K801主時鐘北斗校時裝置在DCS系統的應用

大唐戶縣第二熱電廠 尹 杏

1 背景簡介

根據中國大唐集團公司《防止全廠停電指導意見》（2014版）規定條文第四章保護及控制系統管理部分中的要求——為了防止全廠停電，運行機組要逐步將時鐘由GPS時鐘改為北斗時鐘系統，大唐戶縣第二熱電廠于2015年10月改造中采用K801主時鐘北斗校時裝置，通過GPS北斗聯合授時方式進行標準校時，確保了機組與電網的安全運行。

2 K801主時鐘概述

K801主時鐘依靠智能馴服算法來保證測頻的準確性，并保證GPS衛星于振蕩器時間頻率信號保持精準的同步性。該技術的輸出信號為分頻秒信號，通過內置振蕩器將其輸出，與GPS信號同步的情況下未受到GPS秒脈沖信號跳變的影響，使其達到UTC時間基準的狀態。在K801主時鐘裝置中運用智能學習算法促使晶振在其運行過程中發揮“學習”特性，不斷將參數在板載存儲器中保存[1]。然而，一旦出現外部B碼時間基準的異常，則K801裝置則又恢復至內部守時的狀態，僅僅依靠存儲器中的參數記憶指導晶體振蕩器的運行，做出一定的補償，以保證時間信息輸出的準確性。該特性保證了輸出時間不易因晶體振蕩器的老化而出現各種時間偏差的影響。K801主時鐘還可通過時延補償功能抵消長距離傳輸對時間基準信號造成的延時效應，進一步確保外部時間基準信號的穩定性。利用集成電路的優化設計以及SMT表面貼裝技術，并結合高速芯片的控制，使其具備強大的功能以及高度的穩定性，不易受影響形成時間偏差。

2.1 K801主時鐘的原理

K801主時鐘包括主鐘信號輸入單元、GPS衛星信號輸入單元、北斗衛星信號輸入單元、B碼信號輸入單元、中心處理單元、顯示及鍵盤控制、電源、脈沖電路、電源、時間保持單元、IRIG-B信號生成電路、IRIG-B輸出接口以及NTP網絡時間等[2]。其工作原理如圖1所示。

圖1 K801主時鐘原理圖

2.2 K801主時鐘的天線安裝方法

K801主時鐘可達30ns的精度，其天線設計主要考慮了穩定性、抗干擾以及防雷等因素。GPS接收天線需保持-45℃-85℃的運行溫度，靈敏度在-163dBW以下，50Ω的阻抗，100%的濕度，且體積為Φ96mm×126mm。北斗接收天線的運行溫度為-45℃-85℃，并在50Ω的阻抗以及100%的濕度下保持40dB±2dB的增益，1.5dB的噪聲系數，10°-75°的波束寬度，體積為Φ103mm×110mm[4]。

安裝時，天線應盡量避開山坡、樹林、高層建筑物、鐵塔、高壓輸電線等對天線波束的阻擋。天線主波束方向上應有足夠的視界，天線正前方應有盡可能寬的視角。一般要求以天線基點為參考，對障礙物最高點所成的夾角小于10度。天線的架設位置應避開風口，以減小天線的風載。在多雷雨地區，天線的架設位置應避開雷擊多發地點，天線頭應放在電廠/變電站避雷針避雷范圍內。

衛星源有三種授時模式（GPS北斗聯合授時、GPS授時、北斗授時），該廠選擇 GPS北斗聯合授時模式，顯示如圖2所示：（P08表示收到的GPS衛星數，b07表示收到的北斗衛星數。）

圖2 K801主時鐘GPS北斗聯合授時LED顯示圖

3 DCS系統中K801主時鐘北斗校時裝置的應用

3.1 K801在DCS系統中的串口校時方法

DCS系統中K801主時鐘通過硬接線的方式與外部設備達到同步狀態，即通過某站點的設備對時接口與GPS時鐘同步輸出標準的時間編碼。當對時接口的設備為RS-232時，則會輸出ASCⅡ碼字節，而此時北斗校時裝置則需要以相同格式的字節信號輸出。該廠K801主時鐘北斗校時裝置每塊“串口信號輸出卡”通過兩路輸出，串口輸出的通信波特率采用4800bit/s。

K801主時鐘串行信號輸出接口如圖3所示。

圖3 K801主時鐘串行信號輸出接口

3.2 K801在DCS系統中的網絡校時方法

K801主時鐘在完成時間信息的同步過程中需要在網絡環境下達到各站點時間的連接。首先，需保證局部網絡數據的連通，由各局部形成統一的大DCS系統。可應用1路NTP網絡對時接口達到局部數據網絡的連通，并以IP地址對其進行相應的接口配置，將此作為時間服務器。各站點的時間必須與時間服務器達到高度的一致性。在局部數據網絡不連通的狀態下，各部分信息則會形成孤島，造成數據的物理隔離，此時對于隔離部分則需要采用數據相當的多少路NTP網絡與其進行對時連接。K801主時鐘出廠網絡設置的IP地址：192.168.0.5，該廠K801主時鐘北斗校時裝置實際操作中，為了與DEH的網段在同一網段，將IP地址修改為92.168.2.105。

3.3 校時偏差的檢查方法

通過上文分析可知，K801主時鐘是一種自上而下的同步過程，在DCS系統中可產生的誤差主要有三類【6】：①與世界協調時（UTC）的誤差；②與GPS時鐘的誤差；③各站點主從時鐘的同步誤差。

與世界協調時（UTC）的誤差主要因北斗校時裝置的精度所決定，當輸出時間信號為1pps，則會將脈沖前沿作為基準時間，此時可達到幾十ns-1μs的精度。在串行輸出時，以RS-232為例，依據1PPS的脈沖前沿進行偏差的計量，則可達到0.2ms的同步精度。

與GPS時鐘的誤差是因“硬接線”的方式而產生。在DCS系統中時間信號會通過某站點發出，進而通過時鐘同步卡輸出相對應的時間編碼以及硬件。然而在同步接受端，可能會產生一定的延遲時間，例如，當RS-232輸出ASCⅡ碼字節的過程，因此需設置一定的補償。同時，可采用高頻銷相的解碼卡或碼元載波周期計數進行IRIG-B編碼，促使K801主時鐘與GPS達到較高的同步精度。

各站點主從時鐘的同步誤差主要因網絡所致。DCS系統各站點是在網絡下進行的連接，在時鐘同步的過程中必然存在著時鐘信息發送、傳播以及處理的延遲，從而造成各站點的同步誤差。主時鐘端一旦生成時間報文，則需要經過發送以及內核協議處理等操作，報文在同步請求下會送達網絡接口，必然會耗損一定的時間。同時，因DCS系統是在以太網的基礎上的總線裝置，網絡接口接受時間報文后還需等待網絡空閑，若遇到沖突事件，還需重新發送時間報文。此外，在時間報文成功上網后，在DCS系統中由主時鐘端送至子時鐘端也需要一定的時間。一般而言，在光纖中電磁波可達到2/3的光速，然而在DCS局域網中，其傳播時延約為幾百ns。子時鐘端接收到網絡接口的報文信息后，會將其記錄儲存，還會對中斷請求進行計算，矯正時鐘的時間，進而會造成DCS系統主從時鐘之間以及從從時鐘之間的同步誤差。

然而在不同的網絡類型中，因時鐘通信協議以及同步算法的不同，也可能出現不同的同步精度。然而不論精度值如何，均基于上述偏差原理分析。在網絡時鐘同步技術不斷發展的當今社會下，各種高精度、高效的同步協議也相繼問世，為同步時鐘的偏差矯正做出了一定的貢獻。

4 結束語

K801主時鐘北斗校時裝置利用先進的定位系統以及晶振技術，達到了較高的精確度。本文對大唐戶縣第二熱電廠所采用的K801主時鐘裝置在原理基礎上對其在DCS系統中的應用進行了詳細的分析，從運行原理的角度分別闡述了K801主時鐘在DCS系統中串口校時方法、網絡校時方法以及產生的各類偏差。此應用符合集團公司防止全廠停電反措條文中的相關規定的同時，也確保了運行設備時間基準的統一，為保障該廠運行機組的安全運行奠定了基礎。

[1]郭伯春.Ovation DCS系統接入GPS時鐘同步應用分析[J].內蒙古電力技術,2012,30(1):57-60.

[2]邢文利,田亞勛.DCS時鐘不同步對系統的影響與處理[J].電力安全技術,2008,10(10):63-64.