GPS时钟服务器（NTP授时服务器）助力厂站自控系统

GPS时钟服务器（NTP授时服务器）助力厂站自控系统

GPS时钟服务器（NTP授时服务器）助力厂站自控系统

京准电子科技官微——ahjzsz

厂 站 自 动 化 系 统 的 正 常 运 行 离 不 开 时 间 的 准 确 计量, 而 且 需 要 高 精 度 的 时 间, 否 则 就 会 因 为 时 间 不 确 定 性 引 发 许 多 问 题 [ 1] , 例 如 : 故 障 录 波 信 息 失 去 一 定 精 度 的 时 间 参 照 将 降 低 其 有 效 性 [ 2] ; 分 相 测 量 装 置因时间误差可能引起较大误差[ 3] 。

目 前 , 在 实 际 应 用 中 , 采 用 最 多 的 方 式 , 是 利 用 全 球 定 位 系 统 ( GPS) 提 供 精 确 时 间 , 通 过 GPS、北斗接收机把该时间引入变电站, 再通过秒( 分) 脉 冲 、IRIG- B码 、DCF 77 码 或 者 RS- 232 串 口 报 文 的 方 式 给 全 站 部分或全部装置对时[ 4 -7] 。

如 果 全 站 的 设 备 和 节 点 机 都 直 接 通 过 以 上 直 接连线方 式 对 时, 虽 然 精 确 度 有 所 提 高, 但 就 要 求 采 用 多 个 GPS 接 收 机 或 者 多 个 GPS 扩 展 箱 , 使 应 用 成 本增高, 并且接线麻烦。

随 着 厂 站 自 动 化 系 统 走 向 网 络 化 , 间 隔 层 装 置 开始 普 遍 直 接 上 网 。 利 用 无 处 不 在 的 网 络 进 行 网 络

对时也开始越来越引起人们的注意和探讨。文献[ 8]

讨 论 了 网 络 时 间 协 议 ( NTP) 在 电 力 自 动 化 设 备 同 步 中的应用, 笔者认为有必要作更深一步的探讨。

随 着 IEC 61850 的 推 广 , 相 应 于 IEC 61850 的 国 内电力 行 业 标 准 正 在 加 紧 制 定( 到 写 稿 时 为 止 , 部 分

已 正 式 颁 布 或 正 在 送 审 、报 批 ) 。 在 IEC 61850 站 内 时 间 同 步 模 型 中 , 除 了 少 数 几 台 时 间 装 置 是 直 接 从

外 来 高 精 度 时 钟 源 获 取 时 间 的 , 其 他 大 量 站 内 装 置 和站 控 层 节 点 机 则 是 通 过 网 络 对 时 。 采 用 简 单 网 络

时间协议( SNTP) 的方式获取时间。可见网络对时是厂 站 内 时 钟 同 步 系 统 中 一 种 重 要 的 同 步 方 式 。 这 里 最 重 要 的 问 题 是: 对 时 精 度 是 否 能 够 达 到 IEC 61850

的要求或者实际装置完成正常功能所需要的精度。

本文将结合 IEC 61850 标准、网络时间 同 步 技 术

发 展 以 及 厂 站 自 动 化 系 统 中 目 前 的 对 时 应 用 情 况 和

实 际 需 要 , 探 讨 厂 站 自 动 化 系 统 中 网 络 时 间 同 步 技 术 的应用, 以期对实际工作能有所帮助。

1 对时间精确度的要求

厂 站 自 动 化 系 统 对 时 间 精 确 度 的 要 求 , 随 装 置 和 节 点 机 的 不 同 而 有 所 不 同 , 依 据 于 它 们 所 要 实 现 的功能确定。

例 如 , 在 站 控 层 的 后 台 机 上 , 目 前 对 时 间 精 度要

求最高的是状态变位( COS) 、事件顺序记录( SOE) 的 处 理 。 SOE 的 时 标 信 息 是 由 间 隔 层 装 置 提 供 的 , COS 的 时 标 则 是 由 监 控 后 台 机 提 供 的 , 这 2 个 信 号 要 互 相比对。目前, 国内所见的标准或规范对当地 监 控 后 台 的 时 间 精 确 性 要 求 相 对 较 低 , 一 般 COS的 时 标 只 要 到 秒 就 可 以 了 , 即 在 站 控 层 , 节 点 机 上 的 时 间 目 前 只要精确到秒。但是, 根据 IEC 61850 具 体 实 现 精 度 应 该 比 功 能 要 求 精 度 高 一 个 数 量 级 的 要 求 , 站 控 层 节 点 机 的 时 间 精 度 至 少 应 在 100 ~ 500 ms。

如果后台节点机同时充当主时钟 / 时间服务器,

则对时间精度的要求较高。

在 间 隔 层 的 装 置 一 级 , 则 有 更 高 的 时 间 精 度 要 求。例如, 对于同步相量测量装置, 周期是 20 ms, 1 ms

的 误 差 就 会 引 起 18°的 相 位 误 差 , 要 想 相 位 误 差 在

1°以 内 , 则 要 求 时 间 精 度 在 55 μs 以 内 。又 如 , 在 故

障 录 波 和 信 息 管 理 系 统 中 , 时 间 同 步 精 度 直 接 关 系

到 录波数据和故障信息的有用程度网 络 对 时 作 为 一 种 时 间 同 步 方 法 , 比 起 目 前 在 厂 站 中 普 遍 采 用 的 装 置 直 接 接 GPS 外 部 高 精 度 时 钟 源 的 方 式 , 有 它 经 济 、简 单 、规 范 [ 8] 、高 效 的 优 势 , 并且符合厂站自动化系统网络化的发展趋势。

作为变电站内网络和系统的国际标准 IEC61850,

对网络对时的应用也有非常明确的要求和模型。

a. 功 能 方 面 , 在 IEC 61850 第 5 部 分 功 能 通 信 要 求 和 装 置 模 型 的 附 件 G 中 对 IEC 61850 的 时 间 同

步任务规定: 时间 同 步 用 于 系 统 内 各 装 置 间 的 同 步 。

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 作 为 后 备 主 时 钟 。 通 过 主 时 钟 对 各 分 布 节 点 设 置 绝 对 时 间 ; 各 分 布 节 点 时 钟 连

续 同 步 。 为 提 高 效 率 , 时 钟 同 步 最 好 通 过 协 议 层 完

成 。 可 见 除 了 主 、备 主 时 钟 直 接 从 外 部 高 精 度 时 间 源 获 取 时 间 , 站 内 其 他 装 置 还 是 要 通 过 主 时 钟 实 现

时间同步。

b. 在模型方面, 图 1 是 IEC 61850 第 7- 2 部分规 定的时间模型和时间同步原理图。图中的 IEC 61850

特定通信服务映射( SCSM) 指 的 是 IEC 61850 中 定 义

的 一 种 映 射 机 制, 它 提 供 了IEC 61850 中 上 层 抽 象 通 信 服 务 接 口 ( ACSI) 服 务 和 对 象 对 特 定 应 用 协 议 / 通

信协议集的具体映射。目 前 , 厂 站 自 动 化 系 统 中, 对 时 系 统 普 遍 采 用 直 接接线对时和网络对时相结合的方式。具体表现为: 通 过 1 个 或 多 个 GPS 接 收 机 引 入 高 精 度 时 钟 ; 站 控 层则一般只 有 1~2 台 服 务 器 采 用 串 口 时 间 报 文 的 方 式 从 GPS 接 收 机 获 取 时 间 , 其 余 站 控 层 节 点 则 采 用 网 络 对 时 的 方 式 ; 间 隔 层 装 置 普 遍 采 用 直 接 接 线 到

GPS 接 收 机 的 方 式 获 取 时 间 , 一 般 采 用 分 / 秒 脉 冲 、

IRIG – B 码、DCF 77 码方式。

由 于 间 隔 层 装 置 众 多 , GPS 接 收 机 装 置 往 往 连 有 扩 展 箱, 以 便 多 出 接 点 , 并 且 允 许 同 一 面 屏 上 若 干

装 置 共 用 同 1 副 接 点 , 或 者 允 许 1 副 接 点 连 接 若 干 台装置。不同厂家出厂的 GPS 接收装置, 其秒脉冲、 IRIG- B 码 输 出 精 度 略 有 不 同 。 图 2 是 典 型 500 kV

变电站对时系统结构。

对 于 那 些 直 接 从 GPS 接 收 机 取 秒 脉 冲 、分 脉 冲 信号的装置, 它还需要综合当前时刻的分、秒值( 这 些

信 息 一 般 由 其 他 节 点 通 过 网 络 传 送) , 才 能 给 出 当 前 准 确 时 间 。 其 时 间 精 确 度 和 具 体 硬 、软 件 实 现 水 平

有很大关系。

4 系统的时间保持

在讨论网络时间同步技术前, 首先总结系统是怎 样保持时间的。计算机所保持的时间有 2 个[ 9] 。

a . 硬 时 钟 ( CMOS) 时 间 。 它 是 基 于 石 英 晶 体 振 荡 器 和 靠 电 池 供 电 的 日 历 时 钟 芯 片 。 晶 体 振 荡 器 有

固定的振荡频率; 它们所保持的时间存放在主板上的

CMOS 中。

b. 软时钟( 操作系统时钟) 。操作系统在刚启动 时 从 CMOS 中 读 取 初 始 时 间 , 以 后 则 由 主 板 上 计 数 器 电 路 触 发 时 钟 中 断 , 在 中 断 处 理 程 序 中 记 录 触 发 次 数 ( 常 称 为 tick 值 ) , 根 据 计 数 器 触 发 中 断 的 频 率 和 tick 值及开机初始时间, 就可维持操作系统时钟。 硬 时 钟 在 关 机 后 是 可 以 保 持 的 , 而 软 时 钟 在 开 机以后就独立于 硬 时 钟 开 始 计 算 。 这 2 种 时 钟 依 应 用 情 况 不 同 还 存 在 着 一 个 相 互 校 正 的 过 程 。 原 则 上 , 硬时钟的精度应该比软 时 钟 高; 而 在 操 作 系 统 获 得 外 来 高 精 度 时 间 源 的 情 况 下 , 也 存 在 着 用 软 时 钟

定时校正硬时钟的情况。

装置上保持时间的方式, 从原理上与以上通用计 算机的方式一样。

在计算机或装 置 上 , 之 所 以 能 保 持 时 间, 说 到 底 还 是 依 赖 于 晶 体 振 荡 器 稳 定 的 振 荡 频 率 。 然 而 , 任

何 振 荡 器 的 振 荡 频 率 都 不 是 恒 定 不 变 的 , 受 环 境 温 度、老化等各种因素的影响振荡频率有轻微 的 改 变 ,

这 也 是 时 间 误 差 最 重 要 的 来 源 之 一 。 如 果 晶 体 振 荡 器有 1×10- 6 的不稳定度, 则 每 秒 可 能 产 生 1 μs 的 误 差 , 每 分 钟 产 生 60 μs 的 误 差 , 每 天 产 生 86 . 4 ms

的 误 差 。一 般 PC 机 和 装 置 上 所 用 的 晶振的频率稳 定度在 1×10- 7~1×10- 5。

由于时钟中 断 可 能 被 其 他 更 高 优 先 级 的 中 断 所

屏蔽等各种原因, 使 得 系 统 软 件 所 维 持 的 时 间, 其 误 差比晶振频率不稳定直接带来的误差还要大很多。

可 见 系 统 本 身 所 保 持 的 时 间 精 确 度 是 不 够 的 ,

外 来 高 精 度 时 间 源 的 选 择 十 分 重 要 。 目 前 , 绝 大 多 数 厂 站 自 动 化 系 统 中 的 外 部 时 间 源 都 选 择 GPS, 但

还应该考虑其他备用的外部时间源[ 3] 。例如, 我国自主 研 发 的 北 斗 导 航 系 统 的 定 时 产 品 , 其 授 时 精 度 为20 ~100 μs; 国 家 授 时 中 心 的 BPL 长 波 授 时 系 统 , 授 时 精 度 可 达 1 μs[ 10] 。 相 应 接 收 机 的 定 时 精 度 都 在 10 μs 以 内 , 基 本 可 以 满 足 一 般 变 电 站 装 置 对 时间精确度的要求。