时间同步系统的设计与优化

摘要：随着电力生产设备自动化程度越来越高，对设备安全运行管理的水平也提出了更高的要求，这就需要一套高精度的时钟系统来实现。现就时钟系统的配置方案进行了详细分析，各厂站需结合自身的需求进行配置;同时对时钟系统功能、要求、原理、配置方案及故障后对被授时设备的影响进行了详细阐述。完善的时钟系统不仅有利于加快事故的分析处理，更是提高了电力系统的稳定运行能力。

关键词：配置;对时系统;安装要求

0    引言

时钟是电气二次系统进行实时数据采集、控制、事故分析的基础，是电力系统不可或缺的一部分。随着智能电网建设的不断推进，电力系统发、输、配、用电的智能化要求对时间同步的要求会非常高，电力控制技术不断发展，更高精度的控制技术和事故分析都离不开更为精确的统一时间。为确保电气系统各部分能够稳定可靠工作，时钟系统的配置尤为重要。本文对时钟系统功能、要求、原理、配置方案及故障后对被授时设备的影响进行了详细阐述。

1    托克托电厂概况

托克托发电公司共有12台机组，总装机容量6 720 MW，共有4个网控楼。原厂站对时系统由多个系统组成，改造后，在1号网控楼设立统一时钟系统，由两套北斗卫星对时系统组成，通过光纤分别传输给一期至五期机组电子间、2号网控楼电子间、220 kV变电站网控楼电子间及呼铝网控楼电子间的扩展箱，通过各扩展箱给区域内设备对时，以实现全厂时间的统一。

2    对时系统

2.1    对时系统的功能

近年来电力系统自动化技术迅速发展，发电厂、变电站监控系统、调度自动化系统、RTU、故障录波器、微机继电保护装置、机组DCS和DEH系统等的正常工作和作用发挥，都离不开时间记录和统一的时间基准，而在这些装置内部都有自己的时钟，即所谓的“实时时钟”。这些实时时钟都是电子式的，它的准确度一般都不是很高，长时间运行后累计误差越来越大，如不及时校正，将影响它们正常作用的发挥。因此，这些装置的实时时钟实现自动时间同步是电力系统自动化的一个重要任务。

2.2    时钟系统的要求

（1）主时钟要双机冗余备用：至少要有两台主时钟（北斗或GPS），每台主时钟要通过天线接收卫星时间信号。

（2）扩展时钟信号输入也应双重化配置：扩展时钟的接收模块应有两路输入接口，可以分别接收两路主时钟时间信号。

（3）高精度守时：扩展时钟和主时钟可配置普通晶振和高精度的恒温晶振，当外部时间信号失去后，可使输出时间精度达到规程要求，完全满足各被授时设备的时间精度要求。

（4）时间输出模块：每台主时钟和扩展时钟均可按被授时设备要求输出多种时间形式，如RS232、RCS485、RS422串行接口，IRIG-B电B码、光B码，脉冲信号（秒脉冲、分脉冲、时脉冲等），网络NTP/TPT等。

（5）电源模块：要求主时钟和扩展时钟都具有双路电源，电源电压范围达85～240 V，交直流通用，任意电源失去后发出电源告警信号，但不影响时钟运行。

（6）人机界面：液晶面板上应能显示年、月、日、时、分、秒，接收卫星数量、卫星状态、电源模块状态及各时间信号运行状态等。如有需要，可以在时钟装置菜单内显示报警信息、收星数量等，良好的人机界面既能降低用户操作的复杂程度，又有利于实时掌握时钟系统运行工况，给用户提供便利。

（7）告警：主时钟至少应有电源告警、时钟失星告警及时间异常告警等，将告警信号送给NCS或DCS后台，方便运行人员及时发现告警，可以更快地处理时钟系统的异常。

（8）安装：主时钟接收器（蘑菇头）的主要功能是接收同步卫星发出的时钟信息，接收到的卫星数量越多则主时钟输出的对时精度越高。由于主时钟接收机的接收功率有限，无法穿越建筑物或遮挡物，因此主时钟接收器的安装位置点应选在楼顶最高处，安装点周围应无遮挡，才能保证接收器稳定可靠地接收同步卫星发出的时钟信息。

（9）投运前检测试验：在时钟系统安装投运前要测量星历分布、卫星强度等，找出最佳安装位置;安装后，要进行主时钟精度检测、扩展箱精度检测、守时精度检测、报警信号上送、切换试验等，并留有相关试验报告，这样才能确保时钟系统稳定可靠运行。

3    时钟系统的重要性

3.1    时钟系统对保护装置、故障录波器、信息子站系统的影响

继电保护装置、故障录波器、信息子站等自身有对时功能，是靠装置本身的时间晶振完成守时的，但装置守时精度不够，随着时间的推移，各保护装置的事件记录时间会不一致，对事件的追忆及分析产生影响，因此继电保护装置、故障录波器、信息子站等必须接入统一时钟系统。

3.2    时钟系统对PMU的影响

PMU通过接入时钟系统进行对时，能保证全网数据同步性，时标信息与数据同时存储并发到主站。PMU采集的相关数据是两个细则中一次调频考核的重要依据，如果时钟系统与PMU对时中断，造成PMU采集的数据上传不同步，就会影响电力系统经济效益。因此，时钟系统的稳定性对PMU系统起着关键作用。

3.3    时钟系统对DCS的影响

对于发电厂，DCS和NCS是非常重要的控制系统，需要采集大量事實数据用来监测设备状态，并实时发出控制指令用于调节，因此时钟统一对于发电厂有重要意义，但当对时系统本身出问题时，可能对DCS造成致命影响。此次改造时对DCS的时间参数做了试验，发现时间调整会对实时趋势及历史数据归档产生影响，当时间向未来调整时，实时趋势会产生数据缺失，系统自动补充趋势显示导致实时趋势内所有点均变为一条直线，直线长度为调整时间的长度;当时间向过去调整时，由于时间回到过去，而实时趋势最新的数据已属于未来数据，实时趋势会卡死，一直等到时间恢复到调整前的时间为止。也就是说，向后调整多长时间，实时趋势就会卡死多长时间，此时若运行人员不明原因就进行操作，很容易发生误操作导致机组跳闸。

4    时钟系统的配置方案

我国电力系统所用的同步时钟源主要是美国的GPS和中国的北斗，美国已成功掌握“局部屏蔽GPS信号”技术，给我国各种应用带来了潜在的隐患。电网作为国家重要基础设施，要尽量避开潜在隐患。北斗系统是我国自主研发的，至今已有三代北斗产品，目前北斗对时系统完全可以独立精准地工作，因此各厂站要根据所辖设备的多少及位置合理选择时钟系统配置方案。常用的配置方法有以下四种：

4.1    配置双套GPS

GPS授时系统开发时间早，因此早期对时系统都是由GPS时钟组成的，即两台GPS主时钟+双机切换器，当有一台GPS故障時会切到另一台GPS工作。

4.2    配置一套北斗、一套GPS

随着北斗系统的建立，越来越多的厂站设置一套北斗和一套GPS时钟系统双机切换模式，由于北斗系统不如GPS系统完善，不能单独依靠一套北斗系统，需要GPS系统互为备用，保证授时设备的时间精度。

4.3    配置双套北斗

目前北斗系统发展较为完善，授时精度高，可以采用双北斗授时系统，两套北斗系统互为备用，确保时间的正确和稳定。

4.4    配置双套北斗、GPS双模系统

目前，各时钟厂家均可以生产一套时钟装置，包括北斗和GPS时钟，它可以采用北斗/GPS双模接收机，即一个蘑菇头、一根天线可以同时给北斗和GPS授时，本身可以互为备用，这样的时钟装置可以设置为双套，双套之间也可以互为备用，每套装置都可以设置为北斗时钟优先，当北斗时钟出现故障时才会切换到GPS工作，当该套装置北斗/GPS都出现问题时，会自动切换至另一套时钟装置上。这种模式比以上几种授时系统成本高，但可靠性较高。

综上所述，电力系统中的各厂站可根据自身特点，如主时钟的安装位置、数量，被授时设备数量、类型及所在位置等，合理选择最优配置方案。

5    结语

随着电力生产设备自动化程度越来越高，对设备安全运行管理的水平也提出了更高的要求，这就需要一套高精度的时钟系统来实现。本文就时钟系统的配置方案进行了详细分析，各厂站需结合自身的需求进行配置;同时对时钟系统功能、要求、原理、配置方案及故障后对被授时设备的影响进行了详细阐述。时钟系统是各厂站的管理弱项，完善的时钟系统不仅有利于加快事故的分析处理，更能提高电力系统的稳定运行能力。

[参考文献]

[1] 电力系统的时间同步系统 第1部分：技术规范：DL/T 1100.1—2009[S].

收稿日期：2020-02-27

作者简介：邓杰莹（1987—），女，内蒙古通辽人，工程师，从事继电保护与仪器仪表的维护工作。