京准电钟 基于卫星的时间同步系统设计与应用

京准电钟 | 基于卫星的时间同步系统设计与应用
京准电钟 | 基于卫星的时间同步系统设计与应用

京准电子科技官微——ahjzsz

摘要：目前，火力发电厂自动化控制水平越来越高，而时钟的统一、高精度的时间同步可保证自动化控制系统的安全性和精准性。某电力单位采用基于天文时钟基站的时间统一系统，该系统由主时钟系统、扩展箱、对时精度监视系统等设备组成。时间统一系统只设立一套主时钟，通过多个扩展箱实现全厂自动化设备的时间统一，不仅为整个二次系统提供1个高精度、高可靠性的时钟基准，还使得二次设备可靠性大幅提高，同时为电厂带来良好的经济效益。

引言

近几年，火力发电行业自动化控制水平在不断提高，其中自动化设备、保护及安全自动装置起着重要的作用。如何提高这些设备安全、稳定运行的能力，对电力企业的安全发展起着重要作用。发电厂的安全自动装置及分散控制系统、故障信息采集系统、远动系统等自动化设备所采集、计算和传输的各种数据时刻在变化，如果没有时间的统一和高精度的授时，就无法保证自动化控制系统中信息的准确性。某发电公司采用基于天文时钟基站的时间统一系统，实现了全厂时间的统一，既提升了自动化控制水平，又强化了各自动化设备安全运行的管控能力。本文即对该公司的时间统一系统的设计及应用情况进行介绍。

1、天文时钟基站设计背景

该公司装机容量为8×600MW，分为4个单元，每个单元2台机组，并有500kV升压站的1、2号网控楼和220kV变电站网控楼。厂站内自动化设备、安全自动装置采用国内外不同厂家的设备，但时钟系统各异，500kV变电站1号网控楼电子间的对时系统采用某型号标准时间同步钟，2号网控楼和220kV变电站网控楼电子间的对时系统采用某品牌系统，各机组依靠该时钟系统。由于厂站内对时系统由多个系统组成，每个系统的对时不统一，造成各设备之间的时间无法统一，不能满足各自动化设备安全运行管理能力的要求以及事故分析处理的需要。因此，需要采用高度精确的同步时钟系统作为基础，以统一全厂的对时系统。

京准卫星时钟服务器主机

2、时间统一系统的组成

基于天文时钟基站的时间统一系统由主时钟系统、扩展箱、对时精度监视系统等设备组成。该系统的主时钟系统安装在1号网控楼电子间，全厂所有设备的对时脉冲均由该主时钟发出，通过光纤分别传输给1—4单元组电子间、2号网控楼电子间及220kV变电站网控楼电子间的扩展箱，然后通过各扩展箱为区域内设备对时，从而实现全厂时间的统一。

2.1 主时钟系统

天文主时钟系统采用双时钟主备冗余配置方式接收2种卫星对时：一种是GPS卫星对时，它由漂亮国国防部研制、设计，采用高准确度的时间传递接收机，运用卫星跟踪算法给出精度更高的实时时间，时间同步精度1μs；另一种是北斗卫星对时，它由我国自主研发，不受他国的控制和限制，其可用性、可依赖性和安全性更有保障，它同时跟踪3颗北斗卫星，具有高精度的授时性能及完备的自主监测功能，时间同步精度优于1μs。两种对时方式通过冗余切换箱完成双时钟信号的冗余切换输出，并将信号传至各扩展箱。

2.2 扩展箱

1—4单元电子间、1号和2号网控楼电子间、 220kV电子间的二次设备所需时钟信号均从对应的扩展箱直接输出，主时钟系统与各扩展箱的时钟信号传递通过光纤通信方式完成。各扩展箱通过板件可以输出NTP、PTP、1PPS、1PPM、1PPH、RS232、RS485、 IRIG-B、DCF77等多种对时方式，然后根据各继电保护装置的需要分别送出。

2.3 时钟精度监视系统

时钟精度监视系统包含HR-901GB时钟同步实时监测系统、电力专用纵向加密认证网关系统、通信及数据处理装置等设备。

2.3.1 时钟同步实时监测系统

时钟同步实时监测系统适用于 时钟状态监测，时钟时间精度监测及保护、测控、故 障录波、PMU、监控系统等被授时设备接收时间的监测。通过该设备的实时监测功能，实现了对厂站 端时钟系统的监测与管理，如时钟数据采集和处理、状态监测、时间精度及延迟检测、对比考核、告 警处理等功能。

2.3.2 电力专用纵向加密认证网关系统

电力专用纵向加密认证网关用于安全区Ⅰ/Ⅱ的广域网边界防护，其主要作用：

一是为本地安全区Ⅰ/Ⅱ提供1个网络屏障，类似包过滤防火墙的功能；

二是为网关机之间的广域网通信 提供认证与加密功能，实现数据传输的机密性、完 整性、不可抵赖性。电力专用纵向加密认证网关系统采用软件、硬件相结合的安全措施，在硬件上使用数字加密卡实现数据的加密和解密及签名和认证；在软件上，采用综合过滤、访问控制、动态密钥协商、非对称加密等技术实现电力专用加密隧道功能，消除了调度自动化系统与当地管理信息系统 （MIS）或因特网之间直接互联（或无缝连接）对电网安全运行构成的隐患。

2.3.3 通信及数据处理装置

前置机的SOE变位信息需上传至TMU装置，进而判断时钟的准确性。但早期生产的测控装置的信号无法接入TMU装置，所以需经过1个可以融合新老信号的装置，即通信及 数据处理装置。通信及数据处理装置中强大的数据处理能力、灵活的通信配置、细致的信息提示以及多样的监测手段，使它能够快速、准确、便捷地实现不同设备之间的通信。它还具有友好的设置界面，可针对不同工程进行灵活设置，满足不同需要；还具有监视界面功能，可实时监视系统运行。通过装置上的液晶显示装置可以查看设备的运行信息与状态。

3、时间统一系统设计原理

时间统一系统的设备整体配置结构见下图：

 

3.1全厂站对时统一原理

通过双时钟冗余切换箱， 将2种时钟信号切换后的时钟脉冲通过光纤传至各电子间内的扩展箱，再通过各扩展箱分别为所属的保护装置对时，从而实现全厂继电保护装置的时钟统一。

3.2 对时精度监测原理

厂站时钟设备与被授时设备之间的授时和接收过程的正确与否，可采用时钟系统内部的节点脉冲以正点变位方式输出信号来判别。自动化设备基本上均具备遥信位输入功能，将脉冲信号接至被授时设备的遥信位上，促使其产生SOE变位时间，SOE变位时间记录通过标准协议由自动化设备输出至时钟监测装置，然后通过时标比较测出SOE报文传送的变位时间与时钟系统设定的节点脉冲变位时刻之间的时间差，即可监测到授时设备与被授时设备 的时间传递状况。监测记录数据上报中心站并按接收序列存入相应的数据库内，供时钟监测系统处理。

3.3 华北网调主站与各场站

子站的数据上传原理子站涉网设备的SOE变位信息从子站TMU装置发出， 通过调度数据网上传至国家电网公司华北分部主站TMU装置，主站TMU装置通过对比各子站上传的信息来判断子站的时钟是否正常运行。

数据网光纤通道的网络结构如下图所示。

 

3.4 双机冗余系统切换原理

现大多数对时系统采用单台的GPS同步时钟，虽然设备精良、对时准确度高，但是由单台GPS对时装置构成的对时系统可靠性不高，一旦出现故障， 将导致所有授时设备失去时钟同步。本次设计方案中，采用的时钟统一系统由北斗对时系统和GPS对时系统构成，双机同步运行，经GPS/ BD双机冗余系统切换后输出高精度的授时信号，大大提升了时钟系统运行的可靠性。

主机A、B双机同时接收GPS时钟和北斗卫星时钟送来的信号，机内所带单片机对其串行数据进行接收检查，通过对比选择1台较好的 时钟信号经数据选择电路输出。通常切换器后面 板上以GPS输入1为主、GPS输入2为次。本系统中 GPS时钟信号接入切换器的GPS1输入，北斗时钟信 号接入切换器的GPS2输入。

（1）当GPS、北斗对时时钟及切换器A、B均正 常工作时，系统选择GPS对时时钟通过切换器A机 输出。

（2）当GPS、北斗卫星对时时钟其中1台异常， 切换器A、B均正常工作时，系统自动选择正常工作 的那台对时时钟通过当前的主切换器输出。

（3）当GPS、北斗卫星对时时钟均正常工作，切 换器A、B其中1台异常时，系统自动选择GPS对时 时钟通过正常工作的那台切换器输出。

（4）当GPS、北斗卫星对时时钟其中1台异常， 切换器A、B其中1台异常时，系统自动选择正常工 作的对时时钟通过正常工作的切换器输出。

（5）当切换器A、B均异常工作时，无输出。

（6）当GPS、北 斗 卫 星对时时钟均异常但有时 钟信号输出，切换器A、B 中有1台正常工作时，系统 仍有时钟信号输出。

 

4、设备配置及对时方式选择

4.1 设备配置

（1）原对时系统中已 存在的对时电缆不再重新 敷设；未安装对时系统的 设 备，将 新 敷 设 对 时 电 缆。此外，从1号网控新增 屏柜到1—4单元电子间、2 号网控楼电子间、220kV 升压站网控楼电子间的对时屏新敷设光缆并增加 光纤熔接盒，为远距离传输对时信号做准备。

（2）在1号网控楼电子间新增1面屏柜安装天 文时钟基站对时系统，包括GPS对时时钟、北斗卫星 对时时钟、扩展箱、通信控制器、TMU等。 GPS、北斗卫星对时时钟安装完成后，调整天线 位置，使时钟正确接收卫星对时信号。2个主时钟 收时正常后，经过冗余切换装置切换出1个统一时 钟对外输出，通过光纤分别送至1—4单元电子间、2 号网控楼电子间、220kV升压站网控楼电子间新安 装的扩展箱。检查各扩展箱面板上显示时钟是否 正确，若时钟正确，说明已完成与主时钟的通信。

（3）新增通信控制器1台，用于接收 测控装置送出的时钟变位SOE信息，并完成与TMU 装置的通信。

（4）新增TMU装置1台，TMU装置采集的所有信号（包括所有主变压器及线路的测控装置的对时 SOE变位信息）传至调度数据网，经过纵向加密认证网关系统的非实时子网上传至路由器，然后上传给华北网调的主站TMU。通过与华北网调的时钟主站对比来判断各电厂涉网设备的时钟准确性。

4.2 自动化设备的主要对时方式

该电力公司的高精度时间统一系统投入应用后， 自动化设备采用以下几种对时方式。

4.2.1 无源脉冲对时信号

利用硬件逻辑设计并以跳变信号沿作为时间同步原理，对时信号使用硬接点方式输出，准时刻跳变，这种对时方式只能传递秒、分同步信号，主要应用于500kV升压站线路及断路器保护装置、220 kV变电站线路及断路器保护装置、各机组电子间发变组保护装置等。

4.2.2 IRIG-B格式对时

IRIG-B格式时间码为国际通用时间格式码，用于各系统的时间同步。其主要优点是携带信息量大，分辨率高，校准速度快。该对时方式主要应用于各机组电子间由GE公司生产的启动备用变压器保护装置、网络监控系统和测控装置等。

4.2.3 串行通信对时方式

各装置对时信息以串口报文形式接入，包括年月日时分秒信息。该对时方式主要应用于网控及各机组电子间前置机。

4.2.4 网络对时（NTP/PTP）

各装置的同步时钟信号采用以太网通信方式 接口接入。该对时方式应用于1—4单元分散控制 系统及SIS系统。

5、应用效果

针对该电力公司存在的设备之间时钟不统一的问题，采用基于天文时钟基站的时间统一系统，并将其运用于生产现场，实现了该电力公司8台机组及3个网空楼内各自动化设备时钟的统一。电力系统二次设备实现时钟统一后，不仅为整个二次系统提供了1个高精度、高可靠性的时钟基准，还使得二次设备可靠性大幅提高，缩短了维护时间，提高了电力系统安全管理水平。

另外，在机组发生故障时， 可以快速分析故障原因，大大减轻了运行人员的劳动强度，增加了电厂及电网的经济效益和社会效益。

审核编辑 黄宇