北斗時(shí)鐘同步系統(tǒng)在油田熱電廠的應(yīng)用研究

金鳳楠

(黑龍江省大慶油田電力集團(tuán)油田熱電廠發(fā)電分廠, 黑龍江 大慶 163000)

北斗時(shí)鐘同步系統(tǒng)在油田熱電廠的應(yīng)用研究

金鳳楠

(黑龍江省大慶油田電力集團(tuán)油田熱電廠發(fā)電分廠, 黑龍江 大慶 163000)

基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)油田熱電廠的時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用北斗、GPS互備份的方式對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。系統(tǒng)同步精度可以達(dá)到微秒級(jí)，符合發(fā)電廠的時(shí)間同步系統(tǒng)要求，具有一定的國(guó)產(chǎn)化價(jià)值。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng); GPS; 時(shí)間同步; 油田熱電廠; IEEE-1588協(xié)議; FPGA

0 引 言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positional System, GPS)可以向全球提供免費(fèi)的時(shí)鐘信息和地理信息，作為當(dāng)前比較成熟的廣域時(shí)鐘同步的方法已經(jīng)廣泛用于民用，可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的時(shí)鐘同步精度[1]。但是，由于目前GPS受美國(guó)軍方控制，國(guó)計(jì)民生的電力行業(yè)過分依賴GPS是國(guó)家安全的巨大隱患，因此替換GPS采用新的時(shí)鐘同步系統(tǒng)具有重要的意義。

“北斗一號(hào)”系統(tǒng)是我國(guó)自行研制和建立的一種區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，具有快速定位、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)三個(gè)主要功能。本文對(duì)目前電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備中常用的授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了比較，設(shè)計(jì)北斗/GPS雙模熱電廠同步授時(shí)系統(tǒng)，可以減少火力發(fā)電廠對(duì)GPS的依賴。

1 電力系統(tǒng)時(shí)鐘同步方式

1.1 目前常用時(shí)鐘同步方式

目前，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)自動(dòng)化廠家使用的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，采用的對(duì)時(shí)方式包括以下三種：

(1)GPS時(shí)鐘同步方式[2]。目前應(yīng)用成熟，但其美國(guó)軍方對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格管制，不承諾服務(wù)質(zhì)量，可以對(duì)任意區(qū)域和時(shí)段進(jìn)行控制。一旦出現(xiàn)特別情況，大面積使用GPS將對(duì)我國(guó)的國(guó)計(jì)民生構(gòu)成巨大的國(guó)防和競(jìng)技隱患。

(2)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol, NTP)時(shí)鐘同步方式和簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Simple Network Time Protocal, SNTP)時(shí)鐘同步方式。該方式采用互聯(lián)網(wǎng)同步個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)間非常方便，前者采用RFC1059標(biāo)準(zhǔn)，在廣域網(wǎng)可以達(dá)到幾十毫秒的精度，局域網(wǎng)達(dá)到0.1毫秒；后者采用RFC2030標(biāo)準(zhǔn)，精度可達(dá)毫秒級(jí)。

(3)同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy, SDH)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式，該方式把銫鐘同步的時(shí)間編碼信號(hào)嵌入到SONET STM-N的復(fù)用段開銷(MSOH)的空閑字節(jié)，信息長(zhǎng)度5 bit，其幀結(jié)構(gòu)符合ITU-T G708協(xié)議，只要不阻斷MSOH信息，就可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。其50 km的時(shí)間傳輸準(zhǔn)確度是10 ps～50 ps，但其弱點(diǎn)是不能得到廣泛應(yīng)用。

1.2 “北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘同步系統(tǒng)定時(shí)

相比較GPS，“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)鐘同步定時(shí)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由我國(guó)自主控制，而GPS由美軍控制；(2)北斗授時(shí)體制好、精度高；(3)北斗具有雙向通信能力[3-5]。

考慮到油田熱電廠中已經(jīng)配備了GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)裝置，本文采用北斗/GPS雙系統(tǒng)電力時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)保留原有GPS同步系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星信號(hào)互為備份。相比原系統(tǒng)，本文的國(guó)產(chǎn)化同步定時(shí)系統(tǒng)精度更高、可靠性更好。

2 電網(wǎng)授時(shí)總體方案

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的方案框圖如圖1所示。油田電廠待同步區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)控室、#1機(jī)組控制室、#2機(jī)組控制室、#3機(jī)組控制室、熱網(wǎng)DCS機(jī)房、化學(xué)程控機(jī)房、輸煤集控室這七個(gè)位置。將北斗主時(shí)鐘主機(jī)和GPS主機(jī)放置在信息中心微波機(jī)房中，通過主時(shí)鐘對(duì)上面七個(gè)子網(wǎng)進(jìn)行授時(shí)。子網(wǎng)1包括網(wǎng)控室、熱網(wǎng)DCS機(jī)房、化學(xué)程控機(jī)房、輸煤集控室；子網(wǎng)2包括#1機(jī)組控制室、#2機(jī)組控制室、#3機(jī)組控制室。基于IEEE-1588協(xié)議，主時(shí)鐘通過交換機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有從時(shí)鐘進(jìn)行同步，各個(gè)主時(shí)鐘通過北斗/GPS同步，實(shí)現(xiàn)了在時(shí)鐘同步過程中可以獲得的最高精度，同一子網(wǎng)內(nèi)的從時(shí)鐘通過以太網(wǎng)IEEE-1588協(xié)議進(jìn)行時(shí)鐘同步。這種方法一方面減少了北斗/GPS模塊的用量，另一方面以太網(wǎng)下的時(shí)鐘同步可以滿足熱電廠子網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘精度。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

將油田熱電廠原有的GPS單源授時(shí)方式修改為北斗/GPS雙源授時(shí)方式。系統(tǒng)對(duì)北斗、GPS、本地時(shí)鐘模塊進(jìn)行分析比較，結(jié)合星數(shù)、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、時(shí)間有效性，對(duì)時(shí)鐘的異常情況進(jìn)行判斷，然后通過IEEE-1588協(xié)議送出報(bào)文，進(jìn)行主時(shí)鐘與從時(shí)鐘進(jìn)行通信，完成北斗/GPS雙源授時(shí)。

3 北斗/GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)原則是，盡量減少原有系統(tǒng)的改動(dòng)，新系統(tǒng)能夠兼容油田熱電廠原有的GPS單源授時(shí)方式。這里，保持原有的交換機(jī)、從時(shí)鐘以太網(wǎng)子網(wǎng)不變，設(shè)計(jì)可兼容油田熱電廠原有的GPS單源授時(shí)方式的北斗/GPS雙源授時(shí)方式的主時(shí)鐘同步方式。3.1 主時(shí)鐘系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊劃分

主網(wǎng)系統(tǒng)采用如圖2所示的軟件結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：北斗/GPS信號(hào)解析部分、本地時(shí)鐘部分、IEEE1588協(xié)議模塊。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

北斗/GPS信號(hào)解析分為兩個(gè)部分：北斗信號(hào)解析模塊和GPS信號(hào)解析模塊，兩者分別用于接收北斗接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)和GPS接收機(jī)的秒脈沖信號(hào)，并分別提取秒脈沖信息。北斗/GPS信號(hào)解析可以采用三種工作模式：北斗工作模式(只用北斗信號(hào)工作)、GPS工作模式(只用GPS信號(hào)工作)、組合工作模式(采用北斗和GPS中信號(hào)更強(qiáng)的模式進(jìn)行工作)。

IEEE1588協(xié)議模塊和用于本點(diǎn)發(fā)送報(bào)文、接收需要上報(bào)CPU的報(bào)文。

本地時(shí)鐘用于實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)、時(shí)間修正和通信接口。

3.2 精確時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)

圖3 精確時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)框圖

精確時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)軟件的本地時(shí)鐘模塊中進(jìn)行，主要包括精確計(jì)時(shí)、時(shí)間修正和通信接口幾個(gè)部分如圖3所示。時(shí)間修正模塊根據(jù)IEEE1588協(xié)議模塊計(jì)算得到的時(shí)間偏差數(shù)據(jù)offset，通過時(shí)間修正策略對(duì)精確計(jì)時(shí)器進(jìn)行修正。本文修正方式采用直接加減修正法：通過產(chǎn)生CNT_en信號(hào)，作為精確計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)使能信號(hào)來控制精確計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)快慢，從而達(dá)到修正時(shí)間的效果。另外，PPS信號(hào)作為精確時(shí)鐘小數(shù)計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)。

3.3 IEEE1588協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

IEEE1588協(xié)議的實(shí)現(xiàn)分為七個(gè)部分，包括主控程序、最佳主時(shí)鐘程序、主時(shí)鐘發(fā)送程序、從時(shí)鐘接收程序、從時(shí)鐘發(fā)送程序、主時(shí)鐘接收程序和擴(kuò)展程序。其中，主控程序根據(jù)各種狀態(tài)控制和協(xié)調(diào)其他程序模塊的執(zhí)行，同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)儀器的基本功能。為了減少網(wǎng)絡(luò)沖突，主控程序采用主時(shí)鐘先發(fā)送后接收，從時(shí)鐘先接收后發(fā)送的策略。程序流程圖如圖4所示。

圖4 IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)流程圖

4 北斗/GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)在油田熱電廠的應(yīng)用

圖5 樣機(jī)電路板

本文研制的北斗時(shí)鐘同步系統(tǒng)樣機(jī)的硬件電路采用基于ALTERA公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列EP2C5Q208I8N，電路板如圖5所示。與油田熱電廠原有的GPS同步授時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)連接，并對(duì)兩者的獲取時(shí)間進(jìn)行比對(duì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，兩者之間的時(shí)間抖動(dòng)最大值約為0.3 μs，滿足油田熱電廠的時(shí)間同步需求。

圖6 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

熱電廠的運(yùn)行狀況受到多方面因素的影響，需要記錄每一時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)和信息。采用擴(kuò)展北斗/GPS 雙模同步系統(tǒng)作為油田熱電廠各種系統(tǒng)和自動(dòng)化裝置的實(shí)時(shí)統(tǒng)一時(shí)鐘，除在正常時(shí)為我廠保護(hù)系統(tǒng)和自動(dòng)裝置提供準(zhǔn)確的對(duì)時(shí)信號(hào)外，其作用更在于對(duì)設(shè)備故障分析時(shí)能提供統(tǒng)一的時(shí)間基礎(chǔ)，有利于提高對(duì)設(shè)備故障分析的準(zhǔn)確性，對(duì)油田熱電廠機(jī)組乃至油田電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行有著重要的意義。

[1] 高厚磊,厲吉文,文峰,等. GPS 及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1995, 19(9) : 41-44.

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Application of Beidou Clock Synchronization System in the Oilfield Thermoelectric Power Plant

Jin Fengnan

(Power Workshop of Daqing Oilfield Thermal Power Plant, Daqing heilongjiang 163000，China)

Clock synchronization system for oilfield thermoelectric power plant was under investigation based on Beidou satellite system; it intends to adopt a mutual backup mode with Beidou satellite system and GPS for redundancy design of the clock synchronization system. The synchronizing accuracy of the system can reach the microsecond level which could satisfy the requirement of the clock synchronizing system and possesses certain value for localization of manufactures.

Beidou satellite system; GPS; Time synchronization; Oilfield thermoelectric power plant; IEEE-1588 protocol; FPGA

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.010

TP273

A

1000-3886(2016)05-0031-03

金鳳楠(1983-)，男,朝鮮族，黑龍江大慶人，電力集團(tuán)油田熱電廠，從事發(fā)電廠電氣運(yùn)行工作。

定稿日期: 2016-05-13