深圳抽水蓄能电站同步时钟系统应用研究与实践

沈 燕，李 毅，马 程，李重阳，万 波，胡文兴

(深圳蓄能发电有限公司，广东 深圳 518115)

0 引 言

抽水蓄能电站机电设备种类繁多，整个电站计算机监控以分层分布方式构建，并具有高度的自动化控制水平。在日常的启停控制过程中，各系统需要相互密切配合，协同完成预定的任务。同时，集中控制和管理又需要将分布分散的多个控制系统用统一的时钟进行同步，以达到在事件顺序中相对准确记录信号或动作的先后及其对应时点的要求。正是在这一技术背景下，深圳抽水蓄能电站(以下简称“深蓄电站”)启动同步时钟系统建设工作，并通过同步时钟系统，将深蓄电站与深圳中调、南网总调建立起协调统一的时钟。

2019年4月6日，美国全球定位系统(GPS)周计数翻转事件给我国电力系统带来了严峻考验和深刻教训，单一GPS时钟系统存在不可控的安全风险。南方电网对数字化变电站要求为：“站内应设置2套冗余主时钟，可采用GPS或北斗卫星作为标准时钟源，其中1台必须为北斗卫星时钟系统[1]”。深蓄电站作为一个新建电源项目，同步时钟系统经过结构方案比选、设备造型、与各控制系统同步方式等多层次、多轮次的协调和优化，最终采用了北斗卫星和GPS互为冗余的配置方案。

在目前可利用的时钟基准源中，GPS有其独具的优越性，输出的秒脉冲统计误差为1μs，无累计误差，能满足许多应用领域对同步时钟的要求。但GPS采用低轨运动卫星，需要卫星切换。相对于GPS低轨、格洛纳斯中轨(20 000+km)，北斗使用高轨静止和倾斜同步轨道(36 000 km)，卫星轨道运转周期为24 h，其信号会长期覆盖指定区域，可确保永远接收到同一颗卫星，授时过程不需卫星切换，保证授时稳定性和可靠性。

2020年6月23日，随着北斗三号第30颗、也是最后1颗组网卫星“北斗系统第55颗卫星”的发射成功，北斗全球定位系统(BDS)提前半年完成部署。2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统建成并正式开通，标志着北斗系统基于30颗卫星满星座运行并开通全球服务，具备导航定位和通信数传两大功能，提供7种服务，包括面向全球范围提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救3种服务；在中国及周边地区，提供星基增强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信4种服务[2]。

1 同步时钟系统需求分析

按照设计方案，深蓄电站地面中控室设置1套时钟同步系统，以硬同步方式对上位机设备、各现地控制单元设备以及厂内各继电保护装置、故障录波装置、220 kV线路保护系统、计量系统、振动摆度在线监测系统等进行时钟同步，并具有与调度层时钟进行对时同步功能。在机电设备采购过程中，要求各系统设备应有自动对时功能以及与集中授时系统接口，提供通信接口类型、通信协议和通信介质等资料，以实现与全厂计算机监控系统时钟同步，误差不大于1 ms。

表1 各厂家设备时钟同步的接口方式、通信协议和通信介质基本需求

1.1 控制设备时钟同步需求统计

在全厂控制设备供应商确定后，得到各厂家设备时钟同步的接口方式、通信协议和通信介质基本需求计划，见表1。

1.2 深蓄电站对时使用特点

(1)RS485串行通信。适用于地下厂房设备对时，屏蔽电缆长度在200 m以内。

(2)B码对时。地下厂房设备之间对时采用屏蔽电缆，其他区域间则使用光缆。授时精度高，可靠性高，可长期连续稳定工作。未进行幅度调制的为IRIG-B(DC)码，经过幅度调制后为IRIG-B(AC)码。

(3)网络对时。用于对电站上位机系统对时，通过网络接入交换机系统，对时精度在1 ms以内。符合“站控层设备应采用SNTP对时方式”的要求[1]。

(4)Profinet/Profibus-DP总线对时。适用于采用Profinet、Profibus-DP总线的控制设备，如SIEMENS现地LCU、ABB静止变频控制装置(SFC)等。Profinet/Profibus-DP总线对时具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍稳定性。

以上对时方式，均满足南方电网“主要输出信号(包括IRIG-B(DC)或秒脉冲)的时间准确度应优于1 μs，时间保持单元的时钟准确度应优于7×10-8(1 min 4.2 μs)”的规定[1]。

1.3 深蓄电站与调度时钟同步

深蓄电站时钟同步系统采用组网运行方式，除接收无线时间基准信号(北斗卫星或GPS)外，还可以接收深圳中调/南网总调下发的有线时间基准信号。当2种时间基准信号输入都有效时，无线时间基准信号作为系统的优先授时源，无线时间基准信号异常时，以有线时间基准信号作为系统的优先授时源。

2 同步时钟系统选型

2.1 同步时钟系统结构及配置

按照深蓄电站计算机监控系统的同步时钟要求，最终采用以单片机软硬件技术设计控制的南京英奥SZ-BD/GPS系统，符合“可采用GPS或北斗卫星作为标准时钟源，其中1台必须为北斗卫星时钟系统”的要求[1]。时钟同步系统采用逐级汇接的二级网络拓扑结构，主时钟设在交通洞口的集控中心，利用光缆与地下厂房、开关站、上下库的扩展时钟进行二级对时；主时钟与主交换机之间用网线连接对时；地下厂房安装在厂内公用LCU的扩展时钟与机组公用LCU、机组LCU的扩展时钟之间，采用屏蔽电缆连接。同步时钟系统拓扑结构及基本配置见图1。

图1 同步时钟系统基本配置及拓扑结构

表2 北斗卫星与GPS授时参数比较

主时钟型号为SZ-2UA。基本配置：无线/有线时间基准信号接收板1块、主板1块、光纤B码收发3块、NTP板1块、232/485串口板1块、B码源板1块、电源2块。

扩展时钟型号为SK-BM。以全厂公用LCU扩展时钟为例，扩展时钟配置：光纤B码收发1块、IRIG-B(B码扩展板)10块、PPM(脉冲扩展)1块、电源2块。

2.2 SZ-BD/GPS系统显著特点

采用单片机控制的软硬件设计为核心部件，充分利用GPS/BD北斗接收组件的潜力，系统可靠性、功能、精度和可操作性等完全满足电力系统时间同步要求，在电力系统的事故分析、故障测距和继电保护等领域应用技术成熟。SZ系列GPS既可以采用报文方式软对时，又可以采用脉冲方式硬对时。其中，报文方式支持6种通讯规约，满足当前电力设备的报文方式通讯规约接入需求。

2.3 北斗卫星与GPS时钟系统参数对比

时钟系统以每天计时，时钟误差为24 h不超过±0.001 s，时钟系统具有与卫星的标准时间同步的能力，并使电站中控层和现地控制层的时钟与卫星时钟同步。北斗卫星与GPS授时参数比较见表2。

北斗卫星和GPS时钟的户外天线长度≥100 m，有利于天线安装在比较开阔的无遮挡空间。输出信号包括分脉冲、秒脉冲和IRIG-B信号，接口数量满足蓄能电站计算机监控、机组在线监测、电能计量、保护和故障录波等系统的时钟同步要求。

3 同步时钟系统安装与调试

3.1 设备安装

(1)供电电源。SZ-BD/GPS系统的主时钟、扩展时钟均为双冗余电源设计。主时钟两路电源分别来自相互独立的中控UPS电源系统；设备现场的扩展时钟一路取自UPS电源、另一路取自交流辅助电源。整个时钟系统供电可靠性高。

(2)无线信号天线安装。深蓄电站地面集控中心位于二楼，楼层高度共4层。由于屋顶为倾斜的瓦面结构，到达屋顶安装天线难度大，安全风险高。经测试，信号天线蘑菇头放置在计算机机房窗台上时，时钟系统也能很快收到北斗卫星/GPS稳定信号。经较长时间试用后，最终蘑菇头固定安装在集控中心外侧露台上，天线总长度约20 m。全程安装安全方便，以天线蘑菇头为中心最小在120°范围内无遮挡物，朝南方向畅通，符合SZ-BD/GPS系统无线信号天线安装要求。

(3)有线时间基准信号接入。暂未接入调试。

(4)时钟系统运行监控。SZ-BD/GPS主时钟系统提供包括输出错误、失星、掉电等3种报警信号，以开关量无源节点通过硬接线方式接入中控LCU，实现计算机监控系统对时钟系统运行远程监视。

3.2 设备调试

系统主时钟调试。在天线板的位置有串口，通过提供的软件可以看到当前的北斗和GPS的卫星数量以及当前的经度、纬度和高度等参数，还可以判断当前的卫星是否有效。图2为主时钟系统的运行实况。

图2 主时钟系统的运行实况

开启电源后，POWER指示灯常亮，1PPS指示灯闪烁，液晶屏正常显示。收到卫星信号后会显示一行DATE：年年-月月-日日，下一行显示TIME：时时：分分：秒秒。液晶屏的右侧指示工作状态。右上角应显示“Z”，如显示“L”则表示未接收到足够的卫星数量，日常运行中显示“L”则是丢星告警状态，授时精度达不到要求，可根据串口输出的ERR语句查看丢星的时刻，可通过检查天线回路等方式处理。右下角应显示“A”，表示接收到足够的卫星数量，精度授时达到要求，时钟已同步，如果显示“V”则表示失步状态。

4 北斗卫星主用的双时钟源

由于受到认识等多方面原因的限制，类似计算机2000年问题(“千年虫”)一样，GPS在设计时只用了10 bit来表征周计数WN，导致WN只能在0～1 023之间循环。当WN从1 023变为0时，就会发生GPS周数翻转。1 024周为7 168 d，对应到年约19.7 a，从GPS系统时的起始时刻算起，上一次出现GPS周数翻转是1999年8月21日，最近1次是2019年4月6日(北京时间2019年4月7日07：59：42)，类推下1次GPS周数翻转将会出现在2038年11月20日。

全球定位系统GPS周数翻转事件对电力系统运行安全存在极大的风险。早期生产的同步时钟设备可能无法应对WN翻转，出现输出对时信号跳变、停止工作或断电也无法重启等情况，影响范围包括主站自动化系统、智能站保护、合并单元、安自、测控、PMU、计划值工作站等系统和设备。

把北斗卫星和GPS作为双时钟源冗余配置是大势所趋。随着北斗卫星系统日益完善和实用化发展推进，应把北斗卫星作为主用标准时钟源，更多地把配置互为备用的北斗卫星系统应用到电力系统中，把除授时外的其他服务应用起来，为电力系统的安全、经济、高效、绿色服务。

5 结 语

同步时钟是保证同步采样的基础，电站分布式数据采集，如电压、电流、有功、无功等采集也是数字化保护系统中的关键环节，一套成熟可靠同步时钟是提升抽水蓄能电站综合自动化水平的必要装备。

深蓄电站的同步时钟系统从规划设计阶段就提出了比较明确的要求，详细描绘了整个时钟系统的构架。采购阶段对需要时钟同步的各机电设备把控好接口方式、通信协议和通信介质等关键因素，因此在后续安装调试过程中比较顺利开展，避免了投产阶段发生设备换型以及后期改造的情况发生。2018年9月，深蓄电站4台机组全部建成投入商业运行，同步时钟系统运行稳定，各设备对时准确，为事件记录和设备故障缺陷分析奠定了良好的基础。