 ( NTP) 在 電 力 自 動 化 設 備 同 步 中的應用, 筆者認為有必要作更深一步的探討。
隨 著 IEC 61850 的 推 廣 , 相 應 于 IEC 61850 的 國 內電力 行 業 標 準 正 在 加 緊 制 定( 到 寫 稿 時 為 止 , 部 分
已 正 式 頒 布 或 正 在 送 審 、報 批 ) 。 在 IEC 61850 站 內 時 間 同 步 模 型 中 , 除 了 少 數 幾 臺 時 間 裝 置 是 直 接 從
外 來 高 精 度 時 鐘 源 獲 取 時 間 的 , 其 他 大 量 站 內 裝 置 和站 控 層 節 點 機 則 是 通 過 網 絡 對 時 。 采 用 簡 單 網 絡
時間協議( SNTP) 的方式獲取時間。可見網絡對時是廠 站 內 時 鐘 同 步 系 統 中 一 種 重 要 的 同 步 方 式 。 這 里 最 重 要 的 問 題 是: 對 時 精 度 是 否 能 夠 達 到 IEC 61850
的要求或者實際裝置完成正常功能所需要的精度。
本文將結合 IEC 61850 標準、網絡時間 同 步 技 術
發 展 以 及 廠 站 自 動 化 系 統 中 目 前 的 對 時 應 用 情 況 和
實 際 需 要 , 探 討 廠 站 自 動 化 系 統 中 網 絡 時 間 同 步 技 術 的應用, 以期對實際工作能有所幫助。
1 對時間精確度的要求

廠 站 自 動 化 系 統 對 時 間 精 確 度 的 要 求 , 隨 裝 置 和 節 點 機 的 不 同 而 有 所 不 同 , 依 據 于 它 們 所 要 實 現 的功能確定。
例 如 , 在 站 控 層 的 后 臺 機 上 , 目 前 對 時 間 精 度要
求最高的是狀態變位( COS) 、事件順序記錄( SOE) 的 處 理 。 SOE 的 時 標 信 息 是 由 間 隔 層 裝 置 提 供 的 , COS 的 時 標 則 是 由 監 控 后 臺 機 提 供 的 , 這 2 個 信 號 要 互 相比對。目前, 國內所見的標準或規范對當地 監 控 后 臺 的 時 間 精 確 性 要 求 相 對 較 低 , 一 般 COS的 時 標 只 要 到 秒 就 可 以 了 , 即 在 站 控 層 , 節 點 機 上 的 時 間 目 前 只要精確到秒。但是, 根據 IEC 61850 具 體 實 現 精 度 應 該 比 功 能 要 求 精 度 高 一 個 數 量 級 的 要 求 , 站 控 層 節 點 機 的 時 間 精 度 至 少 應 在 100 ~ 500 ms。
如果后臺節點機同時充當主時鐘 / 時間服務器,
則對時間精度的要求較高。
在 間 隔 層 的 裝 置 一 級 , 則 有 更 高 的 時 間 精 度 要 求。例如, 對于同步相量測量裝置, 周期是 20 ms, 1 ms
的 誤 差 就 會 引 起 18°的 相 位 誤 差 , 要 想 相 位 誤 差 在
1°以 內 , 則 要 求 時 間 精 度 在 55 μs 以 內 。又 如 , 在 故
障 錄 波 和 信 息 管 理 系 統 中 , 時 間 同 步 精 度 直 接 關 系
到 錄波數據和故障信息的有用程度網 絡 對 時 作 為 一 種 時 間 同 步 方 法 , 比 起 目 前 在 廠 站 中 普 遍 采 用 的 裝 置 直 接 接 GPS 外 部 高 精 度 時 鐘 源 的 方 式 , 有 它 經 濟 、簡 單 、規 范 [ 8] 、高 效 的 優 勢 , 并且符合廠站自動化系統網絡化的發展趨勢。
作為變電站內網絡和系統的國際標準 IEC61850,
對網絡對時的應用也有非常明確的要求和模型。
a. 功 能 方 面 , 在 IEC 61850 第 5 部 分 功 能 通 信 要 求 和 裝 置 模 型 的 附 件 G 中 對 IEC 61850 的 時 間 同
步任務規定: 時間 同 步 用 于 系 統 內 各 裝 置 間 的 同 步 。
具 有 精 確 外 部 時 間 源 的 邏 輯 節 點 作 為 主 時 鐘 , 同 一 類型的另一個邏 輯 節 點 作 為 后 備 主 時 鐘 。 通 過 主 時 鐘 對 各 分 布 節 點 設 置 絕 對 時 間 ; 各 分 布 節 點 時 鐘 連
續 同 步 。 為 提 高 效 率 , 時 鐘 同 步 最 好 通 過 協 議 層 完
成 。 可 見 除 了 主 、備 主 時 鐘 直 接 從 外 部 高 精 度 時 間 源 獲 取 時 間 , 站 內 其 他 裝 置 還 是 要 通 過 主 時 鐘 實 現
時間同步。
b. 在模型方面, 圖 1 是 IEC 61850 第 7- 2 部分規 定的時間模型和時間同步原理圖。圖中的 IEC 61850
特定通信服務映射( SCSM) 指 的 是 IEC 61850 中 定 義
的 一 種 映 射 機 制, 它 提 供 了IEC 61850 中 上 層 抽 象 通 信 服 務 接 口 ( ACSI) 服 務 和 對 象 對 特 定 應 用 協 議 / 通
信協議集的具體映射。目 前 , 廠 站 自 動 化 系 統 中, 對 時 系 統 普 遍 采 用 直 接接線對時和網絡對時相結合的方式。具體表現為: 通 過 1 個 或 多 個 GPS 接 收 機 引 入 高 精 度 時 鐘 ; 站 控 層則一般只 有 1~2 臺 服 務 器 采 用 串 口 時 間 報 文 的 方 式 從 GPS 接 收 機 獲 取 時 間 , 其 余 站 控 層 節 點 則 采 用 網 絡 對 時 的 方 式 ; 間 隔 層 裝 置 普 遍 采 用 直 接 接 線 到
GPS 接 收 機 的 方 式 獲 取 時 間 , 一 般 采 用 分 / 秒 脈 沖 、
IRIG - B 碼、DCF 77 碼方式。
由 于 間 隔 層 裝 置 眾 多 , GPS 接 收 機 裝 置 往 往 連 有 擴 展 箱, 以 便 多 出 接 點 , 并 且 允 許 同 一 面 屏 上 若 干
裝 置 共 用 同 1 副 接 點 , 或 者 允 許 1 副 接 點 連 接 若 干 臺裝置。不同廠家出廠的 GPS 接收裝置, 其秒脈沖、 IRIG- B 碼 輸 出 精 度 略 有 不 同 。 圖 2 是 典 型 500 kV
變電站對時系統結構。
對 于 那 些 直 接 從 GPS 接 收 機 取 秒 脈 沖 、分 脈 沖 信號的裝置, 它還需要綜合當前時刻的分、秒值( 這 些
信 息 一 般 由 其 他 節 點 通 過 網 絡 傳 送) , 才 能 給 出 當 前 準 確 時 間 。 其 時 間 精 確 度 和 具 體 硬 、軟 件 實 現 水 平
有很大關系。
4 系統的時間保持

在討論網絡時間同步技術前, 首先總結系統是怎 樣保持時間的。計算機所保持的時間有 2 個[ 9] 。
a . 硬 時 鐘 ( CMOS) 時 間 。 它 是 基 于 石 英 晶 體 振 蕩 器 和 靠 電 池 供 電 的 日 歷 時 鐘 芯 片 。 晶 體 振 蕩 器 有
固定的振蕩頻率; 它們所保持的時間存放在主板上的
CMOS 中。
b. 軟時鐘( 操作系統時鐘) 。操作系統在剛啟動 時 從 CMOS 中 讀 取 初 始 時 間 , 以 后 則 由 主 板 上 計 數 器 電 路 觸 發 時 鐘 中 斷 , 在 中 斷 處 理 程 序 中 記 錄 觸 發 次 數 ( 常 稱 為 tick 值 ) , 根 據 計 數 器 觸 發 中 斷 的 頻 率 和 tick 值及開機初始時間, 就可維持操作系統時鐘。 硬 時 鐘 在 關 機 后 是 可 以 保 持 的 , 而 軟 時 鐘 在 開 機以后就獨立于 硬 時 鐘 開 始 計 算 。 這 2 種 時 鐘 依 應 用 情 況 不 同 還 存 在 著 一 個 相 互 校 正 的 過 程 。 原 則 上 , 硬時鐘的精度應該比軟 時 鐘 高; 而 在 操 作 系 統 獲 得 外 來 高 精 度 時 間 源 的 情 況 下 , 也 存 在 著 用 軟 時 鐘
定時校正硬時鐘的情況。
裝置上保持時間的方式, 從原理上與以上通用計 算機的方式一樣。
在計算機或裝 置 上 , 之 所 以 能 保 持 時 間, 說 到 底 還 是 依 賴 于 晶 體 振 蕩 器 穩 定 的 振 蕩 頻 率 。 然 而 , 任
何 振 蕩 器 的 振 蕩 頻 率 都 不 是 恒 定 不 變 的 , 受 環 境 溫 度、老化等各種因素的影響振蕩頻率有輕微 的 改 變 ,
這 也 是 時 間 誤 差 最 重 要 的 來 源 之 一 。 如 果 晶 體 振 蕩 器有 1×10- 6 的不穩定度, 則 每 秒 可 能 產 生 1 μs 的 誤 差 , 每 分 鐘 產 生 60 μs 的 誤 差 , 每 天 產 生 86 . 4 ms
的 誤 差 。一 般 PC 機 和 裝 置 上 所 用 的 晶振的頻率穩 定度在 1×10- 7~1×10- 5。
由于時鐘中 斷 可 能 被 其 他 更 高 優 先 級 的 中 斷 所
屏蔽等各種原因, 使 得 系 統 軟 件 所 維 持 的 時 間, 其 誤 差比晶振頻率不穩定直接帶來的誤差還要大很多。
可 見 系 統 本 身 所 保 持 的 時 間 精 確 度 是 不 夠 的 ,
外 來 高 精 度 時 間 源 的 選 擇 十 分 重 要 。 目 前 , 絕 大 多 數 廠 站 自 動 化 系 統 中 的 外 部 時 間 源 都 選 擇 GPS, 但
還應該考慮其他備用的外部時間源[ 3] 。例如, 我國自
主 研 發 的 北 斗 導 航 系 統 的 定 時 產 品 , 其 授 時 精 度 為
20 ~100 μs; 西 安 國 家 授 時 中 心 的 BPL 長 波 授 時 系 統 , 授 時 精 度 可 達 1 μs[ 10] 。 相 應 接 收 機 的 定 時 精 度 都 在 10 μs 以 內 , 基 本 可 以 滿 足 一 般 變 電 站 裝 置 對 時間精確度的要求。


審核編輯 黃宇