巨型电站时钟同步系统设计及应用

刘 准，杨廷勇，田茂廷

(中国长江电力股份有限公司白鹤滩水力发电厂，四川 宁南 615400)

依据《电力系统的同步时间系统第一部分技术规范要求》DL/T 11.1-2009，发电厂或变电站应配置一套时间同步系统，大型发电厂、500 kV变电站及有条件的场合宜采用主备时间同步系统，以提高时间同步的可靠性。如采用两路无线授时基准信号，宜选用不同的授时源[1]。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》。

1 时钟同步系统结构设计

1.1 时钟装置的组成

时钟装置主要是由接收天线、接收板、主控单元、电源、显示模块、对时信号输出模块构成。为了保证在收不到卫星信号的情况下，仍能够输出准确的时间，很多装置都会安装恒温守时模块，能大大提高系统的可靠性。最常用的恒温晶振(OCXO)精度可达1，守时精度约每天1 ms。

1.2 时钟同步系统的网络结构

巨型电站应设置1套卫星时钟同步系统，该系统除满足计算机监控系统的对时需求外，还用于实现电站内所有其它自动装置的卫星时钟同步。根据巨型电站的工程布置和光纤敷设情况，卫星时钟同步系统采用一、二、三级时钟的方案。

一级主时钟布置在控制管理楼计算机室，由1台北斗同步主时钟和1台GPS同步备用时钟构成，为控制管理楼内计算机监控系统及其它自动化系统装置提供NTP网络对时及IRIG-B等时钟对时信号，同时为左、右岸地下厂房的4台二级扩展子时钟提供时间基准信号。

在左、右岸电站地下副厂房分别设置一套双机互备的二级时钟扩展单元，每台扩展装置均通过2对单模光纤与控制管理楼的2台卫星同步时钟主机连接，为左、右岸各LCU三级时钟提供卫星时钟同步信号，同时为地下电站计算机监控系统厂站层和副厂房其它智能设备提供卫星时钟同步信号。在控制管理楼设置二套二级时钟扩展单元，通过2对单模光纤与控制管理楼的2台卫星同步时钟主机连接，分别为站内Ⅱ区、Ⅲ区设备提供卫星时钟同步信号。

三级时钟扩展单元按左、右岸地下厂房的每台机组LCU、开关站公用LCU、厂用电LCU、大坝LCU和左右岸厂外配电中心远程I/O各设置一套进行配置。二级扩展时钟通过光纤将卫星时钟同步信号送至各三级时钟扩展单元。在各三级时钟扩展单元，时钟信号被扩展成多种类型的卫星时钟同步对时信号，分别用于LCU对时及故障录波、保护、调速器、励磁调节器、10 kV 开关柜等智能现地设备的对时。整个时钟同步系统网络结构示意图如图1所示。

图1 巨型电站时钟同步系统网络结构示意图

2 时钟同步系统在白鹤滩水电站的应用

白鹤滩水电站位于中国四川省宁南县和云南省巧家县境内，具有以发电为主，兼有防洪、改善下游河段通航条件等综合效益，计划于2021年7月首批机组发电，2022年7月全部机组投产。电站建成后，将仅次于三峡水电站成为中国装机容量第二大水电站。

白鹤滩电站时钟同步系统采用北京中水科水电科技开发有限公司生产的BSS-3型互备型时间同步系统。其中BSS-3系列GPS卫星同步时钟采用具有12个并行接收通道的Motorola GPS 接收器和30～150 m有源天线。接收器在搜索并锁定4颗卫星以后，能够给出精确的时间信息。BSS-3系列北斗卫星同步时钟采用6 个并行接收通道的北斗接收板，接收多颗北斗卫星信号，在只观测一颗卫星的情况下即可实现无源授时功能。

系统分为三层：主站层、二级从站及现地扩展单元层。各层之间采用双光纤网总线连接，构成了高可靠冗余的网络结构。系统具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力。主站层采用两台主时钟构成主备模式，每台主时钟均同时接收北斗卫星和GPS对时信号，其中北斗卫星对时信号为主用，GPS对时信号为备用，两台设备之间通过热备光纤进行冗余，当有一个系统出现问题时会自动切换，保证所有对时信号正常输出，当两台主钟都收不到信号时，为保证全厂时钟的统一自动转入高精度守时状态，高精度守时8 h误差小于3 μs。时钟主机分别通过以太网接口接入2套监控系统信息网交换机，采用NTP(网络时间协议)通过生产控制网络，对整个网络内的计算机进行时钟对时[2]。

二级从站层共包括5套二级时钟，分别从2台互备的主时钟引卫星信息光纤输入，负责为控制楼区域Ⅱ区、Ⅲ区系统、左右岸设备提供统一对时。除主钟互备外，所有二级钟均采用双光纤输入，因此该时钟系统运行后总能保证输出对时信号。二级时钟扩展单元的2台主机分别通过扩展光纤时钟信号接口，与分布在各LCU内的三级子时钟相连接。智能现地设备的对时装置为三级扩展时钟，用于LCU对时及故障录波、保护、调速器、励磁调节器等对时。

3 白鹤滩电站时钟同步系统对时方式

3.1 脉冲对时

TTL电平30 m，24 V电平100 m。分对时将清零、秒对时将毫秒清零。脉冲对时一般用在对速度要求高的随动控制系统上，其实现形式简单，但不能区分年月日时分。对时精度为1 μs[3]。

3.2 串口对时

装置是通过串行口读取同步时钟每秒一次的串行输出的时间信息对时的，串行口又分为RS232接口和RS422接口方式。常用的串口对时规约有：BSS规约、IWHR规约、BJT规约、IEC103规约。为适应多种规约，串口板带CPU，通过编程实现规约转换。串口板有4路，也有8路，每路之间都有电气隔离。报文格式一般采用BSS-3报文或水科院报文，还可以根据要求，确定其它报文格式。如果采用确定的规约是以插板为单元，每个插板一种规约。RS232 30 m，RS422(RS485)1 200 m。包有绝对时间标记，但精度低，对时精度为10 ms。

3.3 B码对时

B码对时，即IRIG-B对时方式。IRIG-B为IRIG委员会的B标准，是专为时钟的传输制定的时钟码。每秒输出一帧按秒、分、时、日期的顺序排列的时间信息。IRIG-B信号有直流偏置(TTL)电平、1 kHz正弦调制信号、RS422电平方式、RS232电平方式四种形式。TTL电平传送距离50 m，1 kHz 调制传送距离500 m，RS422(RS485)电平传送距离1 000 m。

特点是携带信息量大，码后可获得秒脉冲信号和BCD 编码的时间信息；调制后的B码带宽，适用于远距离；接口标准化，国际通用。对时精度为：DC:1 μs；AC:20 μs。

3.4 DCF77对时

DCF77对时方式。常用的DCF77板为3端子无源板，端子V+为外接电源24 V直流电源，VO为DCF77信号输出端，G(G1～G8)为地，相应通道电源和信号共地。DCF77信号每分钟对发一次，每秒钟发一个脉冲信号，以宽度不同的脉冲信号作为时间编码，包括年、月、日、星期、小时、分等信息。对时接口采用三线制，外接24 V电源，传输距离应控制在100 m以内，对时精度为2 μs。

3.5 NTP/SNTP对时

NTP对时方式。NTP是网络时间协议的简称，NTP对时模块可以作为网络对时的时间服务器，采用标准的RJ45接口，提供了一种通过网络对时的方式，在局域网内使用特别方便。在局域网内可以配置NTP模块的IP地址，操作系统就可以通过对时软件在相应的IP地址处获得时间。传输距离应控制在100 m以内，对时精度为：10 ms[4]。

3.6 各系统对时接口选择

1)监控系统及状态监测系统对时。计算机监控系统和机组状态监测系统通常区域相对集中，且对时以计算机类服务器为主，通常选择系统内某台计算机作为NTP服务器直接与主时钟相连对时，再为系统内的计算机提供NTP网络对时服务。

2)现地LCU对时。SOE事件顺序记录采用毫秒级对时精度，PLC的对时精度略低一点。白鹤滩电站采用的施奈德M580系列PLC，该PLC通过NTP标准接口、SOE事件顺序记录模块通过B码接口就近接入

对时装置进行对时。

3)保护装置对时。500 kV GIS、断路器控制、保护监控系统、故障录波、线路保护、母线保护、安稳系统、PMU、发电机保护、变压器保护、发变组故障录波、机组非电量保护等对时精度要求较高，通常需要到1 μs，采用直流IRIG-B码[5]。

4)调速、励磁系统对时。调速、励磁均为随动系统，且系统自带处理器，可以对年、月、日、时、分等参数进行标定，从对时精度、传输距离和经济性角度来考虑采用空接点接入分脉冲，硬接点对时。

4 结 语

本文对白鹤滩电站的卫星时钟系统的结构和各系统的对时方式进行了综合介绍。所运用的BSS-3型时钟同步装置采用插卡式结构，具有很好的可扩展性，可以根据具体需求灵活配置，便于维修和升级。该方案在白鹤滩电站监控系统中得到了成功的应用，实践证明，该方案满足了白鹤滩电站的整体授时要求，具有很好的对时效果。