电力系统时钟同步综合解决系统(1)

一、建设时钟同步系统的重要性随着电厂、变电站自动化水平的提高，电力系统对时钟统一对时的要求愈来愈迫切，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和事故后的故障分析，也可以通过各开关动作、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。

二、时钟同步系统的优越性电厂（站）的时钟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、自动化及线路微机保护装置、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，从而使全厂各系统不能在统一时间基准的基础上进行数据分析与比较，给事后正确的故障分析判断带来很大隐患。

如今，人们已经充分意识到时间统一的重要性。

但是，统一时钟并不是单纯地并用GPS 时钟设备。

目前，人们普遍采用一台小型GPS 接收机，提供多个RS232端口，用串口电缆逐一连接到各个计算机，实现时间同步。

但事实上，这种同步方式的缺点是，使用的电缆长度不能过长；服务器的反应速度、客户机的延迟都直接影响对时精度。

而且各电厂（站）往往有不同的装置需要接收时钟同步信号，其接口类型繁多，如RS-232/422/485串行口、脉冲、IRIG-B 码、DCF77格式接口 等；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种类型的接口，其结果就是电厂中有些装置不能实现时钟同步，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。

若各系统实施统一GPS 时钟同步方案，就可实现全厂（站）各系统在统一GPS 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）系统的安全稳定性。

因此采用GPS 时钟同步系统比采用传统的GPS 同步设备有着明显的优势，也是技术发展的必然趋势。

第二部分 对时方式和NTP 协议简介 一、对时方式 目前，国内的同步时间主要以GPS 时间信号作为主时钟的外部时间基准信号。

现在各时钟厂家大多提供硬对时、软对时、编码对时三种方式，我公司的时间同步产品除了提供以上三种对时方式外，还可提供先进的NTP 网络对时方式，大大提高了产品的技术含量及系统的完整性。

以下是各对时方式的介绍：1、硬对时（脉冲节点） 主要有秒脉冲信号（lpps ，即每秒 1个脉冲）和分脉冲信号门(1ppm ，即每分1个脉冲)。

秒脉冲是利用GPS 所输出的lpps 方式进行时间同步校准，获得与 UTC 同步的时间准确度较高，上升沿的时间准确度不大于lus 。

分脉冲是利用GPS 所输出的lppm 方式进行时间同步校准，获得与UTC同步的时间准确度较高，上升沿的时间准确度不大于3us ，这是国内外保护常用的对时方式。

另外通过差分芯片将lpps 转换成差分电平输出，以总线的形式与多个装置同时对时，同时增加了对时距离，由 lpps 几十米的距离提高到差分信号1km 左右。

用途：对国产故障录波器、微机保护、雷电定位系统、行波测距系统对时。

故障录波装置分别由不同的厂家生产；保护装置国内以南自股份、南瑞、许继、阿继及四方公司的产品为主。

2、软对时（串口报文）串口校时的时间报文包括年、月、日、时、分、秒，也可包含用户指定的其他特殊内容，例如接收 GPS 卫星数、告警信号等，报文信息格式为ASCll 码或BCD 码或十六进制码。

如果选择合适的传输波特率，其精确度可以达到毫秒级。

串口校时往往受距离限制，RS-232口传输距离为30 m ，RS-422口传输距离为 150 m ，加长后会造成时间延时。

用途：对电能量记费系统、输煤PLC 、除灰PLC 、化水PLC 、脱硫PLC 、自动化装置、控制室时钟对时。

3、编码对时编码时间信号有多种，国内常用的有IRIG （Inter －range Instrumentatlon group ）和DCF77（Deutsche ，long wave signal ，Frankfurt ，77.5 kHZ ）两种。

IRIG 串行时间码共有6种格式，即A ，B ，D ，E ，G，H。

其中B码应用最为广泛，有调制和非调制两种。

调制IRIG-B输出的帧格式是每秒输出1帧，每帧有100个代码，包含了秒段、分段、小时段、日期段等信号。

非调制IRIG－B信号是一种标准的TTL电平，用在传输距离不大的场合。

为了提高对时精度，一般采用硬对时和软对时相结合的方式，即装置通过串口获取年、月、日、时、分、秒等信息，同时，通过脉冲信号精确到毫秒、微秒，对于有编码对时口（例如 IRIG-B）的装置优先采用编码对时。

用途：给某些进口保护或故障录波器对时。

如GE公司的保护、ABB公司的保护、HATHAWAY的故障录波器、ALSTOM公司的保护、惠安公司的自动化装置、莱姆公司的BEN5000故障录波器、SEL公司的保护、西门子设备等。

4、NTP网络对时Network Time Protocol（NTP）是用来使计算机时间同步化的一种协议，它可以使计算机对其服务器或时钟源（如石英钟，GPS等等）做同步化，提供高精准度的时间校正（LAN上与标准间差小于1毫秒，WAN上几十毫秒），且可采用加密确认的方式来防止恶毒的协议攻击。

用途：给电厂的MIS系统、SIS厂级监控信息系统、工程师站及需要网络对时的系统进行对时。

二、NTP协议简介NTP（Network Time Protocol）是由美国德拉瓦大学的David L. Mills教授于1985年提出，除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时，它是设计用来在Internet上使不同的机器能维持相同时间的一种通讯协定。

时间服务器（time server）是利用NTP的一种服务器，通过它可以使网络中的机器维持时间同步。

在大多数的地方，NTP可以提供1-10ms的可信赖性的同步时间源和网络工作路径。

NTP(Network Time Protocol)协议自1985年创立至今，已发展为全球通用的一种计算机对时方式。

它利用一种独特的算法，将网络的延时、网络的阻塞有效地通过复杂的“算法”对客户机时钟予以修正。

据科学统计，小型的计算机网络，NTP的对时精度可以达到1ms。

可以肯定地说，NTP网络对时是一种更为先进、更为可靠的时间同步方式，并且距离不受任何限制。

第三部分电厂/变电站时钟同步系统方案设计一、引用技术标准华东电网时间同步系统技术规范（QB/HD01-2002）上海电网GPS同步时间系统技术原则和运行管理规定时统装置通用规范（GJB2242-1994）B时间码接口终端（GJB2991-1997）IRIG-B标准（200－89）和IEEE Std 1344-1995船用全球定位系统（GPS）接收通用技术条件（GB/T15527-1995）平衡电压数字接口电路的电气特性(GB 11014—90)远动设备和系统：术语（IEC 870-5-3）(GB/T 14429—1993)远动设备和系统：接口（电气特性）(GB/T 16435—1996)远动设备和系统：性能要求(GB/T 17463—1998 )工业过程测量和控制装置的电磁兼容性(GB/T 13926—1992)二、方案设计1、概述目前电力系统中的时间同步方式是以全球定位系统（GPS）导航卫星发送的无线标准时间信号为统一时钟信号源，再由统一时钟信号源向电网中各类装置提供标准时间。

民用GPS给出的是世界协调时（UTC），加 8 h后，即转换为北京时间，精度可达到微秒级。

根据有关技术规范，结合各电厂的实际情况和我们以往的工程经验，我们提出组屏式GPS时钟统一系统对时方案。

在电厂、变电站主控制室及机组监控室，500KV、220KV继电保护小室分别安装一面GPS时钟同步系统屏，时钟同步系统屏配置的GPS 卫星同步时钟提供各种时间同步信号用于实现电厂（站）内计算机监控系统、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、用电负荷管理系统、通信网监控系统、电能量记费系统、电网频率按秒考核系统、功角测量装置、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、及各种输煤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。

2、系统组成 时钟同步系统由主时钟、时间信号传输通道、时间信号用户设备接口（扩展装置）组成。

主时钟一般设在电厂（站）的控制中心，包括标准机箱、接收模块、接收天线、电源模块、时间信号输出模块等。

对于电厂、变电站，考虑其重要性，整个电厂、变电站配置2台HY-N 系列网络时间服务器（主时钟）或HY-Z 系列主时钟，一主一备，2台主时钟以冗余热备模式工作，完成GPS 卫星信号的接收、处理，及向时间扩展设备提供标准同步时间信号（RS422电平方式IRIG-B ）。

◆ 每台主时钟同时具有接收另一台主时钟的IRIG-B 时间信息功能，达到两台主时钟之间能够互为备用。

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，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。

◆ 主时钟与时间扩展设备之间采用光纤连接，以IRIG-B 来传送GPS 时间信息。

信号扩展装置的时间基准信号输入包括两路IRIG-B 输入。

当信号扩展装置只接一路IRIG-B 输入时，该路输入可以是IRIG-B 输入1，也可以是IRIG-B 输入2。

信号扩展装置接入两路IRIG-B 时码输入时，以IRIG-B 输入1作为该扩展装置的外部时间基准，IRIG-B （DC ）输入2作为后备。

扩展时钟向故障录波装置、继电保护装置、机组控制系统（DCS ）、脱硫控制系统、水、煤、灰渣控制点等提供对时信号接口。

同时网络时间服务器还可提供1～3个NTP 网络接口，以满足MIS 及SIS 等系统的网络对时需要。

◆ 主时钟及时间扩展设备所有时间同步信号输出时，在电气上均相互隔离。

输出的时间同步信号可满足秒(1PPS)、分(1PPM)、时(1PPH)、IRIG-B 、空接点、DCF77、串口以及NTP 网络接口等方式。

◆ 主时钟及时间扩展设备具有工作状态指示、告警显示和告警信号输出功能。