某巨型水電站時鐘同步系統(tǒng)設(shè)計和對時精度優(yōu)化

向 龍，楊 劍，劉 成，王 丁，潘穎杰，袁晁龍

［南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106］

0 引言

電力系統(tǒng)中的電流、電壓、相角和功角等參數(shù)都與時間密切相關(guān)，這些參數(shù)與時間軸相關(guān)的波形是監(jiān)視電力系統(tǒng)運行的重要依據(jù)，高精度、統(tǒng)一的時間是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的基礎(chǔ)。近些年來，隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，特高壓輸電技術(shù)世界范圍內(nèi)領(lǐng)先，助力我國形成了全國范圍內(nèi)的電力網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，這也使得我們對電力系統(tǒng)中自動化設(shè)備的安全、穩(wěn)定、可靠性提出更高的要求和更大的挑戰(zhàn)。尤其對時鐘同步系統(tǒng)，要求自動化、繼電保護、安穩(wěn)、生產(chǎn)管理、電能量管理等系統(tǒng)基于統(tǒng)一的時間基準運行，以便電力系統(tǒng)日常運行數(shù)據(jù)的記錄和分析，以及出現(xiàn)事故時各系統(tǒng)故障錄波、事件順序記錄的一致性，便于事故原因分析和診斷，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行保駕護航。隨著我國電力系統(tǒng)智能化的逐步推進，未來對時間同步系統(tǒng)的要求會更加嚴格[1]。

隨著世界范圍內(nèi)水電站智能化、數(shù)字化的推進，水電站各自動化設(shè)備運行需要統(tǒng)一的時鐘源作為各系統(tǒng)的基準時間，保證電站內(nèi)各個子系統(tǒng)的同步、可靠運行，以及事件順序記錄的一致性[2]。此外，大部分水電站的各個子系統(tǒng)通常由不同的廠家提供設(shè)備，各子系統(tǒng)無法保證使用統(tǒng)一的時鐘，如果沒有統(tǒng)一的時鐘源，由于時鐘精度的影響，各子系統(tǒng)的時間會有一定的偏差，在出現(xiàn)故障或發(fā)生事故時，各系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和事件記錄無法為故障診斷、事故分析提供準確、可靠的依據(jù)[3]。因此，如果有統(tǒng)一的時鐘作為各子系統(tǒng)的對時源，就可以保證各子系統(tǒng)在統(tǒng)一的時間基準下運行，為電站的日常穩(wěn)定運行、維護、故障診斷、事故分析提供可靠保障[4]。

而對于巨型水電站，由于壩體建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，導(dǎo)致全廠自動化設(shè)備分散在不同位置，且各設(shè)備間距離較遠，而大部分設(shè)備設(shè)置在沒有衛(wèi)星信號的洞體中，無法直接接收衛(wèi)星信號對時，只有通過在廠外空曠地帶設(shè)置衛(wèi)星對時裝置，再通過光纖、網(wǎng)絡(luò)等方式完成對時，但由于各設(shè)備與對時裝置間的距離差異，導(dǎo)致對時精度不高，因此，需找到有效的方法提高對時精度，才能為巨型電站安全、穩(wěn)定運行保駕護航。

1 時鐘同步系統(tǒng)設(shè)計

1．1 對時源選擇

美國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GPS）是目前最成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也通常被作為衛(wèi)星時鐘同步信號的首選，其次俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系（GLONASS）也有著廣泛的應(yīng)用，近些年隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速崛起，衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)中也有了北斗的一席之地。十多年以前，我國各領(lǐng)域內(nèi)的衛(wèi)星時鐘同步還主要以單GPS信號源為主，僅有少量以GLONASS和北斗作為信號源的產(chǎn)品[5]。而GPS由美國掌控核心技術(shù)，雖然GPS在全球范圍內(nèi)可免費使用，但不排除以后美國因政治因素限制我國使用，屆時以GPS作為單一對時源的時鐘系統(tǒng)將面臨癱瘓的風(fēng)險。

近年來，隨著我國衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在時鐘同步系統(tǒng)中的作用日益突出，同時也為避免因GPS而出現(xiàn)的“卡脖子”問題，保證電力系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行，國家電網(wǎng)有限公司要求電力系統(tǒng)的時鐘同步系統(tǒng)均需采用雙信號源產(chǎn)品，曾經(jīng)采用單信號源的系統(tǒng)也都升級為雙信號源系統(tǒng)，這不僅排除采用單一GPS對時源存在的安全隱患，也提升了時鐘同步系統(tǒng)的可靠性。

為了保障該巨型電站的安全運行，該電站的時鐘同步系統(tǒng)將采用北斗/GPS雙模時鐘同步裝置，該裝置可以同時接收GPS和北斗衛(wèi)星時鐘同步信號，兩路信號互為冗余，這有效擺脫了我國對GPS系統(tǒng)的過分依賴，同時提高電站時鐘同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

1．2 時鐘同步系統(tǒng)框架設(shè)計

該巨型水電站壩工建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既包含左岸、右岸地下電站，又包含閘門等泄洪設(shè)施，還有集控樓控制中心，要設(shè)備集中在集控樓、左岸地下廠房、右岸地下廠房，只有集控樓位于地上空曠地帶，便于接收衛(wèi)星時鐘信號，左岸、右岸地下廠房距離集控樓距離較遠，無法安裝獨立的時鐘同步裝置。此外，改電站運行設(shè)備分散、對時距離遠、對時設(shè)備多，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)所有其他自動裝置的衛(wèi)星時鐘同步，時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計既要考慮系統(tǒng)的可靠性，還要考慮系統(tǒng)的安全性和可擴展性。

根據(jù)該水電站的水工建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備分部特點以及光纖、網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)情況，將采用一、二、三級時鐘的衛(wèi)星時鐘同步系統(tǒng)解決方案。一級主時鐘由2臺互為冗余的北斗/GPS雙模同步時鐘構(gòu)成，布置在集控樓附近的開闊地帶，以便接收衛(wèi)星信號。在左、右岸電站地下副廠房分別設(shè)置2臺互備的二級時鐘，集控樓設(shè)置一臺獨立的二級時鐘，每臺二級裝置均通過2對單模光纖與2臺衛(wèi)星同步主時鐘連接，左、右岸副廠房二級時鐘分別為左、右岸各現(xiàn)地控制單元三級時鐘提供衛(wèi)星時鐘同步信號，同時為地下電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠站層和副廠房其他智能設(shè)備提供衛(wèi)星時鐘同步信號。集控樓二級時鐘為集控樓內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)及其他自動化系統(tǒng)裝置提供NTP網(wǎng)絡(luò)對時及IRIG-B等時鐘對時信號。

三級時鐘擴展單元按左、右岸地下廠房的每臺機組現(xiàn)地控制單元、開關(guān)站公用現(xiàn)地控制單元、廠用電現(xiàn)地控制單元和大壩現(xiàn)地控制單元各設(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，分別用于現(xiàn)地控制單元對時及故障錄波、保護、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、10kV開關(guān)柜等智能現(xiàn)地設(shè)備的對時。

全廠時鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全廠時鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Figure 1 Clock network structure of the whole plant

1．3 二級、三級擴展時鐘對時結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)該水電站結(jié)構(gòu)特點和對時設(shè)備分部，電站時鐘同步系統(tǒng)共配置了5臺二級擴展時鐘，16臺三級擴展時鐘，其中左、右岸地下廠房各配置2臺二級時鐘，8臺三級時鐘，集控樓配置1臺二級時鐘。集控樓二級時鐘接收一級時鐘信號，并為集控樓上位機和現(xiàn)地控制系統(tǒng)提供多種協(xié)議的對時信號。左、右岸二級時鐘接收一級時鐘信號，并通過光纖接口輸出對時信號作為三級時鐘對時源。三級時鐘接收二級時鐘信號，作為機組、調(diào)速器、勵磁、發(fā)變組保護等現(xiàn)地層設(shè)備的對時源。

集控樓二級時鐘提供單模光口、IRIG-B、RS232、SNTP、NTP等多種協(xié)議的對時接口，滿足不同設(shè)備、不同方式的對時需求。單模光口輸出為左、右岸10kV提供對時信號，IRIG-B輸出接口為集控樓直流系統(tǒng)、模擬屏現(xiàn)地控制單元對時，SNTP協(xié)議網(wǎng)口為保護信息子站、故障錄波信息子站對時，NTP協(xié)議網(wǎng)口直接與監(jiān)控系統(tǒng)主交換機相連，作為NTP對時主機，為監(jiān)控系統(tǒng)上位機提供NTP對時信號。集控樓二級時鐘對時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集控樓二級時鐘對時網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Figure 2 Centralized control building’s secondary clock time synchronization network structure

地下廠房的二級時鐘提供單模光口、IRIG-B、RS232、NTP等多種協(xié)議的對時接口，其中多路光纖輸出接口作為現(xiàn)地層多套三級時鐘的輸入信號源；NTP協(xié)議網(wǎng)口直接與監(jiān)控系統(tǒng)主交換機相連，作為監(jiān)控系統(tǒng)上位機NTP對時備用主機，當NTP對時主機出現(xiàn)故障后為監(jiān)控系統(tǒng)上位機提供對時信號；RS232接口為機組在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機提供對時信號。

現(xiàn)地層三級時鐘提供RS232/422/485、IRIG-B、SNTP、多模光口等多種協(xié)議、多種接口形式的輸出信號，滿足機組現(xiàn)地控制單元、調(diào)速器、勵磁、發(fā)變組保護、故障錄波裝置、機組在線監(jiān)測、直流系統(tǒng)、開關(guān)站現(xiàn)地控制單元、開關(guān)站保護、保信子站等多元化設(shè)備的對時需求。地下廠房二、三級時鐘對時網(wǎng)絡(luò)（以左岸地下廠房為例）如圖3所示。

圖3 地下廠房二、三級時鐘對時網(wǎng)絡(luò)Figure 3 The second and third level clock synchronization network of underground powerhouse

2 對時精度優(yōu)化

信號通過傳輸介質(zhì)時，會因傳輸通道物理長度的不同、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備交換和排隊等傳輸機制的不同而在不同時刻到達目的地。傳輸網(wǎng)絡(luò)固有的機制造成穩(wěn)定的延時影響，延時的產(chǎn)生包括：傳輸媒介距離的遠近、傳輸設(shè)備的質(zhì)量、傳輸線路的流量與容量、傳輸信號的質(zhì)量等[6-7]。該水電站左岸地下廠房和右岸地下廠房距離地面集控樓均較遠，特別是左岸地下廠房與集控樓之間的光纜距離長達2.6km，地下廠房二級時鐘與三級時鐘也有300～600m不等的距離，遠距離的光纖傳輸產(chǎn)生較大的衰減，導(dǎo)致一級時鐘與二級時鐘、二級時鐘與三級時鐘的時間信號出現(xiàn)不同范圍的延時，使得與二級時鐘和三級時鐘對時的設(shè)備時間精度降低，不利于電廠的運行管理。為提高全廠設(shè)備的對時精度，采用對二級、三級時鐘進行延時補償?shù)姆绞?，來縮小二級、三級時鐘與主時鐘間的誤差。

首先，使用專業(yè)的時間精度測量設(shè)備TimeAcc007 對全廠的一級、二級、三級時鐘分別進行測量。TimeAcc007 時鐘監(jiān)測設(shè)備由于采用了共視溯源技術(shù)，時間精度達到50ns，適合作為測試信號源[8-9]。時鐘監(jiān)測設(shè)備的工作方式是測量的時間信號與自身內(nèi)部的標準時鐘相比較，得出一個時鐘偏差值。經(jīng)測量，兩臺一級時鐘的時間精度很高，與時鐘監(jiān)測設(shè)備之間的偏差均在100ns以內(nèi)，無需進行延時補償。二級時鐘、三級時鐘均有較大延時，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 二級時鐘延時補償Table 1 Secondary clock delay compensation

表2 三級時鐘延時補償Table 2 Three-level clock delay compensation

基于測量結(jié)果，對二級時鐘的各個輸入通道進行相應(yīng)的延時補償，補償后的二級時鐘與時鐘監(jiān)測設(shè)備之間的偏差均降低到5μs以內(nèi)，結(jié)果如表1所示。

在對二級時鐘進行延時補償后，再次對測量三級時鐘延時，此時的三級時鐘延時已經(jīng)得到了很好地改善，完全能滿足現(xiàn)場設(shè)備的運行要求，但本著精益求精的原則，再次對三級時鐘進行延時補償，結(jié)果如表2所示。

3 結(jié)語

該巨型水電站時鐘同步系統(tǒng)采用多重冗余、分層分部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動無擾切換，當兩臺主時鐘均無法接收衛(wèi)星信號或同時發(fā)生故障時，時鐘不同系統(tǒng)將自動進入自守時狀態(tài)，仍然能夠保證較長時間的高精度時鐘同步信號輸出，同時多層分布的三級時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有效地解決了全廠設(shè)備分散的問題，并保證了系統(tǒng)的可擴展性。通過延時補償?shù)姆绞剑行Ы鉀Q了由傳輸距離導(dǎo)致的對時精度問題。該時鐘同步系統(tǒng)的多重冗余、分層分部設(shè)計和延時補償功能應(yīng)用，保障了時鐘同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，提高電廠的生產(chǎn)和管理水平，對其他大、中型水電站時鐘同步系統(tǒng)的建設(shè)也具有一定的參考價值。