关于AP1000核电厂时间同步系统的方案研究

陈红艳 李亮亮 王玉东

（1. 国核电力规划设计研究院，北京 100095；2. 国网北京经济技术研究院，北京 102209）

关于AP1000核电厂时间同步系统的方案研究

陈红艳1李亮亮1王玉东2

（1. 国核电力规划设计研究院，北京 100095；2. 国网北京经济技术研究院，北京 102209）

随着AP1000核电技术的引进，我国已建AP1000海阳、三门核电站。核电站作为电力系统非常重要的电源点，其安全稳定运行对电网具有非常重要的意义。时间同步系统作为AP1000核电站通信子系统之一事引进西屋设计方案，经梳理分析发现该方案不完全适合我国电力系统需求，在今后的运行过程中也会存在一定问题。针对这一现状，笔者通过对目前AP1000核电站时间信息需求、系统的构成分析等，查找存在问题，在汲取我国电网500kV及以上变电站时间同步系统设计理念的基础上，提出AP1000核电站时间同步系统组网的全新设计理念，以便彻底解决目前AP1000核电站时间同步系统所存在的薄弱问题，为核电站内各类控制系统提供可靠保证。。

AP1000核电站；时间同步系统；GPS；北斗

山东海阳核电项目是中国三代核电自主化依托项目，是引进美国西屋公司设计的 AP1000核电技术。一期工程共建设2台机组，计划于2014年投产。其中时间同步系统作为 AP1000核电站站内通信子系统之一，不仅向厂区内各生产区域所设置的子钟提供时间信号，同时还向区域内相关的自动化、远动控制、继电保护等装置和系统提供必要的时间同步信息。核电站作为电源点，其时间同步系统对外与电网调度侧保持一致，对内利于全厂各相关控制系统及调度、生产管理系统稳定运行，目前在建的AP1000海阳一期及三门核电站均配置有时间同步系统，便于核电站正常运行或事故状态下的综合分析，对电站安全稳定运行、避免事故隐患有着极其重要的作用。

本文针对在建的海阳核电一期时钟同步系统进行分析、论证，并借鉴电力系统时钟同步系统的设计理念，提出全新的 AP1000核电站时钟同步系统设计方案。

1 电力系统时间同步系统构成

1.1 系统组成方式

根据电力行业标准要求，时间同步系统有多种组成方式，其典型方式为基本式、主从式、主从主备式三种。

1）基本式

基本式时间同步系统由1台主时钟和信号传输介质组成，详见图1。

图1 基本式时间同步系统

2）主从式

主从式时间同步系统由1台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，详见图2。

3）主从主备式

主从主备式时间同步系统应由2台（及以上）主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成，详见图3。

图3 主备式时间同步系统

针对上述三种方式，大型发电厂及500kV变电站及有条件的场所宜采用主从主备式时间同步系统，以提高系统的可靠性。

1.2 输出信号

1）脉冲对时

脉冲对时也称为硬对时，是利用脉冲的准时沿（上升沿或下降沿）来校准授时设备。常用的脉冲对时信号有秒脉冲（1PPS）、分脉冲（1PPM）、时脉冲（1PPH）。

脉冲对时的优点是精度高，适应性强；缺点是只能校准到秒，其余数据需要人工预置。

2）串口报文对时

也称为软对时，是利用时间数据（年、月、日、时、分、秒）按一定的格式，通过串口发送给授时装置，授时装置利用收到的数据预置内部时钟。常用的串行接口有RS232、RS422、RS485。

串口报文对时的优点是数据全面，不需要人工预置；缺点是精度低，报文的格式需要通过调试端口提前设定。

3）时间编码方式对时

在实际应用中我们也可以采取两种对时相结合的方式，即串口+脉冲。这种方式的缺点是需要传送2个信号。为了解决这个矛盾，采用国际通用时间格式码，将脉冲对时的准时沿和串口报文的时间数据相结合，构成脉冲串来传输时间信息。授时设备可以从脉冲串中解析出准时沿和时间数据。这就是常用的IRIG-B码，简称B码。

时间编码方式的优点是数据全面，对时精度高，不需要人工预置；缺点是编码复杂。B码对时又分为直流差分B码、直流TTL B码、正弦调制交流B码。

4）网络方式对时

网络方式对时基于网络时间协议（NTP）、精确时间协议（PTP）。目前，简单网络时间协议（SNTP）应用较多。网络时间传输的是以1900年1月1日0时0分0秒算起时间戳的用户数据协议（UDP）报文，用64位表示，前32位为秒，后32位为秒等分数。网络中报文往返时间是可以估算的，因此采用补偿算法可以达到精确对时的目的。网络授时方式可以为接入网络的任何系统提供对时，其中NTP授时精度可以达到50ms，PTP授时精度可以达到1μs，SNTP授时精度可以达到1s。

网络方式对时的优点是基于网络的，物理实现方便；缺点是高精度补偿算法复杂。

四种对时方式各有优缺点，目前电力系统应用比较广泛的是以B码和网络对时为主。

1.3 系统运行方式

时间同步系统有独立运行和组网运行两种方式1）独立运行方式

各发电厂、变电站、电网调度侧的时间同步系统均不组建时间同步网，各站点的时间同步系统仅依靠GPS、北斗无线方式独立运行。

这种组网方式目前变电站、发电厂普遍采用的方式。

2）组网运行方式

随着电网自动化程度日益提高及智能电网的建设要求，统一精确的时间是保证电网安全稳定运行，提高运行水平的一个重要措施。因此各省电网均在致力于研究时间同步系统组网的运行方式。

即将各站时间同步系统接入统一的时间同步网。各站时钟设备除接收无线时间基准信号之外，还能接收上一级（调度端）时间同步系统下发的有线时间基准信号。两类时间基准信号经输入比对后提供给时间服务器，正常时无线时间基准信号作为系统的优先授时源；当无线时间基准信号受到干扰或异常时，以有线时间基准信号作为系统的授时源。

2 在建AP1000海阳一期时间同步系统

2.1 信息需求

核电站站内时钟同步系统除向核电站厂区内各建筑中布置的子钟提供时间信号外，还应同时为核电站内各种控制系统及相关设备提供统一的时间基准信息，满足其对时间同步的要求。

核电站内需要对时的装置：全厂范围子钟；常规岛：发电机、励磁变、主变、引线、厂用变压器等保护，保护管理机、故障录波装置、同步相量测量、保护录波信息管理子站、励磁系统、主厂房通风系统PLC控制、凝结水精处理系统PLC控制和同期装置等；BOP：NCS系统、行波测距、线路保护、线路断路器、母线差动保护、线路保护故障录波装置、保护故障信息子站、同步相量测量装置（PMU）、远动终端、除盐水处理系统PLC控制、电解海水制氯系统PLC控制、非放废水处理系统PLC控制、海水淡化系统PLC控制、常规岛及BOP闭路电视系统等。

时间信号准确度：根据装置不同要求分别为1s、1ms、1μs等。其中对时精度要求最高的为同步向量测量装置（PMU），时间精度要求优于1μs。

时间信号接口方式：RS485串口对时报文、直流TTL B码、SNTP、NTP等。

目前核岛部分只在时间服务器上配置各类输出板卡1块，预留接口。

2.2 系统构成

目前在建海阳核电一期时间同步系统采用的是单元机总体设计。即：全厂按核岛+常规岛方式分别组织两套相互独立的时间同步系统，且各系统只向本区域核岛、常规岛内的装置提供时间信号。每套时间同步系统均由无线主时钟、时间/时钟服务器、二级母钟和子钟构成，系统内部采用主从式结构，两套时间同步系统分别布置在1#核岛和2#核岛，具体配置如下。

1#时间同步系统负责向1#核岛、1#常规岛、BOP及厂前区建筑物提供时间信号。由于1#时间同步系统所需覆盖区域较大，本期配置1套GPS主时钟、3套二级母钟和4套时间服务器。GPS主时钟安装在1#核岛辅助厂房内，3套二级母钟分别布置在1#常规岛主厂房、网控楼继电器室和运维大楼，并按区域负责向周围建筑物内设备提供时间信号。另由于网控楼内的网络控制系统（NCS）和同步向量测量装置（PMU）对时间信号的精度要求较高（PMU系统要求时间信号精度优于1μs），为了能提供稳定且高精度的时间信号，其装置又自配GPS+北斗双无线卡的主时钟，并以无线方式为主。在核电厂时钟系统整体投运后，当精度达到NCS、PMU要求的情况下，可通过网控楼继电器室配置的二级母钟接受来自1#核岛主时钟的时间信号。

2#时间同步系统主要负责向 2#核岛和 2#常规岛提供时间信号，本期配置1套GPS主时钟、1套二级母钟和1套时间服务器。主时钟放在2#核岛辅助厂房内，二级母钟放在2#常规岛主厂房北电子设备间内。

各系统GPS主时钟与二级时钟之间通过厂内各建筑物间敷设的光缆连接。

海阳核电（AP1000）一期时间同步系统结构详见图4。

主时钟：主时钟是整个时钟系统的中枢部分，其精度及稳定性很大程度上决定了整个系统的可靠性，一期工程在核岛及网控楼均有设置。为了保证其可靠性，主时钟按三重时间源（核岛：1+2配置：1个GPS接收模块+2个晶振模块；网控楼：1个GPS接收模块+1个北斗接收模块+1个晶振模块）冗余配置，三个模块同时运行，当一个或两个模块发生故障时，不影响其他模块正常运行，各个模块均具有自检功能，发现故障可立即报警。主时钟接收来自GPS卫星提供的基准时间，获得标准的UTC时间，并产生精确的标准同步时间码，提供给时间/时钟服务器和控制管理终端；当设备接收GPS信号时，GPS信号精度可以达到10-12，主时钟输出信号精度优于10-6；当GPS卫星信号出现故障时，主时钟将依靠自身高稳定恒温晶振模块独立运行，以最后一次收到的正确 GPS时标信号为守时基准，继续对时间/时钟服务器进行校时，同时发出“GPS故障”的报警信息，主时钟具有自走时功能，守时误差为0.92μs/min。

图4 在建AP1000时间同步系统结构图

二级母钟：二级母钟接收来自主时钟提供的标准时间信号，将自身的时间信号校准，并通过网线或光纤将时间信号发送给时间/时钟服务器和控制管理终端。为保证系统的稳定性，二级母钟也设计为三重时钟源（2+1配置：2个外部信号接收模块+1个晶振模块）冗余配置，三个模块同时运行，其中一个或两个模块发生故障，不影响其他模块正常运行。当有来自上级母钟的时间信号输入时，二级母钟可以产生精度优于10-6的时间频率基准信号，当失去主时钟信号输入时，二级母钟也具有自走时功能，守时误差为0.92μs/min。

时间/时钟服务器：时间/时钟服务器接收来自上级母钟的时间信号，扩展输出各种标准时间信号，为下级母钟及其他系统主机或装置提供多制式的同步时钟信号。时间/时钟服务器在失去上级母钟同步信号输入或发现异常时间数据时可关闭输出端口。时间/时钟服务器通过多种输出卡可提供串行码（RS232、RS485/422）、脉冲信号(PPS、PPM、PPH、PPD)、B码（直流差分B码、直流TTL B码、正弦调制交流B码）、MOSFET空接点、NTP、SNTP等多种格式的时间信号及频率信号，现场根据需求配置板卡以输出不同类型的时间信号。

子钟：安装在生产厂房及办公区域，作为时间信息显示单元，为各区域工作人员提供精准的时间信息。正常工作状态下，子钟经由时间/时钟服务器自动接收来自二级母钟的标准时间信号作为校时信号，对自身时间进行校准后进行正确显示。异常情况下，子钟与二级母钟通信中断后，子钟仍能采用自身晶振产生的时间信号独立运行。

3 海阳核电一期时间同步系统存在问题分析

通过对海阳一期时间同步系统的需求分析可以看出，核电站内保护、远动、控制等各系统对时间同步系统的依赖性非常高，对时间精度的要求也较高，尤其PMU系统对时间精度的要求优于1μs，因此提高时钟同步系统的整体稳定性是十分必要的。我们对海阳核电一期工程时间同步系统进行系统梳理和分析钟发现其存在以下不足之处，即：

1）系统结构单一。虽然在一期工程同时布置了两套时间同步系统，且系统完全能够覆盖整个厂区，内部也是主从式结构。但是两套系统之间却是完全独立运行没有形成内部整体的时间同步网，即在结构上不能构成互备方式。虽然这些GPS接收机具备基本的时间接收和输出功能，但是由于没有接收上级时钟装置以及系统不能互为备用，一旦某个GPS主时钟发生故障或受到外界干扰，将造成核电站站内各独立系统之间的时间误差或混乱，结果是其一无法实现站内的时间统一基准，其二无法与电网调度端的时间统一基准，将给核电站的生产运行带来一定的影响。

2）系统划分不尽合理。1#时间同步系统覆盖了1#核岛、1#常规岛、厂前区及 BOP，覆盖范围超过整个厂区的 70%；而 2#时间同步系统仅覆盖了 2#核岛和2#常规岛。如果1#时间同步系统发生故障，厂前区及BOP的运行将会受到影响，进而影响到整个核电站的正常运行。

3）时间接收源单一。目前除网控楼的时钟无线输入信号为两路外，一期工程整体时钟同步系统均只配置 1路 GPS无线信号，时间源过于单一。当GPS信号受到外界干扰、关闭或板卡出现故障时，虽然可以依靠设备自带晶振短时内保持高精度信号输出，但长时间没有外部时间信号输入的话，势必会形成累计误差，影响时间精度要求，无法满足核电站正常运行的需求。

4 AP1000核电站时间同步系统改进方案

基于上述分析，在核电站内建设统一的时间同步网络，即可实现站内所有生产、调度管理及控制系统均运行在统一的时间基准下，并在事故发生后，通过每个开关动作、调整的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。因此说统一精确的时间同步系统是保证核电站安全稳定运行，提高运行水平的一个重要措施。为使后续建设的 AP1000核电站时间同步系统运行更加安全，结构更加合理，我们结合海阳核电一期工程，从系统组网和信号接收两个方面提出改进后的设计方案。

1）系统组网

在核电站内建设统一的时间同步系统，并组网形成主备式时间同步系统。具体方案：配置2套主时钟，分别布置在1#核岛和网控楼。主时钟互备且对区域内所有二级钟输出信号，形成主时钟互备、二级钟两路输入的组网方式。

考虑到网控楼内 PMU系统对时间精度要求较高，且楼内安装的系统远动及线路保护等装置与电网侧连接要求的基准时间在精度上保持一致，为了减小信号传输中所产生的误差，提高时间信号的精度和稳定度。将网控楼的二级母钟升级为主时钟，将2#核岛主时钟改为二级母钟，2#核岛与2#常规岛的时钟由主从方式改为平行方式，均设为二级母钟。

1#核岛主时钟与网控楼的主时钟互联构成互为备用，当任何一套主时钟发生故障时，仍然可以接收来自另一套主时钟的时间信号，极大地增加了系统的安全性及可靠性。

将系统由目前单一主从式改为主从主备式，每套二级母钟保证两路输入，即同时接收来自1#核岛和网控楼的主时钟信号，大大提高二级母钟的可靠性。

2）信号接收

在海阳核电一期工程中，主时钟只配置了1路GPS输入信号，为了防止外来信号干扰以及无线接收板卡故障等原因造成的长期自由振荡，增强系统可靠性和安全性，无线输入板卡应采用冗余配置且为不同授时源，即GPS+北斗。另外，考虑到核电站作为电源点与电力系统联接，在核电站内部时钟同步基准统一的基础上应与接入电网的时钟系统保持一致，以利于系统发生故障后进行判别，特提出在网控楼主时钟内增加1路能接收来自电网侧的有线时间信号源。在主时钟正常情况下，跟踪本站GPS、北斗基准源提供的IRIG-B（交流B码）时间信号；当非常时期卫星不可用或无法接收无线时间信号时，跟踪电网侧通过传输网络或调度数据网传送的DCLS（直流B码）时间信号或经数据网传输的NTP信号，并以有线基准信号作为系统的授时源与电网保持时间同步。

另在主时钟晶振板卡的配置上应配置1块晶振板卡、1块铷钟板卡，以提高其短稳和常稳性能，提高系统的稳定性和输出时间精度。

在站内各区域时间信号传输的过程中，为了减少失真对信号造成的影响，主时钟和二级母钟间应采用光纤传输通道以及对时间同步准确度影响比较小的DCLS（直流B码）信号。

改进后的AP1000核电站时间同步系统如图5。

5 结论

时间同步系统作为 AP1000核电站厂内通信子系统之一，负责向厂区内子钟及相关控制系统等装置提供高精度的时间同步信息，其系统的安全性和稳定性对核电站安全运行具有十分重要的意义。本文结合在建 AP1000海阳一期核电项目，对时间同步系统做出了翔实的分析、论证和研究，结合电力系统比较先进的设计理念提出全新的设计方案，该方案对于后续其他 AP1000核电项目的建设具有十分重要的指导意义。

[1] 雷霆, 李斌. 220kV变电站GPS时间同步系统实现技术[J]. 电力自动化设备, 2007(11).

[2] 孙娜, 熊伟, 丁宇征. 时间同步的研究与应用[J]. 计算机工程与应用, 2003(27): 177-185.

[3] 高厚磊, 厉吉文, 文峰. GPS及其在电力系统中的应用[J]. 电力系统自动化, 1995(9): 18-20.

[4] DL/T 1100.1—2009电力系统的时间同步系统第1部分：技术规范.

Research on Time Synchronization System for AP1000Nuclear Power Plant

Chen Hongyan1 Li Liangliang1 Wang Yudong2
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research lnstitute, Beijing 100095;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209)

China has built Haiyang and Sanmen nuclear power plant of AP1000.The security and stability of nuclear power plant has very important significance for the Grid. As one of the communication subsystem in AP1000nuclear power plant, the time synchronization system is designed by Westinghouse corportation，which is not suitable for China’s electric power system requirements. So we propose a new design for time synchronization system to solve these problems, and provide a reliable guarantee for the various control system in the nuclear power plant.

AP1000nuclear power plant; time synchronization system; GPS; beidou navigation satellite system

陈红艳（1962-），女，山东日照人，高级工程师，从事电力系统通信设计及项目管理。