GPS授时系统的简介

一、GPS时钟及输出

11 GPS时钟

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。

GPS时钟是一种接受GPS卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS时间的接受装置。为获得准确的GPS时间，GPS时钟必须先接受到至少4颗GPS卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS时钟只要接受到1颗GPS卫星信号就能保证时钟的走时准确性。

作为火电厂的标准时钟，我们对GPS时钟的基本要求是：至少能同时跟踪8颗卫星，有尽可能短的冷、热启动时间，配有后备电池，有高精度、可灵活配置的时钟输出信号。

12 GPS时钟信号输出

目前，电厂用到的GPS时钟输出信号主要有以下三种类型：

121 1PPS/1PPM输出

此格式时间信号每秒或每分时输出一个脉冲。显然，时钟脉冲输出不含具体时间信息。

122 IRIG-B输出

IRIG(美国the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H几种编码标准(IRIG Standard 200-98)。其中在时钟同步应用中使用最多的是IRIG-B编码，有bc电平偏移(DC码)、1kHz正弦载波调幅(AC码)等格式。IRIG-B信号每秒输出一帧(1fps)，每帧长为一秒。一帧共有100个码元(100pps)，每个码元宽10ms，由不同正脉冲宽度的码元来代表二进制0、1和位置标志位(P)，见图122-1。

为便于理解，图122-2给出了某个IRIG-B时间帧的输出例子。其中的秒、分、时、天(自当年1月1日起天数)用BCD码表示，控制功能码(Control Functions，CF)和标准二进制当天秒数码(Straight Binary Seconds Time of Day，SBS)则以一串二进制“0”填充(CF和SBS可选用，本例未采用)。

123 RS-232/RS-422/RS-485输出

此时钟输出通过EIA标准串行接口发送一串以ASCII码表示的日期和时间报文，每秒输出一次。时间报文中可插入奇偶校验、时钟状态、诊断信息等。此输出目前无标准格式，下图为一个用17个字节发送标准时间的实例：

13电力自动化系统GPS时钟的应用

电力自动化系统内有众多需与GPS时钟同步的系统或装置，如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障录波器、微机保护装置等。在确定GPS时钟时应注意以下几点： 时间同步(目前通常做法)，则在DCS合同谈判前，就应进行专业间的配合，确定时钟信号接口的要求。(GPS时钟一般可配置不同数量、型式的输出模块，如事先无法确定有关要求，则相应合同条款应留有可调整的余地。) 系统时钟接口配合的难易程度、系统所在地理位置等综合考虑。各专业如对GPS时钟信号接口型式或精度要求相差较大时，可各自配置GPS时钟，这样一可减少专业间的相互牵制，二可使各系统时钟同步方案更易实现。另外，当系统之间相距较远(例如化水处理车间、脱硫车间远离集控楼)时，为减少时钟信号长距离传送时所受的电磁干扰，也可就地单设GPS时钟。分设GPS时钟也有利于减小时钟故障所造成的影响。 时钟同步接口可选时，可优先采用。但要注意的是，IRIG-B只是B类编码的总称，具体按编码是否调制、有无CF和SBS等又分成多种(如IRIG-B000等)，故时钟接收侧应配置相应的解码卡，否则无法达到准确的时钟同步。 时钟同步。RS-232时间输出虽然使用得较多，但因无标准格式，设计中应特别注意确认时钟信号授、受双方时钟报文格式能否达成一致。 时钟同步信号在网络中有较大的时延，也应考虑分别各自与GPS时钟同步。 TELEPERMXP时钟同步方式 这里以西门子公司的TXP系统为例，看一下DCS内部及时钟是如何同步的。

TXP的电厂总线是以CSMA/CD为基础的以太网，在总线上有二个主时钟：实时发送器(RTT)和一块AS620和CP1430通讯/时钟卡。正常情况下，RTT作为TXP系统的主时钟，当其故约40s后，作为备用时钟的CP1430将自动予以替代(实际上在ES680上可组态2块)CP1430作为后备主时钟)。见图2-1。

RTT可自由运行(free running)，也可与外部GPS时钟通过TTY接口(20mA电流回路)同步。与GPS时钟的同步有串行报文(长32字节、9600波特、1个启动位、8个数据位、2个停止位)和秒/分脉冲二种方式。

RTT在网络层生成并发送主时钟对时报文，每隔10s向电厂总线发送一次。RTT发送时间报文最多等待1ms。如在1ms之内无法将报文发到总线上，则取消本次时间报文的发送：如报文发送过程被中断，则立即生成一个当前时间的报文。时钟报文具有一个多播地址和特殊帧头，日期为从19840101至当天的天数，时间为从当天00：00：00，000h至当前的ms值，分辨率为10ms。

OM650从电厂总线上获取时间报文。在OM650内，使用Unix功能将时间传送给终端总线上的SU、OT等。通常由一个PU作为时间服务器，其他OM650设备登录为是境客户。

AS620的AP在启动后，通过调用“同步”功能块，自动与CP1430实现时钟同步。然后CP1430每隔6s与AP对时。

TXP时钟的精度如下：

从上述TXP时钟同步方式及时钟精度可以看出，TXP系统内各进钟采用的是主从分级同步方式，即下级时钟与上级时钟同步，越是上一级的时钟其精度越高。 三、时钟及时钟同步误差 31时钟误差

众所周知，计算机的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，故时钟本身不可避免地存在着误差。例如，某精度为±20ppm的时钟，其每小时的误差为：(1×60×60×1000ms)×(20/106)=72ms，一天的累计误差可达173s；若其工作的环境温度从额定25℃变为45℃，则还会增加±25ppm的额外误差。可见，DCS中的时钟若不经定期同步校准，其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。

随着晶振制造技术的发展，目前在要求高精度时钟的应用中，已有各种高稳定性晶振体可供选用，如TCXO(温度补偿晶振)、VCXO(压控晶振)、OCXO(恒温晶振)等。

32时钟同步误差

如果对类似于TXP的时钟同步方式进行分析，不难发现时钟在自上而下的同步过程中产生的DCS的绝对对时误差可由以下三部分组成：

321 GPS时钟与卫星发射的UTC(世界协调时)的误差

这部分的误差由GPS时钟的精度所决定。对1PPS输出，以脉冲前沿为准时沿，精度一般在几十ns至1μs之间；对IRIG-B码和RS-232串行输出，如以中科院国家授时中心的地钟产品为例，其同步精度以参考码元前沿或起始相对于1PPS前沿的偏差计，分别达03μs和02ms。

322 DCS主时钟与GPS时钟的同步误差

DCS网络上的主时钟与GPS时钟通过“硬接线”方式进行同步。一般通过DCS某站点内的时钟同步卡接受GPS时钟输出的标准时间编码、硬件。例如，如在接受端对RS-232输出的ASCII码字节的发送延迟进行补偿，或对IRIG-B编码采用码元载波周期计数或高频销相的解码卡，则主时钟与GPS时钟的同步精度可达很高的精度。

323 DCS各站点主从时钟的同步误差

DCS主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步，其间存在着时钟报文的发送时延、传播时延、处理时延。表现在：(1)在主时钟端生成和发送时间报文时，内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等；(2)在时间报文上网之前，还必须等待网络空闲(对以太网)，遇冲突还要重发；(3)时间报文上网后，需一定时间通过DCS网络媒介从主时钟端传送到子时钟端(电磁波在光纤中的传播速度为2/3光速，对DCS局域网而言，传播时延为几百ns，可忽略不计)；(4)在从时钟端的网络通信接口确认是时间报文后，接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些时延或多或少地造成了DCS主从时钟之间、从从时钟之间的时间同步误差。

当然，不同网络类型的DCS、不同的时钟通信协议和同步算法，可使网络对时的同步精度各不相同，上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上，随着人们对网络时钟同步技术的不懈研究，多种复杂但又高效、高精确的时钟同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如，互联网上广为采用的网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)在DCS局域网上已能提供±1ms的对时精度(如GE的ICS分散控制系统)，而基于IEEE1588的标准精确时间协议(Standard Precision Time Protocol，PTP)能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。 四、时钟精度与SOE设计 虽然DCS的普通开关量扫描速率已达1ms，但为满足SOE分辨率≤1ms的要求，很长一段时间内，人们都一直都遵循这样的设计方法，即将所有SOE点置于一个控制器之下，将事件触发开关量信号以硬接线接入SOE模件，其原因就在于不同控制器其时钟存在着一定的误差。关于这一点，西门子在描述其TXP系统的FUN B模件分散配置的工程实际情况来看，由于时钟不能同步而无法做到1ms SOE分辩率，更有甚至因时钟相差近百ms，造成SOE事件记录顺序的颠倒。

那么，如何既能满足工程对于SOE分散设计的要求(如设置了公用DCS后，机组SOE与公用系SOE应分开，或希望进入控制器的MFT、ETS的跳闸信号无需经输出再返至SOE模件就能用于SOE等)，又不过分降低SOE分辨率呢通过对DCS产品的分析不难发现，通常采用的办法就是将控制器或SOE模件的时钟直接与外部GPS时钟信号同步。例如，在ABB Symphony中，SOEServerNode(一般设在公用DCS网上)的守时主模件(INTKM01)接受IRIG-B时间编码，并将其产生的RS-485时钟同步信号链接到各控制器(HCU)的SOE时间同步模件(LPD250A)，其板载硬件计时器时钟可外接1PPM同步脉冲，每分钟自动清零一次；再如，MAX1000+PLUS的分散处理单元(DPU 4E)可与IRIG-B同步，使DPU的DI点可同时用做SOE，由于采用了1PPM或RS-485、IRIG-B硬接线时钟“外同步”，避开了DCS时钟经网络同步目前精度还较差的问题，使各受控时钟之间的偏差保持在较小的范围内，故SOE点分散设计是可行的。

由此可见，在工程设计中应结合采用的DCS特点来确定SOE的设计方案。不可将1ms的开关量扫描速率或1ms的控制器(或SOE模件)时钟相对误差等同于1ms的SOE分辨率，从而简单地将SOE点分散到系统各处。同时也应看到，SOE点“分散”同“集中”相比，虽然分辨率有所降低，但只要时钟相对误差很小(如与1ms关一个数量级)，还是完全能满足电厂事故分析实际需要的。

GPS授时系统的特点：

1．时间精度高，达30nS。

2．守时精度高。装置内部守时单元采用了先进的时间频率测控技术与智能驯服算法，晶体选用高精度恒温晶体振荡器，使装置守时准确度优于710-9(042μS/分钟)，即在外部时间基准异常的情况下，每天时钟走时误差不超过06mS。

3．支持单GPS、单北斗、双GPS、双北斗、 GPS/北斗双系统卫星接收机配置。

4．应用GPS授时技术/北斗授时技术/B码基准解码接收技术/高稳晶体振荡器守时技术授时，实现多基准冗余授时，能够智能判别GPS信号、北斗信号、外部B码时间基准信号的稳定性和优劣，并提供多种时间基准配置方法。

5．采用精准的测频与“智能学习算法”，使守时电路输出信号与GPS卫星/北斗卫星信号/IRIG-B时间基准保持精密同步，消除因晶体振荡器老化造成的频偏带来的影响。

6．具有外部时间基准信号时延补偿功能，能够补偿外部时间基准信号（IRIG-B）的传输延时，从而保证了时间基准信号的精度。

7．由于装置输出的1PPS等时间信号是内置振荡器的分频秒信号输出，同步于GPS/北斗系统但并不受GPS/北斗秒脉冲信号跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的复现。

8．GPS授时系统采用双电源冗余供电，并选用高性能、宽范围开关电源，工作稳定可靠，装置电源供电自适应。（按订货技术协议配置，缺省为单电源。）

9．机箱经防磁处理，抗干扰能力强。

10．GPS/北斗接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计， 信号接收可靠性高，不受电厂/变电站地域条件和环境的限制。

11．装置可输出一路特殊的供主时钟间互联的IRIG-B（DC）码信号，该信号作为互联主时钟的“后备”外部时间基准，当主时钟的“主”外部时间基准故障时，该信号停止输出。消除当主时钟互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。

12．装置具有自复位能力，在因干扰造成装置程序出错时，能自动恢复正常工作。

13．装置所有输入、输出信号均电气隔离，抗干扰能力强。

14．装置的某一路输出信号短路，不会影响其它输出信号。

15．装置的某一路输出信号允许短路5分钟以上，不会造成对该输出回路的永久性损坏。

16．装置前面板有“电源指示”灯、“秒脉冲指示” 灯、“GPS/北斗信号输入” 灯、“B码信号输入” 灯、“GPS/北斗信号输入异常” 灯、“B码信号输入异常” 灯多种工作状态指示，便于运行值班人员的日常巡视。

17．装置有电源中断告警、GPS/北斗失步告警、外部“B码输入”（后备时间基准）消失告警多路报警（继电器空接点）信号输出，可接入电厂/变电站内的监控系统，在线监控装置的运行状况。

18．装置可通过数码管显示跟踪到的有效卫星个数，直观地反映装置的收星状况。

19．装置提供一路可编程的TTL脉冲信号（1PPS/1PPM/1PPH）供时钟的准确度指标测试。

20．GPS授时系统采用全模块化即插即用结构设计，支持板卡热插拔，配置灵活，维护方便。为将来其它信号基准源(珈俐略卫星信号、上游地面链路的DCLS信号、PTP、NTP时间基准信号等) 的接入提供了方便，为今后建设三网合一的数字同步网打下基础。同时为将来现场改造扩建时增加或更改对时信号接口提供了方便。

21．装置不仅实现了板卡全兼容，还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台，具备优异的兼容能力。装置可提供多路脉冲信号（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信号（TTL、422、232、AC、光）、DCF77信号（有源、无源）、时间报文（RS232、RS422/485、光）、PTP、NTP/SNTP网络时间信号，可以满足电厂/变电站内不同设备的对时接口要求。

22．完善的北斗和GPS信号的性能监测，自动或手动选择主用卫星信号。支持本地和远程网管，通过WEB方式对设备进行远程管理，完成对设备的卫星接收状况、设备工作状态、参数设置等信息进行管理。

GPS授时系统详细参数：　　1．时间源：GPS、北斗、CDMA、IRIG-B、恒温晶振OCXO、原子钟可选；

2．电源：220V/110V交、直流自适应,双电源冗余；

3．GPS接收频率：157542MHz,接收灵敏度：捕获〈-160dBW，跟踪〈-163dBW。捕获时间：装置冷启动时，〈5min；装置热启动时，〈1min。正常状态下可同时跟踪8～12颗GPS卫星；装置冷启动时不小于4颗卫星；装置热启动时不小于1颗卫星。内部电池：电池类型：锂电池；电池寿命：≮25000h。

4．北斗接收器：通道：6；接收机灵敏度：-1576dBW；冷启动首捕时间：≤2秒；失锁重捕时间：≤1 秒；1PPS精度：优于100nS。

5．平均无故障间隔时间(MTBF)≥150000小时；平均维修时间（MTTR）：一般不大于30分，使用寿命不少于20年。正常使用条件下无须维护。

6．GPS授时系统授时精度：脉冲、B码：01μS，串口：10μS ，NTP/SNTP：1-10ms；

7．时间保持单元守时精度：时间保持单元晶体振荡器选用OCXO，守时精度优于710-9(042μS/min)。

8．绝缘电阻：≮20MΩ。

9．功耗：≤20 W。

10．天线长度标配30m,可选50、60、70、80、100、120、150、200米。

11．外形尺寸：1U/2U、19英寸标准机架式机箱。 五、结束语 51 目前火电厂各控制系统已不再是各自独立的信息孤岛，大量的实时数据需在不同地方打上时戳，然后送至SIS、MIS，用于各种应用中。因此，在设计中应仔细考虑各种系统的时钟同步方案和需达到的时钟同步精度。

52 在DCS设计中不仅要注意了解系统主、从时钟的绝对对时精度，更应重视时钟之间的相对误差。因为如要将SOE点分散设计的同时又不过分降低事件分辨率，其关键就在于各时钟的偏差应尽可能小。

53 完全有理由相信，随着网络时钟同步技术的不断发展，通过网络对系统各时钟进行高精度的同步将变得十分平常。今后电厂各系统的对时准确性将大大提高，像SOE点分散设计这种基于高精确度时钟的应用将会不断出现。

2、双核工业级主板；

3、无风扇设计，确保长寿命；

4、4个100/1000以太网口；

5、支持GPS/北斗单模或双模；

6、支持IRIG-B、TOD（RS232/485）E1外部参考源；

7、铷原子振荡器高精度守时；

8、Linux Server版操作系统，稳定可靠、高效安全；

9、基于C/S远程管理系统，连续监测服务器性能，记录服务器状态；

10、支持IPV4/IPV6；

11、支持NTP v1v2v3&v4 (RFC1119&1305)、SNTP (RFC2030)、 MD5 Authentication （RFC1321）、 Telnet （RFC854）、FTP（RFC959）、HTTP/SSL/HTTPS （RFC2616)、SSH/SCP (Internet Draft)、 SNMP v1,v2、MIB II (RFC1213)、PTP；

12、支持分组bonding负载均衡/冗余模式，保证系统可靠性；

13、支持日志记录功能；　　14、支持Web界面；　　15、支持授时客户端管理；　　16、支持心跳检测和双机热备；　　17、支持双电源供电；　　18、支持步进调整功能；

主要技术指标

l 负载均衡设计，充分发挥服务器性能，客户端能智能锁定状态最稳定的时钟服务器并获取标准时间

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l 人性化的人机对话界面，简单的IP修改，状态查询，时区设置等均可通过面板按键操作完成，不需复杂的系统设置，降低系统维护难度。

l 通过心跳线连接的主、备NTP之间可以相互监测，能够互相之间监测到对方的工作状态。

l 系统扩容性强，本公司生产的时钟服务器系统带有专门的接口扩展坞，可以根据需求扩展E1，10MHZ、1PPS、RIRG-B、DGFF77等信号。

l 工厂模式设置，获得厂家授权后可以使设备恢复出厂设置

l 客户终端同步精度：1-10ms(典型值，与网络传输性能有关)

l NTP请求响应：不小于8000次/秒

l 北斗/GPS双模时钟参考模式，一级网络时间服务器

l Slave模式：同步于其他NTP服务器

l 支持广播模式

l 可以利用broadcast/multicast、client/server、symmetric三种方式与其他服务器对时

l 可同步数万台客户端、服务器、工作站等设备时钟

l 两台设备网卡可设为同一IP，互为冗余备份

l 支持Bonding功能，同一设备2个网卡可设为同一IP，单机即可实现网卡故障备份输出，接口可选

l 客户端支持WINDOWS9X、WINDOWS NT/2000/XP/2003、LINUX、UNIX、SUN SOLARIS、IBMAIX等操作系统和CISCO的路由器及交换机

l 多种配置方法，可使用Console模式、SSH、Telnet和FTP进行远程管理、配置和升级

l 支持双电源冗余备份，适合极端条件使用

l 系统设备工作时间：24小时连续不间断工作

l 获取前端设备时间模块 获取从数据库中的设备列表，根据列表进行时间获取并保存临时表

l 获取非标准时间列表模块 根据临时表中的数据，将前端主机中系统时间不标准的设备进行筛选出来

l 提供NTP服务器和客户端的授时监视软件，可以监视NTP服务器和授时客户端的同步和时间偏差情况。可通过snmp、syslog等协议告警。NTP服务器信息监视，包括运行时间，同步状态，服务器的网络参数等信息。

技术参数及性能特点：

NTP网络时间服务器提供的高精度的网络同步时钟直接来自于GPS系统中各个卫星的原子钟（也可以根据用户的要求选择其他卫星授时系统作为时间的基准源），设备由高精度高灵敏度授时型GPS接收机、高可靠性工业级服务器主板、高亮度VFD液晶显示屏和高品质1U工业机箱等部件组成，采用高效的嵌入式Linux操作系统，配合泰福特电子自主知识产权的卫星授时、网络同步、频率测控等技术，该产品系统整体功耗小，采用无风扇设计，运行可靠稳定，可以为计算机网络、计算机应用系统、流程控制管理系统、电子商务系统、网上B2B系统以及数据库的保存及维护等系统需要提供精密的标准时间信号和时间戳服务，已经被成功应用于政府金融、移动通信、公安、石油、电力、交通、工业以及国防等领域。

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变电站内配置一套全站公用的时间同步系统，高精度时钟源按双重化配置，优先采用北斗系统标准授时信号进行时钟校正。时间同步系统可以输出SNTP、IRIG-B (DC)(串行时间B码)、1PPS(秒脉冲)等信号。站控层设备宜采用SNTP对时方式。间隔层、过程层设备采用IRIG-B、1PPS对时方式，条件具备时也可以采月IEC 61588网络对时。主时钟源要提供满足DL/T 860《变电站通信网络和系统》的通信接口，直接与自动化系统连接，将装置运行情况、锁定卫星数量、同时或失步状态等信息传输至站控层。

NTP时间同步服务器以GPS信号作为时间源，同时可选北斗、B码、CDMA、原子钟等时间源。NTP时间同步服务器产品采用全模块化结构设计，不仅实现了板卡全兼容，还提供了丰富的信号接口资源和开放式特殊接口设计平台，具备优异的兼容能力。可提供多路NTP/SNTP信号、PTP信号、脉冲信号（1PPS/M/H，空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信号（TTL、422、AC、光）、DCF77信号、时间报文（RS232、RS422/485、光），可以满足不同设备的对时接口要求，广泛应用于电力、金融、通信、交通、广电、安防、石化、冶金、水利、国防、医疗、教育、政府机关、IT等领域。时间同步服务器设备采用表面贴装技术生产，以高速芯片进行控制，具有精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单、免维护等特点，适合无人值守。