電廠、變電站同步系統(tǒng)

一、概述

1 ．建立時(shí)間同步系統(tǒng)的重要性

隨著電廠、變電站自動(dòng)化水平的提高，各種以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化裝置廣泛應(yīng)用，如調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、廣域相量測量系統(tǒng)、繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)、事件順序記錄裝置、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)繼電保護(hù)裝置、故障錄波裝置、安全自動(dòng)裝置、雷電定位系統(tǒng)、電網(wǎng)預(yù)決策分析系統(tǒng)、合并單元等。其運(yùn)行實(shí)行分層控制，設(shè)備的運(yùn)行往往要靠數(shù)百公里外的調(diào)度員指揮；電網(wǎng)運(yùn)行瞬息萬變，發(fā)生事故后更要及時(shí)處理，這些都需要有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。有了統(tǒng)一的時(shí)間，既可實(shí)現(xiàn)全廠（站）各系統(tǒng)在 GPS （北斗）時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控，也可以通過事故后各開關(guān)動(dòng)作、調(diào)整的先后順序及準(zhǔn)確時(shí)間來分析事故的原因及過程。統(tǒng)一的時(shí)間是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，提高運(yùn)行水平的一個(gè)重要措施。因此，在電網(wǎng)內(nèi)的電廠、變電站及調(diào)度中心等建立的時(shí)間同步系統(tǒng)是十分必要和迫切的。

2 ．建立時(shí)間同步系統(tǒng)的*性

電廠 / 變電站的時(shí)間同步是一件十分重要的基礎(chǔ)工作，現(xiàn)在電廠 / 變電站大多采用不同廠家的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、 DCS 分布式控制系統(tǒng)、 發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng) (ECS) 、微機(jī)保護(hù)、故障錄波裝置、合并單元、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、電液調(diào)速系統(tǒng) DEH 、 SCADA 系統(tǒng)及各種輸煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脫硫 PLC 等，以前的時(shí)間同步大多是各設(shè)備提供商采用各自獨(dú)立的 GPS 時(shí)鐘，而各時(shí)鐘因產(chǎn)品質(zhì)量有很大差異（ GPS 模塊質(zhì)量差、內(nèi)置精度不高的晶振時(shí)鐘作為基準(zhǔn)時(shí)間源），在對時(shí)精度上都有一定的偏差。同時(shí) , 受雷電天氣等影響 , 質(zhì)量差的 GPS 接收機(jī)授時(shí)性能的劣化降質(zhì)難以發(fā)現(xiàn) , 不少電廠 / 變電站 GPS 天線因安裝不合規(guī)范，如沒配置天線避雷器、饋線沒有加鎧裝外套 ( 易出現(xiàn)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(tǒng)不能在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)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(xiàn)在，人們已經(jīng)充分意識(shí)到時(shí)間統(tǒng)一的重要性。但是，統(tǒng)一時(shí)間并不是單純地并用 GPS 時(shí)鐘設(shè)備。目前，許多電廠 / 變電站普遍采用一臺(tái)或多臺(tái)簡單配置的 GPS 時(shí)鐘裝置作為基準(zhǔn)時(shí)間源，裝置提供的接口數(shù)量有限。而各個(gè)電廠 / 變電站往往有不同的裝置需要接收時(shí)間同步信號(hào)，其接口類型繁多，如 RS232/422/485 串行口、脈沖、 IRIG-B 碼、 DCF77 信號(hào)、 NTP 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間等接口形式，而且裝置的數(shù)量也不等，所以在實(shí)際應(yīng)用中常感到 GPS 裝置的某些類型接口數(shù)量不夠或缺少某些類型接口，其結(jié)果就是電廠 / 變電站中有些裝置不能實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，或者需要再增加一臺(tái)甚至數(shù)臺(tái) 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(shí)間同步系統(tǒng)方案，就可實(shí)現(xiàn)全廠（站）各系統(tǒng)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的運(yùn)行監(jiān)控和事故后的故障分析，大大提高了電廠 / 變電站的安全穩(wěn)定性。因此，采用 GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)比采用傳統(tǒng)的分散的 GPS 時(shí)鐘設(shè)備有著明顯的優(yōu)勢，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

3 ．建立電廠 / 變電站時(shí)間同步系統(tǒng)的必要性

建設(shè)全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)間同步網(wǎng) , 固然是解決全電網(wǎng)時(shí)間同步問題的好方法。但就能否補(bǔ)償時(shí)間信號(hào)傳輸時(shí)延、如何利用通道資源、如何建設(shè)高可靠性高時(shí)間精度的時(shí)間同步網(wǎng)及其投資代價(jià)等方面的綜合性問題 , 目前仍處于 探討階段。

結(jié)合我國電網(wǎng)現(xiàn)狀 , 首先建設(shè)好電網(wǎng)每個(gè)基本單元的電廠 / 變電站內(nèi)時(shí)間同步系統(tǒng) , 即時(shí)間同步子系統(tǒng)是迫切需要解決的 , 這不但對提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行極其重要 , 而且也為將來建設(shè)全網(wǎng)的時(shí)間同步網(wǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

4 ．系統(tǒng)簡介

我公司根據(jù)用戶的實(shí)際需求，結(jié)合我們以往的工程經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)了 電廠 / 變電站時(shí)間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間基準(zhǔn)多源頭（ GPS 、北斗、恒溫晶振、原子鐘、 IRIG-B 時(shí)間基準(zhǔn)）、輸出多制式（串口、脈沖、 IRIG-B 碼、 DCF77 、 NTP 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)等）、滿足多設(shè)備（系統(tǒng)信號(hào)輸出可以任意擴(kuò)展，可滿足任何規(guī)模任何方式的時(shí)間信號(hào)需求）的要求，保證了時(shí)間同步信號(hào)的高度、高穩(wěn)定性、高安全性，高可靠性，將電力系統(tǒng)的時(shí)間同步度、穩(wěn)定性、安全性和可靠性提高到一個(gè)更新更高的臺(tái)階。該系統(tǒng)將 GPS/ 北斗衛(wèi)星傳送的協(xié)調(diào)世界時(shí)（ UTC ）或外部傳送的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)作為定時(shí)信號(hào)源，產(chǎn)生用來傳遞時(shí)間信息的 IRIG-B 時(shí)間碼、串行時(shí)間報(bào)文、脈沖信號(hào)、 DCF77 信號(hào)和 NTP 協(xié)議時(shí)間，用于實(shí)現(xiàn) 全廠（站）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置、故障錄波器 、事件順序記錄裝置、安全自動(dòng)裝置、合并單元、遠(yuǎn)動(dòng) RTU 及各級(jí)能量管理系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、用電負(fù)荷管理系統(tǒng)、電能量記費(fèi)系統(tǒng)、電網(wǎng)頻率按秒考核系統(tǒng)、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(diào)度錄音、各類信息管理系統(tǒng) MIS 、 發(fā)電廠電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)(ECS) 、 DCS 系統(tǒng)、輸煤 PLC 、除灰 PLC 、化水 PLC 、脫硫 PLC 等的時(shí)間同步 ，使電廠 / 變電站內(nèi)各設(shè)備具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。系統(tǒng)外形如下圖所示：

圖 時(shí)間同步系統(tǒng)時(shí)鐘屏

5 ．建立時(shí)間同步系統(tǒng)的意義

1 ） 時(shí)間同步系統(tǒng)保證了電廠 / 變電站內(nèi)各個(gè)裝置具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。

2 ） 時(shí)間同步系統(tǒng)采用了冗余化配置，保證了時(shí)間同步系統(tǒng)的可靠性。

3 ） 時(shí)間同步系統(tǒng)單獨(dú)組屏，為電廠 / 變電站將來改造時(shí)對時(shí)信號(hào)的擴(kuò)展提供了方便。

4 ） 建立時(shí)間同步系統(tǒng)，便于維護(hù)、管理。

二、電廠 / 變電站時(shí)間同步系統(tǒng)方案

1 ．系統(tǒng)組屏

1 ） 系統(tǒng)獨(dú)立組屏。

2 ） 屏柜內(nèi)安裝接線端子排，時(shí)鐘裝置的輸出信號(hào)通過接線端子排與外部信號(hào)電纜連接。

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

2 ．系統(tǒng)配置

1 ） 一個(gè)發(fā)電廠或一個(gè)變電站，配置一套時(shí)間同步系統(tǒng)，一套時(shí)間同步系統(tǒng)可由一面或多面時(shí)鐘裝置屏組成。

2 ） 變電站，按每幢建筑（保護(hù)小室或控制室）配置一面時(shí)鐘裝置屏。

3 ） 發(fā)電廠，按每臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置一面時(shí)鐘裝置屏，升壓站系統(tǒng)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(shí)信號(hào)特別少的小室可選擇從主時(shí)鐘屏通過光纖直接接收對時(shí)信號(hào)的方式。

4 ） 一套時(shí)間同步系統(tǒng)可配置一臺(tái)主時(shí)鐘或兩臺(tái)主時(shí)鐘（冗余方式）。大型發(fā)電廠及 500kV 變電站應(yīng)采用兩臺(tái)主時(shí)鐘，兩臺(tái)主時(shí)鐘以冗余熱備模式工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 ．時(shí)間同步系統(tǒng)的性能

1 ） 主時(shí)鐘 ( 一級(jí)時(shí)鐘 ) 接收 GPS/ 北斗衛(wèi)星信號(hào)或接收外部 IRIG-B （ DC ）時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，并向信號(hào)擴(kuò)展箱 ( 從時(shí)鐘、二級(jí)時(shí)鐘 ) 提供 IRIG-B （ DC ）時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。

2 ） 時(shí)間同步系統(tǒng)各時(shí)鐘屏內(nèi)根據(jù)需要可配置一臺(tái)或多臺(tái)信號(hào)擴(kuò)展箱，信號(hào)擴(kuò)展箱提供多路 脈沖信號(hào)（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接點(diǎn)、差分、TTL、24V/110V/220V有源、光）、IRIG-B信號(hào)（TTL、422、232、AC、光）、DCF77信號(hào)（有源、無源）、時(shí)間報(bào)文（RS232、RS422/485、光）、NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信號(hào)，可以滿足 電廠 / 變電站內(nèi) 不同設(shè)備的對時(shí)接口要求。 信號(hào)擴(kuò)展箱的數(shù)量及輸出信號(hào)接口類型根據(jù)各小室內(nèi)對時(shí)設(shè)備的情況而定。

3 ） 主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元能接收 GPS/ 北斗衛(wèi)星發(fā)送的協(xié)調(diào)世界時(shí)（ UTC ）信號(hào)作為外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。正常情況下，主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元獨(dú)立接收 GPS/ 北斗衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。當(dāng)某一主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元發(fā)生故障時(shí)，該主時(shí)鐘能自動(dòng)切換到另一臺(tái)主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元接收到的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)互為備用。當(dāng)主時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)接收單元恢復(fù)正常后，該主時(shí)鐘自動(dòng)切換回正常工作狀態(tài)，切換時(shí)間小于 0.5 秒，切換時(shí)主時(shí)鐘輸出的時(shí)間同步信號(hào)不會(huì)出錯(cuò)。

4 ） 主時(shí)鐘可輸出一路特殊的供主時(shí)鐘間互聯(lián)的 IRIG-B （ DC ）碼信號(hào)，該信號(hào)作為互聯(lián)主時(shí)鐘的“后備”外部時(shí)間基準(zhǔn)，當(dāng)主時(shí)鐘的“主”外部時(shí)間基準(zhǔn)故障時(shí)，該信號(hào)停止輸出。消除當(dāng)主時(shí)鐘互聯(lián)時(shí)“主”外部時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)生故障所引起的工作狀態(tài)不確定性。

5 ） 信號(hào)擴(kuò)展箱的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)輸入包括兩路 IRIG-B （ DC ）輸入。當(dāng)裝置只接一路 IRIG-B （ DC ）輸入時(shí)，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(shí)，以“ B 碼輸入 1 ” 作為該裝置的“主”外部時(shí)間基準(zhǔn)，“ B 碼輸入 2 ” 作為“后備”外部時(shí)間基準(zhǔn)，當(dāng)“ B 碼輸入 1 ” 異常時(shí)，裝置自動(dòng)切換到“ B 碼輸入 2 ” 接收“后備”外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)“ B 碼輸入 1 ” 恢復(fù)正常時(shí)，裝置自動(dòng)切換回正常工作狀態(tài)， 切換時(shí)間小于 0.5 秒，切換時(shí)裝置輸出的時(shí)間同步信號(hào)不會(huì)出錯(cuò)。

6 ） 時(shí)鐘裝置具有內(nèi)部守時(shí)功能。當(dāng)接收到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，被外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)同步；當(dāng)接收不到外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)， 切換到內(nèi)部守時(shí)， 使主時(shí)鐘或信號(hào)擴(kuò)展箱輸出的時(shí)間同步信號(hào)仍能保持一定的準(zhǔn)確度。當(dāng)外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)接收恢復(fù)時(shí)，自動(dòng)切換到正常狀態(tài)工作，切換時(shí)間小于 0.5 秒，切換時(shí)時(shí)鐘輸出的時(shí)間同步信號(hào)不會(huì)出錯(cuò)。

7 ） 時(shí)鐘裝置 的外部時(shí)間基準(zhǔn)（ B 碼輸入）具有時(shí)延補(bǔ)償功能， 能夠補(bǔ)償外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)（ IRIG-B ）的傳輸延時(shí)，從而保證了時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的精度。

8 ） 時(shí)鐘裝置的 所有輸出信號(hào)均經(jīng)隔離輸出，抗*力強(qiáng)，且 各路輸出在電氣上均相互隔離。

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

10 ） 時(shí)鐘裝置的某一路輸出信號(hào)短路，不會(huì)影響其它輸出信號(hào)。

11 ） 時(shí)鐘裝置具 有自復(fù)位能力，在因干擾造成裝置 CPU 瞬間故障時(shí)，能自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

12 ） 時(shí)鐘 裝置采用 全模塊化即插即用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持板卡熱插拔，配置靈活， 維護(hù)方便。

13 ） 時(shí)鐘裝置具有工作狀態(tài)指示、告警顯示和告警信號(hào)輸出功能。告警信號(hào)的電接口類型為繼電器空接點(diǎn)，接點(diǎn)耐壓 >250V DC 。

14 ） 時(shí)鐘裝置具有時(shí)間顯示功能，可顯示年、月、日、時(shí)、分、秒。

15 ） 每臺(tái) 時(shí)鐘裝置 都提供一路TTL脈沖信號(hào)（可編程輸出1PPS、1PPM、1PPH、事件），供時(shí)鐘的準(zhǔn)確度指標(biāo)測試。

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

4 ．時(shí)間同步系統(tǒng)的組成

時(shí)間同步系統(tǒng)通常由主時(shí)鐘、若干從時(shí)鐘、時(shí)間信號(hào)傳輸介質(zhì)組成。根據(jù)時(shí)間同步系統(tǒng)的配置方式，時(shí)間同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tái)主時(shí)鐘和信號(hào)傳輸介質(zhì)組成，為被授時(shí)設(shè)備（系統(tǒng)）對時(shí)。根據(jù)需要和技術(shù)要求，主時(shí)鐘可設(shè)接收上一級(jí)時(shí)間同步系統(tǒng)下發(fā)的有*基準(zhǔn)信號(hào)的接口。該系統(tǒng)由一面主時(shí)鐘屏組成，主時(shí)鐘屏一般設(shè)在電廠 / 變電站的控制室。

2 ）主從式

由一臺(tái)主時(shí)鐘、多臺(tái)從時(shí)鐘和信號(hào)傳輸介質(zhì)組成，為被授時(shí)設(shè)備（系統(tǒng)）對時(shí)。根據(jù)實(shí)際需要和技術(shù)要求，主時(shí)鐘可設(shè)接收上一級(jí)時(shí)間同步系統(tǒng)下發(fā)的有*基準(zhǔn)信號(hào)的接口。該系統(tǒng)由一面主時(shí)鐘屏或和多面時(shí)鐘擴(kuò)展屏組成，主時(shí)鐘屏一般設(shè)在電廠 / 變電站的控制室。時(shí)鐘擴(kuò)展屏數(shù)量根據(jù)電廠 / 變電站內(nèi)小室的情況而定。各小室時(shí)鐘屏負(fù)責(zé)本小室二次設(shè)備的對時(shí)。

3 ）主備式

由兩臺(tái)主時(shí)鐘、多臺(tái)從時(shí)鐘和信號(hào)傳輸介質(zhì)組成，為被授時(shí)設(shè)備（系統(tǒng)）對時(shí)。根據(jù)實(shí)際需要和技術(shù)要求，主時(shí)鐘可預(yù)留接口，用來接收上一級(jí)時(shí)間同步系統(tǒng)下發(fā)的有*基準(zhǔn)信號(hào)。該方式可分為 兩臺(tái)主時(shí)鐘同屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和兩臺(tái)主時(shí)鐘不同屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

兩臺(tái)主時(shí)鐘同屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由一面主時(shí)鐘屏或和多面時(shí)鐘擴(kuò)展屏組成，主時(shí)鐘屏有兩臺(tái)主時(shí)鐘，時(shí)鐘擴(kuò)展屏數(shù)量根據(jù)電廠 / 變電站內(nèi)小室的情況而定。主時(shí)鐘屏一般設(shè)在電廠 / 變電站的控制室。各小室時(shí)鐘屏負(fù)責(zé)本小室二次設(shè)備的對時(shí)。

兩臺(tái)主時(shí)鐘不同屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由兩面主時(shí)鐘屏或和多面時(shí)鐘擴(kuò)展屏組成，每面主時(shí)鐘屏內(nèi)各有一臺(tái)主時(shí)鐘。時(shí)鐘擴(kuò)展屏數(shù)量根據(jù)電廠 / 變電站內(nèi)小室的情況而定。各小室時(shí)鐘屏負(fù)責(zé)本小室二次設(shè)備的對時(shí)。