京準(zhǔn)電鐘 | 基于衛(wèi)星的時間同步系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用
京準(zhǔn)電鐘 | 基于衛(wèi)星的時間同步系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

京準(zhǔn)電子科技官微——ahjzsz

摘要：目前，火力發(fā)電廠自動化控制水平越來越高，而時鐘的統(tǒng)一、高精度的時間同步可保證自動化控制系統(tǒng)的安全性和精準(zhǔn)性。某電力單位采用基于天文時鐘基站的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主時鐘系統(tǒng)、擴展箱、對時精度監(jiān)視系統(tǒng)等設(shè)備組成。時間統(tǒng)一系統(tǒng)只設(shè)立一套主時鐘，通過多個擴展箱實現(xiàn)全廠自動化設(shè)備的時間統(tǒng)一，不僅為整個二次系統(tǒng)提供1個高精度、高可靠性的時鐘基準(zhǔn)，還使得二次設(shè)備可靠性大幅提高，同時為電廠帶來良好的經(jīng)濟效益。

引言

近幾年，火力發(fā)電行業(yè)自動化控制水平在不斷提高，其中自動化設(shè)備、保護及安全自動裝置起著重要的作用。如何提高這些設(shè)備安全、穩(wěn)定運行的能力，對電力企業(yè)的安全發(fā)展起著重要作用。發(fā)電廠的安全自動裝置及分散控制系統(tǒng)、故障信息采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)動系統(tǒng)等自動化設(shè)備所采集、計算和傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)時刻在變化，如果沒有時間的統(tǒng)一和高精度的授時，就無法保證自動化控制系統(tǒng)中信息的準(zhǔn)確性。某發(fā)電公司采用基于天文時鐘基站的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，實現(xiàn)了全廠時間的統(tǒng)一，既提升了自動化控制水平，又強化了各自動化設(shè)備安全運行的管控能力。本文即對該公司的時間統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用情況進行介紹。

1、天文時鐘基站設(shè)計背景

該公司裝機容量為8×600MW，分為4個單元，每個單元2臺機組，并有500kV升壓站的1、2號網(wǎng)控樓和220kV變電站網(wǎng)控樓。廠站內(nèi)自動化設(shè)備、安全自動裝置采用國內(nèi)外不同廠家的設(shè)備，但時鐘系統(tǒng)各異，500kV變電站1號網(wǎng)控樓電子間的對時系統(tǒng)采用某型號標(biāo)準(zhǔn)時間同步鐘，2號網(wǎng)控樓和220kV變電站網(wǎng)控樓電子間的對時系統(tǒng)采用某品牌系統(tǒng)，各機組依靠該時鐘系統(tǒng)。由于廠站內(nèi)對時系統(tǒng)由多個系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)的對時不統(tǒng)一，造成各設(shè)備之間的時間無法統(tǒng)一，不能滿足各自動化設(shè)備安全運行管理能力的要求以及事故分析處理的需要。因此，需要采用高度精確的同步時鐘系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一全廠的對時系統(tǒng)。

京準(zhǔn)衛(wèi)星時鐘服務(wù)器主機

2、時間統(tǒng)一系統(tǒng)的組成

基于天文時鐘基站的時間統(tǒng)一系統(tǒng)由主時鐘系統(tǒng)、擴展箱、對時精度監(jiān)視系統(tǒng)等設(shè)備組成。該系統(tǒng)的主時鐘系統(tǒng)安裝在1號網(wǎng)控樓電子間，全廠所有設(shè)備的對時脈沖均由該主時鐘發(fā)出，通過光纖分別傳輸給1—4單元組電子間、2號網(wǎng)控樓電子間及220kV變電站網(wǎng)控樓電子間的擴展箱，然后通過各擴展箱為區(qū)域內(nèi)設(shè)備對時，從而實現(xiàn)全廠時間的統(tǒng)一。

2.1 主時鐘系統(tǒng)

天文主時鐘系統(tǒng)采用雙時鐘主備冗余配置方式接收2種衛(wèi)星對時：一種是GPS衛(wèi)星對時，它由漂亮國國防部研制、設(shè)計，采用高準(zhǔn)確度的時間傳遞接收機，運用衛(wèi)星跟蹤算法給出精度更高的實時時間，時間同步精度1μs；另一種是北斗衛(wèi)星對時，它由我國自主研發(fā)，不受他國的控制和限制，其可用性、可依賴性和安全性更有保障，它同時跟蹤3顆北斗衛(wèi)星，具有高精度的授時性能及完備的自主監(jiān)測功能，時間同步精度優(yōu)于1μs。兩種對時方式通過冗余切換箱完成雙時鐘信號的冗余切換輸出，并將信號傳至各擴展箱。

2.2 擴展箱

1—4單元電子間、1號和2號網(wǎng)控樓電子間、 220kV電子間的二次設(shè)備所需時鐘信號均從對應(yīng)的擴展箱直接輸出，主時鐘系統(tǒng)與各擴展箱的時鐘信號傳遞通過光纖通信方式完成。各擴展箱通過板件可以輸出NTP、PTP、1PPS、1PPM、1PPH、RS232、RS485、 IRIG-B、DCF77等多種對時方式，然后根據(jù)各繼電保護裝置的需要分別送出。

2.3 時鐘精度監(jiān)視系統(tǒng)

時鐘精度監(jiān)視系統(tǒng)包含HR-901GB時鐘同步實時監(jiān)測系統(tǒng)、電力專用縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、通信及數(shù)據(jù)處理裝置等設(shè)備。

2.3.1 時鐘同步實時監(jiān)測系統(tǒng)

時鐘同步實時監(jiān)測系統(tǒng)適用于 時鐘狀態(tài)監(jiān)測，時鐘時間精度監(jiān)測及保護、測控、故 障錄波、PMU、監(jiān)控系統(tǒng)等被授時設(shè)備接收時間的監(jiān)測。通過該設(shè)備的實時監(jiān)測功能，實現(xiàn)了對廠站 端時鐘系統(tǒng)的監(jiān)測與管理，如時鐘數(shù)據(jù)采集和處理、狀態(tài)監(jiān)測、時間精度及延遲檢測、對比考核、告 警處理等功能。

2.3.2 電力專用縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

電力專用縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)用于安全區(qū)Ⅰ/Ⅱ的廣域網(wǎng)邊界防護，其主要作用：

一是為本地安全區(qū)Ⅰ/Ⅱ提供1個網(wǎng)絡(luò)屏障，類似包過濾防火墻的功能；

二是為網(wǎng)關(guān)機之間的廣域網(wǎng)通信 提供認(rèn)證與加密功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性、完 整性、不可抵賴性。電力專用縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用軟件、硬件相結(jié)合的安全措施，在硬件上使用數(shù)字加密卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密和解密及簽名和認(rèn)證；在軟件上，采用綜合過濾、訪問控制、動態(tài)密鑰協(xié)商、非對稱加密等技術(shù)實現(xiàn)電力專用加密隧道功能，消除了調(diào)度自動化系統(tǒng)與當(dāng)?shù)毓芾硇畔⑾到y(tǒng) （MIS）或因特網(wǎng)之間直接互聯(lián)（或無縫連接）對電網(wǎng)安全運行構(gòu)成的隱患。

2.3.3 通信及數(shù)據(jù)處理裝置

前置機的SOE變位信息需上傳至TMU裝置，進而判斷時鐘的準(zhǔn)確性。但早期生產(chǎn)的測控裝置的信號無法接入TMU裝置，所以需經(jīng)過1個可以融合新老信號的裝置，即通信及 數(shù)據(jù)處理裝置。通信及數(shù)據(jù)處理裝置中強大的數(shù)據(jù)處理能力、靈活的通信配置、細(xì)致的信息提示以及多樣的監(jiān)測手段，使它能夠快速、準(zhǔn)確、便捷地實現(xiàn)不同設(shè)備之間的通信。它還具有友好的設(shè)置界面，可針對不同工程進行靈活設(shè)置，滿足不同需要；還具有監(jiān)視界面功能，可實時監(jiān)視系統(tǒng)運行。通過裝置上的液晶顯示裝置可以查看設(shè)備的運行信息與狀態(tài)。

3、時間統(tǒng)一系統(tǒng)設(shè)計原理

時間統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)備整體配置結(jié)構(gòu)見下圖：

3.1全廠站對時統(tǒng)一原理

通過雙時鐘冗余切換箱， 將2種時鐘信號切換后的時鐘脈沖通過光纖傳至各電子間內(nèi)的擴展箱，再通過各擴展箱分別為所屬的保護裝置對時，從而實現(xiàn)全廠繼電保護裝置的時鐘統(tǒng)一。

3.2 對時精度監(jiān)測原理

廠站時鐘設(shè)備與被授時設(shè)備之間的授時和接收過程的正確與否，可采用時鐘系統(tǒng)內(nèi)部的節(jié)點脈沖以正點變位方式輸出信號來判別。自動化設(shè)備基本上均具備遙信位輸入功能，將脈沖信號接至被授時設(shè)備的遙信位上，促使其產(chǎn)生SOE變位時間，SOE變位時間記錄通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議由自動化設(shè)備輸出至?xí)r鐘監(jiān)測裝置，然后通過時標(biāo)比較測出SOE報文傳送的變位時間與時鐘系統(tǒng)設(shè)定的節(jié)點脈沖變位時刻之間的時間差，即可監(jiān)測到授時設(shè)備與被授時設(shè)備 的時間傳遞狀況。監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)上報中心站并按接收序列存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，供時鐘監(jiān)測系統(tǒng)處理。

3.3 華北網(wǎng)調(diào)主站與各場站

子站的數(shù)據(jù)上傳原理子站涉網(wǎng)設(shè)備的SOE變位信息從子站TMU裝置發(fā)出， 通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至國家電網(wǎng)公司華北分部主站TMU裝置，主站TMU裝置通過對比各子站上傳的信息來判斷子站的時鐘是否正常運行。

數(shù)據(jù)網(wǎng)光纖通道的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

3.4 雙機冗余系統(tǒng)切換原理

現(xiàn)大多數(shù)對時系統(tǒng)采用單臺的GPS同步時鐘，雖然設(shè)備精良、對時準(zhǔn)確度高，但是由單臺GPS對時裝置構(gòu)成的對時系統(tǒng)可靠性不高，一旦出現(xiàn)故障， 將導(dǎo)致所有授時設(shè)備失去時鐘同步。本次設(shè)計方案中，采用的時鐘統(tǒng)一系統(tǒng)由北斗對時系統(tǒng)和GPS對時系統(tǒng)構(gòu)成，雙機同步運行，經(jīng)GPS/ BD雙機冗余系統(tǒng)切換后輸出高精度的授時信號，大大提升了時鐘系統(tǒng)運行的可靠性。

主機A、B雙機同時接收GPS時鐘和北斗衛(wèi)星時鐘送來的信號，機內(nèi)所帶單片機對其串行數(shù)據(jù)進行接收檢查，通過對比選擇1臺較好的 時鐘信號經(jīng)數(shù)據(jù)選擇電路輸出。通常切換器后面 板上以GPS輸入1為主、GPS輸入2為次。本系統(tǒng)中 GPS時鐘信號接入切換器的GPS1輸入，北斗時鐘信 號接入切換器的GPS2輸入。

（1）當(dāng)GPS、北斗對時時鐘及切換器A、B均正 常工作時，系統(tǒng)選擇GPS對時時鐘通過切換器A機 輸出。

（2）當(dāng)GPS、北斗衛(wèi)星對時時鐘其中1臺異常， 切換器A、B均正常工作時，系統(tǒng)自動選擇正常工作 的那臺對時時鐘通過當(dāng)前的主切換器輸出。

（3）當(dāng)GPS、北斗衛(wèi)星對時時鐘均正常工作，切 換器A、B其中1臺異常時，系統(tǒng)自動選擇GPS對時 時鐘通過正常工作的那臺切換器輸出。

（4）當(dāng)GPS、北斗衛(wèi)星對時時鐘其中1臺異常， 切換器A、B其中1臺異常時，系統(tǒng)自動選擇正常工 作的對時時鐘通過正常工作的切換器輸出。

（5）當(dāng)切換器A、B均異常工作時，無輸出。

（6）當(dāng)GPS、北 斗 衛(wèi) 星對時時鐘均異常但有時 鐘信號輸出，切換器A、B 中有1臺正常工作時，系統(tǒng) 仍有時鐘信號輸出。

4、設(shè)備配置及對時方式選擇

4.1 設(shè)備配置

（1）原對時系統(tǒng)中已 存在的對時電纜不再重新 敷設(shè)；未安裝對時系統(tǒng)的 設(shè) 備，將 新 敷 設(shè) 對 時 電 纜。此外，從1號網(wǎng)控新增 屏柜到1—4單元電子間、2 號網(wǎng)控樓電子間、220kV 升壓站網(wǎng)控樓電子間的對時屏新敷設(shè)光纜并增加 光纖熔接盒，為遠(yuǎn)距離傳輸對時信號做準(zhǔn)備。

（2）在1號網(wǎng)控樓電子間新增1面屏柜安裝天 文時鐘基站對時系統(tǒng)，包括GPS對時時鐘、北斗衛(wèi)星 對時時鐘、擴展箱、通信控制器、TMU等。 GPS、北斗衛(wèi)星對時時鐘安裝完成后，調(diào)整天線 位置，使時鐘正確接收衛(wèi)星對時信號。2個主時鐘 收時正常后，經(jīng)過冗余切換裝置切換出1個統(tǒng)一時 鐘對外輸出，通過光纖分別送至1—4單元電子間、2 號網(wǎng)控樓電子間、220kV升壓站網(wǎng)控樓電子間新安 裝的擴展箱。檢查各擴展箱面板上顯示時鐘是否 正確，若時鐘正確，說明已完成與主時鐘的通信。

（3）新增通信控制器1臺，用于接收 測控裝置送出的時鐘變位SOE信息，并完成與TMU 裝置的通信。

（4）新增TMU裝置1臺，TMU裝置采集的所有信號（包括所有主變壓器及線路的測控裝置的對時 SOE變位信息）傳至調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，經(jīng)過縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的非實時子網(wǎng)上傳至路由器，然后上傳給華北網(wǎng)調(diào)的主站TMU。通過與華北網(wǎng)調(diào)的時鐘主站對比來判斷各電廠涉網(wǎng)設(shè)備的時鐘準(zhǔn)確性。

4.2 自動化設(shè)備的主要對時方式

該電力公司的高精度時間統(tǒng)一系統(tǒng)投入應(yīng)用后， 自動化設(shè)備采用以下幾種對時方式。

4.2.1 無源脈沖對時信號

利用硬件邏輯設(shè)計并以跳變信號沿作為時間同步原理，對時信號使用硬接點方式輸出，準(zhǔn)時刻跳變，這種對時方式只能傳遞秒、分同步信號，主要應(yīng)用于500kV升壓站線路及斷路器保護裝置、220 kV變電站線路及斷路器保護裝置、各機組電子間發(fā)變組保護裝置等。

4.2.2 IRIG-B格式對時

IRIG-B格式時間碼為國際通用時間格式碼，用于各系統(tǒng)的時間同步。其主要優(yōu)點是攜帶信息量大，分辨率高，校準(zhǔn)速度快。該對時方式主要應(yīng)用于各機組電子間由GE公司生產(chǎn)的啟動備用變壓器保護裝置、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和測控裝置等。

4.2.3 串行通信對時方式

各裝置對時信息以串口報文形式接入，包括年月日時分秒信息。該對時方式主要應(yīng)用于網(wǎng)控及各機組電子間前置機。

4.2.4 網(wǎng)絡(luò)對時（NTP/PTP）

各裝置的同步時鐘信號采用以太網(wǎng)通信方式 接口接入。該對時方式應(yīng)用于1—4單元分散控制 系統(tǒng)及SIS系統(tǒng)。

5、應(yīng)用效果

針對該電力公司存在的設(shè)備之間時鐘不統(tǒng)一的問題，采用基于天文時鐘基站的時間統(tǒng)一系統(tǒng)，并將其運用于生產(chǎn)現(xiàn)場，實現(xiàn)了該電力公司8臺機組及3個網(wǎng)空樓內(nèi)各自動化設(shè)備時鐘的統(tǒng)一。電力系統(tǒng)二次設(shè)備實現(xiàn)時鐘統(tǒng)一后，不僅為整個二次系統(tǒng)提供了1個高精度、高可靠性的時鐘基準(zhǔn)，還使得二次設(shè)備可靠性大幅提高，縮短了維護時間，提高了電力系統(tǒng)安全管理水平。

另外，在機組發(fā)生故障時， 可以快速分析故障原因，大大減輕了運行人員的勞動強度，增加了電廠及電網(wǎng)的經(jīng)濟效益和社會效益。

審核編輯 黃宇