2024年1月8日发(作者：)
时间同步系统基本知识
一、概述
时间是物质的存在形式，人们的生活和生产活动与时间密切相关，经常要知道现在是什么时间，这就产生了时间计量的需要，它包括时刻指示和时间间隔计量两个方面。在日常生活和工程应用的时间尺度范围内，时间计量的工具是钟表，以工作原理分，有机械式和电子式两大类，它的外形则多种多样。为了时刻指示的准确，要求有统一的时间基准；为了时间间隔计量的准确，要求钟表的走时准确度高。但是，各种钟表总会有误差，时间久了，累计误差增大，可以明显观察到，造成它指示的时刻不准，所以需要经常按照某一时间基准校准钟表，也就是日常生活中所谓“对钟”、“对表”，技术上称为“时间同步”。
我国全国统一的时间基准为北京时间。我们可以通过各种途径得到时间基准信息，日常生活中，可以从广播电台报时、电视画面或电信部门的报时业务中得到；专业工作中，可以从中国国家授时中心的长波或短波广播得到更准的时间基准信息，也可以从国际上其它授时电台得到时间基准信息。自从全球定位系统（美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗）建成以后，我们可以通过接收全球定位系统卫星的信号，从中得到时间基准信息。比较各种得到时间基准信息的方法，从全球定位系统得到的准确度最高，可以达到原子钟的准确度水平。目前，接收美国的全球定位系统（GPS）和中国的北斗系统卫星信号得到时间基准信息的方法是最经济、最方便的方法。
电力生产中时间同步问题历来是一个受到普遍关注的问题，早在上一世纪的50年代，一些发电厂里就装有子母钟，由一台母钟带动全厂各车间各部门的指针式时钟即所谓“子钟”同步走时，为全厂的生产活动提供统一的时间指示。这也可以说是原始的时间同步系统。
近十年来电力系统的自动化技术迅速发展，发电厂、变电站监控系统、调度自动化系统、RTU、故障录波器、微机继电保护装置、事件顺序纪录装置、机组的DCS和DEH系统等广泛应用。这些装置（系统）的正常工作和作用发挥，都离不开时间记录和统一的时间基准，因而在这些装置（系统）内部都有自己的时钟，即所谓“实时时钟”。这些实时时钟都是电子式的，它的准确度一般都不很高，长时间运行后累计误差越来越大，如不及时校正，将影响它们正常作用的发挥，因而对这些装置（系统）的实时时钟实现自动时间同步是电力系统自动化的一个重要的任务。
为了规范此推广工作，国家电力公司华东公司专门制订了《华东电网时间同步系统技术规范》，于2002年4月22日作为公司第一号企业标准颁布，要求在华东电网全网执行。《规范》对时间同步系统的术语、需纳入时间同步系统的设备、时间同步系统主时钟的技术要求、时间同步信号的类型、时间同步信号接口、信号传输通道以及不同设备的时间同步准确度要求等都作了详细的规定。
二、时钟基准的基本概念
（一）时钟的内部基准
任何时钟都需要有至少一个基准，这个基准决定了这个时钟的时间准确度。内部基准是时钟通过自身携带的走时基准。
1、机械摆
机械摆根据其摆臂的长度，有其固有的谐振频率，可以作为时钟的基准，例 1
如老式的挂钟、座钟。将摆臂做成螺旋状，可大大缩小时钟的体积，例如马蹄表，手表。
2、石英晶体振荡器
由于机械摆的振荡频率不够稳定，机械表的精度不高。进入电子时代，人们发明了“电子摆”就是石英晶体振荡器，简称－晶振。一般晶振的振荡频率稳定性高达1X10-6，改变其物理尺寸就可以改变振荡频率，体积小、成本低，应用广泛。
石英晶振的缺点是温度稳定性差，温度的变化会造成时钟的误差，为了得到更高的精度，可根据温度对石英晶振的振荡频率进行补偿，这就是温度补偿石英晶体振荡器，简称－温补晶振，温补晶振的振荡频率稳定性可达1X10-7。给晶振盖个密闭的小房子，使其温度恒定，可将晶振的振荡频率稳定性提高到1X10-8至1X10-9 ，这种晶振称－恒温晶振。使用石英晶振作为基准的时钟称电子种或石英钟。
3、原子频标
如果需要更稳定的振荡频率，晶振就不能胜任了。
科学家研究发现，有些元素的原子从一种能量状态到另一种能量状态所发射出的电磁波频率异常稳定。根据这一现象设计制造了振荡频率超级稳定的振荡源－原子频标。原子频标的振荡频率稳定性根据其使用的元素（铷、铯、氢）可达1X10-10至1X10-13。使用原子频标作为基准的时钟称原子种。
（二）时钟的外部基准
有一些特殊用途的时钟需要通过接收外来基准信息走时。
内部基准精度不能满足要求的时钟。例如：在电力系统中大多含有微机的设备，其自身的时钟一般使用普通晶振，需要一个高精度的外部基准定时为其修正。
可靠性要求高的时钟。如果一台为众多普通时钟提供外部基准的时钟，尽管其精度很高，一旦其内部基准发生故障，势必造成很大影响。这种时钟不但需要一个精度较高的内部基准外，还需要1－3个外部基准来提高可靠性。
1、外部基准信号
通过电缆、光缆、网络在地面上直接传送的称为有线时间基准信号。
例如：GPS时钟通过电缆、光缆为其他时钟提供的时间基准信号。
通过无线电波在空中传送的称为无线时间基准信号
例如：我国国家授时中心利用长波无线电信号发送的授时信号；GPS、北斗等卫星发送的高频无线电授时信号。
2、卫星同步时钟
原子钟准确度极高，但是造价也极为昂贵，不适合广泛应用。
如果将有限的原子钟安装在卫星上，通过高频无线电信号将时间信息发送到地面，就可以为全球（GPS）或某个特定区域（北斗）地面上的卫星同步时钟对时。
卫星同步时钟：通过接收天线接收卫星系统发送的授时信号作为外部时间基准，以一定的时间准确度向外输出授时信号的装置。目前常用的是GPS卫星同步时钟和北斗卫星同步时钟。
（1）全球定位系统(GPS)
GPS全球卫星定位导航系统(Global Positioning System-GPS)是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具 2
有在全球海、陆、空进行全方位实时三维导航、定位与授时能力的新一代卫星导航与定位系统。
GPS由三个独立的部分组成：
空间部分：24颗卫星。
地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。
用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航、定位和时间信息，经数据处理，完成导航、定位和授时工作。
GPS系统的特点是全球定位，单向通讯。
（2）北斗卫星定位系统（CNSS）。
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。
该系统是区域定位系统，由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）同步卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位、授时服务，授时可达数十纳秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。
北斗系统的特点是区域定位，双向通讯。
三、授时、对时原理
外部基准信号的传递，发送信号的一方称授时，接收信号的一方称对时。授时一方很简单，只要将日期、时间信息按照规范要求发送到接收方即可。下面着重介绍接收方接到授时信号是怎样对时的。
说明：我们以下探讨的所有内容都是围绕着数字显示时钟的，指针式的数字时钟也可以由外部基准对时，我们不在此讨论。
首先看数字显示时钟的方框图
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图3.1
（一）时钟原理
由14位可预置计数器，分别记录年、月、日、时、分、秒，所谓可预置计数器，计数时可通过预先置数，从任意数开始计数而不是必须从‘零’开始；由内部基准（石英晶振）分频得到每秒一次的脉冲－秒脉冲为计时脉冲。计数器的数值通过所对应的锁存、译码、驱动单元，驱动数码显示器，显示日期、时间。
（二）对时原理
时钟通电开始走时的时候，并不知道当时的日期和时间，需要对时。
1、人工对时
通过键盘将正确的日期、时间输入给控制器，控制器通过数据线配合位选线依次将数据置入各级计数器，时钟以此为起点开始走时。
2、脉冲对时
由于人工对时操作有延时的原因，很难将时钟对的很准，年、月、日、时、分变化很慢，但‘秒’在不停的走，人工操作时是无法将‘秒’对得很准的。脉冲对时是利用外来的标准分（秒）脉冲给计数器的秒（毫秒）位清零，这样就可以得到相对准确的对时。
3、串行数据对时
串行数据信号一般含有包括日期、时间等大量数据，可代替人工键盘将正确的日期、时间数据自动输入控制器。
四、常用授时信号的基本类型及传输方式
在上节介绍的两种对时方式所需的脉冲和串行数据信号就是常用的授时信号：脉冲类和串行数据类。
（一）脉冲授时信号
脉冲授时信号有秒脉冲、分脉冲、时脉冲、日脉冲之分，这些脉冲的准时 4
沿都是在整秒、整分、整时、整日时刻发出，常用的是秒脉冲和分脉冲。
时钟装置接收授时信号并与其同步，是一个对钟的过程，在这个过程中，时钟装置利用脉冲授时信号的准时沿将内部时钟的毫秒位（对应秒脉冲授时信号）或秒位（对应分脉冲授时信号）清零而达到同步目的。以分脉冲授时信号为例，时钟装置的秒同步了，而年、月、日、时、分还需人工调整。每次时钟断电再启动后都需人工调整显然很不方便，特别是使用秒脉冲对时，人工几乎无法调整。为了解决这个矛盾，我们引入串行数据授时信号。
（二）串行数据授时信号
串行数据授时信号内含完整的日期、时间数据，常用的有串口报文授时信号和B(IRIG-B)码授时信号。时钟装置可利用该数据对其自身时钟计数器置数而达到同步目的。
1、串行报文授时信号
串行报文授时信号是一组时间数据，每分钟或每秒钟发送一帧，从发送到接收再置数，这个过程需要一定的操作时间，刚刚置完的数，已经有延时了，所以，报文授时只能应用在对时间精度要求不高的场合。
另外，不同的报文授时信号有着不同的编码格式（传输速率、编码方式和发送周期），接收时需要对应的解析程序。在使用中，特别是电力系统，时钟装置要为许多不同专业的设备提供报文授时信号，应用中会有诸多不便。
2、IRIG-B授时信号
为了解决脉冲数据不全，报文时间不准的矛盾，可采取“双管齐下”办法，就是脉冲、报文同时使用。在电力系统中，这种使用方法很常见，例如保护装置：由保护管理机给各保护装置一个报文信号；再由卫星同步时钟给一个脉冲信号。
采用“报文＋脉冲”解决了上述矛盾，但是每个装置都需要两个信号。有没有一种信号同时具备报文及脉冲的有点呢？
3、IRIG-B时间码，原是美国军方进行大炮、导弹试验的靶场仪器组（IRIG）规定的用于在各测试仪器之间实现时钟同步的一种信号编码。后来在民用仪器中得到了广泛的应用。
IRIG-B为一串行数据时间码，每秒一帧，不但含有年、月、日、时、分、秒等信，还含有一个准确度很高的秒脉冲，而且，通过国际电工委员会，在世界范围内对其格式进行了统一规定。所以，在电力系统中得到了越来越广泛的应用。
有关B码的具体介绍，见附录。
（三）授时信号的传输方式：
1、无源接点
在脉冲授时信号的传递过程中，收发双方对脉冲的电平要有一个约定，这类似于前面提到的报文授时信号的报文格式需要约定一样。不同厂家的设备对脉冲电平的要求不同，电压等级不同、准时沿（有上升沿、下降沿之分）不同，在使用中同样会有诸多不便。采用无源接点（也称空接点、干接点）传输方式，发送端等效一个开关，在要求的时刻闭合，电源由接收设备自身提供，这样接收设备使用的电平等级、准时沿用上升沿还是下降沿，就与发送设备无关了。
2、TTL电平。
TTL电平叫法是由TTL器件使用的逻辑电平而来，为5V，绝大部分数字电路运算、转换、传输都使用这一标准电平，前面提到的直流B码就是使用TTL电平。TTL电平一般用来传送B码和秒脉冲、分脉冲等。
由于TTL电平的电压为5V，抗干扰性能较差，在发电厂、变电站这种电磁 5
环境比较恶劣的环境中传送信息，传输距离受到一定限制。
3、 RS-232
RS-232为通用的串行数据通讯标准，最常用于计算机之间的通讯。RS-232采用非平衡方式传送，所谓非平衡方式就是两根传输导线一根是地线，一根是信号。信号在传输过程中遇到干扰，地线是零，干扰信号只影响信号线，如果传输距离过长，会导致通讯失败。所以，RS-232的标准传输距离只有30英尺。当然，这个距离是在极至条件下（使用最高传输速率）的指标。RS-232主要用来传送报文信号。
4、 RS-422/485
RS-422和RS-485同RS-232一样，也为通用的串行数据通讯标准。不同的是它们采用平衡方式传送，所谓平衡方式就是两根传输导线都是信号线。接收设备取两根信号的差值（所以也称差分方式），在传输过程中遇到干扰，两根信号线的电位差不变，可以长距离传输。如果不考虑长线的延时因素，RS-422和RS-485的传输距离可达1000米。
RS-422和RS-485是有区别的，RS-422采用4根导线实现双向通讯，发送、接收互不干扰，同时进行，称全双工通讯；而RS-485采用2根导线实现双向通讯，发送、接收不能同时进行，称半双工通讯。在单向通讯时，RS-422和RS-485是没有区别的。
既然RS-422和RS-485有这如此优秀的特性，为什么没有完全取代RS-232呢？我们知道，所有计算机标准配置都没有RS-422和RS-485接口，大部分计算机却配置有RS-232接口，在设备调试时检测RS-232很方便，要检测RS-422和RS-485还需要一个转换器。
RS-422和RS-485也主要用来传送报文信号，但是基于其良好的传输特性，也常用其传送脉冲和B码。
5、光纤
前面介绍的几种传输方式都是基于电缆的。近几年随着光纤通讯的普及，特别是光纤通讯稳定可靠、传输距离远、不用隔离，采用光纤通讯的设备越来越多。在电力系统中已经得到了广泛的应用。
光纤常用于传送脉冲信号、报文信号以及直流B码信号，通过光HUB可以传输网络信号；通过特殊的光收发器，也能传送模拟信号（交流B码）等。
授时信号具有两个属性，就是信号种类和传输方式。如果你需要一个授时信号，必须明确它的两个属性。
附录：IRIG-B简介
IRIG-B时间码有直流、交流之分。
直流B码：
直流B码是连续的脉冲串，每秒一帧，每帧含有100个脉冲，每个脉冲10mS。脉冲的占空比有三种：
1、 8 mS 高电平，2mS低电平，为码元逻辑“P”；
2、 5 mS 高电平，5mS低电平，为码元逻辑“1”；
3、 2 mS 高电平，8mS低电平，为码元逻辑“0”；
直流B码就是用这三种不同占空比的脉冲（码元），经特定的组合来传递时间信息的。
直流B码的100个码元分为10组，每组用“P”分隔，这样每个单元还有9个码元。
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第一组比较特殊，9个码元的第一个也是“P”，而且这个“P”的上升沿就是准时沿——秒的起始点，准时沿的准确度就是B码的精度。其余8个码元的前4位是“秒”个位的BCD(2－10进制)编码；第5位是“0”；最后3位是“秒”十位的BCD编码，因为秒是60进制的，十位数最大为5，三位BCD码足够了。
第二组的9个脉冲前4位是“分”个位的BCD编码；第5位是“0”；最后4位是“分”十位的BCD编码。
第三组的9个脉冲前4位是“时”个位的BCD编码；第5位“0”；最后4位是“时”十位的BCD编码。
第四组的9个脉冲前4位是“日”个位的BCD编码；第5位是“0”；最后4位是“日”十位的BCD编码。
第五组的9个脉冲前2位是“日”百位的BCD编码；其余都是“0”。
注意：B码表示日期的方式不是用月和日，而是用累计日，也就是从一月一日起到现在的累计天数。
第六、七、八组为自定义组，允许用户搭载其它信息，例如年、闰年、夏时制、星期等。由于不同厂家搭载的内容不统一，容易造成混乱，为此，国际电工委员会颁布了一个标准——IEEE Std C37.118-2005，明确规定了自定义组各码元的含义。
第九、十组为二进制（BIN）的累计秒，表示从0点起到现在时刻的累计秒数。
B码将10组码元按功能分为三个码组：前5组为时间码组（BCD）;后两组为累计秒SBS码组（BIN）;中间三组为CF码组。
常用B码包含三个码组，直流B码称000格式，交流B码称120格式。
交流B码：
交流B码实际上是直流B码的调制信号，载波为1KHz的正弦波。
直流B码的“82”对应交流B码是一段8个周期较高幅值；2个周期较低幅值的正弦波形；
直流B码的“55”对应交流B码是一段5个周期较高幅值；5个周期较低幅值的正弦波形；
直流B码的“28”对应交流B码是一段2个周期较高幅值；8个周期较低幅值的正弦波形。
其中较高幅值为10Vpp；其中较低幅值为3.3Vpp；即幅值比为3：1（也有其它比值的）。
交流B码的秒起始点是第一单元中第二段波形的起始点。
由于交流B码是模拟信号，它的秒的起始点不是脉冲的沿，而是正弦波的过零点。接收设备要将秒的起始点解析出来，就不像解析脉冲那样来得直接，所以，交流B码的精度不如直流B码高。
参考文献：《华东电网时间同步系统技术规范》
《电力系统时间同步系统技术规范》
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