核电厂集散控制系统的网络时间同步

姚　震,杨南东（国核示范电站有限责任公司,山东　荣成　264333）

核电厂集散控制系统的网络时间同步

姚震,杨南东
（国核示范电站有限责任公司,山东荣成264333）

摘要:核电厂集散控制系统对时间同步的要求很高，控制器的逻辑运算、事故追忆系统的事件顺序记录都有较高的时间精度要求。本文就时间基准的选取，网络时间协议和精确时间协议在核电厂集散控制系统中的一种应用方案进行了描述和分析。

关键词:时间基准；时间同步协议；时间同步架构

1　引言

随着核电技术的发展，第三代核电将全面采用数字化仪控，即核电厂仪控系统使用集散控制系统（DistributedControlSystem，以下简称DCS）对电厂运行进行管理。核电厂的首要任务是保证核安全，核安全就要求核电厂的关键工艺过程在有效和稳定的控制之中。这些工艺过程对温度、压力等参数非常敏感，所以核电厂DCS必须具备高实时性、精确性和可靠性。为了满足DCS的上述性能需求，我们必须保证DCS的网络时间有很高的精度。

2　时间基准

2.1可参考的时间基准

为了实现DCS网络较高的时间精度，我们需要为其选取一个优良的时间基准。在人类历史上，时间基准经历了一系列的进化和演变，不同的时间基准之间有着千丝万缕的联系。

最初，人类发现天体运转的周期规律性很强，所以就把两次日出之间的时段称之为一天。一天又被平均划分为24小时，每小时被平均划分为60分钟，每分钟被平均划分为60秒，这称之为太阳时。在地球上观测太阳，其尺寸还是比较大的，人类很难确定其中心点，也就很难把太阳时的精度做到很高。为了提高时间精度，人类选取某颗恒星取代太阳作为参照物。因人类观测到的恒星的面积很小，由此得到的时间就相对精确许多，这就是所谓的恒星时。地球上不同地区在同一时刻观测恒星的位置各不相同，所得到的恒星时也因地而异。为了统一全球的恒星时，人们创立了世界时，划分了24个时区，中国以北京所在的东八区为统一时间。

天体运转毕竟存在一些不稳定性，例如地球自转会产生抖动，地球每转一圈的时间存在着微小的差异。而科技的发展对时间精度的要求越来越高，于是人类把目光转向微观世界，并发现原子的内部运动周期规律性比天体运行要强的多。国际计量委员会定义位于零海拔零磁场的铯原子的两个特定能级震荡特定周期的时间段为1秒，我们以该秒长作为标准不断累加所得到的时间即为原子时。原子时虽然标准，但也存在弊端，若人类使用原子时很长一段时间，原子时与世界时的偏差可能会比较大。夸张一点说，人类习惯早上6点钟太阳升起，而原子时显示的却是中午12点钟太阳升起，这严重不符合人类的生活习惯。于是，人类决定把世界时和原子时相结合，建立了协调世界时。协调世界时的起点是某一天世界时的零点，自此以后按照原子时的秒长进行累加。一段时间后，协调世界时必然会与世界时产生一定的偏差。为了消除偏差，国际机构会根据实际情况定期的为协调世界时减少或者增加1秒。这样，人类就得到了一个即精确又符合人类生活习惯的时间基准。

我们还需要认识一下GPS时间。GPS的导航定位是基于“测时测距”原理，其对时间精度的要求很高，所以在每颗GPS卫星上都搭载了原子钟。也就是说，GPS时间本质上是一种原子时，它的时间起点是上世纪80年代某日的0点。

2.2时间基准源的选择

选取时间基准源要看核电厂DCS的需求，其最核心的需求就是时间基准的稳定性和均匀性。那么我们暂时可以筛选出“国际原子时”、“协调世界时”“GPS原子时”作为备选。由于核电厂DCS对人类的生活习惯并无要求，所以“协调世界时”的优势也就丧失了。同时，由于“协调世界时”每半年会闰秒一次（增加或减少1秒），这就些许影响了时间基准的稳定性。不过目前看来，上述三种时间基准仍然平分秋色，都是较好的备选方案。下面我们来分析一下时间基准的授时方式，一般来说分为以下4种：

（1）网络授时（广域网）：几百毫秒（精度）

（2）短波授时：毫秒级（精度）

（3）长波导航：微妙级（精度）

（4）卫星导航：纳秒级（精度）

对于“国际原子时”和“协调世界时”来说，它们只能使用前三种授时方式，而“GPS原子时”使用卫星导航来授时。“GPS原子时”的优势一下显现了出来，他满足了核电厂DCS对时间基准高稳定性和高精度的要求。所以在这里，我们选取“GPS原子时”作为核电厂DCS的时间基准。

3　时间同步协议

在接下来探讨的DCS网络架构中，将使用网络时间协议（Network TimeProtocol，以下简称NTP）和精确时间协议（PrecisionTime Protocol，以下简称PTP）来进行时间同步。首先，我们来看一下常用的时间同步方法：

（1）置数

（2）快走或慢走

（3）调节晶振计数

对于时间偏差较大的情况，可采用直接置数的方法对用户进行调时。一般情况下，服务器与客户端之间的时间偏差很小，所以可采用快走或慢走的方法进行调时（即某一秒的长度小于或大于一秒），这样还能保证逻辑上时序的正确性。对于长期存在的周期性的时间偏差，可采用调节晶振计数的方法进行调时。针对核电厂DCS的特点，我们采用“快走或慢走”“调节晶振计数”这两种方法进行时间同步。

3.1网络时间协议

下面简单介绍一下网络时间协议，NTP的基本原理如图1所示。

图中t为客户端与服务器之间存在的时间偏差；d为数据包的往、返通讯延迟（假设往、返通讯延迟相等）；T1为数据包从客户端发出时客户端的时间；T2为服务器收到数据包时服务器的时间；T3为数据包从服务器发出时服务器的时间；T4为客户端收到数据包时客户端的时间。

由图可知：

整理得：

这样就得到了客户端与服务器之间的时间偏差，可进行调时。

PTP协议的基本原理与NTP非常类似，所不同的是PTP主时钟会周期性的发布PTP时间同步协议数据包，而非NTP协议的“请求-应答”机制。PTP协议的基本原理图如图2所示，在此不再赘述。

NTP协议的精度是毫秒级，PTP协议的精度是微秒级，出现这么大的精度差异主要是因为打时间戳的位置不同。

如图3所示，NTP协议打时间戳的位置是在B处，即在应用层打时间戳，也称为软件打时间戳。而PTP协议打时间戳的位置是在A处，即位于物理层和MAC层之间，这里安装有PTP协议组件，这种打时间戳的方式也称为硬件打时间戳。NTP协议的时间戳经过MAC层、操作系统层、应用层的延迟，必然会导致精度下降。所以PTP协议的精度要高于NTP协议。

4　DCS网络时间同步架构

下面介绍一种核电厂DCS网络时间同步架构，整个系统分为三层，如图4所示。时间同步第一层接收GPS时钟信号，并把同一时钟信号分为两路通过光纤传输到时间同步第二层。时间同步第二层设有冗余的时间服务器，他们分别接收来自上一层的GPS时钟信号；它们之间用一根光纤互连，可互相同步时钟信号，保证主备服务器时间一致，当主时间服务器因故障退出运行时，冗余时间服务器可取代之并继续为下级节点授时。每台时间服务器与时间同步第三层的冗余实时数据网相连接，实时数据网下挂了各种节点，包括服务器、操作站和控制器。上述时间同步架构使用的是NTP协议。

对于每个NTP用户来说，同一时刻可以看到4个时钟源（因有两台时间服务器，两个实时数据网），必须确定一个主时钟进行对时。由于NTP只能设置两个优先级，所以4个时钟源中有一个被设为主时钟，其余三个设为备选时钟，这样可以避免频繁更换主时钟，造成系统不稳定。当主时钟故障后，NTP协议使用最佳主时钟算法计算出一个新的主时钟。

对于核电厂DCS来说，控制器都是成对出现的，一个为主控制器，另一个为备控制器，它们能够实现精确的无扰切换。主备控制器之间的时间精度要求应高于实时数据网其他节点之间的时间精度，所以在每台控制器中都内置有PTP协议组件，主备控制器之间采用PTP协议对时。正常情况下，主控制器通过实时数据网与NTP服务器对时，备控制器通过PTP协议与对应的主控制器对时；当主控制器因故障离线时，备控制器还可以通过实时数据网获取NTP协议的对时信息。

5　结语

本文描述的核电厂DCS时间同步架构选取了GPS时间作为时间基准，同时应用了NTP协议和PTP协议进行时间同步，系统的稳定性和可靠性较高，系统的时间精度较高，是一种合理可行的时间同步方案。

参考文献：

[1]王相周,陈华婵.IEEE1588精确时间协议的研究与应用[J].计算机工程与设计,2009,30(08):1846-1849.

[2]黄沛芳.基于NTP的高精度时钟同步系统实现[J].电子技术应用,2009,35(07):122-124.

[3]黄翔,江道灼.GPS同步时钟的高精度守时方案[J].电力系统自动化,2010,34(18):74-77.

作者简介：姚震（1988-），男，山东莱芜人，本科,助理工程师，研究方向:仪控系统维修管理。