BSS-3(GPS/北斗)時鐘同步系統在沙灣水電站的應用

薛玉林

(四川圣達水電開發有限公司,四川樂山 614900)

隨著電力系統自動化水平的提高 ,在電廠中計算機監控系統、微機保護裝置、微機故障錄波裝置、安控系統、電能量采集系統、繼電保護子站、功角測量裝置、同步相量測量裝置、調度錄音電話、事件順序裝置等各種系統和設備得到了廣泛的應用,這些系統和設備的配合工作需要有一個精確、統一的時間,但大多數裝置則采用各自獨立的時鐘,而各時鐘因為精度等原因造成了一定的偏差,各系統時鐘不能在統一的時間基準的基礎上進行數據分析,不利于現場的運行維護和事故分析處理。基于以上原因,電力系統對統一時鐘的要求愈來愈迫切。當電力系統發生故障時,既可以實現全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,也可以通過各保護動作、開關分合的先后順序及準確時間來分析事故產生的原因及過程。隨著電網的日益復雜、裝機容量的提高和電網的擴大,提供標準時間的時鐘基準將成為整個電力系統的迫切需要,時鐘的統一是保證電力系統安全運行、提高運行水平的一個重要措施,是電力系統自動化系統的最基本要求之一。

1 設計思路

依據《電力系統的同步時間系統第一部分技術規范要求》DL/T11.1-2009,發電廠或變電站應配置一套時間同步系統,大型發電廠、500kV變電站及有條件的場合宜采用主備時間同步系統,以提高時間同步的可靠性。擬采用主備式同步系統。考慮到電力系統的安全以及受民用 GPS的穩定性、可靠性和自主性限制,時鐘時間源采用多源頭,可采用 GPS、北斗、IGIB-B碼時間源。最終形成的沙灣水電廠統一對時系統的總體思路是:衛星信號集中接收分層、分布對時、建立 GPS系統和我國的北斗星系統互備主站、構成“GPS+北斗”雙機冗余系統,整個系統應具備很好的擴展性,并方便檢修人員檢修維護。

2 實施方案

結合全廠監控系統的實施,全廠統一對時系統采用北京中水科水電科技開發有限公司生產的BSS-3型互備型時間同步系統。對時系統采用GPS信號集中接收、分層、分布開放式網絡結構。系統共分兩層:主站層、二級從站及現地擴展單元層。各層之間采用雙光纖網總線連接,構成了高可靠冗余的網絡結構。系統具有較高的傳輸速率和良好的抗電磁干擾能力。

2.1 BSS-3時間同步系統

BSS-3系列 GPS同步時鐘是應用全球定位系統(GPS)技術標準時間顯示和發送裝置,專為電力系統對其進行監測、控制、保護和故障記錄等各種設備的時間同步要求而設計、制造。GPS衛星系統和北斗衛星系統構成互備系統,該系統的GPS和北斗信息共享、熱備運行,當有一個系統出現問題時會自動切換,以保證所有對時信號正常輸出,當兩臺主鐘都收不到信號時,自動轉入高精度守時狀態,仍能保證全廠時鐘的統一。除主鐘互備外,所有二級鐘均采用雙光纖輸入,因此該時鐘系統運行后總能保證輸出對時信號。由于信號采用熱備用方式,因此信號的轉換對于輸出來講無切換時間。現階段國內的 GPS一般采用單機對時方案,容易造成各時鐘裝置在 GPS未定位時時鐘不統一。BSS-3系統采用衛星集中接收(加高精度守時)分層分布對時方案不但能滿足分布范圍廣的對時要求,而且能保證全廠時鐘的真正統一,從而實現了雙衛星加高精度守時熱備運行。

信號擴展箱通過接收上級主時鐘送來兩路IRIG-B時間碼信息和自身的高穩定恒溫晶體振蕩器分別作為時間信號源,優先選用一路主時鐘IRIG-B時間碼作為基準,當該 IRIG-B時間碼失效時自動切換到另一路 IRIG-B時間碼作為基準,當兩路 IRIG-B時間碼均失效時,則信號擴展箱自動切換到自身時鐘源(高穩定恒溫晶體振蕩器)進行時間保持,然后通過擴展箱處理輸出多路同步信號:IRIG-B時間碼、脈沖信號(1PPS、1PPM、1PPH)、RS232時間信息 、RS485時間信息,提供用戶對時使用。

BSS-3系列 GPS同步時鐘采用具有 12個并行接收通道的 MotorolaGPS接收器以及與之配套的有源天線。接收器在搜索到 4顆衛星并鎖定后,即能給出精確的時間信息。

“北斗一號”系統是我國自行研制和建立的一種區域衛星導航定位系統,主要是利用 3顆地球同步衛星來測量地球表面和空間的各種用戶位置,并兼有雙向報文及授時的功能。北斗互備型接收模塊接收的是我國的北斗衛星信號,該接收單元的配置具有 6個并行通道,可以同時跟蹤 3顆北斗衛星的無源北斗接收板。在收不到 GPS信號的情況下,仍然能夠利用高精度守時模塊輸出準確時間。

BSS-3時鐘裝置采用 19in(1in=2.54cm)2U標準機箱,模塊化結構設計,備有多種功能對時模塊:脈沖空接點和有源脈沖對時模塊、RS422、RS232串行對時模塊、直流 IRIG-B碼對時模塊、基于 NTP/SNTP協議的網絡時間服務器模塊、恒溫守時模塊等。該裝置采用交、直流雙電源供電,后插式結構,用戶可以根據實際需要配置相應的對時模塊,組合靈活,易于擴展和維護。

GPS/北斗時鐘系統接收北斗星的信號和GPS衛星以及 IRIG-B時間碼作為外部時間基準信號。正常情況下,設備屏內的主時鐘獨立接收北斗星或 GPS衛星發送的時間基準信號,當北斗星或 GPS信號失效時,主時鐘自動切換到外部IRIG-B時間碼并將其作為時間基準;當外部IRIG-B時間碼也失效時,主時鐘則自動切換到自身時鐘源(高穩定恒溫晶體振蕩器或銣原子鐘)進行時間保持。

2.2 沙灣水電站 GPS時鐘主站及從站配置

在沙灣電廠計算機房安裝了 GPS主站屏一面,配置 BSS-3型 GPS同步主鐘和北斗同步主鐘各一臺。每臺裝置均配天線、熱備交直流雙電源及高精度恒溫守時時鐘。兩臺主鐘之間采用光纖互備,每臺主鐘均配有 4路光纖輸出接口,其中2路光纖輸出接口用來連接發電層兩臺機組二級時鐘擴展裝置(每兩臺機使用一個二級時種),1路光纖輸出接口用來連接 220kV開關站 LCU GPS時鐘擴展裝置。

全廠共有 4臺機組,按每擴大單元兩臺發電機組配置一套時鐘擴展裝置,共計配置了 2臺時鐘擴展裝置。每臺擴展裝置就地安裝在所對應的機旁控制屏柜上。根據機組保護對時要求,擴展裝置配置了串行口模板、PPS/PPM脈沖模板、B碼對時(DC)。

在保護室安裝了 GPS時鐘擴展裝置 1臺,安裝了 1臺 2UBSS-3R型 GPS時鐘擴展裝置。擴展裝置均配兩路光纖輸入接口,熱備交直流雙電源。兩路衛星時鐘信號分別取自主站的 GPS信號和北斗信號,兩套時鐘信號互為熱備用,當有一路收不到信號時將自動切換到另一路備用通道,從而保證了從站時鐘正常工作。

2.3 對時主鐘與同邊設備和系統的對時

計算機室內的主時鐘完成 GPS/北斗衛星信號的接收、處理及向信號擴展裝置提供標準同步時間信號(RS422電平方式 IRIG-B),并且每臺主時鐘均具有內部守時功能。各標準同步鐘本體應能接收兩路 IRIG-B(DC)時碼時間信息功能。當主時鐘內部的時鐘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恢復時,保持一定的走時準確度,直到外部時間基準信號恢復時自動切換到正常工作狀態。兩臺同步時鐘以網絡方式接入全廠監控系統。沙灣電廠監控系統為雙環網,上位機與就地LCU通過網絡 NTP對時方式對時。1～4#機組A、B套發電機保護、故障錄波器、主變線路測控裝置、1#主變、2#主變 A、B套保護及 1#/2#母差保護、220kV線路保護、安控系統、PMU系統等均采用 B碼接口,采用了 422B碼對時,選用 RVVP兩芯屏蔽通訊電纜,1為 +,2為 -,依次將各裝置接入 GPS同步時鐘裝置的 B碼輸出標號段。廠用變保護沒有 B碼接口,空接點接入分脈沖和秒脈沖,實現硬接點對時。因有些廠家的舊設備只存在 RS232串口或 RS485接口,故采用串口對時方式。沙灣水電站二次系統同步對時原理系統見圖1。

圖 1 沙灣水電站二次系統同步對時原理系統圖

3 結 語

隨著對電力系統運行要求的提高和自動化技術的發展,對同步時鐘的要求愈來愈嚴格。建立統一同步時鐘系統,滿足電力系統同步時間的要求,為電力系統事故分析、故障測距、穩定判斷與控制技術方面的發展提供了極大的方便。通過使用 BSS-3型同時時鐘,衛星時鐘覆蓋了幾乎所有的電站二次設備,組成了全廠統一的時鐘系統,保證了時鐘的同步性,大大的方便了二次設備的運行維護和故障分析處理,提高了水電廠自動化水平。但在實施中也要注意因不同廠家對時方式和采用的報文不同,導致工程實施困難,需要在產品采購前提前確定對時方式。