对时系统范文

对时系统范文（精选8篇）

对时系统 第1篇

关键词：智能变电站,网络对时

1 概述

目前, 传统变电站自动化系统用硬对时与软对时相结合的对时方式基本能满足设备对时要求。智能变电站以IEC61850系列为通信规约, 支持智能化的一次设备和网络化的二次设备, 能实现各厂家设备间的互操作和信息共享, 能用网络实现跳合闸、联闭锁功能, 因此其对时系统远高于传统变电站。本文从建设“两型一化”变电站的设计理念出发, 分析传统变电站的对时方式, 采用“新技术、新概念、新设备”, 论述智能变电站对时系统。

2 传统变电站对时方式

传统变电站对时用于SOE时标, 用于判断动作时序。主要对时方式有脉冲对时、串行对时、IRIG-B时钟码对时。

2.1 脉冲对时方式 (硬对时)

脉冲对时方式每隔一定的时间间隔输出一个精确的同步脉冲, 被授时装置在接收到同步脉冲后进行对时, 消除装置内部时钟的走时误差。脉冲对时方式多采用空接点接入方式, 它可以分为:秒脉冲 (PPS——1s对设备对时1次) 、分脉冲 (PPMS——1min对设备对时1次) 、时脉冲 (PPH——1h对设备对时1次) 。

优点是精度高。

缺点是无法直接提供时间日期信息, 被授时装置如果时间源就出错, 会一直错误走下去。

2.2 串行口对时方式 (软对时)

被对时设备通过GPS时钟的串行口, 每秒一次的串行时间信息接收时钟信息, 来矫正自身的时钟。对时协议有RS232协议、RS422/485协议等。

优点是能直接提供标准的时间日期信息。

缺点是对时精度比较低。装置时钟存在自身走时误差问题;另外在接收过程中, 信息处理耗费的时间也会影响对时精度, 尤其是多小室模式或者监控系统中有多个管理机、多个子系统的时候时间精度受串口通信时延的影响尤为突出。为提高对时精度, 一般与硬对时相结合运用。

2.3 IRIG-B时钟码对时方式

IRIG-B是专为时钟传输而制订的时钟码标准, 以BCD码方式输出, 每秒钟输出一帧含有时间、日期和年份的时钟信息。B码信号一般有 (TTL) 电平方式、RS422电平方式、RS232电平方式、调制信号 (A M) 四种形式。

脉冲对时和串行口对时各有优缺点, B码对时兼顾了两者的优点, 是一种精度高并且又含有标准的时间信息的对时方式。当变电站的设备采用B码对时, 就不再需要现场总线的通信报文对时, 也不再需要GPS输出大量脉冲接点信号。

3 智能变电站对时方式

智能变电站的对时要求远高于传统变电站和数字化变电站。传统变电站对时主要用于S O E时标, 用于判断动作时序, 但不影响电网本身的安全运行。数字化变电站强调采样的同一时刻, 但并不强调绝对时刻。智能变电站由于与站外有协同互动功能, 必须要有精确的绝对时标。

3.1 原则

智能变电站对时配置原则如下:

(1) 应建立统一的同步对时系统。全站应采用基于卫星时钟 (优先采用北斗) 与地面时钟互备方式获取精确时间;

(2) 地面时钟系统应支持通信光传输设备提供的时钟信号;

(3) 用于数据采样的同步脉冲源应全站唯一, 可采用不同接口方式将同步脉冲传递到相应装置;

(4) 同步脉冲源应同步于正确的精确时间秒脉冲, 应不受错误的秒脉冲的影响;

(5) 支持网络、IRIG-B等同步对时方式。

3.2 网络对时方式

传统变电站自动化系统工程通过脉冲信号、串行口等进行对时, 有精度高、成本低的特点, 且相关技术已经很成熟。智能变电站的发展趋势使站内二次对时硬接线被串行通信线所取代, 为此IEC61850标准引入简单网络时间SNTP (Simple Network Time Protocol) 和精密时间协议IEEE 1588 PIT作为网络对时协议。

(1) S NTP网络对时

SNTP是互联网网络对时NTP的简化标准。NTP网络对时仪以GPS信号作为时间源, 同时可选北斗、CDMA、B码等时间源。具有精度高, 同步快的优点。在网络结构下NTP对时精度可达1ms等级, 在广域网内误差为10~100ms, NTP/SNTP应用较为成熟, 但是实现同步等级精度25μs是很困难的。

(2) IEEE 1588 PTP网络对时

IEEE 1588标准定义了一种用于分布式测量和控制系统的精密时间协议PTP (Precision Time Protocol) , 其网络对时精度可达100μs。该标准在提出之初是致力于工控和测量的精密时钟同步协议标准, 目标是提供亚微秒的同步精度运用, 后来引起了自动化通信等工业控制领域的关注。目前IEEE 1588是智能化变电站时间同步的网络对时方式时间同步的第一选择, 其高精度时钟同步的实现需要硬件资源的支持。

(3) 智能变电站的网络对时方式

IEC61850标准将智能变电站功能从逻辑上划分为站控层、间隔层和过程层。整个变电站的数据同步均建立在过程层对时的基础上, 故过程层设备要求时间同步精确到μs, 站控层和间隔层的时间同步精确到ms。

IEC61850对网络对时有明确的要求和模型。时间同步用于系统内各装置间的同步, 以具有精确外部时间源的逻辑节点作为主时钟, 同一类型的另一个逻辑节点为后备主时钟, 通过主时钟对各分布节点设置绝对时间, 各节点时钟连续同步。

智能变电站采用GPS对时装置作为整个对时系统的主时钟 (双重配置) ;过程层时间同步采用SNTP网络对时, 其设备作为对时网络末点, 是整个对时系统的从时钟;站控层和间隔层的时间同步采用IE EE 1 58 8 PIT网络对时, 其设备作为对时网络末点, 是整个对时系统的从时钟。对时系统图如下:

4、结论

综上所述, 传统的脉冲、串行口、IRIG-B等硬对时方式, 只能局限于传统变电站的时间同步, 且不易管理。而SNTP和IEEE 1588的数据网以其无与伦比的灵活性实现网络共享, 具有经济、简单、高效、规范等特点, 是智能变电站的主要组网方式, 能满足过程层对数据实时性的苛刻要求, 故本文推荐使用。

参考文献

[1]智能变电站技术导则.Q/GDW 383-2009

[2]佚名.变电站GPS对时方案

对时系统 第2篇

关键词：GPS 直流接地

1 事故经过

220kV某变电站扩建110kV至某间隔工程，本期工程保护装置采用深圳南瑞公司生产的ISA-311G微机线路保护装置，线路测控采用国电南瑞科技生产的NSD500V微机测控装置。保护人员在ISA-311G微机线路保护装置进行GPS对时二次回路接入过程中，监控机发直流接地信号，经过检查为直流正接地。一极接地在直流系统中并不引起危害，但是不允许一极接地长期工作，这是因为，当同一极的两端同时发生接地时，在一定程度上可能导致信号装置、继电保护和控制装置等出现误动作或拒动作，或者另外一极接地时，将会发生直流系统短路故障，进而产生严重的后果。因此，在直流系统中，不允许长期一点接地运行。

2 GPS装置对时工作原理

GPS时钟服务器是一个精致的可以独立工作的装置，它通过GPS模块获得卫星系统提供的格林尼治的准确时间并及时更新，使用时通过接收服务器发出的串行数据获得毫秒级精确度的北京时间。GPS信号接收器作为集成电路模块，其功能是接收GPS卫星信号，输出1PPS脉冲，其时间精度为1微秒，该装置通过RS232串行口将国际标准时间、日期和接收器所处的位置等信息输出。同步脉冲发生电路： 输出同步脉冲信号（秒、分钟、小时）。对整个系统进行监控是通过中心处理单元实现的，同时通过接收由GPS卫星信号接收模块发送的国际标准时间信息及秒同步信息，通过转换，经串行口输出，供继电保护和安全自动装置使用。

对时方式有3种：①软对时。通过通讯报文的方式实现，这个时间是完整时间，包括年、月、日、时、分、秒、毫秒等，监控系统中一般是：为了获得GPS的时间，以广播报文的方式，总控或远动装置与GPS装置通讯同时发送到装置。报文的对时受到距离的影响和制约。受传播延时误差的影响和制约，软对时难以满足高精度的要求。②硬对时。通常情况下，用分对时或秒对时。在精度方面，秒对时要高于分对时。按照接线方式可以将硬对时分成两类，分别为差分对时和空接点方式。与485的电平信号相类似，通过总线方式差分将所有装置挂在上面，GPS装置定时一般是整秒时，这种对时将对时信号通过两根信号线中A（+）、B（-）的电平变化脉冲向装置发出。通过硬对时方式进行对时时，一般情况下GPS输出口数、GPS装置与各保护测控装置之间的对时线可以节省。空接点方式与继电器的接点信号相类似，GPS装置对时接点输出与每台保护测控装置对时输入一一对应连接。GPS装置通过空接点方式输出，在其内部是一个三极管，具有方向性，不能承受高电压，通常情况下为24伏开入，如果用户需要220V的开入需要做一定的处理。③编码对时：目前，IRIG-B对时比较常用，该对时方式分为调制和非调制。IRIG-B码作为一种综合对时方案，相当于秒脉冲同步信号。这是因为在其报文中包含秒、分、小时、日期等时间信息，同时每一帧报文的第一个跳变又对应于整秒。

本期ISA-311A保护装置对时方式为：硬接点秒对时。

秒对时原理：

①无源输出方式：当脉冲输出为无源空接点时，34芯扁平电缆定义为1，3，5…31为空接点“+”端即+24V电源输入端。2，4，6…32为空接点“-”端，即同步脉冲信号输出端。

②有源输出方式：当脉冲输出为无源空接点时，34芯扁平电缆定义为1，3，5…31为空接点“+”端即+24V电源输入端。2，4，6…32为空接点“-”端，即同步脉冲信号输出端。

3 事故处理方法

保护人员在将保护装置GPS+、GPS-二次回路接入到GPS对时屏右侧端子排上的24V光隔中后，直流监视系统立即报直流接地信号。若将保护装置过来的二次回路拆除，直流监视系统立即恢复正常，直流接地信号立即消失。

参考文献：

[1]白凯.基于GIS和GPS智能终端的线路巡检系统设计与实现[J].价值工程，2012（07）.

[2]张华，郭红军，朱大伟.GPS网络时间同步服务器在电力系统中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2009（06）.

对时系统 第3篇

关键词：GPS,对时系统,变电站,IRIG-B

0 引言

当今,我国电网进入了大机组、超高压输电、高度自动控制的新时代。电网的运行情况瞬息万变,其中超高压变电站是我国目前主干电网的重要组成部分,发生事故后必须掌握实时信息,以便能及时对事故原因、不同专业设备的责任进行分析 和判断,从而及时地进行决策处理。为此,对变电站各 种自动化设备的时钟同步要求极为严格。全球卫星定位系统简称GPS系统,利用GPS系统,电力自动化设备可以精确地控制广域测量系统,分析故障录波的信息。采用GPS技术,可以实现站内甚至站间的准确对时,对时的精度达到了微秒级要求,目前已经成为最佳的对时方案。变电站内需要对时的设备有 计算机监控系统、电能计费系统、故障录波器、微机继电保护装置等。

1对时方式

利用GPS系统提供的世界协调时(UTC)对基准时钟源站内二次设备进行对时的方式主要有3种。

1.1硬对时

硬对时又分为利 用秒脉冲 信号和分 脉冲信号2种对时方式。

(1)秒脉冲对时。它利用GPS输出的1pps秒脉冲信号进行时间同步校准。1pps秒脉冲信号是指每秒钟内GPS输出的脉冲校准信号。利用GPS提供的1pps秒脉冲时间协调时,其时间准确度较高,精度可达到微秒级。同时,该脉冲的 上升沿时间准确度小于1μs。

(2)分脉冲对时。它是利用GPS输出的1ppm分脉冲信号进行时间同 步对时的。1ppm分脉冲信 号是指每 分钟内GPS输出的脉冲校准信号。利用GPS提供的1ppm分脉冲时间协调时,其时间准确度也较高,该脉冲的上升沿时间准确 度不大于3μs。

秒脉冲对时是在脉冲的上升沿到来时将被对时 装置的秒以下的毫秒数清零;分脉冲对时是在脉冲的上升沿到来时将被对时装置的分以下计数器清零。

1.2软对时

软对时也称为串口校时。属于串行同步输出方式,是将时钟信息以串行数据流的方式输出。串口校时的时间报文包 括年、月、日、时、分、秒信息,也可包含一些特定的内容,例如GPS运行状态、报警信号、接收GPS卫星数等。软对时报文的信息格式有十六进制码、ASKⅡ码或者BCD码等。当选择 传输速率合适的校准信号时,其对时准确度可达到毫秒级。

串口校时的缺点是受串口通道传输距离限制,距离短。如RS-232接口方式的传输最大距离约为30m,RS-422/485接口方式的传输最大距离约为150m,如果对时距离过长,会造成时延,串口对时精度无法得到保证。在变电站现场利用GPS的软对时一般采用网络对时,即采用通讯接口机串口接收GPS串口对时报文,然后由通讯接口机向连接在网络上的所有具有通讯功能的装置广播对时命令。网络对时报文一般包括年、月、日、时、分、秒、毫秒。

1.3编码对时

编码对时是通过将同步信号和标准时间信息 编成时间 序列码,然后输出到对时总线上,接收装置解析出时间信息 进行时间同步。编码时间信号有多种格式,目前我国变电站常采用的是IRIG-B码,常采用的 信号介质 是RS-422/485电平的双绞线。

IRIG-B为美国IRIG委员会的B标准,是专为时钟传输制定的时钟码,每秒输出一帧按年、月、日、时、分、秒等顺 序排列的时间信息。IRIG-B码有调制IRIG-B(AC)和非调制IRIG-B(DC)两种(即正弦调制输出和直流偏置输出)。IRIG-B(AC)码的对时同步精度一般为10~20μs,而IRIG-B(DC)码的对时同步精度可达亚微秒数量级。我国变电站自动化系统的智 能设备原则上要求采用IRIG-B(DC)码方式进行对时。

IRIG-B时间码每秒输出一次信息,每帧有100个代码,包含了日期段、小时段、分 段和秒段 等信号。信 息格式如 表1所示。

IRIG-B码对时具有以下主要特点:它兼顾了硬对时和软对时两者的优点,精度高,时间信息标准,接口标准化、易接入,对时环节简化,传输距离远等。基于以上诸多优点,IRIG-B码在当今变电站的各种测控、保护等智能设备上应用越来越广泛。

2SZ系列 GPS双机冗余系统

我国电力事业的迅猛发展对系统内的时间统 一提出了 更高的要求。以往,单台GPS同步时钟一旦出现故障则整个站内的对时系统就无法运行,这已经无法满足目前电力系统对时间统一的高标准要求。为了保证对时系统的可靠性和稳定性,SZ系列GPS双机冗余系统能够时刻保持时间的同步输出,大大保障增加了GPS系统无故障运行时间,使整个电力系统运行更加安全可靠。

2.1系统结构

SZ系列GPS系统结构如图1所示。

2.2工作原理

SZ-SW双机切换器A、B双机同时接收两台GPS同步时钟送来的信号,机内所带单片机对其串行数据进行接收检查,通过对比选择一台较好的GPS时钟信号 经数据选 择电路输 出。上电复位时,切换器A为主机,切换器B为备机:

(1)当SZ-DUAGPS1、SZ-DUAGPS2及SZ-SW双机切换器A、SZ-SW双机切换 器B均正常工 作时,则系统选 择SZ-DUAGPS1通过SZ-SWA机输出。

(2)当SZ-DUAGPS1或SZ-DUAGPS2其中一台 异常,SZ-SW双机切换器A、SZ-SW双机切换器B正常工作时,系统自动选择正常工作的那台GPS同步时钟通过当前的主切换器输出。

(3)当SZ-DUAGPS1、SZ-DUAGPS2正常工作,SZ-SW双机切换器A或SZ-SW双机切换器B其中一台异常时,系统自动选择SZ-DUAGPS1通过正常工作的那台切换器输出。

(4)当SZ-DUAGPS1或SZ-DUAGPS2其中一台 异常,SZ-SW双机切换器A或SZ-SW双机切换器B其中一台也异常时,系统自动选择正常工作的GPS通过正常工作的切换器输出。

(5)当SZ-SW双机切换器A和SZ-SW双机切换器B均异常工作时,则无输出。

(6)当SZ-DUAGPS1和SZ-DUAGPS2均异常但有时钟信号输出,SZ-SW双机切换器A和SZ-SW双机切换器B有一个正常工作时,系统仍有时钟信号输出。

(7)每隔24h(中午12:00)系统自动检测,切换器A、B轮流工作。

从上述GPS双机冗余系统的工作原理不难看出,它的双机双切换工作原理可以很好地保证对时系统的正常稳定工作。

3变电站对时方式的选择

为提高对时精度,变电站一般采用硬对时和软对时相结合的方式。该对时方式一方面利用软对时获取年、月、日、时、分、秒等相关信息,另一方面利用硬对时获取GPS提供的国际协调时(UTC)的对时脉冲信号,使对时信号的精度提高到毫秒和微秒数量级。

大多数变电站监控系统有一台接口管理机,同GPS系统进行串口通讯来实现软对时,然后该管理机通过网络报文对时的方式对全站局域网内的智能设备广播对时命令;部分没有上网的间隔层IED设备(包括保护装置、智能电能表等)如果只能提供串口通讯,则由保护管理机来完成对时,保护管理机接 收网络软对时命令后再同保护装置等IED设备进行通讯,根据通讯规约的要求定时向该保护装置等IED设备发送对时报文。由于智能设备的服务 器或CPU等存在接 收响应处 理的延时 问题,如果智能设备只接收软对时的话,其时钟同GPS系统的时钟一般会存在一定的误差,所以现场一般智能设备都有硬对时的输入接口,设备在实现软对时的同时再接入硬对时,这种软硬结合的接入方式大大提高了时间的精确度。

当各种智能设备配有IRIG-B对时码接 口时,应优先采 用编码对时。这种IRIG-B码对时方式在当前变电站综合自动化系统中也是大力推广的。如果智能设备采用B码对时,按道理就不需要现场总线的通信报文对时,也不用GPS输出大量脉冲信号对时。但目前变电站监控系统更趋向于采用监控系 统的网络通讯对时和GPS的IRIG-B码对时的复合对时方式,这种复合对时方式现场应用取得了更好的效果,保证了系统内所有设备对时的稳定性和可靠性。

4结语

对时系统 第4篇

航天远洋测量船时间统一分系统是测量船测控通信系统的重要组成部分, 其提供的时间精度将直接影响航天测控精度, 而时间统一分系统精度主要取决于岸船对时精度。目前, 主要的对时方式有GPS对时和短波授时。GPS是美国全球导航定位系统, 具有使用方便、定时精度高的优点, 但该系统的使用受美国全球战略的影响, 使用受制于人, 在过去的工作中曾发现GPS对时有慢秒现象。短波对时主要通过全球短波授时台实现, 精度较低, 且随着科学技术的发展, 许多国外短波授时台已关闭, 国内短波授时台不能覆盖测量船所在海域, 因此研究高精度的岸船对时方法, 并开发相应产品具有十分重要的现实意义。

岸船对时的基本思想是把岸站的标准时间准确无误的传递到航天远洋测量船, 即把携带岸站标准时间信息的信息码IRIG-B码准确传递到测量船, 同步测量船本地时统。岸船对时应用系统中, IRIG-B码的信息格式约定, IRIG-B码的产生和解调是研究的重点。

1标准时间码

1.1结构

IRIG-B码中每个脉冲称为码元, 每个码元的准时参考点是该脉冲的前沿。码元出现的重复速率称为码元速率, IRIG-B码为100 b/s。IRIG-B码元的不同宽度代表不同的信息, 即IRIG-B码的信息采用脉宽调制的方法来表示。IRIG-B码的码元宽度有3种, 即2 ms、5 ms和8 ms。为了便于获取码元中的信息, 每10个码元中有1个为位置识别标志, 其脉冲的宽度为8 ms, 位置识别标志由前至后分别称为P1, P2, P3P9, P0, 识别标志的速率为10 pps。

参考标志是由位置识别标志P0和相邻的参考码元PR组成的, 参考码元PR的宽度也是8 ms, 而且PR的前沿即为该帧B码的准秒时刻, 因此可以说参考码元PR是B码中最重要的码元。从参考码元PR开始到位置识别标志P0 (即下一个参考标志前的码元) 共100个码元组成了一帧IRIG-B码, 称为一个时帧。IRIG-B码的时帧速率为1帧/s。所有未携带信息的码元的宽度为2 ms。

IRIG-B码的每个码元都对应一个索引计数数字, 从PR为0开始到PR为99共100个, 索引技术仅为便于表示IRIG-B码的每一个码元。

1.2时间信息

IRIG-B码中表示时间信息的码元共有13个, 这些码元称为码字。表示二进制“1”的码字宽度为5 ms, 表示二进制“0”的码字宽度为2 ms。

IRIG-B码的时间信息采用二-十进制编码, 即十进制时间信息的每个十进制位是二进制编码, 它的次序由低到高, 所表达的时间如下:

秒:从00到59, 共7个码元, 即7位;

分:从00到59, 共7位;

时:从00到24, 共6位;

天:从001到365或366, 共10位。即每年的1月1日编为第001天, 而将12月31日编为第365天或第366天。

2IRIG-B码设计

2.1IRIG-B码信息格式约定

在岸船时间比对应用系统设计中, 2站除了要向对方发送时间信息以外, 还要向对方发送地址信息、控制信息和误差测量信息;另外, 考虑卫通信道的误码特性, 为提高数据传输可靠性, 在数据中加入奇偶校验。综合考虑各种情况, 在系统设计时, 对标准IRIG-B码信息格式位进行相应的扩充调整, 新的IRIG-B码信息格式位, 其帧格与标准IRIG-B码帧格式有所区别。新IRIG-B码信息格式如图1所示。

秒数据信息占用第1个100 ms, 共有8个可用的数据位, 秒数据占7位, 剩下1位用来进行校验;在新的格式约定当中, 保留了原标准IRIG-B码中的秒、分、时的数据结构 (在末位加入一位奇偶校验) ;分数据信息占用第2个100 ms, 共有9个可用的数据位, 分数据占7位, 最后1位用来进行校验;时数据信息占用第3个100 ms, 共有9个可用的数据位, 时数据占6位, 最后1位用来进行校验;天数据在双向时延测量过程中不进行传输。第4个100 ms用来传输地址信息, 共有9个可用的数据位, 地址数据占4位, 最后1位用来进行校验。地址分配可以根据实际情况在硬件当中进行设置, 从0000到1111, 共可以有16个不同的地址;

第5个100 ms用来传输控制信息, 共有9个可用的数据位, 控制数据占5位, 最后1位用来进行校验;第6～8个100 ms用来传输时间误差数据信息, 共有27个可用的数据位, 分为3组, 每组9位, 传输时间误差数据占8位, 最后1位用来进行校验。低位在前, 高位在后。在比对过程中, 传输的是本地的时间间隔计数器脉冲数, 比对结束后, 传递的是解算的最终时延数据;第9～10个100 ms空闲。

奇偶校验方法为数据位的模和, 即“1”的个数, 用于校验数据传输错误。新IRIG-B控制信息分配如表1所示。

2.2修正的IRIG-B码差错控制编码设计

在修正的IRIG-B编码格式中, 为了提高信息传输可靠性, 在每个字段中都加入了奇偶校验码。同时, 第9、第10个字段为空闲字段, 共16位。对此, 可考虑添加纠错性能较好的纠错码, 进一步提高信息传输可靠性。在选择码型上, 需同时兼顾码的性能与复杂度。在纠错编码中, BCH是一个很好的选择。

BCH码是一种二元循环码, 于1959年和1960年由霍昆格姆 (Hocquenghem) 、博斯 (Bose) 和查德胡里 (Chandhari) 3人分别提出, 并以这3个发现者的名字命名。BCH码具有纠正多个随机错误的能力, 是迄今为止研究得最为详尽、最为透彻、取得成果最多的一类线性分组码。

BCH码具有严密的数学结构, 在代数编码理论中起着重要作用。该码的生成多项式g (x) 与最小距离d=2t+1之间有密切的关系, 因此可以根据纠错能力t的要求, 方便地构造出相应的码。在中等和短码长条件下, BCH码的性能接近理论上的最佳值, 因而普遍应用于各种实际的差错控制系统中。

在选择BCH (n, k) 具体参数时, 需考虑:

① 在修正的IRIG-B编码中, 需传输61 bit信息, 即k≥61;空闲的第9、第10字段共18位, 即n-k18;

② 采用纠错编码的同时, 由于加入了校验位, 信息传输的效率降低。为了达到较高的传输效率, 应选择尽可能高的码率k/n。

根据上述要求, 可在BCH (127, 113) 码基础上缩短52 bit, 得到的s-BCH (75, 61) , 其码率约为0.813。BCH (127, 113) 码生成多项式为:

g (x) =x14+x12+x11+x8+x6+x2+1。

该码可纠正2个错误。对其进行52比特缩短, 纠错能力不会低于原码。在AWGN信道, QPSK调制方式下, BCH (127, 113) 与s-BCH (75, 61) 的性能仿真如图2所示。

从图中可看出, BER为10-5时, s-BCH (75, 61) 所需Eb/N0值为7.2 dB, 相对于QPSK调制下未编码的性能的9.5 dB, 编码增益约为2.3 dB。同时可看出, 采用缩短码型之后, BER为10-5时, 性能提高约0.5 dB。

综上所述, 在不改变修正的IRIG-B码格式约定的前提下, 利用空闲字段, 合理添加纠错编码, 结合原有各字段的校验码, 达到较好的性能。

3结束语

对现行标准时间码IRIG-B码信息格式约定进行重新设计, 使其不仅携带时间信息, 同时携带测量误差信息、位置信息和控制信息;在IRIG-B码的信息位中加入检验位, 并利用空余码位进行了BCH编码, 在不增加卫星传输带宽的前提下, 提高传输可靠性。该方法在岸船卫星双向对时应用系统设计中应用, 极大地提高了岸船时间比对精度。

摘要：介绍了现行标准时间码IRIG-B码的编码方式, 为满足岸船对时应用系统设计要求, 提高岸船时间比对精度, 对现行标准时间码IRIG-B码信息格式约定进行了重新设计, 使新的IRIG-B码不仅携带时间信息, 同时携带测量误差信息、位置信息、控制信息, 并在信息位中加入检验位。考虑卫星信道的误码特性, 利用空余码位进行纠错编码。仿真结果表明, 在不增加卫星传输带宽的前提下, BCH编码可提高传输可靠性。

关键词：IRIG-B,BCH,信息格式,检验位

参考文献

[1]童宝润.时间统一系统[M].北京:国防工业出版社, 2004.

对时系统 第5篇

IEC 61850标准对智能电子设备的时钟精度功能要求划分为5个等级(Tl~T5),其中用于计量的T5等级精度达到±1 μs[2,3]。电网的广域保护以及涉及站间或者区域电网的高级应用与分析都是基于同一时刻的断面来运作、分析。目前,国内还没有地区供电局真正实现了全网的亚微秒级的全网精确对时。而发展智能电网迫切需要电力自动化技术首先解决这个瓶颈问题。

为了解决测量和控制应用的分布式网络定时同步的需要,国际上具有共同利益的信息技术、自动控制、人工智能、测试测量的工程技术人员在2000年底倡议成立网络精密时钟同步委员会,2001年中获得IEEE仪器和测量委员会美国标准技术研究所(NIST)的支持,该委员会起草的规范在2002年底获得IEEE标准委员会通过作为IEEE 1588标准。

IEEE 1588标准定义的就是精密时间协议(PTP)。PTP是一种用于分布式测量和控制系统的协议,可以将该系统涵盖的变电站的时间同步精度提高到亚微秒级的精度,为调度部门的事故分析、故障定位及采样数据的集成应用提供更精确的时间信息[4]。

综上所述, 研究基于IEEE 1588标准的全电网精确同步对时系统关键技术是目前电网迫切需要的工作。

1 采用IEEE 1588标准概述

IEEE 1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”。 IEEE 1588标准是通用的提升网络系统定时同步能力的规范,主要参考以太网来编制,使分布式通信网络能够具有严格的定时同步。基本构思是通过硬件和软件将网络设备(客户机)的内时钟与主控机的主时钟实现同步,提供同步建立时间小于10 μs的运用,与未执行IEEE 1588标准的以太网延迟时间1 000 μs相比,整个网络的定时同步指标有显著的改善。

IEEE 1588标准定义的PTP借鉴了互联网网络时间协议(NTP)技术,具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。IEEE 1588标准的应用环境是适合用于支持多播消息的分布式网络通信系统(如EtherNet),且对时原理较为简单,系统中有一个主、从时钟,主时钟通过周期性地向网络中发送一个包含时间信息的信息包,从时钟收到后,进行时钟偏移测量和延迟测量,利用偏移量来修正从时钟的本地时钟,利用延迟量来解决线路延迟量的影响。

2 IEEE 1588标准时钟的关键技术

2.1 IEEE 1588标准时钟同步的过程

IEEE 1588标准时钟同步过程的关键技术主要包括时间偏移同步、线路延迟计算等。IEEE 1588标准时钟同步过程图如图1所示。

IEEE 1588标准时钟同步过程步骤如下:主时钟向从时钟广播同步报文( Sync ),同时,主时钟监视上述同步报文在网络接口上实际发送的时间Tm1 作为同步报文的精确时间戳,在随后的跟

报文( Follow up )中携带Tm1 。从时钟在收到同步报文后记下报文的精确到达时间Ts ,由Tm1 与Ts可计算各从时钟与主时钟的偏差(Offset,简写为O),从时钟可依据此偏差对本地时钟做出相应调整。

由于此时对同步报文的传输延时( Delay,简写为D)并不知道,先假设为零,则

Ts1=Tm1+O+D (1)

假设系统为对称网络,则每个从时钟分别向主时钟发送点对点“延时请求(响应)”(Delay Request )报文,同时记录该报文在网络接口处的实际发送时间Ts2 ;相应的,主时钟每次接收到“延时报文”时都会记下此报文的精确到达时间Tm3 ,并在随后的“延时响应”(Delay Request)报文中发送Tm3给从时钟,从时钟以此计算传输延时,再次对本地时钟进行调整。传输延时D的计算方法如下:

$D=\frac{({\rm T}{}_{\text{s}4}-{\rm T}{}_{\text{s}2})+({\rm T}{}_{\text{m}3}-{\rm T}{}_{\text{m}2})}{2}(2)$

一般从时钟到主时钟的报文传输延时测量,主要在从时钟接入网络的初始化过程中进行。如果报文传输延时双向稳定对称,则在系统进入稳定状态后,这种延时测量可以间隔很长时间才进行一次,从而大幅度减少点对点的报文通信量。

2.2 采用IEEE 1588标准时钟同步的关键硬件

介质无关接口(Media Independent Interface,MII),或称为媒体独立接口,是IEEE-802.3定义的以太网行业标准,其包括一个数据接口,以及一个数据链路层(MAC)和物理层(PHY)之间的管理接口[5]。

数据接口包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道,每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。

管理接口含时钟信号和数据信号两个接口。通过管理接口,上层能监视和控制物理层(PHY)。MAC通过MAC子层与PHY实现了无缝链接,不同的物理传输介质对于MAC而言都是通过一个共同的接口进行数据交换的,这个接口称作介质无关接口(MII) [6]。MII 传输信号为数字信号,这在原理上证明了在物理层对IEEE 1588 时钟同步报文进行时间标记是可行的。

IEEE 1588标准时钟中可供空间应用的原子时钟有:铯钟、铷钟和氢钟[7]这3种。目前,国内电网比较适合的为铯钟。IEEE 1588标准时钟利用铯原子内部的电子在两个能级间跳跃时辐射出来的电磁波作为标准,去控制校准电子振荡器,进而控制钟的走动。目前,铯原子钟可以达到500万年才相差 1 s。

2.3 IEEE 1588标准时钟同步的软件功能

运行IEEE 1588标准的节点并不事先规定主从节点的运行状态,而是根据最佳主站时钟(BMC)算法竞争产生主时钟节点,主时钟产生后,根据主从节点的运行状态不同,执行不同的模块任务。

IEEE 1588标准时钟同步的软件构架主要分为应用协议、用户数据包协议/网络之间互联的协议(UDP/IP)、实时计划、时间戳接口这4个模块,不包括图中硬件[8](见图2)。

1)应用协议模块。

该模块为各个节点执行不同的任务,主时钟节点定期发送同步报文和跟报文,并且响应来自从时钟节点的延迟请求。从时钟节点则定期发送延迟请求报文,并根据主时钟节点的响应报文计算时钟偏移,更新本地时钟。

2)UDP/IP模块。

IEEE 1588标准运行在UDP/IP上,其中同步报文和延时请求(响应)报文采用组播方式发送,UDP端口号为319,跟报文和延时请求(响应)报文采用广播方式发送,UDP端口号为320。

3)实时计划模块。

IEEE 1588标准基于确定的实时计划通信机制进行通信,后者采用划分时隙和基于优先级的非周期调度通信方法,从而保证了以太网通信的确定性,并从根本上消除了冲突的可能。

4)时间戳接口。

主要用来刻画时钟同步报文发送和接收时间,时间戳的准确程度直接影响时钟同步的精准程度,一般来讲越接近硬件,时间戳就越不受系统运行时间抖动的影响。为保证时间记录的准确,尽可能消除程序引起的抖动,专门在以太网驱动接口部分开辟了时间戳记录通道,实时记录网络数据发送和接收的时间。

3 全电网精确同步时钟对时配置方案

电网主站系统包括安全监控与数据采集/能量管理系统(SCADA/EMS)、调度管理信息系统(DMIS)、管理信息系统(MIS)、电量管理系统(TMR)、调度员培训仿真系统(DTS)、电压自动控制(AVC)、继电保护及故障信息管理系统等。这些信息管理系统对时间精度的要求各不相同。

电网主站系统是电网的核心时钟源, 可以配置尽量多的时钟源。在广州地调配置了一套一级主时钟系统,此主时钟系统包含PTP主时钟(含铯原子模块)、GPS接收仪、北斗接收仪、时钟源切换装置、PTP交换机、RJ45/E1转换盒。PTP主时钟与切换装置共同作用会对铯钟、北斗、GPS这几种信号进行优选,然后一级主时钟会输出一路PTP信号,通过一台多路输出端口的PTP交换机、RJ45/E1协议转换器进入电力通信广域网。铯钟源可以采用上一级时钟信号代替。广州地调IEEE 1588标准精确对时主站配置图如图3所示。

整个电网需要全面铺开建设IEEE 1588标准精确对时系统,对于部署站点的选择与计划是非常关键的。本文的全电网精确同步对时系统采用IEEE 1588标准分层分级拓扑结构(见图4),

这样可以最大限度的节约资源。图4中的二级子站可以是500 kV变电站和220 kV变电站。分层分级结构的缺点在于如果主站到二次子站的对时路径出了问题,也将影响到下层的三级子站。但是考虑到三级子站也具备本地的时钟源,这个缺点影响不大。

对应地区电网的IEEE 1588标准对时网络结构示意图如图5所示。

在电网的子网中所有同步系统时钟分为普通时钟(OC)和边界时钟(BC)两种。只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟,有一个以上PTP通信端口的时钟是边界时钟,每个PTP端口提供独立的PTP通信。其中,边界时钟通常用在确定性较差的网络设备(如交换机和路由器)上[9]。从通信关系上可把时钟分为主时钟和从时钟,理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能,但一个PTP通信子网内只能有一个主时钟。

整个系统中的最优时钟为最高级时钟(GMC),应有最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及通用协调时间(UTC)的可追溯性等特性,由最佳主时钟算法来自动选择各子网内的主时钟;在只有一个子网的系统中,主时钟就是GMC。每个系统只有一个GMC,且每个子网内只有一个主时钟,从时钟与主时钟保持同步。

4 性能测试

IEEE 1588标准对时网络测试结构示意图如图6所示。

在同步对时系统中引入一个发文机,在运行周期开始,发文机发送测试请求报文,报文采用广播形式;系统中其他设备,包括时钟主设备和从设备接收请求报文之后,记录接收报文的当前时间,并在同一周期时段发送响应报文,报文发送给评价机,评价机通过比较主从时钟设备的接收时间戳,可以比较出系统时钟同步的效果。

对全网同步对时系统的整个测试进行了一周,测试周期为5 ms,测试结果表明时钟同步的精准程度可以达到正负0.3 s以下,如表1所示。

在实际的应用中,如果将同步测量方法和传统的潮流状态估计算法相结合,则可以得到最佳的系统健壮性、更好的同步精度以及更快的收敛效果。因此,可以在系统中有针对性地选择一些同步相量的观测点,并在这些观测点放置相应的同步相量测量装置,则可以对电力网络进行100%的观测,这一方法为解决电网中的潮流问题提供了实时性的解决方案。

对此,本文测试了从时钟发送B码到硬件设备然后转化为IEEE 1588标准时钟发送到网络上的延时,利用示波器将PTS 2010时钟板、FPGA、MPC 8313 1588硬件输出的3个秒脉冲(PPS)进行采样测试偏差。MD8的时间偏差由于没有合适的办法输出秒脉冲,所以使用PTP协议栈软件测量的偏差作为采样数据,这可能不是非常准确,但能反映大致的误差范围。测试一共进地了966.1 min, 平均延时为141.95 ns,说明本文所描述的方案是完全可以接受的。偏差测试表如表2所示。在表2中,C1为PPS、C2为MPC8318 1588 PPS、C3为FPAG PPS。

5 结语

1)本文利用通信传输网,在调度范围内建立一个以调度中心为唯一时钟源的时钟同步网,该网络不需要另外建立物理网络,利用现有的传输网同步数字体系(SDH)的相应技术,通过IEEE 1588标准同步时钟协议,将目前分散的对时系统整合成一个网络,将大大减少变电站对时系统的重复建设,同时将目前对时系统的对时精度提高1 000倍,由1 ms提高达到1 μs。

2)IEEE 1588标准同步时钟协议的应用将保证自动化事件的时序准确性,并使得保护装置、录波装置的数据能够深度分析,同时,也为数字化变电站技术的应用提供了高质量的同步支持。

3)为了保证IEEE 1588标准同步时钟协议在电网中的应用,本文对全电网精确同步对时系统进行了性能测试,测试的结果表明时钟同步的精确程度可以达到正负0.3 s以下。同时,测试了从时钟发送B码到硬件设备然后转化为IEEE 1588标准发送到网络上的延时以验证方案的可行性。

摘要：发展智能电网迫切需要各变电站、各级调度中心之间建立统一的时间同步机制,基于IEEE 1588标准的全电网精确同步对时系统是建立此时间同步机制的有效途径。阐述了IEEE 1588标准的精确对时原理、特点和必要性,以及同步与延迟计算的过程,分析了利用IEEE 1588标准同步对时的关键硬件和基本软件框架。在此基础之上,提出了全电网精确对时系统的部署与构架,以及利用IEEE 1588标准的精确对时效果的测试方法,通过其测试结果可以得知时钟同步的精准程度。

关键词：IEEE 1588标准,精确同步对时系统,智能电网

参考文献

[1]桂本烜.IEEE 1588高精度同步算法的研究和实现[J].电光与控制,2006,13.(5):97-102.

[2]赵上林.基于IEEE 1588的数字化变电站时钟同步技术研究[J],电网技术,2008.32(21).90-94.

[3]黄小耘.NTP在电力自动化设备时钟同步中的应用探讨[J].电力系统自动化,2005,29(15):93-95.

[4]李泽文,曾祥君,黄智伟,等.基于高精度晶振的GPS秒时钟误差在线修正方法[J].电力系统自动化,2006,30(13):55-58.

[5]王元虎,周东明.卫星时钟在电网中应用的若干技术问题[J].中国电力,1998,31(2):10-13.

[6]张妍,孙鹤旭,林涛.宁立革IEEE 1588在实时工业以太网中的应用[J].控制系统,2005,21(9):19-21.

[7]Hirschman Electronics.IEEE 1588Precise TimeSynchronization as the Basis for Real Time Applica-tions in Automation[J/OL].http://ieeel588.Nist.gov/,2003.

[8]Kendal R,Sivaram B,and Anatoly M.The Applica-tion of IEEE 1588to a Distributed Motion ControlSystem[J/OL].http://ieeel588.nist.gov/,2003.

高精度网络对时技术及其应用 第6篇

时间统一系统 (简称时统) 是远洋科学考察船 (科考船) 上的重要组成部分。目前, 科考船时统的时间比对 (简称对时) 主要以卫星导航对时校频为主, GPS和铷守时钟对时为辅, 实现岸船时间同步。科考船时统设备输出时间信号采用专线或者光纤方式传送至用户设备。这种传输方式稳定可靠、抗干扰能力强且时间精度损失很小, 但也存在一些局限性, 如通过人工报时来验证时间的准确性, 增加了工作量, 同时需要一台B码解码显示终端, 故障点增多, 操作维护不便。科考设备计算机终端同步时钟最简便的方法是网络授时, 通过同步以太网技术实现时钟同步, 是一种切实可行的解决方法。局域网授时不存在路由器路径延迟问题, 因而授时精度理论上可以提到亚毫秒级。本文对局域网对时技术进行分析研究, 提出了改进精度方法, 给出一个基于计算机网络同步的时钟实现方案, 该方案可以有效提高岸船间数据传输的时钟同步精度。

二、网络时间协议及对时精度分析

1. NTP授时原理及分析

网络时间协议NTP (Network Time Protocol) 用于将计算机客户或服务器的时间与另一服务器同步, 使用层次式时间分布模型。在配置时, NTP可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性。即使客户机在长时间无法与某一时间服务器相联系的情况下, 仍可提供高准确度时间。

实际应用中, 还有确保秒级精度的简单的网络时间协议SNTP, 它主要用于那些不需要较高NTP精度网络时间同步客户机。SNTP协议已减少了网络延时对校对准确的影响, 但没有冗余服务器和校正时钟频率误差功能。

除了认证符字段在SNTP中一般被忽略外, SNTP的报文格式与RFC-1305中所描述的NTP格式是一致的。N T P/SN T P服务端使用固定的U DP端口号是123。表1是NTP/SNTP报文格式。

N T P一般采用是Client/Ser ver方式。如图1所示, 客户机使用时钟偏差来调整本地时钟, 以使其时间与服务器时间一致。T1为客户发送NTP请求时间戳 (以客户时间为参照) ;T2为服务器收到NTP请求时间戳 (以服务器时间为参照) ;T3为服务器回复NTP请求时间戳 (以服务器时间为参照) ;T4为客户收到NTP回复包时间戳 (以客户时间为参照) ;客户机用上述4个时间参数就能够计算出2个关键参数:NTP包的往返延迟d和客户机与服务器之间的时钟偏差t。d1为NTP请求包传送延时;d2为NTP回复包传送延时;t为服务器和客户端之间的时间偏差;d为NTP包的往返延迟时间。

现已知T1, T2, T3, T4, 希望求得t以调整客户时钟

假设NTP请求和回复包传递时延相等, 即d1=d2, 则可解得

根据式 (1) , t也可表示为

可以看出, t, d只与T2, T1及T3, T4差值相关, 而与T2, T3差值无关, 即最终的结果与服务器处理请求所需的时间无关。据此, 客户端即可通过T1, T2, T3, T4计算出时差去调整本地时钟。

N T P授时精度与N T P服务器与用户间的网络状况有关, 主要取决于NTP包往返路由的延时对称程度, 往返路由的延时不对称值最大不超过网络延时。式 (2) 是在假设N T P请求和回复包在网上传送延时相等, 即d1=d2=d/2的情况下得出的, 而d1, d2的取值范围在 (0d) 间, 由式 (3) 可以得出最大授时误差是±d/2。一般广域网的网络延时在10ms~500ms之间;局域网的网络延时在计时操作系统内核处理延迟的情况下通常小于1ms。

假定局域网内NTP延时小于1ms, 理论上授时误差小于0.5ms, 但对于Windows操作系统内置的NTP客户和N T P服务, 并不能达到此精度。Wi ndows NT P时钟分辨率因操作系统和硬件不同而有所不同, 时钟分辨率通常为10ms或15ms。基于Windows操作系统内置的NTP授时精度最高不超过10ms。

2. 高精度以太网授时PTP协议

为了解决测量和控制应用的分布网络定时同步的需要, 2 0 0 0年底成立网络精密时钟同步委员会通过I E E E1588标准。I E E E1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”, IEEE1588协议是通用提升网络系统定时同步能力的规范, 在起草过程中主要参考以太网来编制, 使分布式通信网络能够具有严格的定时同步, 并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备 (客户机) 的内时钟与主控机的主时钟实现同步, 提供同步建立时间小于10s的运用, 整个网络的定时同步指标有显著的改善。在这里简要说明IEEE1588的特点:

早期的网络时间协议 (NTP) 只有软件, 而IEEE1588既使用软件, 也同时使用硬件和软件配合, 获得更精确的定时同步;一个1588精密时钟 (PTP) 系统包括多个节点, 每一个都代表一个时钟, 时钟之间经由网络连接。按工作原理, 时钟可以分为普通时钟和边界时钟两种。二者的区别是普通时钟只有一个PTP端口, 而边界时钟包括多个P T P端口。在网络中, 每一个时钟都可能处于下面3种状态:从属时钟 (SLAVE) 、主时钟 (MASTER) 和原主时钟 (PASSIVE) 。每个时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法决定的。

P T P体系结构的特别之处在于硬件部分与协议的分离, 以及软件部分与协议的分离, 因此, 运行时对处理器的要求很低。如图2所示, PTP的体系结构是一种完全脱离操作系统的软件结构。

I EEE 1588是一种主从式的时间同步技术, 通过定义基于消息的精确时间同步协议 (PTP) , 提供了一种解决以太网实时性不足的有效方法。其原理是主时钟周期性的向网络中所有从时钟发送同步消息报文;从时钟以主时钟为参照, 通过解析接收到的同步消息报文计算与主时钟之间的时间差异, 并进行同步校正, 实现系统同步。PTP协议能够把时间源Master的时间精确地传送到用时设备Slave, 两者之间同步误差能够达到亚微秒级。Peer-to-Peer模式下PTP的基本原理如图3所示。

首先做如下两个设定:一是假定主时钟到交换机的链路时延为d1, 报文在交换机中的驻留时延为d2, 交换机到从时钟的链路时延为d3。二是假定主时钟的时间原点为A, 交换机的时间原点为B, 从时钟的时间原点为C。主时钟与交换机之间时间偏差为Q1, 交换机与从时钟的时间偏差为Q2, 这样, 主时钟与从时钟的时间偏差为Q1+Q2。

时延计算如下:

(1) 时延d1的计算

交换机在t1a时刻发出Pdelay_req报文, 这个报文在t2a时刻被主时钟收到;主时钟在时刻t3a发送Pdelay_resp报文, 该报文在时延t4a时刻被交换机收到

(2) sync报文穿过交换机的驻留时延d2的计算

(3) 时延d3的计算

交换机在t1b时刻发出Pdelay_req报文, 这个报文在t2b时刻被从时钟收到;从时钟在时刻t3b发送Pdelay_resp报文, 该报文在时延t4b时刻被交换机收到

(4) 交换机与主时钟之间时间偏差

(5) 从时钟与交换机之间的时间偏差

(6) 综合式 (7) ~式 (8) 进行推算

式中, t1为sync报文从主站发出的时间;t2为sync报文被从时钟收到的时间。

只要计算出了Q1+Q2, 主时钟和从时钟的偏差就知道了。通过调整从时钟的时间, 就可以达到主从时间统一的目的。

从推导可以看出, PTP授时精度取决于时间戳的精度。而提高时间戳精度的方法就是利用专用硬件电路打时间戳。目前, 市场上已经出现了能够支持IEEE1588的以太网PHY和嵌入式处理器。为采用IEEE1588标准规定的PTP (Precision Time Protocol) 网络精确对时技术的应用, 提供广阔的拓展空间。

三、提高授时精度的方法

1. 减少计算机时钟偏差

通用PC机自带两类时钟源:硬件时钟和软件时钟 (或称为系统时钟) 。不论是硬件时钟还是软件时钟, 都是由石英晶体振荡器驱动的, 通过累计石英晶体振荡器输出脉冲数, 换算出时间。所以计算机时钟的准确度取决于晶振频率准确度。受温度变化、电压、芯片老化等因素影响, 晶振频率会发生小幅度波动, 其中温度对晶振频影响最大。由于工艺和材料的原因, 同一生产线上标称频率相同的石英晶体, 其实际频率是不同的, 实际频率与标称频率偏差率从10-4量级到10-9量级不等。以10-4量级为例, 时钟每天至少误差8.64s。

时钟频率偏差是时钟长期计时累积误差的主要原因, 要提高时钟长期计时精度, 必须补偿时钟频率偏差。联网的计算机可采用NTP方式, 可非常方便地校准时钟频率偏差, 其原理如图4所示。以NTP服务器时钟为标准时间, 在某一时刻设置NTP客户机时间为NTP服务器当前时间T0, 经过一段时间后, NTP服务器时间为T0+ts n, N T P客户端时间为T0+tc n。因为存在时钟频率偏差, ts n与tc n并不相等。NTP客户端时间tc n需乘以时钟频率偏差系数k才等于tsn, 即tsn=ktcn, 所以k=tsn/tcn。

任何晶振实际工作频率都是不稳定的, 只是程度不同而已。即使温度补偿的晶振, 在常温范围内 (摄氏10℃~35℃) 也有大约510-7~210-6的误差。晶振实际频率是受外界多种因素 (温度、电压、老化等) 影响而改变的。因此, 时钟频率偏差系数k并非恒定不变的。每隔一定时间, NTP客户机要对时钟频率偏差系数k进行校正, 才能保证计时精度。为了减少温度引起晶振频率漂移对时钟准确度的影响, 可以采用数字温漂补偿方法, 提高时钟长期计时准确度。先测出工作温度范围内温度对应的温漂补偿系数, 工作时每隔一定时间, 根据实际温度查出对应补偿系数动态地修正时间。

2. 采用高分辨率时钟提高授时精度

局域网内100MB以太网帧在百兆网络物理层单向延时理论值约8μs, 要精确测量NTP包网络延时, 提高授时精度, 时间分辨率必须达到或高于μs级。Windows系统常用的多个与时间有关的API, 其时间分辨率最高精度只能达到ms级。其中, time, gmtime, localtime的时间值精确到s级;函数GetTickCount返回值时间精确到10ms或15ms。

Wi ndows计算机系统有一个高精度性能定时器。函数QueryPerformanceFrequency可得到这个定时器的频率。函数QueryPerformance Counter可得到定时器的当前值。利用2次获得的计数之差及时钟频率, 就可以计算出事件经历的精确时间。缺点是:读取速度相对慢, 与C PU速度关系不大。在使用时要注意它的实用分辨率大约只有2μs。

计算机CPU中, 有一个称为“时间戳 (Time Stamp) ”的部件, 它以64bit无符号整型数的格式, 记录了自CPU上电以来所经过的时钟周期数, 提供了1条机器指令RDTSC (Read Time Stamp Counter) 来读取这个时间戳。但实际执行约需200个时钟周期, 对于1GHz处理器实用分辨率约0.2μs。

用高精度性能定时器或RDTSC均可为网络延时测量提供μs级计时, 但要根据系统的具体情况选择一个最合适的。

3. 进一步提高授时精度的方法

局域网络时延相对较大的原因在于时间戳一般都是在应用层加戳。为减少操作系统内核处理延时的影响提高NTP授时精度, 发/收NTP包时间戳应尽量接近主机真实发/收包时刻。在不改变硬件的条件下, 一个可行的办法是修改网卡驱动程序, 将记录NTP包发/收时间戳从应用程序移至网卡驱动程序处, 可消除操作系统内核处理延时不确定而引入的误差。

四、基于PTP协议的科考船网络时间系统

对于科考船, 时间传递技术主要是指船内时间传递, 其主要的传递技术包括基于PTP协议网络时间传递和光纤时间传递。主要由岸船对时、定时校频、时间统一、时间服务器和时频传输网络等子系统组成, 系统组成如图5所示。

科考船对时方案可通过同步以太网技术, 基于EEE1588技术实现时间同步。时钟振荡器随时间产生漂移, 需要标准授时系统作校准, 校准过程要简短和安全可靠。目前常用的有GPS (全球定位系统) 和IRIG-B (国际通用时间格式码) , IRIG-B每秒发送一个帧脉冲和10MHz基准时钟, 实现主控机/客户机的时钟同步。IEEE1588采用时间分布机制和时间调度概念, 客户机可使用普通振荡器, 通过软件调度与主控机的主时钟保持同步, 过程简单可靠, 节约大量时钟电缆。岸船对时子系统中, 科考船定时校频以岸船卫星双向对时为主用手段, 北斗/GPS为辅用手段, 实现岸船高精度时间同步, 对时精度优于10ns。在提高两点间的岸船对时的精度的基础上, 通过建立岸船多点编队对时网络, 进一步提高岸船对时精度。定时校频子系统在科考船安装高精度频率源, 并通过岸船对时信号对高稳频率源进行定时校频。时间统一子系统以高稳频率源为基础, 产生含有同步信息和时间信息的IRIG-B时间码、1pps信号以及相关高稳频率信号。时间服务器子系统接收本地时统IRIG-B时间码校准、1pps以及10MHz频标信号, 采用PTP协议通过IP承载网络为用户提供亚微秒级的时间信息服务。

五、结束语

综上所述, 科考船采用基于同步以太网技术的同步技术, 以太网通过物理层芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟。同步以太网采用实时报文方式 (RTP) 在主从结点间提供网络连接和基于信息报的同步服务, 网络时间服务器以时间报文方式向用户发布时间信息, 终端节点进行时频同步, 并产生IRIG-B时码, 送给所需服务的设备;时频信号传输范围广, 可利用率高;网络中可利用时间信号用于网络维护、控制与管理, 因此应用可扩展性强。

摘要：针对以太网传输时间精度低的问题, 本文阐述了网络时延的产生, 分析比较采用两种不同协议对网络时间同步的影响, 重点研究消除网络时延对时间同步影响的方法, 探讨了在网络条件下如何提高对时精度的问题, 给出了基于同步以太网的科考船时频系统设计。

关键词：NTP,时钟频率偏差,PTP,高精度授时

参考文献

智能设备直接实现B码对时的方法 第7篇

随着用电设备和用电量的逐年增多,人们对电力系统的自动化和安全运行的要求越来越高,而实现电力系统的自动化和安全运行的一个要素就是电网时间的精确和统一。全球定位系统(GPS)由于具有精度极高的对时发布系统,逐步在电力系统得到广泛使用,国家电网公司发布的关于加强电力二次系统时钟管理的通知中就明确要求逐步采用IRIG-B码(以下简称B码)标准实现GPS对时装置与相关系统或设备的对时[1,2,3,4]。

目前,GPS对时装置提供的B码有多种方式,包括直流偏置电平(即TTL电平)、差分信号等。由于TTL电平或差分信号只占用一个I/O口的资源,本文选用TTL电平或差分信号。

1 IRIG-B码概述[4]

IRIG码是美国靶场司令委员会制定的一种对时标准,广泛应用于军事、商业、工业等诸多领域。IRIG码共有4种并行二进制时间码格式和6种串行二进制时间码格式,其中最常用的是IRIG-B时间码格式,以每秒1次的频率发送包括日、时、分、秒等在内的时间信息,B码信号是每秒一帧的时间串码。B码的基本码元有“0”码元、“1”码元和“P”码元,每个码元占用10 ms的时间,一个时帧周期包含100个码元。码元“0”和码元“1”对应的脉冲宽度分别为2 ms和5 ms,“P”码元是位置码元,对应的脉冲宽度为8 ms。

每秒1帧的B码脉冲序列结构示意图见图1。

连续2个“P”码元表示整秒的开始,第2个“P”码元的脉冲前沿是“准时”参考点,定义其为“Pr”,每10个码元有一个位置码元,共有10个,定义其为P1,P2,,P9,P0。B码时间格式的时序为秒、分、时、日,所占信息位为秒7位、分7位、时6位、日10位,其位置在P0~P5之间。若从“Pr”开始对码元进行编号,分别定义为第0,1,2,,99码元,则“秒”信息位于第1,2,3,4,6,7,8码元,“分”信息位于第10,11,12,13,15,16,17码元,“时”信息位于第20,21,22,23,25,26码元,“日”信息位于第30,31,32,33,35,36,37,38,40,41码元。日、时、分、秒用二进制编码的十进制(BCD)码表示,个位在前,十位在后,个位与十位间有一个脉冲宽度为2 ms的索引标志码元。如图1所示的B码序列表示的时间是一年中的第181日14时28分32秒。控制功能码位于P5~P8之间。从P8码元开始是纯二进制秒码(SBS),SBS是直接用秒信号表示一日时间的时间编码方法,共17位二进制信号,每日重复。

2 B码对时模块硬件组成

B码对时模块电路如图2所示。

对时模块的核心芯片采用MCF52259,其工作频率最高可达80 MHz,内部集成了512 KB的Flash存储器及64 KB的随机存取存储器(RAM),利用其16 bit通用定时器(GPT)模块,可以轻松地完成对B码码元的识别,从而实现B码对时。光电隔离器件是为了进一步提高抗干扰能力。外接的B码差分信号或TTL信号经光电隔离后直接接入MCF52259的GPT引脚。

3 对时模块的软件设计

在GPT模块的设计中,把相应的引脚设置为上升沿和下降沿触发中断,同时启动16 bit计数器,计数器设成100 μs自加一次。当上升沿触发中断时读出计数器的值,然后在下降沿触发中断时读出计数器的值,两者之差即是脉冲宽度。中断程序的流程如图3所示。

3.1 时间码的提取

通过外部中断与内部计数器相结合,本模块有

效地实现了时间码元的提取。外部中断设为上升沿和下降沿都触发中断。当中断触发时,先检测是上升沿还是下降沿,同时记录内部计数器的值,上升沿计数与下降沿计数之差便为码元的高电平时间。

对于“0”码元,由于高电平的时间是2 ms,故上升沿减下降沿的计数值为20左右;对于“1”码元,由于高电平的时间是5 ms,故上升沿减下降沿的计数值为50左右;对于“P”码元,由于高电平的时间是8 ms,故上升沿减下降沿的计数值为80左右。

3.2 时间的提取

首先,检测是否为单“P”码元,如果不是则识别具体的时间值,如果是则检测是否是连续2个“P”码元;如果不是连续2个“P”码元则识别具体的时间值,如果是则第2个P码的下降沿0 ms点刚过去8 ms,此时把MCF52259内部时钟改为8 ms,然后依次翻译出秒、分、时、日的信号,更新MCF52259内部的时钟,达到对时的目的。

3.3 抗干扰设计

由于电力系统自动化设备在强电磁环境中连续工作,受到的干扰比较严重,因此,除了在硬件上采取光电隔离等措施外,在软件上采取了如下措施:

1)如果检查出的码元既不是“0”码元和“1”码元,也不是“P”码元,则认为装置受到干扰,前面所有识别出的数据无效,等待下次数据的提取。

2)当第1次对时后,内部时钟得到更改,再次出现2个“P”码元时,由内部时钟进行检测,误差应在可接受范围内,否则认为对时出错,等待下次对时。

4 应用

变电站智能设备采用上述方法可以轻松实现对时,但上述方法的中断太多可能会增加核心CPU的负担,影响它实现其他任务,可以将中断处理程序按1 min或更长的时间接受一次B码对时,因为对时不需要太频繁,对时一次后依靠系统内部时钟对时误差也会很小。例如,1 s对时一次,由于B码信号中断处理程序非常小,基本不会影响其他任务。

5 结语

传统的对时方法采用对时脉冲加串口的方式,即在发对时脉冲的同时通过串口网络发对时指令。其缺点有:①占用智能设备较多的资源;②串口网络对时存在延时,可能导致误差1 s的现象出现;③硬件成本较高。本文方法可以简化B码对时电路设计,提高对时的准确性及可靠性,弥补传统对时的缺陷,将在电力系统智能设备中得到广泛应用。

参考文献

[1]张海雯,张鹏,王少荣,等.高性能GPS时间同步装置研制.电力自动化设备,2003,23(4):37-40.ZHANG Hai wen,ZHANG Peng,WANG Shaorong,et al.Development of high quality ti me synchronous device based on GPS.Electric Power Automation Equipment,2003,23(4):37-40.

[2]皱红艳,郑建勇.基于GPS同步时钟的统一校时方案.电力自动化设备,2004,24(12):59-60.ZOU Hongyan,ZHENGJianyong.Ti me synchronization based on GPS clock.Electric Power Automation Equipment,2004,24(12):59-60.

[3]王铮,胡敏强,郑建勇.基于GPS的变电站内部时间同步方法.电力系统自动化,2002,26(4):36-39.WANG Zheng,HU Minqiang,ZHENG Jianyong.Synchronization in the substation based on global positioning system.Automation of Electric Power Systems,2002,26(4):36-39.

对时系统 第8篇

一、DCS系统对时原理简介

Ovation所用站及控制器都引用一个时间标准, 以统一系统的时间, 使得工业单位所有事件发生建立在一个标准的基础上, 一方面给予历史事件发生的时间提供可靠的参考保证, 一方面对于控制要求高的工业自动化提供高精度时间, 最后随着工业单位所处的地理位置不同其真正的时间也是有区别的, 所以现在一般都自己选择单独授时, 而不是接受国家的统一授时。

二、DCS系统对时过程

DCS采用的是两级时间同步, 首先由服务器 (drop200) 在时间同步周期内向GPS发出时间同步请求, GPS收到同步请求, 经过内部处理, 发出时钟信号, 此时服务器收到来自GPS的时间, 修改本地时钟;其次系统内其它控制器以及操作站向服务器 (drop200) 时间发出同步请求, 由drop200发出时间信号。以此保证每台计算机以及控制器的时间都是同一个时间。

三、OVATION系统GPS出现操作员站无法操作的问题

现象:某年某厂, #1机组及#2机组所有操作员站都无法操作, 并且所有的的站时间都在1980年1月1日0:00, 修改服务器的时间后, 不久又变回0:00, 此时也无法打开drop200的Studio。

重新设置GPS:

1. GPS设置: (1) 在Network→Configuration→Network time protocol→NTP (Time)

Configuration→Open→Time Server选择Domain Server;

(2) D r o p 2 0 0→D o m a i n C t r l N e t w o r k T i m e Protocol→Domain Ctrl NTP (Time) Configuration→Open→Clock选择External Clock, External Clock填写GPS的IP地址

上述设置好后需要download下装至所有的控制器和操作员站并且重启;

2. 重启后可以输入下面的命令检查所有设备是否与drop200成功对时:

检查对时命令

W32tm/stripchart/computer:<drop名>/dataonly/samples:10

<drop名>可以是控制器、工作站, 也可以用IP地址代表交换机如:192.168.3.1

3. 为满足机组正负时差超15分钟不对时, 修改服务器注册表 (drop200) 地址为:

HKEY_Local_Machinesystemcurrent control setw32timeconfig

注册项:Maxposphase correction改为900

四、系统问题总结

综上可以找到系统出现问题的几个诱因。第一, 系统大量变动并且不及时维护或仅部分维护;第二, 使用者对于DCS系统仅在功能性上了解, 没有对其工作原理及数据组织结构上作分析, 未考虑工控软件系统与家用软件系统的区别。

问题造成的原因多种多样, 但综合而言, DCS系统的经常性维护工作是解决这些问题的切实、可行的方法, 在充分了解DCS系统内部工作原理的基础上, 加强日常的系统维护工作, 对相应参数设定及功能定期复检, 才能有效地避免系统出现的各种问题。

五、结束语

在集控运行越来越普及的今天, DCS系统在实际使用中的重要程度已无容置疑, 其系统维护已变成具有很强专业性质的技术工作。任何维护工作细小处的变动和修改, 都有可能对系统本身造成影响。专业的维护工作者深入学习, 勤于维护, 才能使DCS系统调整到它的最好工作状态, 才能更好的为电力事业服务。

参考文献

[1]OVATION系统英文帮助1.7版[M].