京準電鐘 | 基于衛星的時間同步系統設計與應用

京準電鐘 | 基于衛星的時間同步系統設計與應用

摘要：目前，火力發電廠自動化控制水平越來越高，而時鐘的統一、高精度的時間同步可保證自動化控制系統的安全性和精準性。某電力單位采用基于天文時鐘基站的時間統一系統，該系統由主時鐘系統、擴展箱、對時精度監視系統等設備組成。時間統一系統只設立一套主時鐘，通過多個擴展箱實現全廠自動化設備的時間統一，不僅為整個二次系統提供1個高精度、高可靠性的時鐘基準，還使得二次設備可靠性大幅提高，同時為電廠帶來良好的經濟效益。

引言

近幾年，火力發電行業自動化控制水平在不斷提高，其中自動化設備、保護及安全自動裝置起著重要的作用。如何提高這些設備安全、穩定運行的能力，對電力企業的安全發展起著重要作用。發電廠的安全自動裝置及分散控制系統、故障信息采集系統、遠動系統等自動化設備所采集、計算和傳輸的各種數據時刻在變化，如果沒有時間的統一和高精度的授時，就無法保證自動化控制系統中信息的準確性。某發電公司采用基于天文時鐘基站的時間統一系統，實現了全廠時間的統一，既提升了自動化控制水平，又強化了各自動化設備安全運行的管控能力。本文即對該公司的時間統一系統的設計及應用情況進行介紹。

1、天文時鐘基站設計背景

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號網控樓和220kV變電站網控樓。廠站內自動化設備、安全自動裝置采用國內外不同廠家的設備，但時鐘系統各異，500kV變電站1號網控樓電子間的對時系統采用某型號標準時間同步鐘，2號網控樓和220kV變電站網控樓電子間的對時系統采用某品牌系統，各機組依靠該時鐘系統。由于廠站內對時系統由多個系統組成，每個系統的對時不統一，造成各設備之間的時間無法統一，不能滿足各自動化設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作為基礎，以統一全廠的對時系統。

2、時間統一系統的組成

基于天文時鐘基站的時間統一系統由主時鐘系統、擴展箱、對時精度監視系統等設備組成。該系統的主時鐘系統安裝在1號網控樓電子間，全廠所有設備的對時脈沖均由該主時鐘發出，通過光纖分別傳輸給1—4單元組電子間、2號網控樓電子間及220kV變電站網控樓電子間的擴展箱，然后通過各擴展箱為區域內設備對時，從而實現全廠時間的統一。

2.1 主時鐘系統

天文主時鐘系統采用雙時鐘主備冗余配置方式接收2種衛星對時：一種是GPS衛星對時，它由漂亮國國防部研制、設計，采用高準確度的時間傳遞接收機，運用衛星跟蹤算法給出精度更高的實時時間，時間同步精度1μs；另一種是北斗衛星對時，它由我國自主研發，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顆北斗衛星，具有高精度的授時性能及完備的自主監測功能，時間同步精度優于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號網控樓電子間、 220kV電子間的二次設備所需時鐘信號均從對應的擴展箱直接輸出，主時鐘系統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，然后根據各繼電保護裝置的需要分別送出。

2.3 時鐘精度監視系統

時鐘精度監視系統包含HR-901GB時鐘同步實時監測系統、電力專用縱向加密認證網關系統、通信及數據處理裝置等設備。

2.3.1 時鐘同步實時監測系統

時鐘同步實時監測系統適用于 時鐘狀態監測，時鐘時間精度監測及保護、測控、故 障錄波、PMU、監控系統等被授時設備接收時間的監測。通過該設備的實時監測功能，實現了對廠站 端時鐘系統的監測與管理，如時鐘數據采集和處理、狀態監測、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證網關系統

電力專用縱向加密認證網關用于安全區Ⅰ/Ⅱ的廣域網邊界防護，其主要作用：

一是為本地安全區Ⅰ/Ⅱ提供1個網絡屏障，類似包過濾防火墻的功能；

二是為網關機之間的廣域網通信 提供認證與加密功能，實現數據傳輸的機密性、完 整性、不可抵賴性。電力專用縱向加密認證網關系統采用軟件、硬件相結合的安全措施，在硬件上使用數字加密卡實現數據的加密和解密及簽名和認證；在軟件上，采用綜合過濾、訪問控制、動態密鑰協商、非對稱加密等技術實現電力專用加密隧道功能，消除了調度自動化系統與當地管理信息系統 （MIS）或因特網之間直接互聯（或無縫連接）對電網安全運行構成的隱患。

2.3.3 通信及數據處理裝置

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

3、時間統一系統設計原理

時間統一系統的設備整體配置結構見下圖：

3.1全廠站對時統一原理

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，從而實現全廠繼電保護裝置的時鐘統一。

3.2 對時精度監測原理

廠站時鐘設備與被授時設備之間的授時和接收過程的正確與否，可采用時鐘系統內部的節點脈沖以正點變位方式輸出信號來判別。自動化設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備的遙信位上，促使其產生SOE變位時間，SOE變位時間記錄通過標準協議由自動化設備輸出至時鐘監測裝置，然后通過時標比較測出SOE報文傳送的變位時間與時鐘系統設定的節點脈沖變位時刻之間的時間差，即可監測到授時設備與被授時設備 的時間傳遞狀況。監測記錄數據上報中心站并按接收序列存入相應的數據庫內，供時鐘監測系統處理。

3.3 華北網調主站與各場站

子站的數據上傳原理子站涉網設備的SOE變位信息從子站TMU裝置發出， 通過調度數據網上傳至國家電網公司華北分部主站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。

數據網光纖通道的網絡結構如下圖所示。

3.4 雙機冗余系統切換原理

現大多數對時系統采用單臺的GPS同步時鐘，雖然設備精良、對時準確度高，但是由單臺GPS對時裝置構成的對時系統可靠性不高，一旦出現故障， 將導致所有授時設備失去時鐘同步。本次設計方案中，采用的時鐘統一系統由北斗對時系統和GPS對時系統構成，雙機同步運行，經GPS/ BD雙機冗余系統切換后輸出高精度的授時信號，大大提升了時鐘系統運行的可靠性。

主機A、B雙機同時接收GPS時鐘和北斗衛星時鐘送來的信號，機內所帶單片機對其串行數據進行接收檢查，通過對比選擇1臺較好的 時鐘信號經數據選擇電路輸出。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GPS、北斗對時時鐘及切換器A、B均正 常工作時，系統選擇GPS對時時鐘通過切換器A機 輸出。

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

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

（4）當GPS、北斗衛星對時時鐘其中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）當切換器A、B均異常工作時，無輸出。

（6）當GPS、北 斗 衛 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 仍有時鐘信號輸出。

4、設備配置及對時方式選擇

4.1 設備配置

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

（2）在1號網控樓電子間新增1面屏柜安裝天 文時鐘基站對時系統，包括GPS對時時鐘、北斗衛星 對時時鐘、擴展箱、通信控制器、TMU等。 GPS、北斗衛星對時時鐘安裝完成后，調整天線 位置，使時鐘正確接收衛星對時信號。2個主時鐘 收時正常后，經過冗余切換裝置切換出1個統一時 鐘對外輸出，通過光纖分別送至1—4單元電子間、2 號網控樓電子間、220kV升壓站網控樓電子間新安 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）傳至調度數據網，經過縱向加密認證網關系統的非實時子網上傳至路由器，然后上傳給華北網調的主站TMU。通過與華北網調的時鐘主站對比來判斷各電廠涉網設備的時鐘準確性。

4.2 自動化設備的主要對時方式

該電力公司的高精度時間統一系統投入應用后， 自動化設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，準時刻跳變，這種對時方式只能傳遞秒、分同步信號，主要應用于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，用于各系統的時間同步。其主要優點是攜帶信息量大，分辨率高，校準速度快。該對時方式主要應用于各機組電子間由GE公司生產的啟動備用變壓器保護裝置、網絡監控系統和測控裝置等。

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。該對時方式主要應用于網控及各機組電子間前置機。

4.2.4 網絡對時（NTP/PTP）

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

5、應用效果

針對該電力公司存在的設備之間時鐘不統一的問題，采用基于天文時鐘基站的時間統一系統，并將其運用于生產現場，實現了該電力公司8臺機組及3個網空樓內各自動化設備時鐘的統一。電力系統二次設備實現時鐘統一后，不僅為整個二次系統提供了1個高精度、高可靠性的時鐘基準，還使得二次設備可靠性大幅提高，縮短了維護時間，提高了電力系統安全管理水平。

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