風電機組服務(wù)器時間與GPS同步的實現(xiàn)

王佳宏+肖春+張俊偉

摘要：山西某風場自2010年投運以來，風機監(jiān)控系統(tǒng)一直運行穩(wěn)定，但存在時間滯后的現(xiàn)象。為解決此問題，目前采用的方法是定時對風機監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器進行手動對時，但并沒有得到解決。本文采用建立NTP時間服務(wù)器的方法，實現(xiàn)風機服務(wù)器時間與GPS同步。

Abstract： Since a wind farm in Shanxi was put into operation in 2010， the fan monitoring system has been running steadily， but there is a time lag phenomenon. In order to solve this problem， the current method is to manually time the fan monitoring system， but it has not been resolved. In this paper， the method of establishing NTP time server is used to realize the synchronization between the fan server time and GPS.

關(guān)鍵詞：Linux；NTP時間服務(wù)器；同步；串行通信接口

Key words： Linux；NTP time server；synchronization；serial communication interface

中圖分類號：TP368.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0069-02

1 項目概況

山西某風場自2010年投運以來，風機監(jiān)控系統(tǒng)一直運行穩(wěn)定，但在運行過程中值班員反映，風機監(jiān)控系統(tǒng)存在時間滯后的現(xiàn)象（每月滯后約15分鐘）。針對此問題，工作人員采用定時對風機監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器進行手動對時的方法，對時過程比較繁瑣，增加了運行值班人員不必要的工作量，并且在一段時間內(nèi)仍存在延時現(xiàn)象，此問題并沒有得到實質(zhì)性解決。

此現(xiàn)象對風機的監(jiān)控工作、報警統(tǒng)計、故障分析以及能量管理平臺和AGC的控制造成影響，給運行工帶來了諸多不便。為徹底解決風電機組時間滯后的現(xiàn)象，本文通過對Linux系統(tǒng)時間的研究，建立NTP時間服務(wù)器的方法，實現(xiàn)風機服務(wù)器時間與GPS同步，達到運行的精度要求。

2 風機服務(wù)器時間滯后的原因分析

Linux是一類Unix計算機操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)是一套自由傳播并可以免費使用的類Unix操作系統(tǒng)，采用GNU工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)，它主要用于基于x86系列CPU的計算機上。

可以把Linux時鐘分成兩類，一為硬件（Real Time Clock），還有一個便是系統(tǒng)時鐘（System Clock）。其是主板上通過電池進行具體供電的相應(yīng)主板硬件時鐘，其能夠在BIOS相應(yīng)“Standard BIOS Feture”項中開始實際設(shè)置，系統(tǒng)時間可以解釋為當時使用Linux Kernel中所對應(yīng)的時鐘。Linux其實際系統(tǒng)自身具體時鐘精度同樣存在著不足之處，其硬件時鐘中斷所進行默認設(shè)置的時間間隔為10ms。倘若時間片相應(yīng)最小值為10ms，那么說明其任務(wù)調(diào)度可以給予最小10ms相應(yīng)調(diào)度粒度，就多數(shù)實時系統(tǒng)而言，一般情況下，應(yīng)該做出微秒級響應(yīng)。但是，此項調(diào)度精度基本上達不到實時系統(tǒng)相應(yīng)的具體需求。

此風場的風機服務(wù)器一直采用Linus服務(wù)系統(tǒng)時間，并運行于內(nèi)網(wǎng)，而且升壓站保護也無時間服務(wù)器，均無法同Internet同步，又無其他外部標準時間源（或沒有與標準時間源相連接），風機服務(wù)器經(jīng)過長時間運行，就會造成風機服務(wù)器硬件時間與標準時間產(chǎn)生偏差的現(xiàn)象。

3 NTP時間服務(wù)器介紹

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）是運用于互聯(lián)網(wǎng)中時間同步的標準互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。NTP可以把計算機的時間同步到某時間標準。NTP時間服務(wù)器主要針對于計算機、控制裝置等自動化系統(tǒng)中進行校時的高科技產(chǎn)品，NTP時間服務(wù)器產(chǎn)品從GPS衛(wèi)星上獲取標準的時間信息，再把這些信息通過各類型的接口來傳輸給自動化系統(tǒng)中需要時間信息的設(shè)備（安全自動裝置、保護裝置、計算機、故障錄波器、遠動RTU、事件順序記錄裝置），這樣就可以達到整個系統(tǒng)的時間同步的效果。

就大多數(shù)情況而言，NTP具體意義上的時間能夠精確于WAN的數(shù)十ms，另外，LAN上則為亞ms級，也可能會更高。在專用的時間服務(wù)器上，其精確度會更高。

4 串行通信接口技術(shù)

目前常用的串行通信接口標準包括：RS-232以及RS-422等。同時，此項標準均需通過電子工業(yè)協(xié)會（EIA）進行詳細制定并實行發(fā)布。RS-422是RS-232的升級版，在某些方面進行了創(chuàng)新。發(fā)掘出了一項具備平衡特性的接口，能夠把傳輸速率提高到10Mb/s，傳輸距延長到4000英尺，另外，其可以保證一條平衡線上其所能承受的接收器能夠達到十個，可以確保多個發(fā)送器能夠連接到同一總線上，提升了發(fā)送器實際驅(qū)動力以及沖突保護功能，即增加了多點、雙向通信能力，后命名為TIA/EIA-485-A標準。

4.1 RS-232-C接口

RS-232-C接口主要是計算機和其相應(yīng)終端，包括計算機與相應(yīng)計算機間的所發(fā)生的數(shù)據(jù)傳送行為能夠通過并行以及串行通訊這二者之一來完成。串行通訊其特點在于所需線路比較少、投入成本不高，尤其是遠程傳輸過程中，能夠有效避免相應(yīng)線路特性達不到所需，所以被大量應(yīng)用。

串行通訊需要通訊相應(yīng)發(fā)出方，包括接收方均使用同樣標準的對應(yīng)接口，保證不同的設(shè)備能夠順利建立通訊。就現(xiàn)今情況來看，RS-232-C接口為整體串行接口中比較常見的。其標準明確規(guī)定應(yīng)該采用一個具備25個腳的相應(yīng)DB25連接器，進而對相應(yīng)連接器引腳信號的具體有關(guān)數(shù)據(jù)進行規(guī)定，包括一系列信號的電平。

因RS-232-C接口標準屬于較早出現(xiàn)的標準之一，在應(yīng)用上就會有不足之處，主要有以下四點：

①需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接，由于接口相應(yīng)信號電平值過于高，很可能會對接口電路芯片造成一定程度的損壞，另外，其和TTL電平無法兼容，故采取該方法避免；②傳輸速率達不到要求值，異步傳輸過程中，波特率只可達到20Kbps；③相應(yīng)抗噪聲所對應(yīng)的干擾性不強，接口位置處使用一根信號線以及相應(yīng)返回線所形成的傳輸形式容易產(chǎn)生共模干擾；④傳輸距離受到了限制，雖然所給出的最大距離達到了50米，但其實具體應(yīng)用過程中，只能保持于15米上下，限制了它的使用。

4.2 RS-485接口

RS-485接口是在RS-232-C的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)的一些新的接口標準之一，它有效改進了RS-232-C的不足。具有以下特點：

①RS-485的電氣特性：它的接口信號實際電平相較于RS-232-C呈現(xiàn)出了降低的特點，因此可以進一步保護其電路芯片，另外，其和TTL電平能夠保持良好的兼容性，能夠順利和TTL電路進行連接。②RS-485其實際數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達到10Mbps。③抗共模干能力得到了大幅提升，RS-485接口是將相應(yīng)平衡驅(qū)動器以及差分接收器進行了恰當組合，以此增強了其借口相應(yīng)抗噪聲干擾性。④雖然RS-485接口，所給出的最大傳輸距離相應(yīng)標準值是4000英尺，但其實能夠達到3000米。⑤RS-232其進行通信的方式只能是一對一，但其優(yōu)點在于可以連接大約128個相應(yīng)收發(fā)器，并且擁有多站能力，能夠更加方便用戶。⑥RS-485接口其優(yōu)勢包括，抗噪聲干擾性比較強，能夠滿足長距離傳輸工作所需以及多站能力。

5 風機服務(wù)器時間滯后的解決方案

本文通過對風機服務(wù)器及其操作系統(tǒng)、工控機及系統(tǒng)和GPS設(shè)備接口的具體情況的分析，最終確定了以下三個方案：

方案一：架設(shè)一臺NTP時間服務(wù)器，讓風機服務(wù)器同NTP時間服務(wù)器同步；

方案二：讓風機服務(wù)器與外網(wǎng)連接；

方案三：利用GPS衛(wèi)星同步時鐘配合相關(guān)軟件同步風機工控機，建立NTP時間服務(wù)器，讓風機服務(wù)器同NTP時間服務(wù)器同步。

三個方案的對比分析如下：

方案一：方法簡單但需要增加一臺計算機設(shè)備，增加成本和維護的工作量；

方案二：方法簡單，但是存在以下缺陷：

①如果外網(wǎng)有問題，會直接影響到風機服務(wù)器的對時，具有很大的依賴性；②直接與外網(wǎng)連接，易造成病毒的傳播，存在安全隱患，而且也不符合二次防護的要求，一旦發(fā)生問題，影響整個二次系統(tǒng)，范圍大，危害性大；③外網(wǎng)時間源來源無法核實考證，其可靠性不確定，在準確性上無法保證。

方案三：利用升壓站現(xiàn)有的GPS衛(wèi)星同步時鐘，只需增加串口和網(wǎng)線，配合相關(guān)軟件即可實現(xiàn)。

通過以上綜合對比分析，工作中選擇方案三效果最佳。

為了實現(xiàn)方案三的最佳效果，針對目前使用的其中一套風機監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，采用GPS衛(wèi)星同步時鐘與風機工控機用RS-232-RS-485串口及網(wǎng)線做物理連接，在利用相關(guān)軟件配合通過接收和翻譯相關(guān)報文使之達到時間同步，這樣就建立了工控機NTP時間服務(wù)器。在風機服務(wù)器（linux系統(tǒng)）輸入上級時間服務(wù)器（風機工控機NTP時間服務(wù)器）IP，這樣就實現(xiàn)了所要達到的目標，從而實現(xiàn)了風機服務(wù)器與實現(xiàn)風機服務(wù)器時間與GPS同步。

6 項目實施步驟

采用建立NTP時間服務(wù)器的方法，實現(xiàn)風機服務(wù)器時間與GPS同步，該項目的步驟：

①在GPS衛(wèi)星同步時鐘設(shè)備和風機工控機之間各加裝一個RS-232-RS-485串口和網(wǎng)線；②在風機工控機上安裝接收時間報文的串口測試軟件；③在風機工控機上安裝GPS BJT.ST orAT軟件，使接收到的時間報文按照許繼BJT規(guī)約翻譯成工控機可以應(yīng)用的時間信息；④在風機工控機上安裝net start w32 Time軟件，使之成為NTP時間服務(wù)器，它可以同步其他服務(wù)器的時間。在風機服務(wù)器（linux系統(tǒng)）輸入上級時間服務(wù)器（風機工控機）IP（10.1.50.250），實現(xiàn)風機服務(wù)器時間與GPS同步。

7 結(jié)束語

本文采用方案三的方法對一臺風機服務(wù)器實現(xiàn)了與GPS衛(wèi)星時鐘的同步對時，經(jīng)過長時間的運行觀察，確定其精確度滿足運行要求。所以采用建立NTP時間服務(wù)器的方法可以對另一臺風機服務(wù)器進行應(yīng)用。經(jīng)過兩年多的運行，現(xiàn)在不僅風機服務(wù)器、后臺還有主控室風機監(jiān)控系統(tǒng)以及77臺風機的塔底程序都與GPS衛(wèi)星同步時鐘時間同步，而且誤差小于±1s，達到了項目的推廣目標。

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