卫星时钟同步系统在糯扎渡水电厂的应用

卫星时钟同步系统在糯扎渡水电厂的应用

贾成

（华能澜沧江水电股份有限公司糯扎渡水电厂云南普洱665000）

摘要：文章介绍了糯扎渡电厂卫星时钟同步系统的应用及技改情况，并对电站二次设备实现统一授时的前景进行探讨，对于水电厂卫星时钟同步系统的设计选型具有较大的借鉴意义。

关键词：GPS；卫星同步时钟；对时；计算机监控系统

引言

糯扎渡水电站是澜沧江上一个以发电为主，同时兼顾防洪、改善下游航运、渔业、旅游和环保作用并对下游电站起补偿作用的特大型水电工程，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第五级。地下厂房内共装设9台单机容量为650MW的水轮发电机组，正常蓄水位以下库容为217.49×108m3，调节库容为113.35×108m3，水库具有多年调节能力。电站以500kV电压等级接入电力系统，在系统中担任调峰、调频和事故备用。电站按无人值班（少人值守）设计，接受南方电网、集控中心调度管辖。糯扎渡电厂建设了卫星时钟同步系统，并对于卫星时钟同步系统开展了优化和研究。

1、对时系统设计及应用

1.1糯扎渡电厂对时系统概况

糯扎渡电站卫星时钟同步系统始建于2012年，随首台机组同步投运。全厂设备对时主要以监控系统GPS时钟为准，电能量系统关口、非关口采集器分别采用南网、集控主站NTP对时，PMU系统采用一套专用对时系统。监控系统对时时钟除为监控系统提供标准时间外，还具有脉冲对时、串行口对时、IRIG-B对时、DFC77对时、NTP网络对时等多种信号，满足保护系统、安全自动装置、故障录波装置等设备的对时需要。各自动化系统对时情况如下表：

1.2监控系统对时配置

监控对时系统采用卫星信号GPS集中接收、分层、分布开放式网络结构。系统共分二层：站控层、现地扩展层。地面中控室配置2套具有独立接收天线的GPS时钟接收装置，通过双机冗余切换装置以热备方式并行工作，站控层设备由时钟接收装置以NTP对时方式完成对时，每个机组LCU（共9个）、开关站LCU（5个）、厂用电及公用LCU（5个）、坝区LCU（1个）等屏柜内均分别配置一个GPS扩展箱以扩展GPS对时信号，扩展信号具有8路脉冲信号、8个通信串行口和8路IRIG-B方式对时信号输出，满足各现地装置对时需要，时钟扩展装置与GPS主钟之间采用光缆进行通信。

1.3各对时信号特点

糯扎渡电厂实际应用的各类对时信号特点如下：

（1）PTP协议：糯扎渡电站2016年GPS改造后具备PTP对时，PTP协议全称”“网络测量和控制系统的精确时钟同步协议标准”，又称为精确时间协议PTP（PrecisionTimeProtocol），PTP协议是IEEE-1588中定义的一种时钟同步协议，相对于NTP对时，PTP协议通过时间戳确认机制和MAC层时间戳加盖的方式，有效提高了时间同步精度，相对于NTP毫秒级的精度，时间精度可以达到亚微秒级别。

（2）NTP：NTP是网络时间协议（NetworkTimeProtocol），是一种目前被广泛应用的同步协议，其精确度为百毫秒，监控系统上位机、下位机PLC、SJ30等着智能装置均采用NTP对时。

（3）DCF77：DCF77属于报文方式的软对时，用于各现地LCUSOE模件对时，数据格式：分、时、星期、月、年，以BCD方式编码，每分钟组装完成整个报文信息。

（4）IRIG-B：IRIG属于报文方式的软对时，数据格式：秒、分、时，一年中的第n天，每秒发送一次，内含100个脉冲，用于GPS主钟向各现地时钟扩展装置、时钟扩展装置向保护装置对时。其时间标准有两大类：一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛；另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同，电厂采用IRIG-B。B型码的时帧速率为1帧/s；可传递100位的信息。作为应用广泛的时间码，B型码具用以下主要特点：携带信息量大，经译码后可获得1、10、100、1000c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息；高分辨率；调制后的B码带宽，适用于远距离传输；分直流、交流两种；具有接口标准化，国际通用等特点。IRIG-B（DC）码的同步精度可达几十纳秒量级，IRIG-B（AC）码的同步精度一般为10～20ms（微秒）。

（5）分脉冲、秒脉冲：为硬对时信号，采用空接点接入方式。

2、对时系统优化及改造

2.1标准符合性排查

（1）DL/T5065-2009《水力发电厂计算机监控系统设计规范》，2套GPS接收和授时装置是基本配置。

（2）DL/T1100.1《电力系统的时间同步系统》，本标准的4.3时间同步系统的配置提到“大型电厂。。。及有条件的场合宜采用主备式时间同步系统。。。如采用两路无线授时基准信号，宜选用不同的授时源，例如，同时采用北斗卫星导航系统和全球定位系统。。。当时间同步系统通过以太网接口为不同安全防护等级的系统提供时间基准信号时，应符合国家电力监管委员会第5号《电力二次系统安全防护规定》。”

（3）DL/T1100.1《电力系统的时间同步系统》附录A电力系统常用设备和系统对时间同步准确度的要求（摘录）：

a.行波测距装置、同步相量测量系统要求时间精度优于1μs，故障录波器事件顺序记录装置、要求时间精度优于1ms，推荐采用IRIG-B或1PPS+串口对时报文；

b.微机保护装置、安全自动装置要求时间精度优于10ms，推荐采用IRIG-B或1PPS+串口对时报文；

c.电能量采集装置、集控中心、计算机监控系统主站要求时间精度优于1s，推荐采用网络对时NTP或串口对时报文。

2.2原有对时系统存在的问题

（1）时钟源类型单一：对时装置采用单一GPS信号，不满足《电力系统时间同步技术规范》要求，无北斗卫星冗余配置，当出现GPS信号丢失时，对时系统时钟将出现偏差；

（2）内部守时原件误差较大：对时装置采用恒温晶振进行内部时钟守时，每天的误差达到秒级，精度相比采用铷原子钟低；

（3）无上级（集控中心）时钟接口：GPS对时系统无上级时钟接口，未以组网方式运行，无法接收上级时钟信号，同时时钟装置自身运行情况、GPS卫星连接情况、子系统对时情况等信息无法向集控中心反馈；

（4）对时覆盖面窄：对时系统主要采用计算机监控系统2套冗余GPS对时装置进行接口扩展，尚未对调速系统、励磁系统、同期装置、工业电视、调度电话、保信系统等进行对时；

（5）软硬件配置问题：对时系统曾出现天线同轴缆损坏，下位机SOE模块无法对时等问题；天线损坏通过重新连接进行处置，下位机模块无法对时通过更换GPS控制芯片进行处置，可靠性需要进一步验证；现地保护装置采用一路B码信号引入盘柜，端子上并接为多个装置对时的方式，其可靠性较低。

2.3对时系统改造实施

（1）结合集控中心GPS改造开展GPS/北斗装置更换

建设集控中心与电站一体化的GPS时钟同步系统。考虑到科技进步及国家战略安全需要，集控增设GPS/北斗时钟装置，电站新增GPS/北斗时钟对时装置、GPS/北斗双模天线替换原有对时主钟，集控中心PTP时钟信号通过集控数据网下达至电厂监控系统，电站采用PTP时钟接收装置，接收集控中心时钟信号，作为电厂主时钟源。GPS改造已于2016年9月完成，下一步计划将调度电话系统、电话录音系统和工业电视系统接入对时，见图2。

图2时钟同步系统图（改造后）

该系统具备以下特点：①接收集控中心时钟信号作为标准时钟源；②接收GPS/北斗双卫星时钟信号作为冗余时钟源；③采用双冗余热备铷原子钟作为标准时钟源信号丢失时内部守时；④具有多种标准时钟同步接口，如秒脉冲、B码、NTP网口、串口等，为电厂当前无对时的自动化系统提供对时接口；⑤集控中心具备实时监测各电厂时钟运行功能，当电厂时钟出现偏差而无法纠偏或系统对时链路中断时将自动向值班人员发出报警信息；⑥具备多种运行状态报警功能，如集控时钟信号丢失、卫星信号丢失、NTP对时网络拥堵、延迟过大等情况出现时自动报警。

（2）保护信息系统对时扩展

对于RCS-9798B保护信息装置增设了B码对时信号。

（3）保护装置B码对时扩展

机旁盘发变组保护装置原GPS对时接线为并联方式，同时为发变组保护A柜、B柜、C柜中多套保护装置对时，在并联方式下一旦端子松动将可能造成多套装置失去授时，为此利用GPS扩展装置增加对时板卡，将对时信号扩展增加至单套或两套保护装置共用一组，提高对时可靠性。

3、二次系统统一授时的探讨

电站已建成GPS/北斗对时系统，但部分二次系统未接入或尚不具备对时功能，与标准的符合性有一定差异，主要情况如下：

（1）工业电视系统、调度电话系统、调度录音系统尚未完成对时接入，需解决不同系统间跨路由、跨安全区对时问题。

（2）励磁系统、同期系统、机组安稳系统从机具备对时接口，尚未完成对时配置及接入，为了满足运行人员在查看报文的需求，目前仅通过设置系统时间实现，误差较大。

（3）调速器作为主要的二次设备，贝加莱PCC尚未配置对时功能，可以通过在贝加莱软件中调用相应的功能模块实现NTP对时。

（4）目前电厂同步相量测量系统（PMU）采用专用的一套GPS时钟，缺乏北斗对时功能，考虑将其接入GPS/北斗时钟同步系统对时。

（5）集控中心GPS改造后，设置集控中心时钟信号作为标准时钟源，GPS/北斗双卫星时钟信号作为冗余时钟源；与DL/T1100.1《电力系统的时间同步系统》要求有一定差别，由于集控中心与电站地理距离大，存在的可能干扰因素较多，PTP对时方式相对于IRIG-B方式并没有优势。

随着电站数字化、智能化的不断发展，现地智能设备的不断增加，将有更多的辅助系统对时需要。在智能设备选型、设备升级改造时，均需考虑具备与GPS/北斗对时系统对接，以实现统一的授时服务。

4、结语

糯扎渡电厂经过对时系统的改造及优化，完善了集控中心至各电厂统一的GPS/北斗对时网络，提高了电厂与集控间时钟同步精度，扩大了对时设备范围，增强了对时系统扩展能力，极大地解决了上送监控系统的数据时钟混乱的现象，保障了监控系统的数据准确性，对设备的故障分析、判断提供了可靠的依据，随着各二次系统的陆续接入，糯扎渡电厂将建成全厂统一的自动化系统对时平台提供了条件。

参考文献：

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[3]姜相东，李伟等.白山发电厂时钟统一对时系统建设[J].水电站机电技术，2011，34（6）：31-33.