劉 準(zhǔn)，楊廷勇，田茂廷

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘水力發(fā)電廠(chǎng)，四川 寧南 615400)

依據(jù)《電力系統(tǒng)的同步時(shí)間系統(tǒng)第一部分技術(shù)規(guī)范要求》DL/T 11.1-2009，發(fā)電廠(chǎng)或變電站應(yīng)配置一套時(shí)間同步系統(tǒng)，大型發(fā)電廠(chǎng)、500 kV變電站及有條件的場(chǎng)合宜采用主備時(shí)間同步系統(tǒng)，以提高時(shí)間同步的可靠性。如采用兩路無(wú)線(xiàn)授時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)，宜選用不同的授時(shí)源[1]。當(dāng)時(shí)間同步系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接口為不同安全防護(hù)等級(jí)的系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，應(yīng)符合國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)第5號(hào)《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》。

1 時(shí)鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 時(shí)鐘裝置的組成

時(shí)鐘裝置主要是由接收天線(xiàn)、接收板、主控單元、電源、顯示模塊、對(duì)時(shí)信號(hào)輸出模塊構(gòu)成。為了保證在收不到衛(wèi)星信號(hào)的情況下，仍能夠輸出準(zhǔn)確的時(shí)間，很多裝置都會(huì)安裝恒溫守時(shí)模塊，能大大提高系統(tǒng)的可靠性。最常用的恒溫晶振(OCXO)精度可達(dá)1，守時(shí)精度約每天1 ms。

1.2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

巨型電站應(yīng)設(shè)置1套衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)，該系統(tǒng)除滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)時(shí)需求外，還用于實(shí)現(xiàn)電站內(nèi)所有其它自動(dòng)裝置的衛(wèi)星時(shí)鐘同步。根據(jù)巨型電站的工程布置和光纖敷設(shè)情況，衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)采用一、二、三級(jí)時(shí)鐘的方案。

一級(jí)主時(shí)鐘布置在控制管理樓計(jì)算機(jī)室，由1臺(tái)北斗同步主時(shí)鐘和1臺(tái)GPS同步備用時(shí)鐘構(gòu)成，為控制管理樓內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及其它自動(dòng)化系統(tǒng)裝置提供NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)及IRIG-B等時(shí)鐘對(duì)時(shí)信號(hào)，同時(shí)為左、右岸地下廠(chǎng)房的4臺(tái)二級(jí)擴(kuò)展子時(shí)鐘提供時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

在左、右岸電站地下副廠(chǎng)房分別設(shè)置一套雙機(jī)互備的二級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展單元，每臺(tái)擴(kuò)展裝置均通過(guò)2對(duì)單模光纖與控制管理樓的2臺(tái)衛(wèi)星同步時(shí)鐘主機(jī)連接，為左、右岸各LCU三級(jí)時(shí)鐘提供衛(wèi)星時(shí)鐘同步信號(hào)，同時(shí)為地下電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)廠(chǎng)站層和副廠(chǎng)房其它智能設(shè)備提供衛(wèi)星時(shí)鐘同步信號(hào)。在控制管理樓設(shè)置二套二級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展單元，通過(guò)2對(duì)單模光纖與控制管理樓的2臺(tái)衛(wèi)星同步時(shí)鐘主機(jī)連接，分別為站內(nèi)Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)設(shè)備提供衛(wèi)星時(shí)鐘同步信號(hào)。

三級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展單元按左、右岸地下廠(chǎng)房的每臺(tái)機(jī)組LCU、開(kāi)關(guān)站公用LCU、廠(chǎng)用電LCU、大壩LCU和左右岸廠(chǎng)外配電中心遠(yuǎn)程I/O各設(shè)置一套進(jìn)行配置。二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘通過(guò)光纖將衛(wèi)星時(shí)鐘同步信號(hào)送至各三級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展單元。在各三級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展單元，時(shí)鐘信號(hào)被擴(kuò)展成多種類(lèi)型的衛(wèi)星時(shí)鐘同步對(duì)時(shí)信號(hào)，分別用于LCU對(duì)時(shí)及故障錄波、保護(hù)、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、10 kV 開(kāi)關(guān)柜等智能現(xiàn)地設(shè)備的對(duì)時(shí)。整個(gè)時(shí)鐘同步系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 巨型電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 時(shí)鐘同步系統(tǒng)在白鶴灘水電站的應(yīng)用

白鶴灘水電站位于中國(guó)四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、改善下游河段通航條件等綜合效益，計(jì)劃于2021年7月首批機(jī)組發(fā)電，2022年7月全部機(jī)組投產(chǎn)。電站建成后，將僅次于三峽水電站成為中國(guó)裝機(jī)容量第二大水電站。

白鶴灘電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)采用北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的BSS-3型互備型時(shí)間同步系統(tǒng)。其中BSS-3系列GPS衛(wèi)星同步時(shí)鐘采用具有12個(gè)并行接收通道的Motorola GPS 接收器和30～150 m有源天線(xiàn)。接收器在搜索并鎖定4顆衛(wèi)星以后，能夠給出精確的時(shí)間信息。BSS-3系列北斗衛(wèi)星同步時(shí)鐘采用6 個(gè)并行接收通道的北斗接收板，接收多顆北斗衛(wèi)星信號(hào)，在只觀(guān)測(cè)一顆衛(wèi)星的情況下即可實(shí)現(xiàn)無(wú)源授時(shí)功能。

系統(tǒng)分為三層：主站層、二級(jí)從站及現(xiàn)地?cái)U(kuò)展單元層。各層之間采用雙光纖網(wǎng)總線(xiàn)連接，構(gòu)成了高可靠冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。主站層采用兩臺(tái)主時(shí)鐘構(gòu)成主備模式，每臺(tái)主時(shí)鐘均同時(shí)接收北斗衛(wèi)星和GPS對(duì)時(shí)信號(hào)，其中北斗衛(wèi)星對(duì)時(shí)信號(hào)為主用，GPS對(duì)時(shí)信號(hào)為備用，兩臺(tái)設(shè)備之間通過(guò)熱備光纖進(jìn)行冗余，當(dāng)有一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)會(huì)自動(dòng)切換，保證所有對(duì)時(shí)信號(hào)正常輸出，當(dāng)兩臺(tái)主鐘都收不到信號(hào)時(shí)，為保證全廠(chǎng)時(shí)鐘的統(tǒng)一自動(dòng)轉(zhuǎn)入高精度守時(shí)狀態(tài)，高精度守時(shí)8 h誤差小于3 μs。時(shí)鐘主機(jī)分別通過(guò)以太網(wǎng)接口接入2套監(jiān)控系統(tǒng)信息網(wǎng)交換機(jī)，采用NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)通過(guò)生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)時(shí)[2]。

二級(jí)從站層共包括5套二級(jí)時(shí)鐘，分別從2臺(tái)互備的主時(shí)鐘引衛(wèi)星信息光纖輸入，負(fù)責(zé)為控制樓區(qū)域Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)系統(tǒng)、左右岸設(shè)備提供統(tǒng)一對(duì)時(shí)。除主鐘互備外，所有二級(jí)鐘均采用雙光纖輸入，因此該時(shí)鐘系統(tǒng)運(yùn)行后總能保證輸出對(duì)時(shí)信號(hào)。二級(jí)時(shí)鐘擴(kuò)展單元的2臺(tái)主機(jī)分別通過(guò)擴(kuò)展光纖時(shí)鐘信號(hào)接口，與分布在各LCU內(nèi)的三級(jí)子時(shí)鐘相連接。智能現(xiàn)地設(shè)備的對(duì)時(shí)裝置為三級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘，用于LCU對(duì)時(shí)及故障錄波、保護(hù)、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等對(duì)時(shí)。

3 白鶴灘電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)對(duì)時(shí)方式

3.1 脈沖對(duì)時(shí)

TTL電平30 m，24 V電平100 m。分對(duì)時(shí)將清零、秒對(duì)時(shí)將毫秒清零。脈沖對(duì)時(shí)一般用在對(duì)速度要求高的隨動(dòng)控制系統(tǒng)上，其實(shí)現(xiàn)形式簡(jiǎn)單，但不能區(qū)分年月日時(shí)分。對(duì)時(shí)精度為1 μs[3]。

3.2 串口對(duì)時(shí)

裝置是通過(guò)串行口讀取同步時(shí)鐘每秒一次的串行輸出的時(shí)間信息對(duì)時(shí)的，串行口又分為RS232接口和RS422接口方式。常用的串口對(duì)時(shí)規(guī)約有：BSS規(guī)約、IWHR規(guī)約、BJT規(guī)約、IEC103規(guī)約。為適應(yīng)多種規(guī)約，串口板帶CPU，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換。串口板有4路，也有8路，每路之間都有電氣隔離。報(bào)文格式一般采用BSS-3報(bào)文或水科院報(bào)文，還可以根據(jù)要求，確定其它報(bào)文格式。如果采用確定的規(guī)約是以插板為單元，每個(gè)插板一種規(guī)約。RS232 30 m，RS422(RS485)1 200 m。包有絕對(duì)時(shí)間標(biāo)記，但精度低，對(duì)時(shí)精度為10 ms。

3.3 B碼對(duì)時(shí)

B碼對(duì)時(shí)，即IRIG-B對(duì)時(shí)方式。IRIG-B為IRIG委員會(huì)的B標(biāo)準(zhǔn)，是專(zhuān)為時(shí)鐘的傳輸制定的時(shí)鐘碼。每秒輸出一幀按秒、分、時(shí)、日期的順序排列的時(shí)間信息。IRIG-B信號(hào)有直流偏置(TTL)電平、1 kHz正弦調(diào)制信號(hào)、RS422電平方式、RS232電平方式四種形式。TTL電平傳送距離50 m，1 kHz 調(diào)制傳送距離500 m，RS422(RS485)電平傳送距離1 000 m。

特點(diǎn)是攜帶信息量大，碼后可獲得秒脈沖信號(hào)和BCD 編碼的時(shí)間信息；調(diào)制后的B碼帶寬，適用于遠(yuǎn)距離；接口標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際通用。對(duì)時(shí)精度為：DC:1 μs；AC:20 μs。

3.4 DCF77對(duì)時(shí)

DCF77對(duì)時(shí)方式。常用的DCF77板為3端子無(wú)源板，端子V+為外接電源24 V直流電源，VO為DCF77信號(hào)輸出端，G(G1～G8)為地，相應(yīng)通道電源和信號(hào)共地。DCF77信號(hào)每分鐘對(duì)發(fā)一次，每秒鐘發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，以寬度不同的脈沖信號(hào)作為時(shí)間編碼，包括年、月、日、星期、小時(shí)、分等信息。對(duì)時(shí)接口采用三線(xiàn)制，外接24 V電源，傳輸距離應(yīng)控制在100 m以?xún)?nèi)，對(duì)時(shí)精度為2 μs。

3.5 NTP/SNTP對(duì)時(shí)

NTP對(duì)時(shí)方式。NTP是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議的簡(jiǎn)稱(chēng)，NTP對(duì)時(shí)模塊可以作為網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的時(shí)間服務(wù)器，采用標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口，提供了一種通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的方式，在局域網(wǎng)內(nèi)使用特別方便。在局域網(wǎng)內(nèi)可以配置NTP模塊的IP地址，操作系統(tǒng)就可以通過(guò)對(duì)時(shí)軟件在相應(yīng)的IP地址處獲得時(shí)間。傳輸距離應(yīng)控制在100 m以?xún)?nèi)，對(duì)時(shí)精度為：10 ms[4]。

3.6 各系統(tǒng)對(duì)時(shí)接口選擇

1)監(jiān)控系統(tǒng)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)時(shí)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常區(qū)域相對(duì)集中，且對(duì)時(shí)以計(jì)算機(jī)類(lèi)服務(wù)器為主，通常選擇系統(tǒng)內(nèi)某臺(tái)計(jì)算機(jī)作為NTP服務(wù)器直接與主時(shí)鐘相連對(duì)時(shí)，再為系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)提供NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)服務(wù)。

2)現(xiàn)地LCU對(duì)時(shí)。SOE事件順序記錄采用毫秒級(jí)對(duì)時(shí)精度，PLC的對(duì)時(shí)精度略低一點(diǎn)。白鶴灘電站采用的施奈德M580系列PLC，該P(yáng)LC通過(guò)NTP標(biāo)準(zhǔn)接口、SOE事件順序記錄模塊通過(guò)B碼接口就近接入

對(duì)時(shí)裝置進(jìn)行對(duì)時(shí)。

3)保護(hù)裝置對(duì)時(shí)。500 kV GIS、斷路器控制、保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、故障錄波、線(xiàn)路保護(hù)、母線(xiàn)保護(hù)、安穩(wěn)系統(tǒng)、PMU、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、發(fā)變組故障錄波、機(jī)組非電量保護(hù)等對(duì)時(shí)精度要求較高，通常需要到1 μs，采用直流IRIG-B碼[5]。

4)調(diào)速、勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)時(shí)。調(diào)速、勵(lì)磁均為隨動(dòng)系統(tǒng)，且系統(tǒng)自帶處理器，可以對(duì)年、月、日、時(shí)、分等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，從對(duì)時(shí)精度、傳輸距離和經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)考慮采用空接點(diǎn)接入分脈沖，硬接點(diǎn)對(duì)時(shí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)白鶴灘電站的衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)的對(duì)時(shí)方式進(jìn)行了綜合介紹。所運(yùn)用的BSS-3型時(shí)鐘同步裝置采用插卡式結(jié)構(gòu)，具有很好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)具體需求靈活配置，便于維修和升級(jí)。該方案在白鶴灘電站監(jiān)控系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，實(shí)踐證明，該方案滿(mǎn)足了白鶴灘電站的整體授時(shí)要求，具有很好的對(duì)時(shí)效果。