電廠、變電站同步系統

一、概述

1 ．建立時間同步系統的重要性

隨著電廠、變電站自動化水平的提高，各種以計算機技術和通信技術為基礎的自動化裝置廣泛應用，如調度自動化系統、廣域相量測量系統、繼電保護及故障信息管理系統、事件順序記錄裝置、變電站自動化系統、發電廠監控系統、微機繼電保護裝置、故障錄波裝置、安全自動裝置、雷電定位系統、電網預決策分析系統、合并單元等。其運行實行分層控制，設備的運行往往要靠數百公里外的調度員指揮；電網運行瞬息萬變，發生事故后更要及時處理，這些都需要有統一的時間基準。有了統一的時間，既可實現全廠（站）各系統在 GPS （北斗）時間基準下的運行監控，也可以通過事故后各開關動作、調整的先后順序及準確時間來分析事故的原因及過程。統一的時間是保證電力系統安全運行，提高運行水平的一個重要措施。因此，在電網內的電廠、變電站及調度中心等建立的時間同步系統是十分必要和迫切的。

2 ．建立時間同步系統的*性

電廠 / 變電站的時間同步是一件十分重要的基礎工作，現在電廠 / 變電站大多采用不同廠家的計算機監控系統、 DCS 分布式控制系統、 發電廠電氣監控管理系統 (ECS) 、微機保護、故障錄波裝置、合并單元、電能量計費系統、電液調速系統 DEH 、 SCADA 系統及各種輸煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脫硫 PLC 等，以前的時間同步大多是各設備提供商采用各自獨立的 GPS 時鐘，而各時鐘因產品質量有很大差異（ GPS 模塊質量差、內置精度不高的晶振時鐘作為基準時間源），在對時精度上都有一定的偏差。同時 , 受雷電天氣等影響 , 質量差的 GPS 接收機授時性能的劣化降質難以發現 , 不少電廠 / 變電站 GPS 天線因安裝不合規范，如沒配置天線避雷器、饋線沒有加鎧裝外套 ( 易出現被老鼠咬斷的可能 ) ，極易造成天線損壞 , 這些都造成了全廠（站）各系統不能在統一的時間基準基礎上進行數據分析和比較，給事故后正確的故障分析判斷帶來很大困難。

現在，人們已經充分意識到時間統一的重要性。但是，統一時間并不是單純地并用 GPS 時鐘設備。目前，許多電廠 / 變電站普遍采用一臺或多臺簡單配置的 GPS 時鐘裝置作為基準時間源，裝置提供的接口數量有限。而各個電廠 / 變電站往往有不同的裝置需要接收時間同步信號，其接口類型繁多，如 RS232/422/485 串行口、脈沖、 IRIG-B 碼、 DCF77 信號、 NTP 網絡時間等接口形式，而且裝置的數量也不等，所以在實際應用中常感到 GPS 裝置的某些類型接口數量不夠或缺少某些類型接口，其結果就是電廠 / 變電站中有些裝置不能實現時間同步，或者需要再增加一臺甚至數臺 GPS 裝置，而這往往受到資金不足或沒有安裝位置等限制。若全廠（站）采用時間同步系統方案，就可實現全廠（站）各系統在統一時間基準下的運行監控和事故后的故障分析，大大提高了電廠 / 變電站的安全穩定性。因此，采用 GPS 時間同步系統比采用傳統的分散的 GPS 時鐘設備有著明顯的優勢，也是技術發展的必然趨勢。

3 ．建立電廠 / 變電站時間同步系統的必要性

建設全網統一的時間同步網 , 固然是解決全電網時間同步問題的好方法。但就能否補償時間信號傳輸時延、如何利用通道資源、如何建設高可靠性高時間精度的時間同步網及其投資代價等方面的綜合性問題 , 目前仍處于 探討階段。

結合我國電網現狀 , 首先建設好電網每個基本單元的電廠 / 變電站內時間同步系統 , 即時間同步子系統是迫切需要解決的 , 這不但對提高電力系統穩定運行極其重要 , 而且也為將來建設全網的時間同步網打下良好的基礎。

4 ．系統簡介

我公司根據用戶的實際需求，結合我們以往的工程經驗，研制開發了 電廠 / 變電站時間同步系統。該系統實現了時間基準多源頭（ GPS 、北斗、恒溫晶振、原子鐘、 IRIG-B 時間基準）、輸出多制式（串口、脈沖、 IRIG-B 碼、 DCF77 、 NTP 網絡授時等）、滿足多設備（系統信號輸出可以任意擴展，可滿足任何規模任何方式的時間信號需求）的要求，保證了時間同步信號的高度、高穩定性、高安全性，高可靠性，將電力系統的時間同步度、穩定性、安全性和可靠性提高到一個更新更高的臺階。該系統將 GPS/ 北斗衛星傳送的協調世界時（ UTC ）或外部傳送的時間基準信號作為定時信號源，產生用來傳遞時間信息的 IRIG-B 時間碼、串行時間報文、脈沖信號、 DCF77 信號和 NTP 協議時間，用于實現 全廠（站）計算機監控系統、保護裝置、故障錄波器 、事件順序記錄裝置、安全自動裝置、合并單元、遠動 RTU 及各級能量管理系統、調度自動化系統、配電網自動化系統、用電負荷管理系統、電能量記費系統、電網頻率按秒考核系統、同步相量測量裝置（ PMU ）、線路故障行波測距裝置、雷電定位裝置、調度錄音、各類信息管理系統 MIS 、 發電廠電氣監控管理系統(ECS) 、 DCS 系統、輸煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脫硫 PLC 等的時間同步 ，使電廠 / 變電站內各設備具有統一的時間基準。系統外形如下圖所示：

圖 時間同步系統時鐘屏

5 ．建立時間同步系統的意義

1 ） 時間同步系統保證了電廠 / 變電站內各個裝置具有統一的時間基準。

2 ） 時間同步系統采用了冗余化配置，保證了時間同步系統的可靠性。

3 ） 時間同步系統單獨組屏，為電廠 / 變電站將來改造時對時信號的擴展提供了方便。

4 ） 建立時間同步系統，便于維護、管理。

二、電廠 / 變電站時間同步系統方案

1 ．系統組屏

1 ） 系統獨立組屏。

2 ） 屏柜內安裝接線端子排，時鐘裝置的輸出信號通過接線端子排與外部信號電纜連接。

3 ） 時鐘裝置的輸出到接線端子排的連接導線采用 0.5mm 2 ～ 1mm 2 的多股軟線。

2 ．系統配置

1 ） 一個發電廠或一個變電站，配置一套時間同步系統，一套時間同步系統可由一面或多面時鐘裝置屏組成。

2 ） 變電站，按每幢建筑（保護小室或控制室）配置一面時鐘裝置屏。

3 ） 發電廠，按每臺發電機組配置一面時鐘裝置屏，升壓站系統按變電站原則配置，另外針對輸煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脫硫 PLC 等需要對時信號特別少的小室可選擇從主時鐘屏通過光纖直接接收對時信號的方式。

4 ） 一套時間同步系統可配置一臺主時鐘或兩臺主時鐘（冗余方式）。大型發電廠及 500kV 變電站應采用兩臺主時鐘，兩臺主時鐘以冗余熱備模式工作，提高了系統的可靠性。

3 ．時間同步系統的性能

1 ） 主時鐘 ( 一級時鐘 ) 接收 GPS/ 北斗衛星信號或接收外部 IRIG-B （ DC ）時間基準信號，并向信號擴展箱 ( 從時鐘、二級時鐘 ) 提供 IRIG-B （ DC ）時間基準信號。

2 ） 時間同步系統各時鐘屏內根據需要可配置一臺或多臺信號擴展箱，信號擴展箱提供多路 脈沖信號（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接點、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信號（TTL、422、232、AC、光）、DCF77信號（有源、無源）、時間報文（RS232、RS422/485、光）、NTP網絡時間信號，可以滿足 電廠 / 變電站內 不同設備的對時接口要求。 信號擴展箱的數量及輸出信號接口類型根據各小室內對時設備的情況而定。

3 ） 主時鐘的時間信號接收單元能接收 GPS/ 北斗衛星發送的協調世界時（ UTC ）信號作為外部時間基準信號。正常情況下，主時鐘的時間信號接收單元獨立接收 GPS/ 北斗衛星發送的時間基準信號。當某一主時鐘的時間信號接收單元發生故障時，該主時鐘能自動切換到另一臺主時鐘的時間信號接收單元接收到的時間基準信號，實現時間基準信號互為備用。當主時鐘的時間信號接收單元恢復正常后，該主時鐘自動切換回正常工作狀態，切換時間小于 0.5 秒，切換時主時鐘輸出的時間同步信號不會出錯。

4 ） 主時鐘可輸出一路特殊的供主時鐘間互聯的 IRIG-B （ DC ）碼信號，該信號作為互聯主時鐘的“后備”外部時間基準，當主時鐘的“主”外部時間基準故障時，該信號停止輸出。消除當主時鐘互聯時“主”外部時間基準發生故障所引起的工作狀態不確定性。

5 ） 信號擴展箱的時間基準信號輸入包括兩路 IRIG-B （ DC ）輸入。當裝置只接一路 IRIG-B （ DC ）輸入時，該路輸入可以是“ B 碼輸入 1 ” ，也可以是“ B 碼輸入 2 ” 。裝置接入兩路 IRIG-B （ DC ）輸入時，以“ B 碼輸入 1 ” 作為該裝置的“主”外部時間基準，“ B 碼輸入 2 ” 作為“后備”外部時間基準，當“ B 碼輸入 1 ” 異常時，裝置自動切換到“ B 碼輸入 2 ” 接收“后備”外部時間基準信號，當“ B 碼輸入 1 ” 恢復正常時，裝置自動切換回正常工作狀態， 切換時間小于 0.5 秒，切換時裝置輸出的時間同步信號不會出錯。

6 ） 時鐘裝置具有內部守時功能。當接收到外部時間基準信號時，被外部時間基準信號同步；當接收不到外部時間基準信號時， 切換到內部守時， 使主時鐘或信號擴展箱輸出的時間同步信號仍能保持一定的準確度。當外部時間基準信號接收恢復時，自動切換到正常狀態工作，切換時間小于 0.5 秒，切換時時鐘輸出的時間同步信號不會出錯。

7 ） 時鐘裝置 的外部時間基準（ B 碼輸入）具有時延補償功能， 能夠補償外部時間基準信號（ IRIG-B ）的傳輸延時，從而保證了時間基準信號的精度。

8 ） 時鐘裝置的 所有輸出信號均經隔離輸出，抗*力強，且 各路輸出在電氣上均相互隔離。

9 ） 時鐘裝置的某一路輸出信號允許短路 5 分鐘以上，不會造成對該輸出回路的*性損壞。

10 ） 時鐘裝置的某一路輸出信號短路，不會影響其它輸出信號。

11 ） 時鐘裝置具 有自復位能力，在因干擾造成裝置 CPU 瞬間故障時，能自動恢復正常工作。

12 ） 時鐘 裝置采用 全模塊化即插即用結構設計，支持板卡熱插拔，配置靈活， 維護方便。

13 ） 時鐘裝置具有工作狀態指示、告警顯示和告警信號輸出功能。告警信號的電接口類型為繼電器空接點，接點耐壓 >250V DC 。

14 ） 時鐘裝置具有時間顯示功能，可顯示年、月、日、時、分、秒。

15 ） 每臺 時鐘裝置 都提供一路TTL脈沖信號（可編程輸出1PPS、1PPM、1PPH、事件），供時鐘的準確度指標測試。

16 ） 時間同步系統可采用 雙電源冗余供電 ，任何一路電源消失，系統仍能保持正常工作。 有兩種實現方式：a)時鐘屏采用時間繼電器和接觸開關組成電源切換電路。b)時鐘裝置采用雙電源冗余供電，電源供電自適應。

4 ．時間同步系統的組成

時間同步系統通常由主時鐘、若干從時鐘、時間信號傳輸介質組成。根據時間同步系統的配置方式，時間同步系統的結構有多種形式，主要分為三種： 基本式、主從式、主備式。

1 ）基本式

由一臺主時鐘和信號傳輸介質組成，為被授時設備（系統）對時。根據需要和技術要求，主時鐘可設接收上一級時間同步系統下發的有*基準信號的接口。該系統由一面主時鐘屏組成，主時鐘屏一般設在電廠 / 變電站的控制室。

2 ）主從式

由一臺主時鐘、多臺從時鐘和信號傳輸介質組成，為被授時設備（系統）對時。根據實際需要和技術要求，主時鐘可設接收上一級時間同步系統下發的有*基準信號的接口。該系統由一面主時鐘屏或和多面時鐘擴展屏組成，主時鐘屏一般設在電廠 / 變電站的控制室。時鐘擴展屏數量根據電廠 / 變電站內小室的情況而定。各小室時鐘屏負責本小室二次設備的對時。

3 ）主備式

由兩臺主時鐘、多臺從時鐘和信號傳輸介質組成，為被授時設備（系統）對時。根據實際需要和技術要求，主時鐘可預留接口，用來接收上一級時間同步系統下發的有*基準信號。該方式可分為 兩臺主時鐘同屏系統結構和兩臺主時鐘不同屏系統結構。

兩臺主時鐘同屏系統結構

該系統由一面主時鐘屏或和多面時鐘擴展屏組成，主時鐘屏有兩臺主時鐘，時鐘擴展屏數量根據電廠 / 變電站內小室的情況而定。主時鐘屏一般設在電廠 / 變電站的控制室。各小室時鐘屏負責本小室二次設備的對時。

兩臺主時鐘不同屏系統結構

該系統結構由兩面主時鐘屏或和多面時鐘擴展屏組成，每面主時鐘屏內各有一臺主時鐘。時鐘擴展屏數量根據電廠 / 變電站內小室的情況而定。各小室時鐘屏負責本小室二次設備的對時。