核電廠集散控制系統的網絡時間同步

姚　震,楊南東（國核示范電站有限責任公司,山東　榮成　264333）

核電廠集散控制系統的網絡時間同步

姚震,楊南東
（國核示范電站有限責任公司,山東榮成264333）

摘要:核電廠集散控制系統對時間同步的要求很高，控制器的邏輯運算、事故追憶系統的事件順序記錄都有較高的時間精度要求。本文就時間基準的選取，網絡時間協議和精確時間協議在核電廠集散控制系統中的一種應用方案進行了描述和分析。

關鍵詞:時間基準；時間同步協議；時間同步架構

1　引言

隨著核電技術的發展，第三代核電將全面采用數字化儀控，即核電廠儀控系統使用集散控制系統（DistributedControlSystem，以下簡稱DCS）對電廠運行進行管理。核電廠的首要任務是保證核安全，核安全就要求核電廠的關鍵工藝過程在有效和穩定的控制之中。這些工藝過程對溫度、壓力等參數非常敏感，所以核電廠DCS必須具備高實時性、精確性和可靠性。為了滿足DCS的上述性能需求，我們必須保證DCS的網絡時間有很高的精度。

2　時間基準

2.1可參考的時間基準

為了實現DCS網絡較高的時間精度，我們需要為其選取一個優良的時間基準。在人類歷史上，時間基準經歷了一系列的進化和演變，不同的時間基準之間有著千絲萬縷的聯系。

最初，人類發現天體運轉的周期規律性很強，所以就把兩次日出之間的時段稱之為一天。一天又被平均劃分為24小時，每小時被平均劃分為60分鐘，每分鐘被平均劃分為60秒，這稱之為太陽時。在地球上觀測太陽，其尺寸還是比較大的，人類很難確定其中心點，也就很難把太陽時的精度做到很高。為了提高時間精度，人類選取某顆恒星取代太陽作為參照物。因人類觀測到的恒星的面積很小，由此得到的時間就相對精確許多，這就是所謂的恒星時。地球上不同地區在同一時刻觀測恒星的位置各不相同，所得到的恒星時也因地而異。為了統一全球的恒星時，人們創立了世界時，劃分了24個時區，中國以北京所在的東八區為統一時間。

天體運轉畢竟存在一些不穩定性，例如地球自轉會產生抖動，地球每轉一圈的時間存在著微小的差異。而科技的發展對時間精度的要求越來越高，于是人類把目光轉向微觀世界，并發現原子的內部運動周期規律性比天體運行要強的多。國際計量委員會定義位于零海拔零磁場的銫原子的兩個特定能級震蕩特定周期的時間段為1秒，我們以該秒長作為標準不斷累加所得到的時間即為原子時。原子時雖然標準，但也存在弊端，若人類使用原子時很長一段時間，原子時與世界時的偏差可能會比較大。夸張一點說，人類習慣早上6點鐘太陽升起，而原子時顯示的卻是中午12點鐘太陽升起，這嚴重不符合人類的生活習慣。于是，人類決定把世界時和原子時相結合，建立了協調世界時。協調世界時的起點是某一天世界時的零點，自此以后按照原子時的秒長進行累加。一段時間后，協調世界時必然會與世界時產生一定的偏差。為了消除偏差，國際機構會根據實際情況定期的為協調世界時減少或者增加1秒。這樣，人類就得到了一個即精確又符合人類生活習慣的時間基準。

我們還需要認識一下GPS時間。GPS的導航定位是基于“測時測距”原理，其對時間精度的要求很高，所以在每顆GPS衛星上都搭載了原子鐘。也就是說，GPS時間本質上是一種原子時，它的時間起點是上世紀80年代某日的0點。

2.2時間基準源的選擇

選取時間基準源要看核電廠DCS的需求，其最核心的需求就是時間基準的穩定性和均勻性。那么我們暫時可以篩選出“國際原子時”、“協調世界時”“GPS原子時”作為備選。由于核電廠DCS對人類的生活習慣并無要求，所以“協調世界時”的優勢也就喪失了。同時，由于“協調世界時”每半年會閏秒一次（增加或減少1秒），這就些許影響了時間基準的穩定性。不過目前看來，上述三種時間基準仍然平分秋色，都是較好的備選方案。下面我們來分析一下時間基準的授時方式，一般來說分為以下4種：

（1）網絡授時（廣域網）：幾百毫秒（精度）

（2）短波授時：毫秒級（精度）

（3）長波導航：微妙級（精度）

（4）衛星導航：納秒級（精度）

對于“國際原子時”和“協調世界時”來說，它們只能使用前三種授時方式，而“GPS原子時”使用衛星導航來授時。“GPS原子時”的優勢一下顯現了出來，他滿足了核電廠DCS對時間基準高穩定性和高精度的要求。所以在這里，我們選取“GPS原子時”作為核電廠DCS的時間基準。

3　時間同步協議

在接下來探討的DCS網絡架構中，將使用網絡時間協議（Network TimeProtocol，以下簡稱NTP）和精確時間協議（PrecisionTime Protocol，以下簡稱PTP）來進行時間同步。首先，我們來看一下常用的時間同步方法：

（1）置數

（2）快走或慢走

（3）調節晶振計數

對于時間偏差較大的情況，可采用直接置數的方法對用戶進行調時。一般情況下，服務器與客戶端之間的時間偏差很小，所以可采用快走或慢走的方法進行調時（即某一秒的長度小于或大于一秒），這樣還能保證邏輯上時序的正確性。對于長期存在的周期性的時間偏差，可采用調節晶振計數的方法進行調時。針對核電廠DCS的特點，我們采用“快走或慢走”“調節晶振計數”這兩種方法進行時間同步。

3.1網絡時間協議

下面簡單介紹一下網絡時間協議，NTP的基本原理如圖1所示。

圖中t為客戶端與服務器之間存在的時間偏差；d為數據包的往、返通訊延遲（假設往、返通訊延遲相等）；T1為數據包從客戶端發出時客戶端的時間；T2為服務器收到數據包時服務器的時間；T3為數據包從服務器發出時服務器的時間；T4為客戶端收到數據包時客戶端的時間。

由圖可知：

整理得：

這樣就得到了客戶端與服務器之間的時間偏差，可進行調時。

PTP協議的基本原理與NTP非常類似，所不同的是PTP主時鐘會周期性的發布PTP時間同步協議數據包，而非NTP協議的“請求-應答”機制。PTP協議的基本原理圖如圖2所示，在此不再贅述。

NTP協議的精度是毫秒級，PTP協議的精度是微秒級，出現這么大的精度差異主要是因為打時間戳的位置不同。

如圖3所示，NTP協議打時間戳的位置是在B處，即在應用層打時間戳，也稱為軟件打時間戳。而PTP協議打時間戳的位置是在A處，即位于物理層和MAC層之間，這里安裝有PTP協議組件，這種打時間戳的方式也稱為硬件打時間戳。NTP協議的時間戳經過MAC層、操作系統層、應用層的延遲，必然會導致精度下降。所以PTP協議的精度要高于NTP協議。

4　DCS網絡時間同步架構

下面介紹一種核電廠DCS網絡時間同步架構，整個系統分為三層，如圖4所示。時間同步第一層接收GPS時鐘信號，并把同一時鐘信號分為兩路通過光纖傳輸到時間同步第二層。時間同步第二層設有冗余的時間服務器，他們分別接收來自上一層的GPS時鐘信號；它們之間用一根光纖互連，可互相同步時鐘信號，保證主備服務器時間一致，當主時間服務器因故障退出運行時，冗余時間服務器可取代之并繼續為下級節點授時。每臺時間服務器與時間同步第三層的冗余實時數據網相連接，實時數據網下掛了各種節點，包括服務器、操作站和控制器。上述時間同步架構使用的是NTP協議。

對于每個NTP用戶來說，同一時刻可以看到4個時鐘源（因有兩臺時間服務器，兩個實時數據網），必須確定一個主時鐘進行對時。由于NTP只能設置兩個優先級，所以4個時鐘源中有一個被設為主時鐘，其余三個設為備選時鐘，這樣可以避免頻繁更換主時鐘，造成系統不穩定。當主時鐘故障后，NTP協議使用最佳主時鐘算法計算出一個新的主時鐘。

對于核電廠DCS來說，控制器都是成對出現的，一個為主控制器，另一個為備控制器，它們能夠實現精確的無擾切換。主備控制器之間的時間精度要求應高于實時數據網其他節點之間的時間精度，所以在每臺控制器中都內置有PTP協議組件，主備控制器之間采用PTP協議對時。正常情況下，主控制器通過實時數據網與NTP服務器對時，備控制器通過PTP協議與對應的主控制器對時；當主控制器因故障離線時，備控制器還可以通過實時數據網獲取NTP協議的對時信息。

5　結語

本文描述的核電廠DCS時間同步架構選取了GPS時間作為時間基準，同時應用了NTP協議和PTP協議進行時間同步，系統的穩定性和可靠性較高，系統的時間精度較高，是一種合理可行的時間同步方案。

參考文獻：

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[3]黃翔,江道灼.GPS同步時鐘的高精度守時方案[J].電力系統自動化,2010,34(18):74-77.

作者簡介：姚震（1988-），男，山東萊蕪人，本科,助理工程師，研究方向:儀控系統維修管理。