某巨型水電站時鐘同步系統設計和對時精度優化

向 龍，楊 劍，劉 成，王 丁，潘穎杰，袁晁龍

［南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司，江蘇省南京市 211106］

0 引言

電力系統中的電流、電壓、相角和功角等參數都與時間密切相關，這些參數與時間軸相關的波形是監視電力系統運行的重要依據，高精度、統一的時間是電力系統安全、穩定、可靠運行的基礎。近些年來，隨著我國電力行業的快速發展，特高壓輸電技術世界范圍內領先，助力我國形成了全國范圍內的電力網絡互聯，這也使得我們對電力系統中自動化設備的安全、穩定、可靠性提出更高的要求和更大的挑戰。尤其對時鐘同步系統，要求自動化、繼電保護、安穩、生產管理、電能量管理等系統基于統一的時間基準運行，以便電力系統日常運行數據的記錄和分析，以及出現事故時各系統故障錄波、事件順序記錄的一致性，便于事故原因分析和診斷，為電力系統的安全、穩定、高效運行保駕護航。隨著我國電力系統智能化的逐步推進，未來對時間同步系統的要求會更加嚴格[1]。

隨著世界范圍內水電站智能化、數字化的推進，水電站各自動化設備運行需要統一的時鐘源作為各系統的基準時間，保證電站內各個子系統的同步、可靠運行，以及事件順序記錄的一致性[2]。此外，大部分水電站的各個子系統通常由不同的廠家提供設備，各子系統無法保證使用統一的時鐘，如果沒有統一的時鐘源，由于時鐘精度的影響，各子系統的時間會有一定的偏差，在出現故障或發生事故時，各系統的歷史數據和事件記錄無法為故障診斷、事故分析提供準確、可靠的依據[3]。因此，如果有統一的時鐘作為各子系統的對時源，就可以保證各子系統在統一的時間基準下運行，為電站的日常穩定運行、維護、故障診斷、事故分析提供可靠保障[4]。

而對于巨型水電站，由于壩體建筑結構的復雜，導致全廠自動化設備分散在不同位置，且各設備間距離較遠，而大部分設備設置在沒有衛星信號的洞體中，無法直接接收衛星信號對時，只有通過在廠外空曠地帶設置衛星對時裝置，再通過光纖、網絡等方式完成對時，但由于各設備與對時裝置間的距離差異，導致對時精度不高，因此，需找到有效的方法提高對時精度，才能為巨型電站安全、穩定運行保駕護航。

1 時鐘同步系統設計

1．1 對時源選擇

美國的全球衛星導航定位系統（GPS）是目前最成熟的衛星導航系統，也通常被作為衛星時鐘同步信號的首選，其次俄羅斯的全球導航衛星系（GLONASS）也有著廣泛的應用，近些年隨著我國北斗衛星導航系統的快速崛起，衛星時鐘同步系統中也有了北斗的一席之地。十多年以前，我國各領域內的衛星時鐘同步還主要以單GPS信號源為主，僅有少量以GLONASS和北斗作為信號源的產品[5]。而GPS由美國掌控核心技術，雖然GPS在全球范圍內可免費使用，但不排除以后美國因政治因素限制我國使用，屆時以GPS作為單一對時源的時鐘系統將面臨癱瘓的風險。

近年來，隨著我國衛星技術的飛速發展，北斗衛星系統在時鐘同步系統中的作用日益突出，同時也為避免因GPS而出現的“卡脖子”問題，保證電力系統的安全、可靠、穩定運行，國家電網有限公司要求電力系統的時鐘同步系統均需采用雙信號源產品，曾經采用單信號源的系統也都升級為雙信號源系統，這不僅排除采用單一GPS對時源存在的安全隱患，也提升了時鐘同步系統的可靠性。

為了保障該巨型電站的安全運行，該電站的時鐘同步系統將采用北斗/GPS雙模時鐘同步裝置，該裝置可以同時接收GPS和北斗衛星時鐘同步信號，兩路信號互為冗余，這有效擺脫了我國對GPS系統的過分依賴，同時提高電站時鐘同步系統的穩定性、可靠性。

1．2 時鐘同步系統框架設計

該巨型水電站壩工建筑物結構復雜，既包含左岸、右岸地下電站，又包含閘門等泄洪設施，還有集控樓控制中心，要設備集中在集控樓、左岸地下廠房、右岸地下廠房，只有集控樓位于地上空曠地帶，便于接收衛星時鐘信號，左岸、右岸地下廠房距離集控樓距離較遠，無法安裝獨立的時鐘同步裝置。此外，改電站運行設備分散、對時距離遠、對時設備多，該系統除滿足計算機監控系統的對時需求外，還用于實現電站內所有其他自動裝置的衛星時鐘同步，時鐘系統結構設計既要考慮系統的可靠性，還要考慮系統的安全性和可擴展性。

根據該水電站的水工建筑結構和設備分部特點以及光纖、網絡敷設情況，將采用一、二、三級時鐘的衛星時鐘同步系統解決方案。一級主時鐘由2臺互為冗余的北斗/GPS雙模同步時鐘構成，布置在集控樓附近的開闊地帶，以便接收衛星信號。在左、右岸電站地下副廠房分別設置2臺互備的二級時鐘，集控樓設置一臺獨立的二級時鐘，每臺二級裝置均通過2對單模光纖與2臺衛星同步主時鐘連接，左、右岸副廠房二級時鐘分別為左、右岸各現地控制單元三級時鐘提供衛星時鐘同步信號，同時為地下電站計算機監控系統廠站層和副廠房其他智能設備提供衛星時鐘同步信號。集控樓二級時鐘為集控樓內計算機監控系統及其他自動化系統裝置提供NTP網絡對時及IRIG-B等時鐘對時信號。

三級時鐘擴展單元按左、右岸地下廠房的每臺機組現地控制單元、開關站公用現地控制單元、廠用電現地控制單元和大壩現地控制單元各設置一套進行配置。二級擴展時鐘通過光纖將衛星時鐘同步信號送至各三級時鐘擴展單元。在各三級時鐘擴展單元，時鐘信號被擴展成多種類型的衛星時鐘同步對時信號，分別用于現地控制單元對時及故障錄波、保護、調速器、勵磁調節器、10kV開關柜等智能現地設備的對時。

全廠時鐘網絡結構如圖1所示。

圖1 全廠時鐘網絡結構Figure 1 Clock network structure of the whole plant

1．3 二級、三級擴展時鐘對時結構設計

根據該水電站結構特點和對時設備分部，電站時鐘同步系統共配置了5臺二級擴展時鐘，16臺三級擴展時鐘，其中左、右岸地下廠房各配置2臺二級時鐘，8臺三級時鐘，集控樓配置1臺二級時鐘。集控樓二級時鐘接收一級時鐘信號，并為集控樓上位機和現地控制系統提供多種協議的對時信號。左、右岸二級時鐘接收一級時鐘信號，并通過光纖接口輸出對時信號作為三級時鐘對時源。三級時鐘接收二級時鐘信號，作為機組、調速器、勵磁、發變組保護等現地層設備的對時源。

集控樓二級時鐘提供單模光口、IRIG-B、RS232、SNTP、NTP等多種協議的對時接口，滿足不同設備、不同方式的對時需求。單模光口輸出為左、右岸10kV提供對時信號，IRIG-B輸出接口為集控樓直流系統、模擬屏現地控制單元對時，SNTP協議網口為保護信息子站、故障錄波信息子站對時，NTP協議網口直接與監控系統主交換機相連，作為NTP對時主機，為監控系統上位機提供NTP對時信號。集控樓二級時鐘對時網絡結構如圖2所示。

圖2 集控樓二級時鐘對時網絡結構Figure 2 Centralized control building’s secondary clock time synchronization network structure

地下廠房的二級時鐘提供單模光口、IRIG-B、RS232、NTP等多種協議的對時接口，其中多路光纖輸出接口作為現地層多套三級時鐘的輸入信號源；NTP協議網口直接與監控系統主交換機相連，作為監控系統上位機NTP對時備用主機，當NTP對時主機出現故障后為監控系統上位機提供對時信號；RS232接口為機組在線監測系統上位機提供對時信號。

現地層三級時鐘提供RS232/422/485、IRIG-B、SNTP、多模光口等多種協議、多種接口形式的輸出信號，滿足機組現地控制單元、調速器、勵磁、發變組保護、故障錄波裝置、機組在線監測、直流系統、開關站現地控制單元、開關站保護、保信子站等多元化設備的對時需求。地下廠房二、三級時鐘對時網絡（以左岸地下廠房為例）如圖3所示。

圖3 地下廠房二、三級時鐘對時網絡Figure 3 The second and third level clock synchronization network of underground powerhouse

2 對時精度優化

信號通過傳輸介質時，會因傳輸通道物理長度的不同、網絡節點設備交換和排隊等傳輸機制的不同而在不同時刻到達目的地。傳輸網絡固有的機制造成穩定的延時影響，延時的產生包括：傳輸媒介距離的遠近、傳輸設備的質量、傳輸線路的流量與容量、傳輸信號的質量等[6-7]。該水電站左岸地下廠房和右岸地下廠房距離地面集控樓均較遠，特別是左岸地下廠房與集控樓之間的光纜距離長達2.6km，地下廠房二級時鐘與三級時鐘也有300～600m不等的距離，遠距離的光纖傳輸產生較大的衰減，導致一級時鐘與二級時鐘、二級時鐘與三級時鐘的時間信號出現不同范圍的延時，使得與二級時鐘和三級時鐘對時的設備時間精度降低，不利于電廠的運行管理。為提高全廠設備的對時精度，采用對二級、三級時鐘進行延時補償的方式，來縮小二級、三級時鐘與主時鐘間的誤差。

首先，使用專業的時間精度測量設備TimeAcc007 對全廠的一級、二級、三級時鐘分別進行測量。TimeAcc007 時鐘監測設備由于采用了共視溯源技術，時間精度達到50ns，適合作為測試信號源[8-9]。時鐘監測設備的工作方式是測量的時間信號與自身內部的標準時鐘相比較，得出一個時鐘偏差值。經測量，兩臺一級時鐘的時間精度很高，與時鐘監測設備之間的偏差均在100ns以內，無需進行延時補償。二級時鐘、三級時鐘均有較大延時，結果如表1、表2所示。

表1 二級時鐘延時補償Table 1 Secondary clock delay compensation

表2 三級時鐘延時補償Table 2 Three-level clock delay compensation

基于測量結果，對二級時鐘的各個輸入通道進行相應的延時補償，補償后的二級時鐘與時鐘監測設備之間的偏差均降低到5μs以內，結果如表1所示。

在對二級時鐘進行延時補償后，再次對測量三級時鐘延時，此時的三級時鐘延時已經得到了很好地改善，完全能滿足現場設備的運行要求，但本著精益求精的原則，再次對三級時鐘進行延時補償，結果如表2所示。

3 結語

該巨型水電站時鐘同步系統采用多重冗余、分層分部的結構設計，系統能夠實現自動無擾切換，當兩臺主時鐘均無法接收衛星信號或同時發生故障時，時鐘不同系統將自動進入自守時狀態，仍然能夠保證較長時間的高精度時鐘同步信號輸出，同時多層分布的三級時鐘同步系統結構有效地解決了全廠設備分散的問題，并保證了系統的可擴展性。通過延時補償的方式，有效解決了由傳輸距離導致的對時精度問題。該時鐘同步系統的多重冗余、分層分部設計和延時補償功能應用，保障了時鐘同步系統的穩定性、可靠性，提高電廠的生產和管理水平，對其他大、中型水電站時鐘同步系統的建設也具有一定的參考價值。