面向地铁综合监控系统的时间同步技术

（南京南瑞集团公司,210003,南京∥第一作者,高级工程师）

面向地铁综合监控系统的时间同步技术

左振鲁林晓伟

（南京南瑞集团公司,210003,南京∥第一作者,高级工程师）

从地铁综合监控系统对时功能的应用需求出发,详细阐述了综合监控系统的对时方法。以重庆轨道交通3号线综合监控系统为例,利用本文所述的对时方法实现了综合监控系统控制中心层级、车站层级和现场设备层级的时间同步,并对地铁电力监控系统事件顺序记录的分辨率进行了分析。给出了综合监控系统典型的时间同步方案,为在建或新建综合监控系统的时间同步功能提供了参考标准。

综合监控系统;时间同步;电力监控系统;事件顺序记录分辨率

First-author’saddress NARI Technology Development Co.,Ltd.,210003,Nanjing,China

基于网络的时间同步技术是地铁综合监控系统的支撑技术之一。为确保综合监控系统（ISCS）的安全稳定运行,对时间同步精度提出了高要求。各类综合监控子系统的稳定工作和作用发挥更离不开统一精确的时间基准。目前,普遍采用全球定位系统（GPS）或者北斗卫星导航系统作为基准时间,在地铁控制中心构建全站统一的通信时钟源装置,为地铁设备提供统一对时信号。ISCS通过和通信时钟源的串行接口获取标准的时钟信号,从而在ISCS内部构建起统一的地铁综合监控时间同步系统［1］。

为确保ISCS统一的对时精度,开展了时间同步监测技术的研究工作,实现了覆盖控制中心和各座车站的时间同步闭环管理,为综合监控设备时间同步精度提供了技术手段和工作平台［1］。

本文阐述了基于控制中心层、车站层和现场设备层等3层架构的时间同步监测分析系统,网络时间同步主要通过 NTP（网络时间协议）方式实现。目前,综合监控网络一般使用交换式以太网消除碰撞,提高实时性。NTP技术的优点是不需要交换机中有特殊硬件支持,成本低,同步精度一般能保证毫秒级。

1 ISCS对时方法

在地铁ISCS的建设中一般不包含通信时钟源。该时钟源由通信专业提供,因此ISCS的对时需要分为两个阶段：首先,ISCS利用通信接口从通信系统时钟源获取标准时间,然后ISCS内部利用NTP协议实现全系统时间同步。

1.1 对时接口设计

清晰地划分ISCS和通信系统的职责分界面是对时方案顺利实施的保证。接口分界面如图1所示。

ISCS与时钟系统的接口位置在中央通信设备室时钟配线架外侧,ISCS控制中心通信前置机通过2路RS 422串行接口电缆连接至控制中心通信时钟源。该钟源是由通信专业提供的一级母钟。ISCS和通信时钟源采用基于RS 422的串行通信协议实现对时功能,报文格式如表1所示。当ISCS和通信时钟源建立链接后,时钟源每隔1 000 ms向ISCS发送一次对时报文。对时报文共21个字符,数据串如表1中第三列所示。

图1 综合监控系统和通信系统对时接口分界设计图

表1 综合监控系统和通信时钟源串行对时报文格式

1.2 ISCS内部的 NTP对时方法

根据图 1,ISCS中央级前置机从通信时钟源获取标准时间信号,该时间既成为ISCS内部时钟源,然后再利用 NTP协议实现内部设备的时间同步。通过因特网调整时间分配,使用的是可返回时间设计方案,通过本地路由选择算法和时间后台程序,可以重新分配标准时间。其目的是以网络的方式传递统一、标准的时间。NTP协议是SIO（国际标准化组织）参考模型的高层协议,符合UDP（用户数据报协议）传输协议格式,拥有专用端口号123。

在NTP对时网络中,根据设备所在的层次结构,在理论上可以将对时网络划分为15个级别,按照时钟源的远近将所有服务器归入不同层（Stratum）中。Stratum-1在顶层,有外部时钟源接入;而Stratum-2则从Stratum-1获取时间, Stratum-3从Stratum-2获取时间,以此类推。但Stratum 层的总数限制在15层以内［2］。所有这些服务器在逻辑上形成阶梯式的架构相互连接,如图2所示。ISCS内部采用NTP协议对时的原理如图3所示。

内部时钟源和接收方的通信处理有一定的延迟,并且RS 422串行口的传输时间也是不容忽略的,因此如何确定传输延时就显得非常重要。确定了合理的传输延时,接收方就知道了自己和时钟源的偏差,从而更新自身时钟,完成对时工作。

因此,假设在某一时刻,时钟源取得标准时间为T1;时钟源进行通信报文打包处理的延迟为ΔT1;时钟源在报文的第一个 Bit将报文发送给接收方,报文经过传输时间ΔTc后,接收方收到全部报文,接收方对该报文的解包处理时间为ΔT2。接收方将T1作为当前最新时间修改本地时钟。很显然,这个时间是不精确的,因为接收方修改本地时钟的那一时刻,标准时间应该是 T1+ΔT1+ΔTc+ ΔT2。因此,如果时钟源在T1时刻,将T1+ΔT1+ ΔTc+ΔT2作为标准时间发送至接收方,则对时的精度就要高很多。

图2 NTP对时网络层次结构图

图3 综合监控系统内部对时原理图

如图3所示,为获得准确的对时结果,必须要确定 ΔT1,ΔTc,ΔT2。通常的粗略的做法是估算,但是这种方法并不精确。除了ΔTc可根据波特率计算（通常也有误差,因为实际波特率由于晶体分频不能整除的原因,误差可能达到1% 以上）,ΔT1, ΔT2都只能粗略估算,精度不是很高。

一个相对比较精确的确定ΔT1+ΔTc+ΔT2的方法是通过测延迟报文来实现。测延迟报文通常只在初始化时和通信链接中断又恢复时进行。具体的做法是：时钟源以发出“延时采集命令”报文作为该过程的启动,并在T1时刻读取当地时间T1;在 T1+ΔT1+ΔTc+ΔT2时刻,接收方收到该报文,同时发送确认报文,确认报文的长度必须与收到的时钟同步报文相同。假设打包和解包的时间相同,这样又经过ΔT1+ΔTc+ΔT2的时间,在T4时刻,时钟源收到确认报文,并将此时刻记录下来（如图3所示）。从上面的分析可以得到下式：

因此,对时延迟时间为：

这样,时钟源在以后的时钟同步的过程中,就可以对时钟进行修正,在T1时刻,发送时标 T1+Tdelay,被同步的计算机就可以获得比较精确的时间。

以太网是对等网络,虽然交换式以太网解决了碰撞问题,但 传 输 的 延 迟 时 间 Tdelay仍 然 不 是 固 定的,存在一定的偏差。但是,在地铁ISCS中,由于时钟源和被校时的设备双方位于同一局域网内,不存在复杂的路由,传输的延迟时间 Tdelay仅和网络负载有关,ISCS的网络负载通常在1%以下,因此,波动范围很小,若每次对时都采用“测延迟—时钟同步”两步操作,同样可以获得较高的对时精度。

在ISCS内部利用NTP协议对时可采用C/S（客户端/服务端）模式,分别设计客户端对时软件和服务端对时软件。对客户方而言,产生NTP查询信息包发送给服务端,并能对服务端返回的时间信息包进行检查、分析,并生成NTP时间与本地时间的差值,进而对本地时间进行调整实现同步;对服务端而言,接收NTP查询数据包,按NTP协议规范,从本地时间产生 NTP信息数据包并发回给查询方［3］。客户端和服务端对时软件设计方法分别如图4和图5所示。

2 ISCS对时案例

根据上文所介绍的对时方法,以重庆轨道交通3号线ISCS为案例,介绍该对时方法在ISCS中的应用。

重庆轨道交通3号线ISCS运行管理形成了以“两级管理、三级控制”为主的运营模式,其中“两级管理”是指中央级综合监控系统（CISCS）管理层级和车站级综合监控系统（SISCS）管理层级;“三级控制”是指中央级综合监控系统控制层级、车站级综合监控系统控制层级和综合监控系统现场设备控制层级。

图4 客户端对时软件设计方法

图5 服务端对时软件设计方法

CISCS、SISCS和综合监控现场设备共同构成了ISCS的三层结构体系。其整体的对时方案如图6所示。

图6 综合监控系统的整体对时方案原理框图

在图6中,中央级通信前置机（CISCS FEP）获得通信时钟源提供的精确时钟以后,形成ISCS内部时钟源;再通过100 M以太网对中央级的各服务器和工作站进行对时,并且经过ISCS通信骨干网与车站的各服务器、工作站和车站级ISCS通信前置机（SISCS FEP）、电力监控系统前置机（PSCADA FEP）进行对时。SISCS FEP再通过10/100 M 以太网与火灾报警系统（FAS）、环境监控系统（BAS）、屏蔽门系统（PSD）及防淹门系统（FG）等子系统对时。PSCADA FEP通过自身的通信网络与现场的保护测控设备进行对时。

2.1 中央级、车站级ISCS对时流程

中央级ISCS包括 CISCS FEP、中央级实时服务器、中央级历史服务器、中央级历史服务器磁盘阵列、工 作 站 等。车 站 级 ISCS 包 括 SISCS FEP、PSCADA FEP、车站级 实时服务器、工作站等。ISCS中央级和车站级系统对时间精度的要求为秒级,授时精度需达到1 s。

在图6中,中央级和车站级ISCS的对时采用C/S模式,包括以下几个方面：

（1）中央通信时钟源与 CISCS FEP的串行口对时;

（2）CISCS FEP与中央级实时服务器、中央级历史服务器、工作站的对时;

（3）CISCS FEP与车站 FEP、车站级服务器、工作站对时。

控制中心的CISCS FEP获取时钟源提供的准确时钟信息后,将作为整个控制中心ISCS局域网的内部时钟源（NTP服务器）,控制中心实时服务器、历史服务器、工作站作为 NTP客户机向CISCS FEP获取时钟信息。CISCS FEP也将作为整个车站级ISCS局域网的 NTP 时钟源,车站的 SISCS FEP、PSCADA FEP、车站级ISCS实时服务器、车站级ISCS工作站的设备均作为 NTP客户机向CISCS FEP获取时钟信息。

2.2 ISCS现场级设备对时

2.2.1 现场级设备的对时方法

车站SISCS FEP、PSCADA FEP与现场级设备的连接有可能采用如下两种方式。

（1）采用以太网连接：若SISCS FEP、PSCADA FEP与现场设备采用以太网方式连接,则 SISCS FEP、PSCADA FEP将作为ISCS现场级局域网的NTP时钟源,现场级的PSCADA 测控保护装置、BASPLC、FAS控制器、ACS控制器、FG 控制器、PSD控制器等设备均作为 NTP客户端,从SISCS FEP、PSCADA FEP获取时钟信息。

（2）采用串 口连接：若 SISCS FEP、PSCADA FEP与现场设备采用点对点串行口连接,则采用上文描述的通信时钟源和CISCS FEP对时方法实现对时功能。

车站SISCSFEP、PSCADA FEP与现场级设备的对时过程与上文介绍的CISCSFEP的对时过程基本相同,但也有区别：中央通信时钟源与 CISCS FEP的串行口连接采用 C/S模式,属于单个点对点连接;而车站SISCS FEP、PSCADA FEP与现场级设备的串行口连接采用广播模式,属于一点对多点的总线型网络（单主多从）。因此,在对时的实现方法上也略有区别。具体表现在：必须对每个现场设备分别测定延迟,因为不同设备的ΔT2可能不尽相同。若不同设备的ΔT2相差很小,也就 是 总 的 延 迟 相 差 很 小,时 钟 源 （SISCS FEP、PSCADA FEP）就可以取其平均值,然后向各设备广播;若延迟相差较大,采用广播对时的方法精度就会稍低,只能由时钟源给各设备逐个点对点校时（即采用C/S模式）。

2.2.2 PSCADA 现场设备SOE 分辨率的分析

在地铁ISCS中,PSCADA 系统利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计,对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调,是一种综合性自动化系统［4］。由于 PSCADA 系统直接关系到列车的牵引供电,PSCADA系统的故障和报警信息对牵引供电事故的追忆和分析都是非常有效的,因此,在PSCADA系统中对故障和报警信息的时间精度要求需要达到毫秒级别（即PSCADA SOE的分辨率要达到毫秒级别）。

SOE又称为事件顺序记录,记录故障发生的时间和事件的类型,比如某开关××时××分××秒××毫秒发生什么类型的故障等。对于SOE来说,为了精确分辨出各个重要信号的先后,SOE记录必须达到10 ms甚至更小的分辨率,这是以前总结下来的经验。在地铁运营过程中,一旦地铁列车在运行过程中发生牵引供电故障导致列车停运,需要通过PSCADA 平台来查找事故原因。但PSCADA系统的工艺过程复杂、实时性高,一般的报警记录及历史趋势已无法用来做出准确的事故分析。SOE成为PSCADA 系统的必需功能,且分辨率一般要求达到10 ms。

由图6可以知道：各车站的PSCADA 系统现场设备只经过三级对时环节就可获取同一个来自控制中心通信时钟源提供的时钟信息,这三个对时环节分别是：控制中心通信时钟源到 CISCS FEP; CISCS FEP 到 PSCADA FEP;PSCADA FEP到PSCADA现场保护测控设备。

假设整条地铁线路具有50个站点的规模,站点之间的最大距离假设为10 km,由于对时报文长度很短,因此其在ISCS通信骨干网的传输延迟完全可以忽略。这样,站间SOE分辨率的高低取决于控制中心通信一级母钟、CISCS FEP和车站PSCADA FEP,以及PSCADA FEP和各现场保护测控设备对时的精度。根据上述对时策略,每级对时的精度可以控制在1～3 ms以内（串口对时精度,约≤1 ms,以太网约为1.5～3.0 ms）,平均值取2 ms。这样,站内的最大累计误差约为4 ms,从而站间（控制中心通信一级母钟到PSCADA 保护测控设备）的最大可能累计误差约为6 ms。由于PSCADA测控保护单元本身的SOE分辨率小于1 ms,因此,站间的SOE分辨率约为8 ms,满足站间SOE分辨率＜10 ms的要求。

3 结语

本文分析了地铁ISCS时间同步的重要性、时钟同步系统的组成、原理和方法。以重庆轨道交通3号线ISCS为例,利用本文介绍的方法实现了控制中心、车站、现场级设备的时间同步。同时,针对地铁PSCADA系统对报警和事件信息记录的时间分辨率要求较为严格这一情况,对PSCADA 系统的SOE分辨率精度进行了分析,证明了目前的方案可以保证PSCADA对SOE分辨率精度的要求。

目前该方案已应用于全国多条已开通运营的地铁ISCS中,有效解决了地铁ISCS的对时问题。同时,该方案也为在建线路或规划线路的地铁ISCS时间同步功能提供了典型配置方案。

［1］ 雷霆,黄太贵,李斌,等.时间同步监测分析系统的开发与应用［J］.电力系统自动,2010,34（24）：65.

［2］ 杨锦涛.电力系统环境下的网络时间同步系统的研究与实现集［D］.长沙：湖南大学电气与信息工程学院,2011.

［3］ 赵科佳,张爱敏,宁大愚.基于 NTP协议的网络时间服务系统的实现［J］.电子测试,2008（7）：15.

［4］ 张杰.电力监控系 统 （PSCADA）在 地铁 中的 应用［J］.科 技信息,2012,（12）：250.

［5］ 蔡春雷,刘启,胡明明,等.城市轨道交通综合监控系统中时间表控制功能的应用［J］.城市轨道交通研究,2012,（9）：128.

Time Synchronization Technology for Metro Integrated Supervisory Control System

Zuo Zhenlu,Lin Xiaowei

Demands for time synchronization function of metro integrated supervisory control system （ISCS）and the detailed time synchronization method of ISCS are elaborated.In this research,Chongqing rail transit Line 3 is taken as an example,which has realized time synchronization on ISCS control center level,station level and equipment level respectively.At the same time,the sequence of event（SOE）resolution of power supervisory control and data acquisition（PSCADA）is analyzed,the typical time synchronization schemes of ISCS are obtained,which will provide important construction standards for the building of and newly built ISCS time synchronization functions.

ISCS;time synchronization;PSCADA;SOE resolution

U 29-39

2012-11-18）