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电厂/变电站GPS时间同步系统 

一、             概述

1电厂/变电站GPS时间同步系统建立时间同步系统的重要性

随着电厂、变电站自动化水平的提高，各种以计算机技术和通信技术为基础的自动化装置广泛应用，如调度自动化系统、广域相量测量系统、继电保护及故障信息管理系统、事件顺序记录装置、变电站自动化系统、发电厂监控系统、微机继电保护装置、故障录波装置、安全自动装置、雷电定位系统等。其运行实行分层控制，设备的运行往往要靠数百公里外的调度员指挥；电网运行瞬息万变，发生事故后更要及时处理，这些都需要有统一的时间基准。有了统一精确的时间，既可实现全厂（站）各系统在GPS时间基准下的运行监控，也可以通过事故后各开关动作、调整的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施。

2电厂/变电站GPS时间同步系统 时间同步系统的优越性

电厂（站）的时间同步是一件十分重要的基础工作，现在电厂（站）大多采用不同厂家的计算机监控系统、DCS分布式控制系统、微机保护、故障录波装置、电能量计费系统、电液调速系统DEH、SCADA系统及各种输煤PLC、除灰PLC、化水PLC、脱硫PLC等，以前的时间同步大多是各设备提供商采用各自独立的时钟，而各时钟因产品质量的差异，在对时精度上都有一定的偏差，从而使全厂（站）各系统不能在统一的时间基准基础上进行数据分析和比较，给事故后正确的故障分析判断带来很大困难。

现在，人们已经充分意识到时间统一的重要性。但是，统一时间并不是单纯地并用GPS时钟设备。目前，许多电厂（站）普遍采用一台简单配置的GPS时钟，提供的接口数量有限。而各个电厂（站）往往有不同的装置需要接收时间同步信号，其接口类型繁多，如RS232/422/485串行口、脉冲、IRIG-B码、DCF77格式接口等，而且装置的数量也不等，所以在实际应用中常感到GPS装置的某些类型接口数量不够或缺少某些类型接口，其结果就是电厂（站）中有些装置不能实现时间同步，或者需要再增加一台甚至数台GPS装置，而这往往受到资金不足或没有安装位置等限制。若全厂（站）采用时间同步系统方案，就可实现全厂（站）各系统在统一时间基准下的运行监控和事故后的故障分析，大大提高了电厂（站）的安全稳定性。因此，采用GPS时间同步系统比采用传统的分散的GPS时钟设备有着明显的优势，也是技术发展的必然趋势。

3 电厂/变电站GPS时间同步系统简介

我公司根据用户的实际需求，结合我们以往的工程经验，研制开发了K800电厂（站）时间同步系统(时钟同步系统,冗余对时系统)。其将GPS（全球定位系统）卫星传送的协调世界时（UTC）或外部传送的时间基准信号作为定时信号源，产生用来传递时间信息的IRIG-B时间码、串行时间报文、脉冲信号、DCF77信号和NTP协议时间，用于实现全厂（站）计算机监控系统、保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、安全自动装置、远动RTU及各级能量管理系统、调度自动化系统、配电网自动化系统、用电负荷管理系统、电能量记费系统、电网频率按秒考核系统、同步相量测量装置（PMU）、线路故障行波测距装置、雷电定位装置、调度录音电话、各类信息管理系统MIS、DCS系统、输煤PLC、除灰PLC、化水PLC、脱硫PLC等的时间同步，使电厂（站）内各设备具有统一的时间基准。

二、电厂/变电站GPS时间同步系统的配置和性能

1．一个发电厂或一个变电站，配置一套时间同步系统，一套时间同步系统可由一面或多面时钟装置屏组成。

2．变电站，按每幢建筑（保护小室或控制室）配置一面时钟装置屏。

3．发电厂，按每台发电机组配置一面时钟装置屏，升压站系统按变电站原则配置。

4．一套时间同步系统可配置一台主时钟或两台主时钟（冗余方式）。大型发电厂及500kV变电站应采用两台主时钟，两台主时钟以冗余热备模式工作，提高了系统的可靠性。

5．主时钟接收GPS（全球定位系统）卫星信号或接收外部IRIG-B（DC）时间基准信号，并向信号扩展箱提供IRIG-B（DC）时间基准信号。

6．电厂/变电站GPS时间同步系统各时钟屏内需配置一台或多台信号扩展箱，信号扩展箱提供多路脉冲信号（1PPS、1PPM、1PPH、事件，空接点、差分、TTL、24V/110V/220V有源）、IRIB-B信号（TTL、422、232、AC）、DCF77信号（有源、无源）、时间报文（RS232、RS422/485）、NTP网络时间信号，可以满足电厂（站）内不同设备的对时接口要求。信号扩展箱的数量及接口类型根据各小室内对时设备的情况而定。

7．主时钟的时间信号接收单元能接收GPS卫星发送的协调世界时（UTC）信号作为外部时间基准信号。正常情况下，主时钟的时间信号接收单元独立接收GPS卫星发送的时间基准信号。当某一主时钟的时间信号接收单元发生故障时，该主时钟能自动切换到另一台主时钟的时间信号接收单元接收到的时间基准信号，实现时间基准信号互为备用。当主时钟的时间信号接收单元恢复正常后，该主时钟自动切换回正常工作状态，切换时间小于0.5秒，切换时主时钟输出的时间同步信号不会出错。

8．主时钟可输出一路特殊的供主时钟间互联的IRIG-B（DC）码信号，该信号作为互联主时钟的“后备”外部时间基准，当主时钟的“主”外部时间基准故障时，该信号停止输出。消除当主时钟互联时“主”外部时间基准发生故障所引起的工作状态不确定性。

9 ．信号扩展箱的时间基准信号输入包括两路IRIG-B（DC）输入。当装置只接一路IRIG-B（DC）输入时，该路输入可以是“B码输入1”，也可以是“B码输入2”。装置接入两路IRIG-B（DC）输入时，以“B码输入1”作为该装置的“主”外部时间基准，“B码输入2”作为“后备”外部时间基准，当“B码输入1”异常时，装置自动切换到“B码输入2”接收“后备”外部时间基准信号，当“B码输入1”恢复正常时，装置自动切换回正常工作状态，切换时间小于0.5S，切换时装置输出的时间同步信号不会出错。

10．主时钟和信号扩展箱的外部时间基准（B码输入）具有时延补偿功能，消除时间基准因传输产生的误差。

11． 电厂/变电站GPS时间同步系统时钟装置具有内部守时功能。当接收到外部时间基准信号时，被外部时间基准信号同步；当接收不到外部时间基准信号时，切换到内部守时，使主时钟或信号扩展箱输出的时间同步信号仍能保持一定的准确度。当外部时间基准信号接收恢复时，自动切换到正常状态工作，切换时间小于0.5S，切换时时钟输出的时间同步信号不会出错。

12．时钟装置的所有输出信号均经隔离输出，抗干扰能力强，且各路输出在电气上均相互隔离。13． 时钟装置具有自复位能力，在因干扰造成装置CPU瞬间故障时，能自动恢复正常工作。

14．时钟装置的某一路输出信号允许短路5分钟以上，不会造成对该输出回路的永久性损坏。15． 时钟装置的某一路输出信号短路，不会影响其它输出信号。

16．时钟装置采用模块化结构设计，CPU板、B码生成板、信号输出板可热拔插。

17．时钟装置具有工作状态指示、告警显示和告警信号输出功能。告警信号的电接口类型为继电器空接点，接点耐压>250V DC。

18．每台时钟装置都提供一路TTL脉冲信号（可编程输出1PPS、1PPM、1PPH、事件），供时钟的准确度指标测试。

19．时钟装置具有时间显示功能，可显示年、月、日、时、分、秒。

20．电厂/变电站GPS时间同步系统可采用双电源冗余供电，任何一路电源消失，系统仍能保持正常工作。有两种实现方式：a)时钟屏采用时间继电器和接触开关组成电源切换电路。b)GPS装置采用双电源冗余供电，电源供电自适应。

三、电厂/变电站GPS时间同步系统的结构

时间同步系统由主时钟、信号扩展箱、时间信号传输设备（介质）、时间信号用户设备接口、屏柜、相关软件和协议组成。根据时间同步系统的配置方式，时间同步系统的结构有多种形式，下面是几种典型的形式。

1 一台主时钟系统结构

该系统结构由一面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成，主时钟屏有一台主时钟。主时钟一般设在电厂（站）的控制室。时钟扩展屏数量根据厂（站）内小室的情况而定。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

2 二台主时钟同屏系统的结构

该系统结构由一面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成，主时钟屏有两台主时钟，互为热备，。主时钟一般设在电厂（站）的控制室。时钟扩展屏数量根据厂（站）内小室的情况而定。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

3 二台主时钟不同屏系统的结构

该系统结构由两面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成，每面主时钟屏内各有一台主时钟，两台主时钟互为热备。时钟扩展屏数量根据厂（站）内小室的情况而定。各小室GPS屏负责本小室二次设备的对时。

四、            电厂/变电站GPS时间同步系统特点

1．专业厂家，专业品质

我公司专业致力于同步时钟产品的研发和应用，引进先进的生产技术和生产设备，采用表面贴装技术，产品性能稳定可靠。

2． 同步精度高

采用美国原装高精度GPS模块，时钟同步精度可达30nS。

3． 守时精度高

主时钟和信号扩展箱都有内部守时单元。采用了智能驯服算法，晶体选用高精度恒温晶体振荡器，使装置守时准确度优于7*10^-9(0.42μS/分钟)，即在外部时间基准异常的情况下，每天时钟走时误差不超过0.6mS。

4． 可靠性高

1）．应用GPS技术/B码基准解码接收技术/高稳晶体振荡器守时技术授时，实现多基准冗余授时，能够智能判别GPS信号、外部B码时间基准信号的稳定性和优劣，并提供多种时间基准配置方法。

2）． 采用精准的测频与“智能学习算法”，使守时电路输出信号与GPS卫星/IRIG-B时间基准保持精密同步,消除因晶体振荡器老化造成的频偏带来的影响。

3）．由于装置输出的1PPS等时间信号是内置振荡器的分频秒信号输出，同步于GPS系统但并不受GPS秒脉冲信号跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的复现。

4）．GPS接收天线重点考虑了防雷设计、稳定性设计、抗干扰设计，信号接收可靠性高，不受厂（站）地域条件和环境的限制。

5）．采用双电源冗余供电，并选用高性能、宽范围开关电源，工作稳定可靠，装置电源供电自适应。

5． 专用GPS防雷，保护更彻底

在厂（站）避雷针避雷范围内，GPS天线加装专用天线防雷器，使GPS时钟具有双重防雷效果。

6． 电厂/变电站GPS时间同步系统抗干扰能力强

1）．机箱经防磁处理。

2）．系统电源经专门滤波、消除共模干扰电路处理。

3）．装置具有自复位能力，在因干扰造成装置程序出错时，能自动恢复正常工作。

4）．所有输入、输出信号均电气隔离。

7． 可实现厂（站）内时间同步系统的在线运行监控

1）．主时钟前面板有“电源指示”灯、“秒脉冲指示” 灯、“GPS信号输入” 灯、“B码信号输入” 灯、“GPS信号输入异常” 灯、“B码信号输入异常” 灯多种状态指示，信号扩展箱前面板有“电源指示”灯、“秒脉冲指示”灯、“B码信号输入1”灯、“B码信号输入2”灯、“B码信号输入1异常”灯、“B码信号输入2异常”灯多种状态指示，便于运行值班人员的日常巡视。                                       

2）．主时钟有电源中断告警、GPS失步告警、外部“B码输入”（后备时间基准）消失告警；信号扩展箱有电源中断告警、外部“B码输入1”消失告警、外部“B码输入2”消失告警。这些告警信号为继电器空接点信号输出，可接入厂（站）内的监控系统，随时监控时间同步系统的运行状况。

3）．电厂/变电站GPS时间同步系统可输出多路脉冲，按要求指定某一特定时间发送一个脉冲（即每天发送一个脉冲），将此脉冲接入自动化测控单元等二次设备，并将贴有时间标签的事件上传厂（站）内的监控系统或调度中心，在线检测时间同步系统的信号输出精度或厂（站）内二次设备的对时误差。    

8．系统操作简单，维护方便，信号接口配置灵活，易于扩展

1）．时钟装置使用按键设置, 脉冲、串口信号输出可编程，操作简单。

2）．时钟装置采用模块化结构设计，配置灵活。

3）．时钟装置采用模块化结构设计,为将来其它信号基准源(北斗、伽利略卫星信号等) 的接入提供了方便，同时为将来电厂（站）改造扩建时增加或更改对时信号接口提供了方便。

4）．CPU板、B码生成板、信号输出板可热拔插，维护方便。

9．系统安装调试安全方便

1）．时钟装置为架装式结构，2U、19”标准机箱,安装方便。

2）．时钟装置采用模块化结构设计，CPU板、B码生成板、信号输出板可热拔插，易于调试。

3）．屏柜端子采用带隔离刀的端子排，方便分路调试。

4）．每台装置提供一路可编程的TTL脉冲信号（1PPS/1PPM/1PPH）供时钟的准确度指标测试。

5）．装置可通过数码管显示跟踪到的有效卫星个数，直观地反映装置接收GPS卫星的状况。

六、 建立电厂/变电站GPS时间同步系统的意义

◆时间同步系统保证了电厂（站）内各个装置具有统一的时间基准。

◆建立时间同步系统后，主时钟和信号扩展箱都采用了冗余化配置，保证了时间同步系统的可靠性。

◆时间同步系统单独组屏，为变电站将来改造时GPS时间同步信号的扩展提供了方便。

◆建立时间同步系统，便于维护、管理。

在电厂（站）建立时间同步系统后，厂（站）内各个装置有了统一时间基准，消除了各个装置的时间偏差，为分析各开关的动作情况带来了极大方便，大大提高了事故分析的准确性和可比性。

从客户反馈回的信息来看，建立电厂/变电站GPS时间同步系统，效果良好，时间基准统一，便于维护、管理和故障分析。