面向地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步技術(shù)

（南京南瑞集團公司,210003,南京∥第一作者,高級工程師）

面向地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步技術(shù)

左振魯林曉偉

（南京南瑞集團公司,210003,南京∥第一作者,高級工程師）

從地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)對時功能的應(yīng)用需求出發(fā),詳細闡述了綜合監(jiān)控系統(tǒng)的對時方法。以重慶軌道交通3號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)為例,利用本文所述的對時方法實現(xiàn)了綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制中心層級、車站層級和現(xiàn)場設(shè)備層級的時間同步,并對地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)事件順序記錄的分辨率進行了分析。給出了綜合監(jiān)控系統(tǒng)典型的時間同步方案,為在建或新建綜合監(jiān)控系統(tǒng)的時間同步功能提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng);時間同步;電力監(jiān)控系統(tǒng);事件順序記錄分辨率

First-author’saddress NARI Technology Development Co.,Ltd.,210003,Nanjing,China

基于網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)是地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的支撐技術(shù)之一。為確保綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）的安全穩(wěn)定運行,對時間同步精度提出了高要求。各類綜合監(jiān)控子系統(tǒng)的穩(wěn)定工作和作用發(fā)揮更離不開統(tǒng)一精確的時間基準(zhǔn)。目前,普遍采用全球定位系統(tǒng)（GPS）或者北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為基準(zhǔn)時間,在地鐵控制中心構(gòu)建全站統(tǒng)一的通信時鐘源裝置,為地鐵設(shè)備提供統(tǒng)一對時信號。ISCS通過和通信時鐘源的串行接口獲取標(biāo)準(zhǔn)的時鐘信號,從而在ISCS內(nèi)部構(gòu)建起統(tǒng)一的地鐵綜合監(jiān)控時間同步系統(tǒng)［1］。

為確保ISCS統(tǒng)一的對時精度,開展了時間同步監(jiān)測技術(shù)的研究工作,實現(xiàn)了覆蓋控制中心和各座車站的時間同步閉環(huán)管理,為綜合監(jiān)控設(shè)備時間同步精度提供了技術(shù)手段和工作平臺［1］。

本文闡述了基于控制中心層、車站層和現(xiàn)場設(shè)備層等3層架構(gòu)的時間同步監(jiān)測分析系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)時間同步主要通過 NTP（網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）方式實現(xiàn)。目前,綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)一般使用交換式以太網(wǎng)消除碰撞,提高實時性。NTP技術(shù)的優(yōu)點是不需要交換機中有特殊硬件支持,成本低,同步精度一般能保證毫秒級。

1 ISCS對時方法

在地鐵ISCS的建設(shè)中一般不包含通信時鐘源。該時鐘源由通信專業(yè)提供,因此ISCS的對時需要分為兩個階段：首先,ISCS利用通信接口從通信系統(tǒng)時鐘源獲取標(biāo)準(zhǔn)時間,然后ISCS內(nèi)部利用NTP協(xié)議實現(xiàn)全系統(tǒng)時間同步。

1.1 對時接口設(shè)計

清晰地劃分ISCS和通信系統(tǒng)的職責(zé)分界面是對時方案順利實施的保證。接口分界面如圖1所示。

ISCS與時鐘系統(tǒng)的接口位置在中央通信設(shè)備室時鐘配線架外側(cè),ISCS控制中心通信前置機通過2路RS 422串行接口電纜連接至控制中心通信時鐘源。該鐘源是由通信專業(yè)提供的一級母鐘。ISCS和通信時鐘源采用基于RS 422的串行通信協(xié)議實現(xiàn)對時功能,報文格式如表1所示。當(dāng)ISCS和通信時鐘源建立鏈接后,時鐘源每隔1 000 ms向ISCS發(fā)送一次對時報文。對時報文共21個字符,數(shù)據(jù)串如表1中第三列所示。

圖1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)對時接口分界設(shè)計圖

表1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通信時鐘源串行對時報文格式

1.2 ISCS內(nèi)部的 NTP對時方法

根據(jù)圖 1,ISCS中央級前置機從通信時鐘源獲取標(biāo)準(zhǔn)時間信號,該時間既成為ISCS內(nèi)部時鐘源,然后再利用 NTP協(xié)議實現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備的時間同步。通過因特網(wǎng)調(diào)整時間分配,使用的是可返回時間設(shè)計方案,通過本地路由選擇算法和時間后臺程序,可以重新分配標(biāo)準(zhǔn)時間。其目的是以網(wǎng)絡(luò)的方式傳遞統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的時間。NTP協(xié)議是SIO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）參考模型的高層協(xié)議,符合UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）傳輸協(xié)議格式,擁有專用端口號123。

在NTP對時網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)設(shè)備所在的層次結(jié)構(gòu),在理論上可以將對時網(wǎng)絡(luò)劃分為15個級別,按照時鐘源的遠近將所有服務(wù)器歸入不同層（Stratum）中。Stratum-1在頂層,有外部時鐘源接入;而Stratum-2則從Stratum-1獲取時間, Stratum-3從Stratum-2獲取時間,以此類推。但Stratum 層的總數(shù)限制在15層以內(nèi)［2］。所有這些服務(wù)器在邏輯上形成階梯式的架構(gòu)相互連接,如圖2所示。ISCS內(nèi)部采用NTP協(xié)議對時的原理如圖3所示。

內(nèi)部時鐘源和接收方的通信處理有一定的延遲,并且RS 422串行口的傳輸時間也是不容忽略的,因此如何確定傳輸延時就顯得非常重要。確定了合理的傳輸延時,接收方就知道了自己和時鐘源的偏差,從而更新自身時鐘,完成對時工作。

因此,假設(shè)在某一時刻,時鐘源取得標(biāo)準(zhǔn)時間為T1;時鐘源進行通信報文打包處理的延遲為ΔT1;時鐘源在報文的第一個 Bit將報文發(fā)送給接收方,報文經(jīng)過傳輸時間ΔTc后,接收方收到全部報文,接收方對該報文的解包處理時間為ΔT2。接收方將T1作為當(dāng)前最新時間修改本地時鐘。很顯然,這個時間是不精確的,因為接收方修改本地時鐘的那一時刻,標(biāo)準(zhǔn)時間應(yīng)該是 T1+ΔT1+ΔTc+ ΔT2。因此,如果時鐘源在T1時刻,將T1+ΔT1+ ΔTc+ΔT2作為標(biāo)準(zhǔn)時間發(fā)送至接收方,則對時的精度就要高很多。

圖2 NTP對時網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)圖

圖3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部對時原理圖

如圖3所示,為獲得準(zhǔn)確的對時結(jié)果,必須要確定 ΔT1,ΔTc,ΔT2。通常的粗略的做法是估算,但是這種方法并不精確。除了ΔTc可根據(jù)波特率計算（通常也有誤差,因為實際波特率由于晶體分頻不能整除的原因,誤差可能達到1% 以上）,ΔT1, ΔT2都只能粗略估算,精度不是很高。

一個相對比較精確的確定ΔT1+ΔTc+ΔT2的方法是通過測延遲報文來實現(xiàn)。測延遲報文通常只在初始化時和通信鏈接中斷又恢復(fù)時進行。具體的做法是：時鐘源以發(fā)出“延時采集命令”報文作為該過程的啟動,并在T1時刻讀取當(dāng)?shù)貢r間T1;在 T1+ΔT1+ΔTc+ΔT2時刻,接收方收到該報文,同時發(fā)送確認(rèn)報文,確認(rèn)報文的長度必須與收到的時鐘同步報文相同。假設(shè)打包和解包的時間相同,這樣又經(jīng)過ΔT1+ΔTc+ΔT2的時間,在T4時刻,時鐘源收到確認(rèn)報文,并將此時刻記錄下來（如圖3所示）。從上面的分析可以得到下式：

因此,對時延遲時間為：

這樣,時鐘源在以后的時鐘同步的過程中,就可以對時鐘進行修正,在T1時刻,發(fā)送時標(biāo) T1+Tdelay,被同步的計算機就可以獲得比較精確的時間。

以太網(wǎng)是對等網(wǎng)絡(luò),雖然交換式以太網(wǎng)解決了碰撞問題,但 傳 輸 的 延 遲 時 間 Tdelay仍 然 不 是 固 定的,存在一定的偏差。但是,在地鐵ISCS中,由于時鐘源和被校時的設(shè)備雙方位于同一局域網(wǎng)內(nèi),不存在復(fù)雜的路由,傳輸?shù)难舆t時間 Tdelay僅和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載有關(guān),ISCS的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載通常在1%以下,因此,波動范圍很小,若每次對時都采用“測延遲—時鐘同步”兩步操作,同樣可以獲得較高的對時精度。

在ISCS內(nèi)部利用NTP協(xié)議對時可采用C/S（客戶端/服務(wù)端）模式,分別設(shè)計客戶端對時軟件和服務(wù)端對時軟件。對客戶方而言,產(chǎn)生NTP查詢信息包發(fā)送給服務(wù)端,并能對服務(wù)端返回的時間信息包進行檢查、分析,并生成NTP時間與本地時間的差值,進而對本地時間進行調(diào)整實現(xiàn)同步;對服務(wù)端而言,接收NTP查詢數(shù)據(jù)包,按NTP協(xié)議規(guī)范,從本地時間產(chǎn)生 NTP信息數(shù)據(jù)包并發(fā)回給查詢方［3］?？蛻舳撕头?wù)端對時軟件設(shè)計方法分別如圖4和圖5所示。

2 ISCS對時案例

根據(jù)上文所介紹的對時方法,以重慶軌道交通3號線ISCS為案例,介紹該對時方法在ISCS中的應(yīng)用。

重慶軌道交通3號線ISCS運行管理形成了以“兩級管理、三級控制”為主的運營模式,其中“兩級管理”是指中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（CISCS）管理層級和車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)（SISCS）管理層級;“三級控制”是指中央級綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制層級、車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制層級和綜合監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備控制層級。

圖4 客戶端對時軟件設(shè)計方法

圖5 服務(wù)端對時軟件設(shè)計方法

CISCS、SISCS和綜合監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備共同構(gòu)成了ISCS的三層結(jié)構(gòu)體系。其整體的對時方案如圖6所示。

圖6 綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體對時方案原理框圖

在圖6中,中央級通信前置機（CISCS FEP）獲得通信時鐘源提供的精確時鐘以后,形成ISCS內(nèi)部時鐘源;再通過100 M以太網(wǎng)對中央級的各服務(wù)器和工作站進行對時,并且經(jīng)過ISCS通信骨干網(wǎng)與車站的各服務(wù)器、工作站和車站級ISCS通信前置機（SISCS FEP）、電力監(jiān)控系統(tǒng)前置機（PSCADA FEP）進行對時。SISCS FEP再通過10/100 M 以太網(wǎng)與火災(zāi)報警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、屏蔽門系統(tǒng)（PSD）及防淹門系統(tǒng)（FG）等子系統(tǒng)對時。PSCADA FEP通過自身的通信網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場的保護測控設(shè)備進行對時。

2.1 中央級、車站級ISCS對時流程

中央級ISCS包括 CISCS FEP、中央級實時服務(wù)器、中央級歷史服務(wù)器、中央級歷史服務(wù)器磁盤陣列、工 作 站 等。車 站 級 ISCS 包 括 SISCS FEP、PSCADA FEP、車站級 實時服務(wù)器、工作站等。ISCS中央級和車站級系統(tǒng)對時間精度的要求為秒級,授時精度需達到1 s。

在圖6中,中央級和車站級ISCS的對時采用C/S模式,包括以下幾個方面：

（1）中央通信時鐘源與 CISCS FEP的串行口對時;

（2）CISCS FEP與中央級實時服務(wù)器、中央級歷史服務(wù)器、工作站的對時;

（3）CISCS FEP與車站 FEP、車站級服務(wù)器、工作站對時。

控制中心的CISCS FEP獲取時鐘源提供的準(zhǔn)確時鐘信息后,將作為整個控制中心ISCS局域網(wǎng)的內(nèi)部時鐘源（NTP服務(wù)器）,控制中心實時服務(wù)器、歷史服務(wù)器、工作站作為 NTP客戶機向CISCS FEP獲取時鐘信息。CISCS FEP也將作為整個車站級ISCS局域網(wǎng)的 NTP 時鐘源,車站的 SISCS FEP、PSCADA FEP、車站級ISCS實時服務(wù)器、車站級ISCS工作站的設(shè)備均作為 NTP客戶機向CISCS FEP獲取時鐘信息。

2.2 ISCS現(xiàn)場級設(shè)備對時

2.2.1 現(xiàn)場級設(shè)備的對時方法

車站SISCS FEP、PSCADA FEP與現(xiàn)場級設(shè)備的連接有可能采用如下兩種方式。

（1）采用以太網(wǎng)連接：若SISCS FEP、PSCADA FEP與現(xiàn)場設(shè)備采用以太網(wǎng)方式連接,則 SISCS FEP、PSCADA FEP將作為ISCS現(xiàn)場級局域網(wǎng)的NTP時鐘源,現(xiàn)場級的PSCADA 測控保護裝置、BASPLC、FAS控制器、ACS控制器、FG 控制器、PSD控制器等設(shè)備均作為 NTP客戶端,從SISCS FEP、PSCADA FEP獲取時鐘信息。

（2）采用串 口連接：若 SISCS FEP、PSCADA FEP與現(xiàn)場設(shè)備采用點對點串行口連接,則采用上文描述的通信時鐘源和CISCS FEP對時方法實現(xiàn)對時功能。

車站SISCSFEP、PSCADA FEP與現(xiàn)場級設(shè)備的對時過程與上文介紹的CISCSFEP的對時過程基本相同,但也有區(qū)別：中央通信時鐘源與 CISCS FEP的串行口連接采用 C/S模式,屬于單個點對點連接;而車站SISCS FEP、PSCADA FEP與現(xiàn)場級設(shè)備的串行口連接采用廣播模式,屬于一點對多點的總線型網(wǎng)絡(luò)（單主多從）。因此,在對時的實現(xiàn)方法上也略有區(qū)別。具體表現(xiàn)在：必須對每個現(xiàn)場設(shè)備分別測定延遲,因為不同設(shè)備的ΔT2可能不盡相同。若不同設(shè)備的ΔT2相差很小,也就 是 總 的 延 遲 相 差 很 小,時 鐘 源 （SISCS FEP、PSCADA FEP）就可以取其平均值,然后向各設(shè)備廣播;若延遲相差較大,采用廣播對時的方法精度就會稍低,只能由時鐘源給各設(shè)備逐個點對點校時（即采用C/S模式）。

2.2.2 PSCADA 現(xiàn)場設(shè)備SOE 分辨率的分析

在地鐵ISCS中,PSCADA 系統(tǒng)利用先進的計算機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等實現(xiàn)對變電站二次設(shè)備（包括繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等）的功能進行重新組合、優(yōu)化設(shè)計,對變電站全部設(shè)備的運行情況執(zhí)行監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào),是一種綜合性自動化系統(tǒng)［4］。由于 PSCADA 系統(tǒng)直接關(guān)系到列車的牽引供電,PSCADA系統(tǒng)的故障和報警信息對牽引供電事故的追憶和分析都是非常有效的,因此,在PSCADA系統(tǒng)中對故障和報警信息的時間精度要求需要達到毫秒級別（即PSCADA SOE的分辨率要達到毫秒級別）。

SOE又稱為事件順序記錄,記錄故障發(fā)生的時間和事件的類型,比如某開關(guān)××?xí)r××分××秒××毫秒發(fā)生什么類型的故障等。對于SOE來說,為了精確分辨出各個重要信號的先后,SOE記錄必須達到10 ms甚至更小的分辨率,這是以前總結(jié)下來的經(jīng)驗。在地鐵運營過程中,一旦地鐵列車在運行過程中發(fā)生牽引供電故障導(dǎo)致列車停運,需要通過PSCADA 平臺來查找事故原因。但PSCADA系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜、實時性高,一般的報警記錄及歷史趨勢已無法用來做出準(zhǔn)確的事故分析。SOE成為PSCADA 系統(tǒng)的必需功能,且分辨率一般要求達到10 ms。

由圖6可以知道：各車站的PSCADA 系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備只經(jīng)過三級對時環(huán)節(jié)就可獲取同一個來自控制中心通信時鐘源提供的時鐘信息,這三個對時環(huán)節(jié)分別是：控制中心通信時鐘源到 CISCS FEP; CISCS FEP 到 PSCADA FEP;PSCADA FEP到PSCADA現(xiàn)場保護測控設(shè)備。

假設(shè)整條地鐵線路具有50個站點的規(guī)模,站點之間的最大距離假設(shè)為10 km,由于對時報文長度很短,因此其在ISCS通信骨干網(wǎng)的傳輸延遲完全可以忽略。這樣,站間SOE分辨率的高低取決于控制中心通信一級母鐘、CISCS FEP和車站PSCADA FEP,以及PSCADA FEP和各現(xiàn)場保護測控設(shè)備對時的精度。根據(jù)上述對時策略,每級對時的精度可以控制在1～3 ms以內(nèi)（串口對時精度,約≤1 ms,以太網(wǎng)約為1.5～3.0 ms）,平均值取2 ms。這樣,站內(nèi)的最大累計誤差約為4 ms,從而站間（控制中心通信一級母鐘到PSCADA 保護測控設(shè)備）的最大可能累計誤差約為6 ms。由于PSCADA測控保護單元本身的SOE分辨率小于1 ms,因此,站間的SOE分辨率約為8 ms,滿足站間SOE分辨率＜10 ms的要求。

3 結(jié)語

本文分析了地鐵ISCS時間同步的重要性、時鐘同步系統(tǒng)的組成、原理和方法。以重慶軌道交通3號線ISCS為例,利用本文介紹的方法實現(xiàn)了控制中心、車站、現(xiàn)場級設(shè)備的時間同步。同時,針對地鐵PSCADA系統(tǒng)對報警和事件信息記錄的時間分辨率要求較為嚴(yán)格這一情況,對PSCADA 系統(tǒng)的SOE分辨率精度進行了分析,證明了目前的方案可以保證PSCADA對SOE分辨率精度的要求。

目前該方案已應(yīng)用于全國多條已開通運營的地鐵ISCS中,有效解決了地鐵ISCS的對時問題。同時,該方案也為在建線路或規(guī)劃線路的地鐵ISCS時間同步功能提供了典型配置方案。

［1］ 雷霆,黃太貴,李斌,等.時間同步監(jiān)測分析系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動,2010,34（24）：65.

［2］ 楊錦濤.電力系統(tǒng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)集［D］.長沙：湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,2011.

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Time Synchronization Technology for Metro Integrated Supervisory Control System

Zuo Zhenlu,Lin Xiaowei

Demands for time synchronization function of metro integrated supervisory control system （ISCS）and the detailed time synchronization method of ISCS are elaborated.In this research,Chongqing rail transit Line 3 is taken as an example,which has realized time synchronization on ISCS control center level,station level and equipment level respectively.At the same time,the sequence of event（SOE）resolution of power supervisory control and data acquisition（PSCADA）is analyzed,the typical time synchronization schemes of ISCS are obtained,which will provide important construction standards for the building of and newly built ISCS time synchronization functions.

ISCS;time synchronization;PSCADA;SOE resolution

U 29-39

2012-11-18）