GPS時鐘裝置（時鐘同步裝置）在華能某水電公司應用方案

GPS時鐘裝置（時鐘同步裝置）在華能某水電公司應用方案

GPS時鐘裝置（時鐘同步裝置）在華能某水電公司應用方案

近年來，随着電網運作水準的提高，大部分變電站采用綜合自動化方案，遠方集中控制、操作，既提高了勞動生産率，又減少了人為誤操作的可能。采用變電站自動化技術是變電站計算機應用的方向，也是電網發展的趨勢。

由于自動化系統（裝置）内部的實時時鐘的工作建立在脈沖計數的原理上，因而，自動化系統實時時鐘的時間同步要求是變電站自動化系統的最基本要求。目前電網已經建立了同步時鐘系統，并預留了同步時間接口，為全省的通信裝置提供同步信号（頻率），如果能夠利用該系統為全網提供時間同步信号，将會大大提高全網的可靠性，并帶來一定的經濟效益。

1、 電網實作時間同步的必要性

随着時代的進步，電力系統的不斷發展，人們對電網的穩定、安全、高效提出了更高的要求。而作為電網基本機關的變電站、發電廠和排程所内部均有衆多的計算機監控系統、保護裝置、故障錄波器、故障資訊管理系統、安全自動裝置、遠動ＲＴＵ、ＤＣＳ系統及能量計費系統等自動化裝置，其中大部分裝置的運作變量可謂瞬息萬變，對時間精度要求很高，如果裝置之間沒有同步到高精度的時間基準，大家各自為政，就不能保證明時系統等重要資訊的準确性。另外，各管理監控裝置對時間同步的精度要求應與所連接配接的自動化裝置保持同一水準，以便于故障的分析、授時，鑒定不同專業裝置的責任。例如通過故障錄波、保護資訊管理系統等裝置記錄事件的時間、事件發生的先後次序等，對事故進行分析。這對于查找事故的原因、分析事故發生過程，進而減少事故隐患有着至關重要的作用，同時也利于明确責任，加強管理。在通信資訊網絡中，随着網絡規模的擴大，網絡的系統安全日益顯得重要，密碼保護、加密、電子認證等安全措施越來越多，而許多安全措施也都需要時間同步信号。

另外，随着ＧＰＳ系統的全面民用化，國内外在基于ＧＰＳ的同步相量測量單元（ＰＭＵ）方面已經開展研究，尤其在硬體性能方面取得了很大進展，已經開始裝備于電力系統。這些裝置可以直接測量節點電壓的幅值和相角，并經由通信傳輸網絡傳到排程中心，以對電力系統實時動态過程進行檢測和分析。相量測量裝置是電力系統實時動态檢測系統的基本核心組成部分，必須具備高穩定性、高精确度，而這些裝置的應用都離不開高精度的時間。例如行波測距裝置、功角測量裝置等的正常運作都必須建立在高精度的同步時間基礎上。

總之，電網中的時間因素越來越重要，隻有建立完善的時間同步機制，才能保證電網的可靠、高質運作。

2、 電網實作時間同步的重要性

以往的變電站、電廠内的絕大部分裝置所使用的時間都是由裝置内部時鐘提供的，由于裝置内部時鐘的品質差異，工作一段時間後，會導緻各裝置的時間出現較大偏差。在目前新近投産的變電站、電廠中一般在站内配置一套小型的同步系統，接收統一的ＧＰＳ時間信号作為統一的信号源，然後傳到站内各裝置，我們稱之為“局部同步”。

随着電網的日趨複雜，我們不能僅僅局限于站内、廠内的局部同步，也就是說不能僅保證站内各裝置的時間統一，而應在更大範圍内實作時間同步，做到全地區、全省範圍内所有站、所有裝置的時間完全一緻。因為電網是一個整體，站與站之間的同步、監控、排程遠比站内的同步更重要。電網将逐漸形成以大機組、高壓輸電、自動化控制為特征的現代化電網，運作實作分層控制，裝置的運作要靠遠方排程中心來指揮，而電網的運作可謂瞬息萬變，發生事故後更需要掌握實時資訊，以便及時決策處理，各種以計算機和通信技術為基礎的自動化裝置都需要統一的時間，這些都離不開整個系統的統一時間基準。

整個電網的時間統一性是不容忽視的，時間如同電網的命脈，它在快速準确分析電網的故障、支援電網自動化系統及市場運作、支援保護故障管理系統、支援安全穩定控制裝置系統等方面都起着極為重要的作用。

3、電網同步時鐘系統應用現狀

華能某電網已于２００３年建設了一套覆寫全省的同步時鐘系統，全部采用安徽京準電子科技公司的高精度、高可靠和穩定性時鐘同步産品，為整個電網通信裝置提供（頻率）同步信号。

省數字同步網由時鐘節點裝置和同步時鐘鍊路組成，時鐘節點裝置包括區域基準時鐘（ＬＰＲ）、同步供給單元（ＳＳＵ）。ＬＰＲ提供全數字同步網的同步基準頻率，ＳＳＵ是數字同步網的節點從鐘，具有頻率基準選擇、處理和定時配置設定的功能。每個基準時鐘控制的同步網内的同步方法采用等級主從同步，同步網内各同步節點之間是主從關系，每個同步網的節點都賦予一個等級地位，隻容許某一等級的節點向較低等級或同等級的節點傳送定時基準信号達到同步。在省公司設定了ＬＰＲ（雙ＧＰＳ），另外在各地區設定了單ＧＰＳ系統，通過ＳＤＨ電路的ＳＴＭ—Ｎ将省公司ＬＰＲ時鐘傳至各地區的ＳＳＵ，正常情況下，所有ＳＳＵ都跟蹤于省公司ＬＰＲ，各地區的ＧＰＳ作為備用，當ＧＰＳ信号消失時，接收來自上級地面傳來的時鐘信号。而且在建設同步時鐘網時，已經預留了同步時間接口，格式為ＩＲＩＧ—Ｂ。

目前，大部分變電站内計算機監控系統、微機保護裝置、故障錄波器、事件記錄儀、安全自動裝置、遠動ＲＴＵ及能量計費系統等自動化裝置大都預留了通用的時間接口。但是，實作這些裝置時間同步的方式還主要是依靠許許多多分散的低端ＧＰＳ接收機。可以說，一些裝置雖然具有時間接口，但根本還未接入時間信号；已經接入時間信号的，還沒有真正實作時間同步。

在一些新設計的變電站中，采用了“局部同步”的方式，即在變電站設定一台ＧＰＳ接收機及時鐘配置設定單元，為站内各種裝置提供時間信号，這種方式較原先那種采用許多分散的ＧＰＳ接收機的方案有所改進，但仍然存在諸多不足之處，主要展現在以下幾個方面：

一是ＧＰＳ接收機的品質性能欠缺。ＧＰＳ主時鐘是全站時間同步系統的核心裝置，可靠性是對它的最主要要求，而多數變電站内的ＧＰＳ接收機均為單ＧＰＳ系統（非１＋１備援），裝置投資較低，帶來的問題就是性能較差。另一方面，保持性能又是可靠性的最主要的表現。保持性能，是指在特殊條件下（如饋線被老鼠咬斷、惡劣天氣等）或戰争或政治原因，無法收到美國的ＧＰＳ衛星信号，主時鐘依靠系統内部晶體振蕩器或原子鐘，仍然可以保持高精度的時間輸出。振蕩器不同，ＧＰＳ主時鐘的保持性能就會有明顯的不同。目前，變電站内配置的同步系統中一般為内置的振蕩器（或沒有），時鐘的保持性能較差。

二是并未形成“網同步”。目前，變電站的同步僅為“局部同步”，并未實作真正的同步。電力時間同步是一個系統工程，它不僅僅是各個變電站内保護、控制、錄波等裝置的時間統一，更重要的是要做到全地區、全省範圍内所有裝置的時間都完全一緻。為避免突發事件下局部ＧＰＳ時鐘信号受到幹擾而影響電力生産的安全，必須建立切實可行的地面傳輸鍊路，按照“主從同步”的原則，規劃整個同步網。

4、同步網綜合應用解決方案

4.1時間信号的鍊路傳輸方式

時鐘系統的組網方式可采用以下兩種方式：（１）采用６４ ｋｂ透明傳輸通道：就電網的通信網絡條件，可以利用ＳＤＨ的６４ ｋｂ通道将位于省公司或地調的時間信号傳至各電廠、變電站。由于６４ ｋｂ通道誤碼率很小（小于１０－６），且不需要對資料進行協定封裝，也不需進行分組交換式的存儲轉發，是以網絡時延很短，能夠獲得更高的時間精度。就山西時鐘同步網而言，可利用已有時鐘裝置的ＩＲＩＧ—Ｂ碼接口，采用６４ ｋｂ通道将時間信号傳至各廠、站。（２）采用ＩＰ網組網方式：時間信号可以采用ＮＴＰ協定，通過ＩＰ網絡進行傳輸，利用ＮＴＰ協定通過ＩＰ網絡進行對時已成為趨勢，ＮＴＰ可以獲得并且分發時間，用複雜的計算增強時間的準确度，實作準确度低于毫秒級的服務。山西電力資料通信網已經建立，覆寫了所有２２０ ｋＶ及以上的變電站、主要電廠及省地調。且每個點都通過兩個不同的裝置、路徑進行了組網，是以可利用現有網絡資源、現有時鐘裝置通過ＮＴＰ協定對全網各個站點進行授時。

4.2 時延的補償

無論采取何種傳輸方式，由于傳輸裝置的固有傳輸時延以及幹擾、損耗等因素，都會産生不同程度的時間延遲，但都可通過時延補償技術來解決這一問題。對于６４ ｋｂ通道傳輸方式：可根據固定的傳輸距離、固定的傳輸電路，用标準的時間作基準，測量出因傳輸帶來的時延，然後在裝置上預先設定好補償值，由于傳輸網的傳輸通道相對是固定的，是以在運作中可以一直采用該值進行補償，即所謂的固定補償方式。對于ＩＰ網組網方式：可以傳送網絡時間協定ＮＴＰ或簡單網絡協定ＳＮＴＰ，這種協定能夠通過算法取得網絡阻塞引起的時間延遲以及裝置造成的時延，并進行補償。由于ＩＰ網絡的阻塞是動态的，是以ＮＴＰ的算法也是動态的，可以适應各種網絡，即所謂的動态補償。

4.3 網同步實施方案

本方案将充分利用已建的同步時鐘網絡及豐富的傳輸網絡資源，組建一個服務于整個山西電網的、可靠的時間同步網絡。首先，利用省公司的同步時鐘裝置作為整個網絡時鐘基準（即一級主時鐘），利用各地區的現有時鐘節點裝置作為本地區二級時鐘，在各變電站設定三級時鐘裝置，變電站的時鐘裝置接收一、二級時鐘地面傳來的時間信号，同時配置晶體振蕩器提供保持性能。一級主時鐘利用ＩＲＩＧ—Ｂ接口通過６４ ｋｂ鍊路傳輸至各站的三級時鐘裝置，作為主用時鐘，為站内裝置提供時間信号； 二級時鐘裝置利用ＮＴＰ協定，通過ＩＰ網絡給三級時鐘裝置提供時間信号，作為備用時鐘，在主、備用時鐘消失情況下，三級時鐘同時具備良好的保持性能，見圖１。隻有這樣，網内所有裝置都跟蹤于省公司的同一套時鐘裝置，才算是真正的網同步，而且，通過兩種不同的技術、不同的網絡進行組網，使得整個同步系統具有很高的可靠性和靈活性。

5、結語

目前，同步時鐘系統已經建設（現僅用于頻率同步），覆寫全省各主要站點的ＩＰ資料網絡也已建成，ＳＤＨ傳輸網絡已成規模，而且時間信号組網技術、時延調整技術以及裝置本身均已成熟，組建一個用于頻率、時間的綜合同步時鐘系統，實作真正的網同步可以說已經萬事俱備。