京準(zhǔn)電鐘 基于衛(wèi)星的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

京準(zhǔn)電鐘 | 基于衛(wèi)星的時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
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京準(zhǔn)電子科技官微——ahjzsz

摘要：目前，火力發(fā)電廠自動(dòng)化控制水平越來(lái)越高，而時(shí)鐘的統(tǒng)一、高精度的時(shí)間同步可保證自動(dòng)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(shí)鐘基站的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主時(shí)鐘系統(tǒng)、擴(kuò)展箱、對(duì)時(shí)精度監(jiān)視系統(tǒng)等設(shè)備組成。時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)只設(shè)立一套主時(shí)鐘，通過(guò)多個(gè)擴(kuò)展箱實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一，不僅為整個(gè)二次系統(tǒng)提供1個(gè)高精度、高可靠性的時(shí)鐘基準(zhǔn)，還使得二次設(shè)備可靠性大幅提高，同時(shí)為電廠帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

引言

近幾年，火力發(fā)電行業(yè)自動(dòng)化控制水平在不斷提高，其中自動(dòng)化設(shè)備、保護(hù)及安全自動(dòng)裝置起著重要的作用。如何提高這些設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的能力，對(duì)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(dòng)裝置及分散控制系統(tǒng)、故障信息采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)等自動(dòng)化設(shè)備所采集、計(jì)算和傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)時(shí)刻在變化，如果沒(méi)有時(shí)間的統(tǒng)一和高精度的授時(shí)，就無(wú)法保證自動(dòng)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(shí)鐘基站的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全廠時(shí)間的統(tǒng)一，既提升了自動(dòng)化控制水平，又強(qiáng)化了各自動(dòng)化設(shè)備安全運(yùn)行的管控能力。本文即對(duì)該公司的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1、天文時(shí)鐘基站設(shè)計(jì)背景

該公司裝機(jī)容量為8×600MW，分為4個(gè)單元，每個(gè)單元2臺(tái)機(jī)組，并有500kV升壓站的1、2號(hào)網(wǎng)控樓和220kV變電站網(wǎng)控樓。廠站內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備、安全自動(dòng)裝置采用國(guó)內(nèi)外不同廠家的設(shè)備，但時(shí)鐘系統(tǒng)各異，500kV變電站1號(hào)網(wǎng)控樓電子間的對(duì)時(shí)系統(tǒng)采用某型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步鐘，2號(hào)網(wǎng)控樓和220kV變電站網(wǎng)控樓電子間的對(duì)時(shí)系統(tǒng)采用某品牌系統(tǒng)，各機(jī)組依靠該時(shí)鐘系統(tǒng)。由于廠站內(nèi)對(duì)時(shí)系統(tǒng)由多個(gè)系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)的對(duì)時(shí)不統(tǒng)一，造成各設(shè)備之間的時(shí)間無(wú)法統(tǒng)一，不能滿足各自動(dòng)化設(shè)備安全運(yùn)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(shí)鐘系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，以統(tǒng)一全廠的對(duì)時(shí)系統(tǒng)。

京準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)鐘服務(wù)器主機(jī)

2、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的組成

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

2.1 主時(shí)鐘系統(tǒng)

天文主時(shí)鐘系統(tǒng)采用雙時(shí)鐘主備冗余配置方式接收2種衛(wèi)星對(duì)時(shí)：一種是GPS衛(wèi)星對(duì)時(shí)，它由漂亮國(guó)國(guó)防部研制、設(shè)計(jì)，采用高準(zhǔn)確度的時(shí)間傳遞接收機(jī)，運(yùn)用衛(wèi)星跟蹤算法給出精度更高的實(shí)時(shí)時(shí)間，時(shí)間同步精度1μs；另一種是北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)，它由我國(guó)自主研發(fā)，不受他國(guó)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(shí)跟蹤3顆北斗衛(wèi)星，具有高精度的授時(shí)性能及完備的自主監(jiān)測(cè)功能，時(shí)間同步精度優(yōu)于1μs。兩種對(duì)時(shí)方式通過(guò)冗余切換箱完成雙時(shí)鐘信號(hào)的冗余切換輸出，并將信號(hào)傳至各擴(kuò)展箱。

2.2 擴(kuò)展箱

1—4單元電子間、1號(hào)和2號(hào)網(wǎng)控樓電子間、 220kV電子間的二次設(shè)備所需時(shí)鐘信號(hào)均從對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展箱直接輸出，主時(shí)鐘系統(tǒng)與各擴(kuò)展箱的時(shí)鐘信號(hào)傳遞通過(guò)光纖通信方式完成。各擴(kuò)展箱通過(guò)板件可以輸出NTP、PTP、1PPS、1PPM、1PPH、RS232、RS485、 IRIG-B、DCF77等多種對(duì)時(shí)方式，然后根據(jù)各繼電保護(hù)裝置的需要分別送出。

2.3 時(shí)鐘精度監(jiān)視系統(tǒng)

時(shí)鐘精度監(jiān)視系統(tǒng)包含HR-901GB時(shí)鐘同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)鐘同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

時(shí)鐘同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于 時(shí)鐘狀態(tài)監(jiān)測(cè)，時(shí)鐘時(shí)間精度監(jiān)測(cè)及保護(hù)、測(cè)控、故 障錄波、PMU、監(jiān)控系統(tǒng)等被授時(shí)設(shè)備接收時(shí)間的監(jiān)測(cè)。通過(guò)該設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廠站 端時(shí)鐘系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與管理，如時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集和處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、時(shí)間精度及延遲檢測(cè)、對(duì)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(hù)，其主要作用：

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

二是為網(wǎng)關(guān)機(jī)之間的廣域網(wǎng)通信 提供認(rèn)證與加密功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)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(shí)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(guò)濾、訪問(wèn)控制、動(dòng)態(tài)密鑰協(xié)商、非對(duì)稱加密等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力專用加密隧道功能，消除了調(diào)度自動(dòng)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(wú)縫連接）對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成的隱患。

2.3.3 通信及數(shù)據(jù)處理裝置

前置機(jī)的SOE變位信息需上傳至TMU裝置，進(jìn)而判斷時(shí)鐘的準(zhǔn)確性。但早期生產(chǎn)的測(cè)控裝置的信號(hào)無(wú)法接入TMU裝置，所以需經(jīng)過(guò)1個(gè)可以融合新老信號(hào)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(qiáng)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(cè)手段，使它能夠快速、準(zhǔn)確、便捷地實(shí)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(duì)不同工程進(jìn)行靈活設(shè)置，滿足不同需要；還具有監(jiān)視界面功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行。通過(guò)裝置上的液晶顯示裝置可以查看設(shè)備的運(yùn)行信息與狀態(tài)。

3、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)的設(shè)備整體配置結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖：

3.1全廠站對(duì)時(shí)統(tǒng)一原理

通過(guò)雙時(shí)鐘冗余切換箱， 將2種時(shí)鐘信號(hào)切換后的時(shí)鐘脈沖通過(guò)光纖傳至各電子間內(nèi)的擴(kuò)展箱，再通過(guò)各擴(kuò)展箱分別為所屬的保護(hù)裝置對(duì)時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)全廠繼電保護(hù)裝置的時(shí)鐘統(tǒng)一。

3.2 對(duì)時(shí)精度監(jiān)測(cè)原理

廠站時(shí)鐘設(shè)備與被授時(shí)設(shè)備之間的授時(shí)和接收過(guò)程的正確與否，可采用時(shí)鐘系統(tǒng)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)脈沖以正點(diǎn)變位方式輸出信號(hào)來(lái)判別。自動(dòng)化設(shè)備基本上均具備遙信位輸入功能，將脈沖信號(hào)接至被授時(shí)設(shè)備的遙信位上，促使其產(chǎn)生SOE變位時(shí)間，SOE變位時(shí)間記錄通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議由自動(dòng)化設(shè)備輸出至?xí)r鐘監(jiān)測(cè)裝置，然后通過(guò)時(shí)標(biāo)比較測(cè)出SOE報(bào)文傳送的變位時(shí)間與時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)定的節(jié)點(diǎn)脈沖變位時(shí)刻之間的時(shí)間差，即可監(jiān)測(cè)到授時(shí)設(shè)備與被授時(shí)設(shè)備 的時(shí)間傳遞狀況。監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)上報(bào)中心站并按接收序列存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，供時(shí)鐘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處理。

3.3 華北網(wǎng)調(diào)主站與各場(chǎng)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(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部主站TMU裝置，主站TMU裝置通過(guò)對(duì)比各子站上傳的信息來(lái)判斷子站的時(shí)鐘是否正常運(yùn)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(jī)冗余系統(tǒng)切換原理

現(xiàn)大多數(shù)對(duì)時(shí)系統(tǒng)采用單臺(tái)的GPS同步時(shí)鐘，雖然設(shè)備精良、對(duì)時(shí)準(zhǔn)確度高，但是由單臺(tái)GPS對(duì)時(shí)裝置構(gòu)成的對(duì)時(shí)系統(tǒng)可靠性不高，一旦出現(xiàn)故障， 將導(dǎo)致所有授時(shí)設(shè)備失去時(shí)鐘同步。本次設(shè)計(jì)方案中，采用的時(shí)鐘統(tǒng)一系統(tǒng)由北斗對(duì)時(shí)系統(tǒng)和GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)成，雙機(jī)同步運(yùn)行，經(jīng)GPS/ BD雙機(jī)冗余系統(tǒng)切換后輸出高精度的授時(shí)信號(hào)，大大提升了時(shí)鐘系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

主機(jī)A、B雙機(jī)同時(shí)接收GPS時(shí)鐘和北斗衛(wèi)星時(shí)鐘送來(lái)的信號(hào)，機(jī)內(nèi)所帶單片機(jī)對(duì)其串行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收檢查，通過(guò)對(duì)比選擇1臺(tái)較好的 時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)接入切換器的GPS1輸入，北斗時(shí)鐘信 號(hào)接入切換器的GPS2輸入。

（1）當(dāng)GPS、北斗對(duì)時(shí)時(shí)鐘及切換器A、B均正 常工作時(shí)，系統(tǒng)選擇GPS對(duì)時(shí)時(shí)鐘通過(guò)切換器A機(jī) 輸出。

（2）當(dāng)GPS、北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)時(shí)鐘其中1臺(tái)異常， 切換器A、B均正常工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇正常工作 的那臺(tái)對(duì)時(shí)時(shí)鐘通過(guò)當(dāng)前的主切換器輸出。

（3）當(dāng)GPS、北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)時(shí)鐘均正常工作，切 換器A、B其中1臺(tái)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇GPS對(duì)時(shí) 時(shí)鐘通過(guò)正常工作的那臺(tái)切換器輸出。

（4）當(dāng)GPS、北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)時(shí)鐘其中1臺(tái)異常， 切換器A、B其中1臺(tái)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇正常工 作的對(duì)時(shí)時(shí)鐘通過(guò)正常工作的切換器輸出。

（5）當(dāng)切換器A、B均異常工作時(shí)，無(wú)輸出。

（6）當(dāng)GPS、北 斗 衛(wèi) 星對(duì)時(shí)時(shí)鐘均異常但有時(shí) 鐘信號(hào)輸出，切換器A、B 中有1臺(tái)正常工作時(shí)，系統(tǒng) 仍有時(shí)鐘信號(hào)輸出。

4、設(shè)備配置及對(duì)時(shí)方式選擇

4.1 設(shè)備配置

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

（2）在1號(hào)網(wǎng)控樓電子間新增1面屏柜安裝天 文時(shí)鐘基站對(duì)時(shí)系統(tǒng)，包括GPS對(duì)時(shí)時(shí)鐘、北斗衛(wèi)星 對(duì)時(shí)時(shí)鐘、擴(kuò)展箱、通信控制器、TMU等。 GPS、北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)時(shí)鐘安裝完成后，調(diào)整天線 位置，使時(shí)鐘正確接收衛(wèi)星對(duì)時(shí)信號(hào)。2個(gè)主時(shí)鐘 收時(shí)正常后，經(jīng)過(guò)冗余切換裝置切換出1個(gè)統(tǒng)一時(shí) 鐘對(duì)外輸出，通過(guò)光纖分別送至1—4單元電子間、2 號(hào)網(wǎng)控樓電子間、220kV升壓站網(wǎng)控樓電子間新安 裝的擴(kuò)展箱。檢查各擴(kuò)展箱面板上顯示時(shí)鐘是否 正確，若時(shí)鐘正確，說(shuō)明已完成與主時(shí)鐘的通信。

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

（4）新增TMU裝置1臺(tái)，TMU裝置采集的所有信號(hào)（包括所有主變壓器及線路的測(cè)控裝置的對(duì)時(shí) SOE變位信息）傳至調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，經(jīng)過(guò)縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)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(guò)與華北網(wǎng)調(diào)的時(shí)鐘主站對(duì)比來(lái)判斷各電廠涉網(wǎng)設(shè)備的時(shí)鐘準(zhǔn)確性。

4.2 自動(dòng)化設(shè)備的主要對(duì)時(shí)方式

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

4.2.1 無(wú)源脈沖對(duì)時(shí)信號(hào)

利用硬件邏輯設(shè)計(jì)并以跳變信號(hào)沿作為時(shí)間同步原理，對(duì)時(shí)信號(hào)使用硬接點(diǎn)方式輸出，準(zhǔn)時(shí)刻跳變，這種對(duì)時(shí)方式只能傳遞秒、分同步信號(hào)，主要應(yīng)用于500kV升壓站線路及斷路器保護(hù)裝置、220 kV變電站線路及斷路器保護(hù)裝置、各機(jī)組電子間發(fā)變組保護(hù)裝置等。

4.2.2 IRIG-B格式對(duì)時(shí)

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

4.2.3 串行通信對(duì)時(shí)方式

各裝置對(duì)時(shí)信息以串口報(bào)文形式接入，包括年月日時(shí)分秒信息。該對(duì)時(shí)方式主要應(yīng)用于網(wǎng)控及各機(jī)組電子間前置機(jī)。

4.2.4 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)（NTP/PTP）

各裝置的同步時(shí)鐘信號(hào)采用以太網(wǎng)通信方式 接口接入。該對(duì)時(shí)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(duì)該電力公司存在的設(shè)備之間時(shí)鐘不統(tǒng)一的問(wèn)題，采用基于天文時(shí)鐘基站的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)，并將其運(yùn)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了該電力公司8臺(tái)機(jī)組及3個(gè)網(wǎng)空樓內(nèi)各自動(dòng)化設(shè)備時(shí)鐘的統(tǒng)一。電力系統(tǒng)二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘統(tǒng)一后，不僅為整個(gè)二次系統(tǒng)提供了1個(gè)高精度、高可靠性的時(shí)鐘基準(zhǔn)，還使得二次設(shè)備可靠性大幅提高，縮短了維護(hù)時(shí)間，提高了電力系統(tǒng)安全管理水平。

另外，在機(jī)組發(fā)生故障時(shí)， 可以快速分析故障原因，大大減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了電廠及電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

審核編輯 黃宇