近年来，我国电力系统的规模日益扩大，电网结构和运行方式日益复杂。我国电力系统的发展对其安全稳定运行提出了更高的要求。由于世界范围内电力系统突发事故的相继出现，现行的基于分布时间基准的监控方式受到了置疑。因此，寻找功能更为强大、原理更为先进的电力系统时间同步服务系统是十分必要的。

　　使用价格并不昂贵的GPS同步时钟来统一全厂各种系统的时钟，已是目前火电厂设计中采用的标准做法。电厂内的机组分散控制系统（DCS）、辅助系统可编程控制器（PLC）、厂级监控信息系统（SIS）、电厂管理信息系统（MIS）等的主时钟通过合适的GPS同步时钟信号接口，得到标准的TOD（年月日时分秒）时间，然后按各自的时钟同步机制，将系统内的从时钟偏差限定在足够小的范围内，从而达到全厂的时钟同步。

　　一、GPS同步时钟系统及输出

　　1.1 GPS同步时钟系统

　　GPS 是英文Global Positioning System（定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范（Geometrical Product Specifications）-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB per s）

　　GPS同步时钟也是基于型GPS高定位授时模块开发的基础型授时应用产品。能够按照用户需求输出符合规约的时间信息格式，从而完成同步授时服务。 GPS同步时钟主要由以下几部分组成：GPS/GNSS接收机，其中可以为GPS/GLONASS/BD/GALILEO等，高OCXO或铷钟，本地同步校准单元，测差单元，误差处理及控制结构，输入输出等几部分。

　　作为火电厂的标准时钟，我们对GPS同步时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高、可灵活配置的时钟输出信号。

　　1.2 GPS同步时钟系统信号输出

　　1.2.1 1PPS/1PPM输出

　　此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。

　　1.2.2 IRIG-B输出

　　IRIG（Inter-Range Instrumentation Group 靶场仪器组）是美国RCC（Range Commanders Council靶场司令委员会）下属机构，成立于1951年8月，其常设机构在美国白沙导弹靶场。标准时间码可以用来与时统总站对时，校正时间，也可以通过时间码对时统设备授时。其所制定的IRIG标准，成为国际通用标准。它所制定的标准时间码格式有两大类，一类是并行时间码格式，另一类是串行时间码格式。1960年，IRIG通信组发表了新的串行时间码标准，即IRIG文件104-60。该文件规定了A、B、C、D、E五种时间码。1970年又增加了G和H两个新格式，并取消了C格式。其中，B格式时间码由于时帧周期为1秒，适合人们的需求，得到了广泛的应用，绝大多数场合使用的IRIG时间码都是B格式码，也就是IRIG-B码。

　　1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485输出

　　此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，

　　1.3 电力自动化系统GPS同步时钟系统的应用

　　电力自动化系统内有众多需与GPS同步时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确定GPS同步时钟时应注意以下几点：（1）这些系统分属热控、电气、系统，如决定由DCS厂商提供的GPS同步时钟实现时间同步（目前通常做法），则在DCS合同谈判前，就应进行间的配合，确定时钟信号接口的要求。（GPS同步时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块，如事先无法确定有关要求，则相应合同条款应留有可调整的余地。）

　　（2）各系统是否共用一套GPS同步时钟装置，应根据系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各如对GPS同步时钟信号接口型式或要求相差较大时，可各自配置GPS同步时钟，这样一可减少间的相互牵制，二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外，当系统之间相距较远 （例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼）时，为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰，也可就地单设GPS同步时钟。分设GPS同步时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。

　　（3）IRIG-B码可靠性高、接口规范，如时钟同步接口可选时，可优先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B类编码的总称，具体按编码是否调制、有无CF和SBS等又分成多种（如IRIG-B000等），故时钟接收侧应配置相应的解码卡，否则无法达到准确的时钟同步。

　　（4）1PPS/1PPM脉冲并不传送TOD信息，但其同步较高，故常用于SOE模件的时钟同步。RS-232时间输出虽然使用得较多，但因无标准格式，设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。

　　（5）火电厂内的控制和信息系统虽已互连，但因各系统的时钟同步协议可能不尽相同，故仍需分别接入GPS同步时钟信号。即使是通过网桥相连的机组DCS和公用DCS，如果时钟同步信号在网络中有较大的时延，也应考虑分别各自与GPS同步时钟同步。

　　二、西门子TELEPERMXP时钟同步方式

　　这里以西门子公司的TXP系统为例，看一下DCS内部及时钟是如何同步的。

　　TXP的电厂总线是以CSMA/CD为基础的以太网，在总线上有二个主时钟：实时发送器（RTT）和一块AS620和CP1430通讯/时钟卡。正常情况下，RTT作为TXP系统的主时钟，当其故约40s后，作为备用时钟的CP1430将自动予以替代（实际上在ES680上可组态2 块）CP1430作为后备主时钟）。

　　RTT（Round-Trip Time）： 往返时延。在计算机网络中它是一个重要的性能指标，表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认），总共经历的时延。

　　RTT可自由运行（free running），也可与外部GPS同步时钟通过TTY接口（20mA电流回路）同步。与GPS同步时钟的同步有串行报文（长32字节、9600波特、1个启动位、8个数据位、2个停止位）和秒/分脉冲二种方式。

　　RTT在网络层生成并发送主时钟对时报文，每隔10s向电厂总线发送。RTT发送时间报文多等待1ms。如在1ms之内无法将报文发到总线上，则取消本次时间报文的发送：如报文发送过程被中断，则立即生成一个当前时间的报文。时钟报文具有一个多播地址和特殊帧头，日期为从 1984.01.01至当天的天数，时间为从当天00：00：00，000h至当前的ms值，分辨率为10ms。

　　OM650从电厂总线上获取时间报文。在OM650内，使用Unix功能将时间传送给终端总线上的SU、OT等。通常由一个PU作为时间服务器，其他OM650设备登录为是境客户。

　　AS620的AP在启动后，通过调用“同步”功能块，自动与CP1430实现时钟同步。然后CP1430每隔6s与AP对时。

　　TXP时钟的如下：

　　从上述TXP时钟同步方式及时钟可以看出，TXP系统内各进钟采用的是主从分级同步方式，即下级时钟与上级时钟同步，越是上的时钟其越高。

　　三、GPS同步时钟系统及时钟同步误差

　　3.1 时钟误差

　　众所周知，计算机的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，故时钟本身不可避免地存在着误差。例如，某为±20ppm的时钟，其每小时的误差为：（1×60×60×1000ms）×（20/10.6）＝72ms，一天的累计误差可达1.73s；若其工作的环境温度从额定25℃变为 45℃，则还会增加±25ppm的额外误差。可见，DCS中的时钟若不经定期同步校准，其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。

　　随着晶振制造技术的发展，目前在要求高时钟的应用中，已有各种高稳定性晶振体可供选用，如TCXO（温度补偿晶振）、VCXO（压控晶振）、OCXO（恒温晶振）等。

　　3.2 GPS同步时钟系统同步误差

　　如果对类似于TXP的时钟同步方式进行分析，不难发现时钟在自上而下的同步过程中产生的DCS的对时误差可由以下三部分组成：

　　3.2.1 GPS同步时钟与卫星发射的UTC（世界协调时）的误差

　　这部分的误差由GPS同步时钟的所决定。对1PPS输出，以脉冲前沿为准时沿，一般在几十ns至1μs之间；对IRIG-B码和RS- 232串行输出，如以中科院国家授时中心的地钟产品为例，其同步以参考码元前沿或起始相对于1PPS前沿的偏差计，分别达0.3μs和0.2ms。

　　3.2.2 DCS主时钟与GPS同步时钟的同步误差

　　DCS网络上的主时钟与GPS时钟通过“硬接线”方式进行同步。一般通过DCS某站点内的时钟同步卡接受GPS时钟输出的标准时间编码、硬件。例如，如在接受端对RS-232输出的ASCII码字节的发送延迟进行补偿，或对IRIG-B编码采用码元载波周期计数或高频销相的解码卡，则主时钟与GPS时钟的同步可达很高的。

　　3.2.3 DCS各站点主从时钟的同步误差

　　DCS主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步，其间存在着时钟报文的发送时延、传播时延、处理时延。表现在：（1）在主时钟端生成和发送时间报文时，内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等；（2）在时间报文上网之前，还必须等待网络空闲（对以太网），遇冲突还要重发；（3）时间报文上网后，需一定时间通过DCS网络媒介从主时钟端传送到子时钟端（电磁波在光纤中的传播速度为2/3光速，对DCS局域网而言，传播时延为几百ns，可忽略不计）；（4）在从时钟端的网络通信接口确认是时间报文后，接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些时延或多或少地造成了DCS主从时钟之间、从从时钟之间的时间同步误差。

　　当然，不同网络类型的DCS、不同的时钟通信协议和同步算法，可使网络对时的同步各不相同，上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上，随着人们对网络时钟同步技术的不懈研究，多种复杂但又高效、高的时钟同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如，互联网上广为采用的网络时间协议 （Network Time Protocol，NTP）在DCS局域网上已能提供±1ms的对时（如GE的ICS分散控制系统），而基于IEEE1588的标准时间协议 （Standard Precision Time Protocol，PTP）能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。

　　四、GPS同步时钟系统与SOE设计

　　虽然DCS的普通开关量扫描速率已达1ms，但为满足SOE分辨率≤1ms的要求，很长一段时间内，人们都一直都遵循这样的设计方法，即将所有 SOE点置于一个控制器之下，将事件触发开关量信号以硬接线接入SOE模件，其原因就在于不同控制器其时钟存在着一定的误差。关于这一点，西门子在描述其 TXP系统的FUN B模件分散配置的工程实际情况来看，由于时钟不能同步而无法做到1ms SOE分辩率，更有甚至因时钟相差近百ms，造成SOE事件记录顺序的颠倒。

　　那么，如何既能满足工程对于SOE分散设计的要求（如设置了公用DCS后，机组SOE与公用系SOE应分开，或希望进入控制器的MFT、ETS 的跳闸信号无需经输出再返至SOE模件就能用于SOE等），又不过分降低SOE分辨率呢？通过对DCS产品的分析不难发现，通常采用的办法就是将控制器或 SOE模件的时钟直接与外部GPS同步时钟信号同步。例如，在ABB Symphony中，SOEServerNode（一般设在公用DCS网上）的守时主模件（INTKM01）接受IRIG-B时间编码，并将其产生的 RS-485时钟同步信号链接到各控制器（HCU）的SOE时间同步模件（LPD250A），其板载硬件计时器时钟可外接1PPM同步脉冲，每分钟自动清零；再如，MAX1000＋PLUS的分散处理单元（DPU 4E）可与IRIG-B同步，使DPU的DI点可同时用做SOE，由于采用了1PPM或RS-485、IRIG-B硬接线时钟“外同步”，避开了DCS时钟经网络同步目前还较差的问题，使各受控时钟之间的偏差保持在较小的范围内，故SOE点分散设计是可行的。

　　由此可见，在工程设计中应结合采用的DCS特点来确定SOE的设计方案。不可将1ms的开关量扫描速率或1ms的控制器（或SOE模件）时钟相对误差等同于1ms的SOE分辨率，从而简单地将SOE点分散到系统各处。同时也应看到，SOE点“分散”同“集中”相比，虽然分辨率有所降低，但只要时钟相对误差很小（如与1ms关一个数量级），还是完满足电厂事故分析实际需要的。

　　五、结束语

　　5.1 目前火电厂各控制系统已不再是各自独立的信息孤岛，大量的实时数据需在不同地方打上时戳，然后送至SIS、MIS，用于各种应用中。因此，在设计中应仔细考虑各种系统的时钟同步方案和需达到的时钟同步。

　　5.2 在DCS设计中不仅要注意了解系统主、从时钟的对时，更应重视时钟之间的相对误差。因为如要将SOE点分散设计的同时又不过分降低事件分辨率，其关键就在于各时钟的偏差应尽可能小。

　　5.3 完全有理由相信，随着网络时钟同步技术的不断发展，通过网络对系统各时钟进行高的同步将变得十分平常。今后电厂各系统的对时准确性将大大提高，像SOE点分散设计这种基于高度GPS同步时钟系统的应用将会不断出现。