金凤楠

(黑龙江省大庆油田电力集团油田热电厂发电分厂, 黑龙江 大庆 163000)

北斗时钟同步系统在油田热电厂的应用研究

金凤楠

(黑龙江省大庆油田电力集团油田热电厂发电分厂, 黑龙江 大庆 163000)

基于北斗卫星系统对油田热电厂的时间同步系统进行了研究，采用北斗、GPS互备份的方式对时钟同步系统进行冗余设计。系统同步精度可以达到微秒级，符合发电厂的时间同步系统要求，具有一定的国产化价值。

北斗卫星系统; GPS; 时间同步; 油田热电厂; IEEE-1588协议; FPGA

0 引 言

全球卫星定位系统(Global Positional System, GPS)可以向全球提供免费的时钟信息和地理信息，作为当前比较成熟的广域时钟同步的方法已经广泛用于民用，可实现微秒级的时钟同步精度[1]。但是，由于目前GPS受美国军方控制，国计民生的电力行业过分依赖GPS是国家安全的巨大隐患，因此替换GPS采用新的时钟同步系统具有重要的意义。

“北斗一号”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位通信系统，具有快速定位、简短通信和精密授时三个主要功能。本文对目前电力系统自动化设备中常用的授时系统进行了比较，设计北斗/GPS双模热电厂同步授时系统，可以减少火力发电厂对GPS的依赖。

1 电力系统时钟同步方式

1.1 目前常用时钟同步方式

目前，国内外电力系统自动化厂家使用的时钟同步系统，采用的对时方式包括以下三种：

(1)GPS时钟同步方式[2]。目前应用成熟，但其美国军方对GPS信号进行严格管制，不承诺服务质量，可以对任意区域和时段进行控制。一旦出现特别情况，大面积使用GPS将对我国的国计民生构成巨大的国防和竞技隐患。

(2)网络时间协议(Network Time Protocol, NTP)时钟同步方式和简单网络时间协议(Simple Network Time Protocal, SNTP)时钟同步方式。该方式采用互联网同步个人计算机时间非常方便，前者采用RFC1059标准，在广域网可以达到几十毫秒的精度，局域网达到0.1毫秒；后者采用RFC2030标准，精度可达毫秒级。

(3)同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy, SDH)网络时间同步方式，该方式把铯钟同步的时间编码信号嵌入到SONET STM-N的复用段开销(MSOH)的空闲字节，信息长度5 bit，其帧结构符合ITU-T G708协议，只要不阻断MSOH信息，就可实现长距离传输。其50 km的时间传输准确度是10 ps～50 ps，但其弱点是不能得到广泛应用。

1.2 “北斗”导航系统时钟同步系统定时

相比较GPS，“北斗”导航系统时钟同步定时系统具有以下优势：(1)北斗导航系统由我国自主控制，而GPS由美军控制；(2)北斗授时体制好、精度高；(3)北斗具有双向通信能力[3-5]。

考虑到油田热电厂中已经配备了GPS时钟对时装置，本文采用北斗/GPS双系统电力时钟同步设计，该设计保留原有GPS同步系统，与北斗卫星信号互为备份。相比原系统，本文的国产化同步定时系统精度更高、可靠性更好。

2 电网授时总体方案

本设计的系统的方案框图如图1所示。油田电厂待同步区域为网控室、#1机组控制室、#2机组控制室、#3机组控制室、热网DCS机房、化学程控机房、输煤集控室这七个位置。将北斗主时钟主机和GPS主机放置在信息中心微波机房中，通过主时钟对上面七个子网进行授时。子网1包括网控室、热网DCS机房、化学程控机房、输煤集控室；子网2包括#1机组控制室、#2机组控制室、#3机组控制室。基于IEEE-1588协议，主时钟通过交换机对网络中所有从时钟进行同步，各个主时钟通过北斗/GPS同步，实现了在时钟同步过程中可以获得的最高精度，同一子网内的从时钟通过以太网IEEE-1588协议进行时钟同步。这种方法一方面减少了北斗/GPS模块的用量，另一方面以太网下的时钟同步可以满足热电厂子网中各个节点的时钟精度。

图1 系统总体方案框图

将油田热电厂原有的GPS单源授时方式修改为北斗/GPS双源授时方式。系统对北斗、GPS、本地时钟模块进行分析比较，结合星数、经纬度数据、时间有效性，对时钟的异常情况进行判断，然后通过IEEE-1588协议送出报文，进行主时钟与从时钟进行通信，完成北斗/GPS双源授时。

3 北斗/GPS时钟同步系统设计

本文的设计原则是，尽量减少原有系统的改动，新系统能够兼容油田热电厂原有的GPS单源授时方式。这里，保持原有的交换机、从时钟以太网子网不变，设计可兼容油田热电厂原有的GPS单源授时方式的北斗/GPS双源授时方式的主时钟同步方式。3.1 主时钟系统软件设计模块划分

主网系统采用如图2所示的软件结构，软件结构分为三个部分：北斗/GPS信号解析部分、本地时钟部分、IEEE1588协议模块。

图2 系统软件设计框图

北斗/GPS信号解析分为两个部分：北斗信号解析模块和GPS信号解析模块，两者分别用于接收北斗接收机的秒脉冲信号和GPS接收机的秒脉冲信号，并分别提取秒脉冲信息。北斗/GPS信号解析可以采用三种工作模式：北斗工作模式(只用北斗信号工作)、GPS工作模式(只用GPS信号工作)、组合工作模式(采用北斗和GPS中信号更强的模式进行工作)。

IEEE1588协议模块和用于本点发送报文、接收需要上报CPU的报文。

本地时钟用于实现精确计时、时间修正和通信接口。

3.2 精确时钟的实现

图3 精确时钟实现框图

精确时钟的实现在系统软件的本地时钟模块中进行，主要包括精确计时、时间修正和通信接口几个部分如图3所示。时间修正模块根据IEEE1588协议模块计算得到的时间偏差数据offset，通过时间修正策略对精确计时器进行修正。本文修正方式采用直接加减修正法：通过产生CNT_en信号，作为精确计时器的计时使能信号来控制精确计时器的计时快慢，从而达到修正时间的效果。另外，PPS信号作为精确时钟小数计数器的清零信号。

3.3 IEEE1588协议的实现

IEEE1588协议的实现分为七个部分，包括主控程序、最佳主时钟程序、主时钟发送程序、从时钟接收程序、从时钟发送程序、主时钟接收程序和扩展程序。其中，主控程序根据各种状态控制和协调其他程序模块的执行，同时负责实现仪器的基本功能。为了减少网络冲突，主控程序采用主时钟先发送后接收，从时钟先接收后发送的策略。程序流程图如图4所示。

图4 IEEE1588协议实现流程图

4 北斗/GPS时钟同步系统在油田热电厂的应用

图5 样机电路板

本文研制的北斗时钟同步系统样机的硬件电路采用基于ALTERA公司的现场可编程逻辑门阵列EP2C5Q208I8N，电路板如图5所示。与油田热电厂原有的GPS同步授时系统进行并联连接，并对两者的获取时间进行比对。实验结果如图6所示，两者之间的时间抖动最大值约为0.3 μs，满足油田热电厂的时间同步需求。

图6 样机实验波形

5 结束语

热电厂的运行状况受到多方面因素的影响，需要记录每一时刻的运行状态和信息。采用扩展北斗/GPS 双模同步系统作为油田热电厂各种系统和自动化装置的实时统一时钟，除在正常时为我厂保护系统和自动装置提供准确的对时信号外，其作用更在于对设备故障分析时能提供统一的时间基础，有利于提高对设备故障分析的准确性，对油田热电厂机组乃至油田电网的安全平稳运行有着重要的意义。

[1] 高厚磊,厉吉文,文峰,等. GPS 及其在电力系统中的应用[J]. 电力系统自动化, 1995, 19(9) : 41-44.

[2] S MIAO,S WANG, The design and implementation of the GPS based real-time monitoring system for the state of power network[J]. International Journals of Power & Energy Systems, 2001, 21(3): 159-163.

[3] 党晓圆,单庆晓,肖昌炎,等. 基于GPS 与北斗双模授时的压控晶振校频系统的研究与设计[J]. 计算机测量与控制, 2009, 17(11): 2246-2248.

[4] 何香玲,郑钢,范秋华. GPS 定位信息的采集和显示[J]. 自动化仪表, 2007, 28( 3): 40-42.

[5] 王飞雪,许晓勇,庄钊文. 基于“北斗一号”的卫星定位与定时[C]. 中国科学技术协会2005年学术年会11分会场暨中国电机工程学会2005年学术年会, 2005, 乌鲁木齐: 41-46.

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

金凤楠(1983-)，男,朝鲜族，黑龙江大庆人，电力集团油田热电厂，从事发电厂电气运行工作。

定稿日期: 2016-05-13