深圳抽水蓄能電站同步時鐘系統(tǒng)應(yīng)用研究與實(shí)踐

沈 燕，李 毅，馬 程，李重陽，萬 波，胡文興

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 引 言

抽水蓄能電站機(jī)電設(shè)備種類繁多，整個電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控以分層分布方式構(gòu)建，并具有高度的自動化控制水平。在日常的啟?？刂七^程中，各系統(tǒng)需要相互密切配合，協(xié)同完成預(yù)定的任務(wù)。同時，集中控制和管理又需要將分布分散的多個控制系統(tǒng)用統(tǒng)一的時鐘進(jìn)行同步，以達(dá)到在事件順序中相對準(zhǔn)確記錄信號或動作的先后及其對應(yīng)時點(diǎn)的要求。正是在這一技術(shù)背景下，深圳抽水蓄能電站(以下簡稱“深蓄電站”)啟動同步時鐘系統(tǒng)建設(shè)工作，并通過同步時鐘系統(tǒng)，將深蓄電站與深圳中調(diào)、南網(wǎng)總調(diào)建立起協(xié)調(diào)統(tǒng)一的時鐘。

2019年4月6日，美國全球定位系統(tǒng)(GPS)周計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)事件給我國電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)和深刻教訓(xùn)，單一GPS時鐘系統(tǒng)存在不可控的安全風(fēng)險。南方電網(wǎng)對數(shù)字化變電站要求為：“站內(nèi)應(yīng)設(shè)置2套冗余主時鐘，可采用GPS或北斗衛(wèi)星作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，其中1臺必須為北斗衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)[1]”。深蓄電站作為一個新建電源項(xiàng)目，同步時鐘系統(tǒng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案比選、設(shè)備造型、與各控制系統(tǒng)同步方式等多層次、多輪次的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，最終采用了北斗衛(wèi)星和GPS互為冗余的配置方案。

在目前可利用的時鐘基準(zhǔn)源中，GPS有其獨(dú)具的優(yōu)越性，輸出的秒脈沖統(tǒng)計(jì)誤差為1μs，無累計(jì)誤差，能滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν綍r鐘的要求。但GPS采用低軌運(yùn)動衛(wèi)星，需要衛(wèi)星切換。相對于GPS低軌、格洛納斯中軌(20 000+km)，北斗使用高軌靜止和傾斜同步軌道(36 000 km)，衛(wèi)星軌道運(yùn)轉(zhuǎn)周期為24 h，其信號會長期覆蓋指定區(qū)域，可確保永遠(yuǎn)接收到同一顆衛(wèi)星，授時過程不需衛(wèi)星切換，保證授時穩(wěn)定性和可靠性。

2020年6月23日，隨著北斗三號第30顆、也是最后1顆組網(wǎng)衛(wèi)星“北斗系統(tǒng)第55顆衛(wèi)星”的發(fā)射成功，北斗全球定位系統(tǒng)(BDS)提前半年完成部署。2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成并正式開通，標(biāo)志著北斗系統(tǒng)基于30顆衛(wèi)星滿星座運(yùn)行并開通全球服務(wù)，具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供7種服務(wù)，包括面向全球范圍提供定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信和國際搜救3種服務(wù)；在中國及周邊地區(qū)，提供星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位和區(qū)域短報文通信4種服務(wù)[2]。

1 同步時鐘系統(tǒng)需求分析

按照設(shè)計(jì)方案，深蓄電站地面中控室設(shè)置1套時鐘同步系統(tǒng)，以硬同步方式對上位機(jī)設(shè)備、各現(xiàn)地控制單元設(shè)備以及廠內(nèi)各繼電保護(hù)裝置、故障錄波裝置、220 kV線路保護(hù)系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)等進(jìn)行時鐘同步，并具有與調(diào)度層時鐘進(jìn)行對時同步功能。在機(jī)電設(shè)備采購過程中，要求各系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)有自動對時功能以及與集中授時系統(tǒng)接口，提供通信接口類型、通信協(xié)議和通信介質(zhì)等資料，以實(shí)現(xiàn)與全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)時鐘同步，誤差不大于1 ms。

表1 各廠家設(shè)備時鐘同步的接口方式、通信協(xié)議和通信介質(zhì)基本需求

1.1 控制設(shè)備時鐘同步需求統(tǒng)計(jì)

在全廠控制設(shè)備供應(yīng)商確定后，得到各廠家設(shè)備時鐘同步的接口方式、通信協(xié)議和通信介質(zhì)基本需求計(jì)劃，見表1。

1.2 深蓄電站對時使用特點(diǎn)

(1)RS485串行通信。適用于地下廠房設(shè)備對時，屏蔽電纜長度在200 m以內(nèi)。

(2)B碼對時。地下廠房設(shè)備之間對時采用屏蔽電纜，其他區(qū)域間則使用光纜。授時精度高，可靠性高，可長期連續(xù)穩(wěn)定工作。未進(jìn)行幅度調(diào)制的為IRIG-B(DC)碼，經(jīng)過幅度調(diào)制后為IRIG-B(AC)碼。

(3)網(wǎng)絡(luò)對時。用于對電站上位機(jī)系統(tǒng)對時，通過網(wǎng)絡(luò)接入交換機(jī)系統(tǒng)，對時精度在1 ms以內(nèi)。符合“站控層設(shè)備應(yīng)采用SNTP對時方式”的要求[1]。

(4)Profinet/Profibus-DP總線對時。適用于采用Profinet、Profibus-DP總線的控制設(shè)備，如SIEMENS現(xiàn)地LCU、ABB靜止變頻控制裝置(SFC)等。Profinet/Profibus-DP總線對時具有穩(wěn)定的國際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍穩(wěn)定性。

以上對時方式，均滿足南方電網(wǎng)“主要輸出信號(包括IRIG-B(DC)或秒脈沖)的時間準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1 μs，時間保持單元的時鐘準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于7×10-8(1 min 4.2 μs)”的規(guī)定[1]。

1.3 深蓄電站與調(diào)度時鐘同步

深蓄電站時鐘同步系統(tǒng)采用組網(wǎng)運(yùn)行方式，除接收無線時間基準(zhǔn)信號(北斗衛(wèi)星或GPS)外，還可以接收深圳中調(diào)/南網(wǎng)總調(diào)下發(fā)的有線時間基準(zhǔn)信號。當(dāng)2種時間基準(zhǔn)信號輸入都有效時，無線時間基準(zhǔn)信號作為系統(tǒng)的優(yōu)先授時源，無線時間基準(zhǔn)信號異常時，以有線時間基準(zhǔn)信號作為系統(tǒng)的優(yōu)先授時源。

2 同步時鐘系統(tǒng)選型

2.1 同步時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

按照深蓄電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的同步時鐘要求，最終采用以單片機(jī)軟硬件技術(shù)設(shè)計(jì)控制的南京英奧SZ-BD/GPS系統(tǒng)，符合“可采用GPS或北斗衛(wèi)星作為標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，其中1臺必須為北斗衛(wèi)星時鐘系統(tǒng)”的要求[1]。時鐘同步系統(tǒng)采用逐級匯接的二級網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主時鐘設(shè)在交通洞口的集控中心，利用光纜與地下廠房、開關(guān)站、上下庫的擴(kuò)展時鐘進(jìn)行二級對時；主時鐘與主交換機(jī)之間用網(wǎng)線連接對時；地下廠房安裝在廠內(nèi)公用LCU的擴(kuò)展時鐘與機(jī)組公用LCU、機(jī)組LCU的擴(kuò)展時鐘之間，采用屏蔽電纜連接。同步時鐘系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本配置見圖1。

圖1 同步時鐘系統(tǒng)基本配置及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表2 北斗衛(wèi)星與GPS授時參數(shù)比較

主時鐘型號為SZ-2UA?；九渲茫簾o線/有線時間基準(zhǔn)信號接收板1塊、主板1塊、光纖B碼收發(fā)3塊、NTP板1塊、232/485串口板1塊、B碼源板1塊、電源2塊。

擴(kuò)展時鐘型號為SK-BM。以全廠公用LCU擴(kuò)展時鐘為例，擴(kuò)展時鐘配置：光纖B碼收發(fā)1塊、IRIG-B(B碼擴(kuò)展板)10塊、PPM(脈沖擴(kuò)展)1塊、電源2塊。

2.2 SZ-BD/GPS系統(tǒng)顯著特點(diǎn)

采用單片機(jī)控制的軟硬件設(shè)計(jì)為核心部件，充分利用GPS/BD北斗接收組件的潛力，系統(tǒng)可靠性、功能、精度和可操作性等完全滿足電力系統(tǒng)時間同步要求，在電力系統(tǒng)的事故分析、故障測距和繼電保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)成熟。SZ系列GPS既可以采用報文方式軟對時，又可以采用脈沖方式硬對時。其中，報文方式支持6種通訊規(guī)約，滿足當(dāng)前電力設(shè)備的報文方式通訊規(guī)約接入需求。

2.3 北斗衛(wèi)星與GPS時鐘系統(tǒng)參數(shù)對比

時鐘系統(tǒng)以每天計(jì)時，時鐘誤差為24 h不超過±0.001 s，時鐘系統(tǒng)具有與衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時間同步的能力，并使電站中控層和現(xiàn)地控制層的時鐘與衛(wèi)星時鐘同步。北斗衛(wèi)星與GPS授時參數(shù)比較見表2。

北斗衛(wèi)星和GPS時鐘的戶外天線長度≥100 m，有利于天線安裝在比較開闊的無遮擋空間。輸出信號包括分脈沖、秒脈沖和IRIG-B信號，接口數(shù)量滿足蓄能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控、機(jī)組在線監(jiān)測、電能計(jì)量、保護(hù)和故障錄波等系統(tǒng)的時鐘同步要求。

3 同步時鐘系統(tǒng)安裝與調(diào)試

3.1 設(shè)備安裝

(1)供電電源。SZ-BD/GPS系統(tǒng)的主時鐘、擴(kuò)展時鐘均為雙冗余電源設(shè)計(jì)。主時鐘兩路電源分別來自相互獨(dú)立的中控UPS電源系統(tǒng)；設(shè)備現(xiàn)場的擴(kuò)展時鐘一路取自UPS電源、另一路取自交流輔助電源。整個時鐘系統(tǒng)供電可靠性高。

(2)無線信號天線安裝。深蓄電站地面集控中心位于二樓，樓層高度共4層。由于屋頂為傾斜的瓦面結(jié)構(gòu)，到達(dá)屋頂安裝天線難度大，安全風(fēng)險高。經(jīng)測試，信號天線蘑菇頭放置在計(jì)算機(jī)機(jī)房窗臺上時，時鐘系統(tǒng)也能很快收到北斗衛(wèi)星/GPS穩(wěn)定信號。經(jīng)較長時間試用后，最終蘑菇頭固定安裝在集控中心外側(cè)露臺上，天線總長度約20 m。全程安裝安全方便，以天線蘑菇頭為中心最小在120°范圍內(nèi)無遮擋物，朝南方向暢通，符合SZ-BD/GPS系統(tǒng)無線信號天線安裝要求。

(3)有線時間基準(zhǔn)信號接入。暫未接入調(diào)試。

(4)時鐘系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控。SZ-BD/GPS主時鐘系統(tǒng)提供包括輸出錯誤、失星、掉電等3種報警信號，以開關(guān)量無源節(jié)點(diǎn)通過硬接線方式接入中控LCU，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對時鐘系統(tǒng)運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3.2 設(shè)備調(diào)試

系統(tǒng)主時鐘調(diào)試。在天線板的位置有串口，通過提供的軟件可以看到當(dāng)前的北斗和GPS的衛(wèi)星數(shù)量以及當(dāng)前的經(jīng)度、緯度和高度等參數(shù)，還可以判斷當(dāng)前的衛(wèi)星是否有效。圖2為主時鐘系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)況。

圖2 主時鐘系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)況

開啟電源后，POWER指示燈常亮，1PPS指示燈閃爍，液晶屏正常顯示。收到衛(wèi)星信號后會顯示一行DATE：年年-月月-日日，下一行顯示TIME：時時：分分：秒秒。液晶屏的右側(cè)指示工作狀態(tài)。右上角應(yīng)顯示“Z”，如顯示“L”則表示未接收到足夠的衛(wèi)星數(shù)量，日常運(yùn)行中顯示“L”則是丟星告警狀態(tài)，授時精度達(dá)不到要求，可根據(jù)串口輸出的ERR語句查看丟星的時刻，可通過檢查天線回路等方式處理。右下角應(yīng)顯示“A”，表示接收到足夠的衛(wèi)星數(shù)量，精度授時達(dá)到要求，時鐘已同步，如果顯示“V”則表示失步狀態(tài)。

4 北斗衛(wèi)星主用的雙時鐘源

由于受到認(rèn)識等多方面原因的限制，類似計(jì)算機(jī)2000年問題(“千年蟲”)一樣，GPS在設(shè)計(jì)時只用了10 bit來表征周計(jì)數(shù)WN，導(dǎo)致WN只能在0～1 023之間循環(huán)。當(dāng)WN從1 023變?yōu)?時，就會發(fā)生GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)。1 024周為7 168 d，對應(yīng)到年約19.7 a，從GPS系統(tǒng)時的起始時刻算起，上一次出現(xiàn)GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)是1999年8月21日，最近1次是2019年4月6日(北京時間2019年4月7日07：59：42)，類推下1次GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)將會出現(xiàn)在2038年11月20日。

全球定位系統(tǒng)GPS周數(shù)翻轉(zhuǎn)事件對電力系統(tǒng)運(yùn)行安全存在極大的風(fēng)險。早期生產(chǎn)的同步時鐘設(shè)備可能無法應(yīng)對WN翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)輸出對時信號跳變、停止工作或斷電也無法重啟等情況，影響范圍包括主站自動化系統(tǒng)、智能站保護(hù)、合并單元、安自、測控、PMU、計(jì)劃值工作站等系統(tǒng)和設(shè)備。

把北斗衛(wèi)星和GPS作為雙時鐘源冗余配置是大勢所趨。隨著北斗衛(wèi)星系統(tǒng)日益完善和實(shí)用化發(fā)展推進(jìn)，應(yīng)把北斗衛(wèi)星作為主用標(biāo)準(zhǔn)時鐘源，更多地把配置互為備用的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，把除授時外的其他服務(wù)應(yīng)用起來，為電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色服務(wù)。

5 結(jié) 語

同步時鐘是保證同步采樣的基礎(chǔ)，電站分布式數(shù)據(jù)采集，如電壓、電流、有功、無功等采集也是數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一套成熟可靠同步時鐘是提升抽水蓄能電站綜合自動化水平的必要裝備。

深蓄電站的同步時鐘系統(tǒng)從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就提出了比較明確的要求，詳細(xì)描繪了整個時鐘系統(tǒng)的構(gòu)架。采購階段對需要時鐘同步的各機(jī)電設(shè)備把控好接口方式、通信協(xié)議和通信介質(zhì)等關(guān)鍵因素，因此在后續(xù)安裝調(diào)試過程中比較順利開展，避免了投產(chǎn)階段發(fā)生設(shè)備換型以及后期改造的情況發(fā)生。2018年9月，深蓄電站4臺機(jī)組全部建成投入商業(yè)運(yùn)行，同步時鐘系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各設(shè)備對時準(zhǔn)確，為事件記錄和設(shè)備故障缺陷分析奠定了良好的基礎(chǔ)。