K801主时钟北斗校时装置在DCS系统的应用

大唐户县第二热电厂 尹 杏

1 背景简介

根据中国大唐集团公司《防止全厂停电指导意见》（2014版）规定条文第四章保护及控制系统管理部分中的要求——为了防止全厂停电，运行机组要逐步将时钟由GPS时钟改为北斗时钟系统，大唐户县第二热电厂于2015年10月改造中采用K801主时钟北斗校时装置，通过GPS北斗联合授时方式进行标准校时，确保了机组与电网的安全运行。

2 K801主时钟概述

K801主时钟依靠智能驯服算法来保证测频的准确性，并保证GPS卫星于振荡器时间频率信号保持精准的同步性。该技术的输出信号为分频秒信号，通过内置振荡器将其输出，与GPS信号同步的情况下未受到GPS秒脉冲信号跳变的影响，使其达到UTC时间基准的状态。在K801主时钟装置中运用智能学习算法促使晶振在其运行过程中发挥“学习”特性，不断将参数在板载存储器中保存[1]。然而，一旦出现外部B码时间基准的异常，则K801装置则又恢复至内部守时的状态，仅仅依靠存储器中的参数记忆指导晶体振荡器的运行，做出一定的补偿，以保证时间信息输出的准确性。该特性保证了输出时间不易因晶体振荡器的老化而出现各种时间偏差的影响。K801主时钟还可通过时延补偿功能抵消长距离传输对时间基准信号造成的延时效应，进一步确保外部时间基准信号的稳定性。利用集成电路的优化设计以及SMT表面贴装技术，并结合高速芯片的控制，使其具备强大的功能以及高度的稳定性，不易受影响形成时间偏差。

2.1 K801主时钟的原理

K801主时钟包括主钟信号输入单元、GPS卫星信号输入单元、北斗卫星信号输入单元、B码信号输入单元、中心处理单元、显示及键盘控制、电源、脉冲电路、电源、时间保持单元、IRIG-B信号生成电路、IRIG-B输出接口以及NTP网络时间等[2]。其工作原理如图1所示。

图1 K801主时钟原理图

2.2 K801主时钟的天线安装方法

K801主时钟可达30ns的精度，其天线设计主要考虑了稳定性、抗干扰以及防雷等因素。GPS接收天线需保持-45℃-85℃的运行温度，灵敏度在-163dBW以下，50Ω的阻抗，100%的湿度，且体积为Φ96mm×126mm。北斗接收天线的运行温度为-45℃-85℃，并在50Ω的阻抗以及100%的湿度下保持40dB±2dB的增益，1.5dB的噪声系数，10°-75°的波束宽度，体积为Φ103mm×110mm[4]。

安装时，天线应尽量避开山坡、树林、高层建筑物、铁塔、高压输电线等对天线波束的阻挡。天线主波束方向上应有足够的视界，天线正前方应有尽可能宽的视角。一般要求以天线基点为参考，对障碍物最高点所成的夹角小于10度。天线的架设位置应避开风口，以减小天线的风载。在多雷雨地区，天线的架设位置应避开雷击多发地点，天线头应放在电厂/变电站避雷针避雷范围内。

卫星源有三种授时模式（GPS北斗联合授时、GPS授时、北斗授时），该厂选择 GPS北斗联合授时模式，显示如图2所示：（P08表示收到的GPS卫星数，b07表示收到的北斗卫星数。）

图2 K801主时钟GPS北斗联合授时LED显示图

3 DCS系统中K801主时钟北斗校时装置的应用

3.1 K801在DCS系统中的串口校时方法

DCS系统中K801主时钟通过硬接线的方式与外部设备达到同步状态，即通过某站点的设备对时接口与GPS时钟同步输出标准的时间编码。当对时接口的设备为RS-232时，则会输出ASCⅡ码字节，而此时北斗校时装置则需要以相同格式的字节信号输出。该厂K801主时钟北斗校时装置每块“串口信号输出卡”通过两路输出，串口输出的通信波特率采用4800bit/s。

K801主时钟串行信号输出接口如图3所示。

图3 K801主时钟串行信号输出接口

3.2 K801在DCS系统中的网络校时方法

K801主时钟在完成时间信息的同步过程中需要在网络环境下达到各站点时间的连接。首先，需保证局部网络数据的连通，由各局部形成统一的大DCS系统。可应用1路NTP网络对时接口达到局部数据网络的连通，并以IP地址对其进行相应的接口配置，将此作为时间服务器。各站点的时间必须与时间服务器达到高度的一致性。在局部数据网络不连通的状态下，各部分信息则会形成孤岛，造成数据的物理隔离，此时对于隔离部分则需要采用数据相当的多少路NTP网络与其进行对时连接。K801主时钟出厂网络设置的IP地址：192.168.0.5，该厂K801主时钟北斗校时装置实际操作中，为了与DEH的网段在同一网段，将IP地址修改为92.168.2.105。

3.3 校时偏差的检查方法

通过上文分析可知，K801主时钟是一种自上而下的同步过程，在DCS系统中可产生的误差主要有三类【6】：①与世界协调时（UTC）的误差；②与GPS时钟的误差；③各站点主从时钟的同步误差。

与世界协调时（UTC）的误差主要因北斗校时装置的精度所决定，当输出时间信号为1pps，则会将脉冲前沿作为基准时间，此时可达到几十ns-1μs的精度。在串行输出时，以RS-232为例，依据1PPS的脉冲前沿进行偏差的计量，则可达到0.2ms的同步精度。

与GPS时钟的误差是因“硬接线”的方式而产生。在DCS系统中时间信号会通过某站点发出，进而通过时钟同步卡输出相对应的时间编码以及硬件。然而在同步接受端，可能会产生一定的延迟时间，例如，当RS-232输出ASCⅡ码字节的过程，因此需设置一定的补偿。同时，可采用高频销相的解码卡或码元载波周期计数进行IRIG-B编码，促使K801主时钟与GPS达到较高的同步精度。

各站点主从时钟的同步误差主要因网络所致。DCS系统各站点是在网络下进行的连接，在时钟同步的过程中必然存在着时钟信息发送、传播以及处理的延迟，从而造成各站点的同步误差。主时钟端一旦生成时间报文，则需要经过发送以及内核协议处理等操作，报文在同步请求下会送达网络接口，必然会耗损一定的时间。同时，因DCS系统是在以太网的基础上的总线装置，网络接口接受时间报文后还需等待网络空闲，若遇到冲突事件，还需重新发送时间报文。此外，在时间报文成功上网后，在DCS系统中由主时钟端送至子时钟端也需要一定的时间。一般而言，在光纤中电磁波可达到2/3的光速，然而在DCS局域网中，其传播时延约为几百ns。子时钟端接收到网络接口的报文信息后，会将其记录储存，还会对中断请求进行计算，矫正时钟的时间，进而会造成DCS系统主从时钟之间以及从从时钟之间的同步误差。

然而在不同的网络类型中，因时钟通信协议以及同步算法的不同，也可能出现不同的同步精度。然而不论精度值如何，均基于上述偏差原理分析。在网络时钟同步技术不断发展的当今社会下，各种高精度、高效的同步协议也相继问世，为同步时钟的偏差矫正做出了一定的贡献。

4 结束语

K801主时钟北斗校时装置利用先进的定位系统以及晶振技术，达到了较高的精确度。本文对大唐户县第二热电厂所采用的K801主时钟装置在原理基础上对其在DCS系统中的应用进行了详细的分析，从运行原理的角度分别阐述了K801主时钟在DCS系统中串口校时方法、网络校时方法以及产生的各类偏差。此应用符合集团公司防止全厂停电反措条文中的相关规定的同时，也确保了运行设备时间基准的统一，为保障该厂运行机组的安全运行奠定了基础。

[1]郭伯春.Ovation DCS系统接入GPS时钟同步应用分析[J].内蒙古电力技术,2012,30(1):57-60.

[2]邢文利,田亚勋.DCS时钟不同步对系统的影响与处理[J].电力安全技术,2008,10(10):63-64.