巨型電站時鐘同步系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

劉 準，楊廷勇，田茂廷

(中國長江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠，四川 寧南 615400)

依據(jù)《電力系統(tǒng)的同步時間系統(tǒng)第一部分技術(shù)規(guī)范要求》DL/T 11.1-2009，發(fā)電廠或變電站應(yīng)配置一套時間同步系統(tǒng)，大型發(fā)電廠、500 kV變電站及有條件的場合宜采用主備時間同步系統(tǒng)，以提高時間同步的可靠性。如采用兩路無線授時基準信號，宜選用不同的授時源[1]。當時間同步系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口為不同安全防護等級的系統(tǒng)提供時間基準信號時，應(yīng)符合國家電力監(jiān)管委員會第5號《電力二次系統(tǒng)安全防護規(guī)定》。

1 時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 時鐘裝置的組成

時鐘裝置主要是由接收天線、接收板、主控單元、電源、顯示模塊、對時信號輸出模塊構(gòu)成。為了保證在收不到衛(wèi)星信號的情況下，仍能夠輸出準確的時間，很多裝置都會安裝恒溫守時模塊，能大大提高系統(tǒng)的可靠性。最常用的恒溫晶振(OCXO)精度可達1，守時精度約每天1 ms。

1.2 時鐘同步系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

巨型電站應(yīng)設(shè)置1套衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)除滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)的對時需求外，還用于實現(xiàn)電站內(nèi)所有其它自動裝置的衛(wèi)星時鐘同步。根據(jù)巨型電站的工程布置和光纖敷設(shè)情況，衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)采用一、二、三級時鐘的方案。

一級主時鐘布置在控制管理樓計算機室，由1臺北斗同步主時鐘和1臺GPS同步備用時鐘構(gòu)成，為控制管理樓內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)及其它自動化系統(tǒng)裝置提供NTP網(wǎng)絡(luò)對時及IRIG-B等時鐘對時信號，同時為左、右岸地下廠房的4臺二級擴展子時鐘提供時間基準信號。

在左、右岸電站地下副廠房分別設(shè)置一套雙機互備的二級時鐘擴展單元，每臺擴展裝置均通過2對單模光纖與控制管理樓的2臺衛(wèi)星同步時鐘主機連接，為左、右岸各LCU三級時鐘提供衛(wèi)星時鐘同步信號，同時為地下電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站層和副廠房其它智能設(shè)備提供衛(wèi)星時鐘同步信號。在控制管理樓設(shè)置二套二級時鐘擴展單元，通過2對單模光纖與控制管理樓的2臺衛(wèi)星同步時鐘主機連接，分別為站內(nèi)Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)設(shè)備提供衛(wèi)星時鐘同步信號。

三級時鐘擴展單元按左、右岸地下廠房的每臺機組LCU、開關(guān)站公用LCU、廠用電LCU、大壩LCU和左右岸廠外配電中心遠程I/O各設(shè)置一套進行配置。二級擴展時鐘通過光纖將衛(wèi)星時鐘同步信號送至各三級時鐘擴展單元。在各三級時鐘擴展單元，時鐘信號被擴展成多種類型的衛(wèi)星時鐘同步對時信號，分別用于LCU對時及故障錄波、保護、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、10 kV 開關(guān)柜等智能現(xiàn)地設(shè)備的對時。整個時鐘同步系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 巨型電站時鐘同步系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 時鐘同步系統(tǒng)在白鶴灘水電站的應(yīng)用

白鶴灘水電站位于中國四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、改善下游河段通航條件等綜合效益，計劃于2021年7月首批機組發(fā)電，2022年7月全部機組投產(chǎn)。電站建成后，將僅次于三峽水電站成為中國裝機容量第二大水電站。

白鶴灘電站時鐘同步系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的BSS-3型互備型時間同步系統(tǒng)。其中BSS-3系列GPS衛(wèi)星同步時鐘采用具有12個并行接收通道的Motorola GPS 接收器和30～150 m有源天線。接收器在搜索并鎖定4顆衛(wèi)星以后，能夠給出精確的時間信息。BSS-3系列北斗衛(wèi)星同步時鐘采用6 個并行接收通道的北斗接收板，接收多顆北斗衛(wèi)星信號，在只觀測一顆衛(wèi)星的情況下即可實現(xiàn)無源授時功能。

系統(tǒng)分為三層：主站層、二級從站及現(xiàn)地擴展單元層。各層之間采用雙光纖網(wǎng)總線連接，構(gòu)成了高可靠冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。主站層采用兩臺主時鐘構(gòu)成主備模式，每臺主時鐘均同時接收北斗衛(wèi)星和GPS對時信號，其中北斗衛(wèi)星對時信號為主用，GPS對時信號為備用，兩臺設(shè)備之間通過熱備光纖進行冗余，當有一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時會自動切換，保證所有對時信號正常輸出，當兩臺主鐘都收不到信號時，為保證全廠時鐘的統(tǒng)一自動轉(zhuǎn)入高精度守時狀態(tài)，高精度守時8 h誤差小于3 μs。時鐘主機分別通過以太網(wǎng)接口接入2套監(jiān)控系統(tǒng)信息網(wǎng)交換機，采用NTP(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)通過生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)，對整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計算機進行時鐘對時[2]。

二級從站層共包括5套二級時鐘，分別從2臺互備的主時鐘引衛(wèi)星信息光纖輸入，負責為控制樓區(qū)域Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)系統(tǒng)、左右岸設(shè)備提供統(tǒng)一對時。除主鐘互備外，所有二級鐘均采用雙光纖輸入，因此該時鐘系統(tǒng)運行后總能保證輸出對時信號。二級時鐘擴展單元的2臺主機分別通過擴展光纖時鐘信號接口，與分布在各LCU內(nèi)的三級子時鐘相連接。智能現(xiàn)地設(shè)備的對時裝置為三級擴展時鐘，用于LCU對時及故障錄波、保護、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器等對時。

3 白鶴灘電站時鐘同步系統(tǒng)對時方式

3.1 脈沖對時

TTL電平30 m，24 V電平100 m。分對時將清零、秒對時將毫秒清零。脈沖對時一般用在對速度要求高的隨動控制系統(tǒng)上，其實現(xiàn)形式簡單，但不能區(qū)分年月日時分。對時精度為1 μs[3]。

3.2 串口對時

裝置是通過串行口讀取同步時鐘每秒一次的串行輸出的時間信息對時的，串行口又分為RS232接口和RS422接口方式。常用的串口對時規(guī)約有：BSS規(guī)約、IWHR規(guī)約、BJT規(guī)約、IEC103規(guī)約。為適應(yīng)多種規(guī)約，串口板帶CPU，通過編程實現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換。串口板有4路，也有8路，每路之間都有電氣隔離。報文格式一般采用BSS-3報文或水科院報文，還可以根據(jù)要求，確定其它報文格式。如果采用確定的規(guī)約是以插板為單元，每個插板一種規(guī)約。RS232 30 m，RS422(RS485)1 200 m。包有絕對時間標記，但精度低，對時精度為10 ms。

3.3 B碼對時

B碼對時，即IRIG-B對時方式。IRIG-B為IRIG委員會的B標準，是專為時鐘的傳輸制定的時鐘碼。每秒輸出一幀按秒、分、時、日期的順序排列的時間信息。IRIG-B信號有直流偏置(TTL)電平、1 kHz正弦調(diào)制信號、RS422電平方式、RS232電平方式四種形式。TTL電平傳送距離50 m，1 kHz 調(diào)制傳送距離500 m，RS422(RS485)電平傳送距離1 000 m。

特點是攜帶信息量大，碼后可獲得秒脈沖信號和BCD 編碼的時間信息；調(diào)制后的B碼帶寬，適用于遠距離；接口標準化，國際通用。對時精度為：DC:1 μs；AC:20 μs。

3.4 DCF77對時

DCF77對時方式。常用的DCF77板為3端子無源板，端子V+為外接電源24 V直流電源，VO為DCF77信號輸出端，G(G1～G8)為地，相應(yīng)通道電源和信號共地。DCF77信號每分鐘對發(fā)一次，每秒鐘發(fā)一個脈沖信號，以寬度不同的脈沖信號作為時間編碼，包括年、月、日、星期、小時、分等信息。對時接口采用三線制，外接24 V電源，傳輸距離應(yīng)控制在100 m以內(nèi)，對時精度為2 μs。

3.5 NTP/SNTP對時

NTP對時方式。NTP是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的簡稱，NTP對時模塊可以作為網(wǎng)絡(luò)對時的時間服務(wù)器，采用標準的RJ45接口，提供了一種通過網(wǎng)絡(luò)對時的方式，在局域網(wǎng)內(nèi)使用特別方便。在局域網(wǎng)內(nèi)可以配置NTP模塊的IP地址，操作系統(tǒng)就可以通過對時軟件在相應(yīng)的IP地址處獲得時間。傳輸距離應(yīng)控制在100 m以內(nèi)，對時精度為：10 ms[4]。

3.6 各系統(tǒng)對時接口選擇

1)監(jiān)控系統(tǒng)及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對時。計算機監(jiān)控系統(tǒng)和機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通常區(qū)域相對集中，且對時以計算機類服務(wù)器為主，通常選擇系統(tǒng)內(nèi)某臺計算機作為NTP服務(wù)器直接與主時鐘相連對時，再為系統(tǒng)內(nèi)的計算機提供NTP網(wǎng)絡(luò)對時服務(wù)。

2)現(xiàn)地LCU對時。SOE事件順序記錄采用毫秒級對時精度，PLC的對時精度略低一點。白鶴灘電站采用的施奈德M580系列PLC，該PLC通過NTP標準接口、SOE事件順序記錄模塊通過B碼接口就近接入

對時裝置進行對時。

3)保護裝置對時。500 kV GIS、斷路器控制、保護監(jiān)控系統(tǒng)、故障錄波、線路保護、母線保護、安穩(wěn)系統(tǒng)、PMU、發(fā)電機保護、變壓器保護、發(fā)變組故障錄波、機組非電量保護等對時精度要求較高，通常需要到1 μs，采用直流IRIG-B碼[5]。

4)調(diào)速、勵磁系統(tǒng)對時。調(diào)速、勵磁均為隨動系統(tǒng)，且系統(tǒng)自帶處理器，可以對年、月、日、時、分等參數(shù)進行標定，從對時精度、傳輸距離和經(jīng)濟性角度來考慮采用空接點接入分脈沖，硬接點對時。

4 結(jié) 語

本文對白鶴灘電站的衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)的對時方式進行了綜合介紹。所運用的BSS-3型時鐘同步裝置采用插卡式結(jié)構(gòu)，具有很好的可擴展性，可以根據(jù)具體需求靈活配置，便于維修和升級。該方案在白鶴灘電站監(jiān)控系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，實踐證明，該方案滿足了白鶴灘電站的整體授時要求，具有很好的對時效果。