高精度同步時鐘授時系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應(yīng)用

黃 鵬，龍福海，王 濤

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

眾所周知，在當(dāng)今社會，時間所扮演的角色是多么的重要。同樣作為對時工具的同步時鐘，在電力行業(yè)這個保障民生的行業(yè)中，其對時系統(tǒng)的高精度、高智能化，在支撐電站的正常運(yùn)行中，同樣是有著舉足輕重的作用。同步時鐘，顧名思義就是具有高精度本振時鐘信號的可以對外接需要對時、守時的設(shè)備提供滿足其時鐘對時、守時精度的一套授時設(shè)備。目前主流的對時系統(tǒng)有GPS時鐘對時，北斗時鐘對時以及高精度同步時鐘對時系統(tǒng)，其中高精度同步時鐘主要有銣原子鐘、銫原子鐘。目前這些主流對時系統(tǒng)都比較成熟可靠，其對時精度也能滿足大部分客戶對精度的要求?；诤颖笔≌{(diào)度對電廠側(cè)同步時鐘穩(wěn)定可靠的要求，經(jīng)過我廠的綜合考慮，銣原子鐘作為備用時鐘，其精度、可靠性及經(jīng)濟(jì)效益能滿足相關(guān)要求，因此我廠采用以銣原子鐘為本振時鐘的同步時鐘設(shè)備，與GPS時鐘、北斗時鐘組成深度冗余配置，統(tǒng)一接入HUAWEI Optix OSN 2500系列產(chǎn)品的SDH設(shè)備時鐘輸入板卡上。

2 電站原有通信設(shè)備介紹

張河灣電廠是一座日調(diào)節(jié)型的抽水蓄能電站，以一路500 kV線路經(jīng)廉州變電站接入河北南部電網(wǎng)。張河灣-許營光傳輸電路，共設(shè)張河灣、許營2個光通信站，傳輸速率為622 Mb/s，設(shè)備采用SDH制式，線路側(cè)光接口采用1+1配置。承載省網(wǎng)SDH數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕蝿?wù)，通過2 M數(shù)字中繼線與河北省調(diào)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)二平面相通。

張河灣光傳輸設(shè)備為HUAWEI Optix OSN 2500系列產(chǎn)品，部署于副廠房7樓通信設(shè)備室SDH1號設(shè)備柜內(nèi)，主要由增強(qiáng)型子架、SL4單板、ETF8單板、D75S單板、PQ1單板、CXL4單板、SAP單板及電源和散熱模塊組成，配備雙風(fēng)扇、雙路供電以提高可靠性。

3 改造背景及可行性

張河灣Optix OSN 2500光傳輸設(shè)備目前沒有外接時鐘晶振為設(shè)備提供高精度的同步時鐘信號，其自身配備的晶振僅能在時鐘信號丟失的情況下維持48 h的時鐘保持，且精度不足，若省公司時鐘信號丟失則我公司設(shè)備將處于自由震蕩狀態(tài)，可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，給公司業(yè)務(wù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的安全隱患。因此急需增設(shè)一套外部精準(zhǔn)時鐘對時設(shè)備。

目前主流的時鐘對時方法主要有GPS時鐘對時、北斗時鐘對時及本地高精度同步時鐘授時系統(tǒng)對時方式。我廠通信設(shè)備采用的對時方式在改造前采取跟隨電力干線網(wǎng)的時鐘信號對時系統(tǒng)。但調(diào)度對于電廠間的信息通信的可靠性提出了更高的要求，當(dāng)主對時系統(tǒng)故障或中斷時，要求依然能保證調(diào)度與電廠間的正常通信，因此需增加一套為通信設(shè)備提供高精度對時、守時的本地同步時鐘系統(tǒng)。因GPS、北斗時鐘受衛(wèi)星、天線及極端惡劣天氣影響，經(jīng)綜合考慮，我廠采用的是以銣原子鐘為本振的同步時鐘來實時跟蹤河北省電力公司骨干傳輸網(wǎng)時鐘基準(zhǔn)信號，并與河北省電力公司側(cè)的時鐘精度保持一致，GPS時鐘信號作為后備時鐘的多重冗余同步時鐘授時系統(tǒng)。以期在其他時鐘信號丟失的情況下，依靠銣原子鐘的時鐘信號，與河北省電力公司保持正常的通信業(yè)務(wù)。

4 同步時鐘增設(shè)過程

光通信設(shè)備本身具備一旦外部時鐘源喪失時，利用其設(shè)備內(nèi)部時鐘維持系統(tǒng)運(yùn)行的能力。但自身配置的同步時鐘精度及可靠性不滿足長時間運(yùn)行情況下對精度偏移的要求，因此我廠SDH設(shè)備配備2個外同步時鐘輸入接口和1個外同步時鐘輸出口，各接口特性符合ITU-T建議G.703中的相關(guān)要求。其時鐘輸入來源由以下3種：

（1）2 048 kb/s或2 048 kHz同步時鐘輸入，我廠主要采用2 048 kb/s。因為河北省網(wǎng)的局內(nèi)定時分配原則為：BITS的定時輸出有2 048 kb/s和2 048 kHz兩類，以2 048 kb/s時鐘信號為首選[1]。

（2）從STM-N信號中恢復(fù)授時信號。

（3）從支路信號中提取授時信號[2]。

我廠同步時鐘改造前，時鐘信號跟隨電力干線網(wǎng)的時鐘信號占用其中1號外部同步時鐘接入接口。另一時鐘接入接口為備用接口。改造新加裝的高精度銣原子鐘自動授時系統(tǒng)利用之前剩余的備用接口接入2號外部時鐘接入接口。銣原子鐘設(shè)備采用型號為TimeProvider 1000ETSI的“泰坦時鐘”。

該時鐘采用特殊設(shè)計，將輸入、輸出、和時鐘功能集合在一個板卡上，方便將來進(jìn)行擴(kuò)容。該時鐘的子架僅需要3個模塊：兩個輸入、輸出、時鐘模塊（IOCS）和一個信息管理模塊（IMC），用來提供通信/告警接口。

TimeProvider設(shè)計采用Symmetricom公司的SmartClock技術(shù)，IOCs內(nèi)置的振蕩器性能超群，準(zhǔn)確度高。采用智能硬件算法，SmartClock在鎖定參考信號時學(xué)習(xí)時鐘老化的過程并將這些信息記憶存儲。當(dāng)參考信號失效時，SmartClock利用存儲的數(shù)據(jù)補(bǔ)償頻偏的變化確保TimeProvider輸出高度穩(wěn)定的同步定時信號。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

“泰坦時鐘”設(shè)計精度滿足省網(wǎng)對于SDH設(shè)備時鐘精度的要求。即：

（1）SDH設(shè)備時鐘的定時要求不劣于ITU-T建議G.813的要求。

（2）SDH設(shè)備時鐘應(yīng)保持24 h以上不劣于±0.37 ppm，使業(yè)務(wù)不受損傷。

（3）時鐘帶寬：SDH設(shè)備時鐘帶寬應(yīng)處于1～10 Hz范圍內(nèi)。

（4）最小頻率牽引和失步范圍均應(yīng)為±4.6 ppm。

當(dāng)選定的定時基準(zhǔn)丟失后，我廠SDH設(shè)備能自動地轉(zhuǎn)換至另一定時基準(zhǔn)輸入。并且具有定時基準(zhǔn)的自動恢復(fù)能力和手動恢復(fù)能力，在有效定時的情況下，自動恢復(fù)應(yīng)在10～20 s范圍內(nèi)切回?！疤┨箷r鐘”一直處于熱備用狀態(tài)，實時跟蹤來自河北省電力公司骨干傳輸網(wǎng)時鐘基準(zhǔn)信號，并與基準(zhǔn)信號時鐘頻率保持一致。

“泰坦時鐘”的時鐘模塊（IOC）在輸入基準(zhǔn)參考時鐘有效的情況下，會經(jīng)歷以下工作過程來進(jìn)行授時：

預(yù)熱——加電后，IOC預(yù)熱需要20 min左右。

快鎖——預(yù)熱完成，IOC進(jìn)入快速鎖定狀態(tài)。

正常鎖定——IOC快速鎖定完成后，即進(jìn)入正常鎖定模式。如果設(shè)定在SSU模式，并且鎖定外部可用的基準(zhǔn)參考源（PRS）后，TimeProvider輸出滿足G.811和GR-2830-CORE標(biāo)準(zhǔn)。

保持——如果參考信號失效，時鐘即進(jìn)入保持模式。保持時TimeProvider輸出的準(zhǔn)確度取決于IOC內(nèi)部振蕩器的質(zhì)量等級。

自由運(yùn)行——如果IOC加電后沒有輸入?yún)⒖?，TimeProvider在預(yù)熱完成后即進(jìn)入自由運(yùn)行狀態(tài)。如果參考時鐘有效可用，TimeProvider即進(jìn)入快速鎖定并最終進(jìn)入正常鎖定狀態(tài)。

“泰坦時鐘”電源為雙電源供電方案，電源一路取自電廠廠用電交流電源，另一路取自電廠通信系統(tǒng)專用直流UPS電源，其直流UPS電源在全廠停電的狀態(tài)下滿足穩(wěn)定供電大于48 h的設(shè)計需求，雙路電源設(shè)計大大提高了供電可靠性。

5 總結(jié)

我廠高精度同步時鐘經(jīng)過實際測試，各項指標(biāo)性能滿足預(yù)期要求。通過這次改造，電廠與省網(wǎng)之間的通信傳輸可靠性得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。在保證電站穩(wěn)定可靠運(yùn)行以及保障民生用電的道路上又邁出了堅實的一步。