大唐戶縣第二熱電廠 尹 杏

1 背景簡(jiǎn)介

根據(jù)中國(guó)大唐集團(tuán)公司《防止全廠停電指導(dǎo)意見(jiàn)》（2014版）規(guī)定條文第四章保護(hù)及控制系統(tǒng)管理部分中的要求——為了防止全廠停電，運(yùn)行機(jī)組要逐步將時(shí)鐘由GPS時(shí)鐘改為北斗時(shí)鐘系統(tǒng)，大唐戶縣第二熱電廠于2015年10月改造中采用K801主時(shí)鐘北斗校時(shí)裝置，通過(guò)GPS北斗聯(lián)合授時(shí)方式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)校時(shí)，確保了機(jī)組與電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

2 K801主時(shí)鐘概述

K801主時(shí)鐘依靠智能馴服算法來(lái)保證測(cè)頻的準(zhǔn)確性，并保證GPS衛(wèi)星于振蕩器時(shí)間頻率信號(hào)保持精準(zhǔn)的同步性。該技術(shù)的輸出信號(hào)為分頻秒信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置振蕩器將其輸出，與GPS信號(hào)同步的情況下未受到GPS秒脈沖信號(hào)跳變的影響，使其達(dá)到UTC時(shí)間基準(zhǔn)的狀態(tài)。在K801主時(shí)鐘裝置中運(yùn)用智能學(xué)習(xí)算法促使晶振在其運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮“學(xué)習(xí)”特性，不斷將參數(shù)在板載存儲(chǔ)器中保存[1]。然而，一旦出現(xiàn)外部B碼時(shí)間基準(zhǔn)的異常，則K801裝置則又恢復(fù)至內(nèi)部守時(shí)的狀態(tài)，僅僅依靠存儲(chǔ)器中的參數(shù)記憶指導(dǎo)晶體振蕩器的運(yùn)行，做出一定的補(bǔ)償，以保證時(shí)間信息輸出的準(zhǔn)確性。該特性保證了輸出時(shí)間不易因晶體振蕩器的老化而出現(xiàn)各種時(shí)間偏差的影響。K801主時(shí)鐘還可通過(guò)時(shí)延補(bǔ)償功能抵消長(zhǎng)距離傳輸對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)造成的延時(shí)效應(yīng)，進(jìn)一步確保外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的穩(wěn)定性。利用集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及SMT表面貼裝技術(shù)，并結(jié)合高速芯片的控制，使其具備強(qiáng)大的功能以及高度的穩(wěn)定性，不易受影響形成時(shí)間偏差。

2.1 K801主時(shí)鐘的原理

K801主時(shí)鐘包括主鐘信號(hào)輸入單元、GPS衛(wèi)星信號(hào)輸入單元、北斗衛(wèi)星信號(hào)輸入單元、B碼信號(hào)輸入單元、中心處理單元、顯示及鍵盤(pán)控制、電源、脈沖電路、電源、時(shí)間保持單元、IRIG-B信號(hào)生成電路、IRIG-B輸出接口以及NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間等[2]。其工作原理如圖1所示。

圖1 K801主時(shí)鐘原理圖

2.2 K801主時(shí)鐘的天線安裝方法

K801主時(shí)鐘可達(dá)30ns的精度，其天線設(shè)計(jì)主要考慮了穩(wěn)定性、抗干擾以及防雷等因素。GPS接收天線需保持-45℃-85℃的運(yùn)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(yùn)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(shù)，10°-75°的波束寬度，體積為Φ103mm×110mm[4]。

安裝時(shí)，天線應(yīng)盡量避開(kāi)山坡、樹(shù)林、高層建筑物、鐵塔、高壓輸電線等對(duì)天線波束的阻擋。天線主波束方向上應(yīng)有足夠的視界，天線正前方應(yīng)有盡可能寬的視角。一般要求以天線基點(diǎn)為參考，對(duì)障礙物最高點(diǎn)所成的夾角小于10度。天線的架設(shè)位置應(yīng)避開(kāi)風(fēng)口，以減小天線的風(fēng)載。在多雷雨地區(qū)，天線的架設(shè)位置應(yīng)避開(kāi)雷擊多發(fā)地點(diǎn)，天線頭應(yīng)放在電廠/變電站避雷針避雷范圍內(nèi)。

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

圖2 K801主時(shí)鐘GPS北斗聯(lián)合授時(shí)LED顯示圖

3 DCS系統(tǒng)中K801主時(shí)鐘北斗校時(shí)裝置的應(yīng)用

3.1 K801在DCS系統(tǒng)中的串口校時(shí)方法

DCS系統(tǒng)中K801主時(shí)鐘通過(guò)硬接線的方式與外部設(shè)備達(dá)到同步狀態(tài)，即通過(guò)某站點(diǎn)的設(shè)備對(duì)時(shí)接口與GPS時(shí)鐘同步輸出標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間編碼。當(dāng)對(duì)時(shí)接口的設(shè)備為RS-232時(shí)，則會(huì)輸出ASCⅡ碼字節(jié)，而此時(shí)北斗校時(shí)裝置則需要以相同格式的字節(jié)信號(hào)輸出。該廠K801主時(shí)鐘北斗校時(shí)裝置每塊“串口信號(hào)輸出卡”通過(guò)兩路輸出，串口輸出的通信波特率采用4800bit/s。

K801主時(shí)鐘串行信號(hào)輸出接口如圖3所示。

圖3 K801主時(shí)鐘串行信號(hào)輸出接口

3.2 K801在DCS系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)校時(shí)方法

K801主時(shí)鐘在完成時(shí)間信息的同步過(guò)程中需要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下達(dá)到各站點(diǎn)時(shí)間的連接。首先，需保證局部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連通，由各局部形成統(tǒng)一的大DCS系統(tǒng)。可應(yīng)用1路NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)接口達(dá)到局部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通，并以IP地址對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的接口配置，將此作為時(shí)間服務(wù)器。各站點(diǎn)的時(shí)間必須與時(shí)間服務(wù)器達(dá)到高度的一致性。在局部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不連通的狀態(tài)下，各部分信息則會(huì)形成孤島，造成數(shù)據(jù)的物理隔離，此時(shí)對(duì)于隔離部分則需要采用數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)亩嗌俾種TP網(wǎng)絡(luò)與其進(jìn)行對(duì)時(shí)連接。K801主時(shí)鐘出廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的IP地址：192.168.0.5，該廠K801主時(shí)鐘北斗校時(shí)裝置實(shí)際操作中，為了與DEH的網(wǎng)段在同一網(wǎng)段，將IP地址修改為92.168.2.105。

3.3 校時(shí)偏差的檢查方法

通過(guò)上文分析可知，K801主時(shí)鐘是一種自上而下的同步過(guò)程，在DCS系統(tǒng)中可產(chǎn)生的誤差主要有三類【6】：①與世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）的誤差；②與GPS時(shí)鐘的誤差；③各站點(diǎn)主從時(shí)鐘的同步誤差。

與世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）的誤差主要因北斗校時(shí)裝置的精度所決定，當(dāng)輸出時(shí)間信號(hào)為1pps，則會(huì)將脈沖前沿作為基準(zhǔn)時(shí)間，此時(shí)可達(dá)到幾十ns-1μs的精度。在串行輸出時(shí)，以RS-232為例，依據(jù)1PPS的脈沖前沿進(jìn)行偏差的計(jì)量，則可達(dá)到0.2ms的同步精度。

與GPS時(shí)鐘的誤差是因“硬接線”的方式而產(chǎn)生。在DCS系統(tǒng)中時(shí)間信號(hào)會(huì)通過(guò)某站點(diǎn)發(fā)出，進(jìn)而通過(guò)時(shí)鐘同步卡輸出相對(duì)應(yīng)的時(shí)間編碼以及硬件。然而在同步接受端，可能會(huì)產(chǎn)生一定的延遲時(shí)間，例如，當(dāng)RS-232輸出ASCⅡ碼字節(jié)的過(guò)程，因此需設(shè)置一定的補(bǔ)償。同時(shí)，可采用高頻銷相的解碼卡或碼元載波周期計(jì)數(shù)進(jìn)行IRIG-B編碼，促使K801主時(shí)鐘與GPS達(dá)到較高的同步精度。

各站點(diǎn)主從時(shí)鐘的同步誤差主要因網(wǎng)絡(luò)所致。DCS系統(tǒng)各站點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行的連接，在時(shí)鐘同步的過(guò)程中必然存在著時(shí)鐘信息發(fā)送、傳播以及處理的延遲，從而造成各站點(diǎn)的同步誤差。主時(shí)鐘端一旦生成時(shí)間報(bào)文，則需要經(jīng)過(guò)發(fā)送以及內(nèi)核協(xié)議處理等操作，報(bào)文在同步請(qǐng)求下會(huì)送達(dá)網(wǎng)絡(luò)接口，必然會(huì)耗損一定的時(shí)間。同時(shí)，因DCS系統(tǒng)是在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上的總線裝置，網(wǎng)絡(luò)接口接受時(shí)間報(bào)文后還需等待網(wǎng)絡(luò)空閑，若遇到?jīng)_突事件，還需重新發(fā)送時(shí)間報(bào)文。此外，在時(shí)間報(bào)文成功上網(wǎng)后，在DCS系統(tǒng)中由主時(shí)鐘端送至子時(shí)鐘端也需要一定的時(shí)間。一般而言，在光纖中電磁波可達(dá)到2/3的光速，然而在DCS局域網(wǎng)中，其傳播時(shí)延約為幾百ns。子時(shí)鐘端接收到網(wǎng)絡(luò)接口的報(bào)文信息后，會(huì)將其記錄儲(chǔ)存，還會(huì)對(duì)中斷請(qǐng)求進(jìn)行計(jì)算，矯正時(shí)鐘的時(shí)間，進(jìn)而會(huì)造成DCS系統(tǒng)主從時(shí)鐘之間以及從從時(shí)鐘之間的同步誤差。

然而在不同的網(wǎng)絡(luò)類型中，因時(shí)鐘通信協(xié)議以及同步算法的不同，也可能出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)下，各種高精度、高效的同步協(xié)議也相繼問(wèn)世，為同步時(shí)鐘的偏差矯正做出了一定的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

K801主時(shí)鐘北斗校時(shí)裝置利用先進(jìn)的定位系統(tǒng)以及晶振技術(shù)，達(dá)到了較高的精確度。本文對(duì)大唐戶縣第二熱電廠所采用的K801主時(shí)鐘裝置在原理基礎(chǔ)上對(duì)其在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從運(yùn)行原理的角度分別闡述了K801主時(shí)鐘在DCS系統(tǒng)中串口校時(shí)方法、網(wǎng)絡(luò)校時(shí)方法以及產(chǎn)生的各類偏差。此應(yīng)用符合集團(tuán)公司防止全廠停電反措條文中的相關(guān)規(guī)定的同時(shí)，也確保了運(yùn)行設(shè)備時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一，為保障該廠運(yùn)行機(jī)組的安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

[1]郭伯春.Ovation DCS系統(tǒng)接入GPS時(shí)鐘同步應(yīng)用分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2012,30(1):57-60.

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