淺析GPS同步時鐘系統在垃圾發電廠的應用

摘 要：文章簡單介紹了GPS（Global Positioning System）衛星時間同步系統功能、系統結構、模塊結構、輸出格式。同時結合國內某城市生活垃圾發電廠實際工程案例，如何實現全廠控制系統達到時鐘同步進行了探討和研究，并著重要介紹了DCS系統的解決方案。

關鍵詞：GPS；垃圾發電廠；DCS系統；時鐘同步

1 GPS時鐘同步簡介

GPS時鐘是一種接受GPS衛星發射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS時間的接受裝置，GPS時鐘同步系統可同時接收GPS、北斗衛星導航系并提供各種時間同步信號，用于實現電廠內計算機監控系統、保護裝置、故障錄波器、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、功角測量裝置、線路故障行波測距裝置、雷電定位裝置以及能量管理系統、用電負荷管理系統、通信網監控系統、電能量記費系統、電網頻率按秒考核系統、信息管理系統MIS、DCS等系統具有統一的時間基準。

GPS時鐘同步系統主要由CPU模塊、接收模塊、電源模塊和輸出接口模塊組成。具體典型拓譜結構，請參考圖1所示，主時鐘A和主時鐘B都可接收GPS或北斗發出時間信號和同步信號，同時主時鐘A和主時鐘B通過IRIG-B碼互為冗余。

2 GPS時鐘信號輸出

2.1 1PPS/1PPM輸出

此格式時間信號每秒或每分時輸出一個脈沖，顯然時鐘脈沖輸出不含具體時間信息。

2.2 IRIG-B輸出

IRIG（美國the Inter-Range Instrumentation Group）共有A、B、D、E、G、H幾種編碼標準（IRIG Standard 200-98）。其中在時鐘同步應用中使用最多的是IRIG-B編碼，有bc電平偏移（DC碼）、1kHz正弦載波調幅（AC碼）等格式。IRIG-B信號每秒輸出一幀（1fps），每幀長為一秒。一幀共有100個碼元（100pps），每個碼元寬10ms，由不同正脈沖寬度的碼元來代表二進制0、1和位置標志位（P）。

2.3 RS-232/RS-422/RS-485輸出

此時鐘輸出通過EIA標準串行接口發送一串以ASCII碼表示的日期和時間報文，每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗、時鐘狀態、診斷信息等。

2.4 NTP網絡對時輸出

NTP 協議全稱網絡時間協議（Network Time Procotol）它的目的是在國際互聯網上傳遞統一、標準的時間。具體的實現方案是在網絡上指定個時鐘源設備，為網絡中的計算機提供授時服務，通過這個時鐘源產品可以使網絡中的眾多電腦和網絡設備都保持時間同步，其精度高達毫秒級。

3 垃圾發電廠采用GPS同步時鐘意義

隨著計算機及網絡通信技術的高速發展，電力自動化、智能化、數字化、網絡化的提高。給控制系統和信息系統之間的數據交換、分析、應用提供了更好的平臺同。計算機監控系統、微機保護裝置、微機故障錄波裝置以及各種控制系統，如DEH系統、DCS系統、煙氣凈化系統已在城市生活垃圾發電廠自動化控制中得到了廣泛的應用。但不同廠家的設備系統多數采用各自獨立的時鐘，而各時鐘都有一定的偏差。那么如何做到統一時鐘使電力系統長期安全運行、提高生產效率變得勢在必行。而采用GPS時鐘同步系統來確保各系統之間的同步與有序協調工作是最為有效果的措施方案。

4 垃圾發電廠GPS時鐘同步解決方案

項目概述：廣東某城市生活垃圾焚燒發電二廠工程建設規模為日處理生活垃圾2250噸，配置3臺750T/D的焚燒爐及余熱鍋爐，2臺25MW凝汽式汽輪發電機組，余熱鍋爐和汽輪發電機組采用中溫中壓，汽機間單獨設置冷凝旁路。焚燒爐采用的國際先進的四段階梯式機械爐排爐；煙氣凈化處理系統采用國際先進的“半干法”技術；汽輪發電機組設備采用東方汽輪機；全廠DCS采用ABB公司的AC800F系統，其它分系統西門子PLC 300/400產品。具體請參看圖2所示：

4.1 GPS時鐘同步接線介紹

從上面拓撲結構圖可以看出，GPS同步系統與各設備間通過“硬接線”方式進行同步。DCS最小站點（IP地址最小的）時鐘接受GPS時鐘R232串口輸出的標準時間編碼。如在接受端是RS-232輸出的ASCII碼字節，GPS主時鐘必須輸出同樣格式的字節信號 GPS主時鐘輸出接口一般都提供編程接口，電廠相關控制系統只要提出相應的標準接口便可。該工程主要接口是RS323與RS485接口，DCS系統采用RS232接口；DEH系統接采用RS485接口；電氣保護接口是RS485接口；升壓站通過RS485接口連接。至于其它分系統（如：SOE事故分析系統、煙氣脫酸系統、煙氣脫硝系統、除塵系統、垃圾吊系統、吹灰系統等）是以DP通訊方式連接到DCS系統，所以可以通過DCS系統獲得標準的時標。同時還為以后全廠SIS、MIS系統等預留有相應的標準接口。

下面主要以DCS系統為例，著重介紹一下DCS系統對時系統解決方案。該項目是用采用ABB公司AC800F系統，軟件版本V9.1。鑒于AC800F系統本身內部具備時間同步功能，DCS系統內部IP地址最小控制器為時間服務器，其它設備包括操作員站、工程師站都是從時間服務器獲得時間同步。IP地址最小控制器的時間由RS232串口獲取。所以只要從GPS時間同步系統接一路RS232信號到最小控制便可實現整個DCS系統時間同步目的。

4.2 RS232接口定義

GPS 裝置RS232 輸出串口插座為標準的DB9 針插座，各針腳作用如下所述。（1）DCD 載波檢測；（2）RXD 接收數據；（3）TXD 發送數據；（4）DTR 數據終端準備好；（5）SG信號地；（6）DSR 數據準備好；（7）RTS 請求發送；（8）CTS 清除發送；（9）RI 振鈴提示。由于同步對時系統接口信息相對簡單，而且對于DCS系統來說，只需接收GPS時鐘信息即可，只需接2RXD接收數據與5SG信號地便可。同時按DCS系統要求把RS232 串口通信參數設置為：波特率-9600，數據位-8，停止位-1，校驗位-無，握手信號-無。

ABB 800F 系統對RS232串口輸出協議編碼格式尤為嚴格，必須采用串口通信協議為ASCII 碼字符格式，且數據長度共18 個字節。01數據頭STX（02），02狀態標（標準時間為C，夏令時間為E，可設置選擇），03星期數（16 進制9～F，對應星期一～星期日），04小時的十位， 05小時個位，06分鐘的十位，07分鐘個位，08秒數十位，09秒數個位，10日十位，11日個位，12月的十位，13月的個位，14年的十位，15年個位，16換行符換行符LF（10），17回車符CR（13），18數據尾。格式如：2013年05月13日14時25分56秒的格式為#CB142556130513013。

如果裝置串口輸出的信息沒有、信息格式不正確、失步狀態時信息格式不完整或串口通信沒有建立等原因，都會造成AC800F控制器無法接受到GPS時鐘信號命令。當時控制器無法接受到RS232串GPS時鐘信息時，也不必擔心，DCS系統就會保持內部實時時鐘狀態。當DCS系統最小控制器變為時鐘服務器時，其內部的系統變量RadioClkAv 也變為True，在電腦IE瀏覽頁輸入：http：//172.16.1.1，可看到TimeSync status：Active Server：#7（172.16.1.50） with Gateway Server，說明時鐘服務器已激活。只有RS232串口同步信息完全符合上述編碼格式（具體編碼內容可以通過PC電腦系統自帶的超級終端讀出，設置波特率-9600，數據位-8，停止位-1，校驗位-無，握手信號-無），最小IP地址控制器上電后就會自動從GPS時間同步系統獲取精準備時鐘指令。而DCS系統中的其他控制器上電后，自動與該時鐘服務器保持時間同步，那么如何判段是否實現了同步，除了查看同步裝置各指示燈外，就目測DCS系統時間與GPS時鐘是否完全一致。可以起先拔出串口，把DCS系統時鐘設置與GPS時鐘完全不一樣。用以更明顯判斷結果。如果最小控制器接上RS232后與GPS完全一致，那么恭喜你，時間同步成功。

5 結束語

隨著GPS 時間同步系統必將在城市垃圾發電廣泛應用，可有效減少維護和檢修的工作量，為垃圾發電的安全生產管理提供強有力的技術保障。為電力系統長期安全運行、提高生產效率提供了有力的支持。

參考文獻

[1]QB/HD01-2002.華東電網時間同步系統技術規范[S].

[2]DL/T 1100.1-2009.電力系統的時間同步系統：技術規范[S].

[3]謝希仁.計算機網絡（第4版）.