高精度同步时钟授时系统在抽水蓄能电厂的应用

黄 鹏，龙福海，王 涛

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 引言

众所周知，在当今社会，时间所扮演的角色是多么的重要。同样作为对时工具的同步时钟，在电力行业这个保障民生的行业中，其对时系统的高精度、高智能化，在支撑电站的正常运行中，同样是有着举足轻重的作用。同步时钟，顾名思义就是具有高精度本振时钟信号的可以对外接需要对时、守时的设备提供满足其时钟对时、守时精度的一套授时设备。目前主流的对时系统有GPS时钟对时，北斗时钟对时以及高精度同步时钟对时系统，其中高精度同步时钟主要有铷原子钟、铯原子钟。目前这些主流对时系统都比较成熟可靠，其对时精度也能满足大部分客户对精度的要求。基于河北省调度对电厂侧同步时钟稳定可靠的要求，经过我厂的综合考虑，铷原子钟作为备用时钟，其精度、可靠性及经济效益能满足相关要求，因此我厂采用以铷原子钟为本振时钟的同步时钟设备，与GPS时钟、北斗时钟组成深度冗余配置，统一接入HUAWEI Optix OSN 2500系列产品的SDH设备时钟输入板卡上。

2 电站原有通信设备介绍

张河湾电厂是一座日调节型的抽水蓄能电站，以一路500 kV线路经廉州变电站接入河北南部电网。张河湾-许营光传输电路，共设张河湾、许营2个光通信站，传输速率为622 Mb/s，设备采用SDH制式，线路侧光接口采用1+1配置。承载省网SDH数据传输的主要任务，通过2 M数字中继线与河北省调综合数据网二平面相通。

张河湾光传输设备为HUAWEI Optix OSN 2500系列产品，部署于副厂房7楼通信设备室SDH1号设备柜内，主要由增强型子架、SL4单板、ETF8单板、D75S单板、PQ1单板、CXL4单板、SAP单板及电源和散热模块组成，配备双风扇、双路供电以提高可靠性。

3 改造背景及可行性

张河湾Optix OSN 2500光传输设备目前没有外接时钟晶振为设备提供高精度的同步时钟信号，其自身配备的晶振仅能在时钟信号丢失的情况下维持48 h的时钟保持，且精度不足，若省公司时钟信号丢失则我公司设备将处于自由震荡状态，可能会导致网络中断，给公司业务的安全稳定运行带来很大的安全隐患。因此急需增设一套外部精准时钟对时设备。

目前主流的时钟对时方法主要有GPS时钟对时、北斗时钟对时及本地高精度同步时钟授时系统对时方式。我厂通信设备采用的对时方式在改造前采取跟随电力干线网的时钟信号对时系统。但调度对于电厂间的信息通信的可靠性提出了更高的要求，当主对时系统故障或中断时，要求依然能保证调度与电厂间的正常通信，因此需增加一套为通信设备提供高精度对时、守时的本地同步时钟系统。因GPS、北斗时钟受卫星、天线及极端恶劣天气影响，经综合考虑，我厂采用的是以铷原子钟为本振的同步时钟来实时跟踪河北省电力公司骨干传输网时钟基准信号，并与河北省电力公司侧的时钟精度保持一致，GPS时钟信号作为后备时钟的多重冗余同步时钟授时系统。以期在其他时钟信号丢失的情况下，依靠铷原子钟的时钟信号，与河北省电力公司保持正常的通信业务。

4 同步时钟增设过程

光通信设备本身具备一旦外部时钟源丧失时，利用其设备内部时钟维持系统运行的能力。但自身配置的同步时钟精度及可靠性不满足长时间运行情况下对精度偏移的要求，因此我厂SDH设备配备2个外同步时钟输入接口和1个外同步时钟输出口，各接口特性符合ITU-T建议G.703中的相关要求。其时钟输入来源由以下3种：

（1）2 048 kb/s或2 048 kHz同步时钟输入，我厂主要采用2 048 kb/s。因为河北省网的局内定时分配原则为：BITS的定时输出有2 048 kb/s和2 048 kHz两类，以2 048 kb/s时钟信号为首选[1]。

（2）从STM-N信号中恢复授时信号。

（3）从支路信号中提取授时信号[2]。

我厂同步时钟改造前，时钟信号跟随电力干线网的时钟信号占用其中1号外部同步时钟接入接口。另一时钟接入接口为备用接口。改造新加装的高精度铷原子钟自动授时系统利用之前剩余的备用接口接入2号外部时钟接入接口。铷原子钟设备采用型号为TimeProvider 1000ETSI的“泰坦时钟”。

该时钟采用特殊设计，将输入、输出、和时钟功能集合在一个板卡上，方便将来进行扩容。该时钟的子架仅需要3个模块：两个输入、输出、时钟模块（IOCS）和一个信息管理模块（IMC），用来提供通信/告警接口。

TimeProvider设计采用Symmetricom公司的SmartClock技术，IOCs内置的振荡器性能超群，准确度高。采用智能硬件算法，SmartClock在锁定参考信号时学习时钟老化的过程并将这些信息记忆存储。当参考信号失效时，SmartClock利用存储的数据补偿频偏的变化确保TimeProvider输出高度稳定的同步定时信号。其系统框图如图1所示。

图1 系统框图

“泰坦时钟”设计精度满足省网对于SDH设备时钟精度的要求。即：

（1）SDH设备时钟的定时要求不劣于ITU-T建议G.813的要求。

（2）SDH设备时钟应保持24 h以上不劣于±0.37 ppm，使业务不受损伤。

（3）时钟带宽：SDH设备时钟带宽应处于1～10 Hz范围内。

（4）最小频率牵引和失步范围均应为±4.6 ppm。

当选定的定时基准丢失后，我厂SDH设备能自动地转换至另一定时基准输入。并且具有定时基准的自动恢复能力和手动恢复能力，在有效定时的情况下，自动恢复应在10～20 s范围内切回。“泰坦时钟”一直处于热备用状态，实时跟踪来自河北省电力公司骨干传输网时钟基准信号，并与基准信号时钟频率保持一致。

“泰坦时钟”的时钟模块（IOC）在输入基准参考时钟有效的情况下，会经历以下工作过程来进行授时：

预热——加电后，IOC预热需要20 min左右。

快锁——预热完成，IOC进入快速锁定状态。

正常锁定——IOC快速锁定完成后，即进入正常锁定模式。如果设定在SSU模式，并且锁定外部可用的基准参考源（PRS）后，TimeProvider输出满足G.811和GR-2830-CORE标准。

保持——如果参考信号失效，时钟即进入保持模式。保持时TimeProvider输出的准确度取决于IOC内部振荡器的质量等级。

自由运行——如果IOC加电后没有输入参考，TimeProvider在预热完成后即进入自由运行状态。如果参考时钟有效可用，TimeProvider即进入快速锁定并最终进入正常锁定状态。

“泰坦时钟”电源为双电源供电方案，电源一路取自电厂厂用电交流电源，另一路取自电厂通信系统专用直流UPS电源，其直流UPS电源在全厂停电的状态下满足稳定供电大于48 h的设计需求，双路电源设计大大提高了供电可靠性。

5 总结

我厂高精度同步时钟经过实际测试，各项指标性能满足预期要求。通过这次改造，电厂与省网之间的通信传输可靠性得到了进一步加强。在保证电站稳定可靠运行以及保障民生用电的道路上又迈出了坚实的一步。