电厂ＧＰｓ时问同步系统的设计优化 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｏｔｉｍｉ ｚｅ ｏｆ ＧＰＳ Ｔｉｆｉｌｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉ ｓｍ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｆｏｓｓｉ １ Ｆｕｅｌ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ 王秋梅 Ｗａｎｇ Ｑｉｕｍｅｉ 火 力 发 电 厂 －口 （，） 间 时 同 步 系 统 的 （应天职业技术学院，江苏南京２１００４６） （Ｙｉｎｇｔｉａｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４６） 设 计 优 化 摘要：本文论述了火力发电厂ＧＰＳ时间同步系统的主要设计原则、系统功能、系统构成和设计方案。在对ＧＰＳ时间同步 系统进行优化设计时，强调对火力发电厂ＧＰＳ时间同步系统的统一管理。全厂设一套ＧＰＳ时间同步系统，由互为热备用两台 主时钟和两台从时钟组成。ＧＰＳ时间同步系统采用模块化设计，可根据不同对时要求灵活配置。全厂的统一时钟管理有利于对 分析事故、查找事故原因、明晰事故发生过程、正确及时地处理事故，便于根据生产数据计算阶段电价成本，有效提高全厂的运 行、生产和维护的管理水平。 关键词：火力发电厂；ＧＰＳ时间同步：设计；优化 中图分类号：ＴＭ６１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１．４７９２． ０１０）８．０１３７．０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｓｙｓｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ０ｆ ＧＰＳ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｗｈｅｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｎ ＧＰＳ．ｇｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｍｐｈａｓｉｚｅ ｕｎｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ＧＰＳ ｔｉｍｅ ｓｙｎ— ｃｈｒｏｎｉｓｍ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｏｎｅ ｓｕｉｔ ｏｆ ＧＰＳ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ，ｃｏｎｓｔｉｕｔｔｉｎｇ ｔｗｏ ｍａｓｔｅｒ ｃｌｏｃｋｓ ａｎｄ ｗｏ ｔｓｌａｖｅ ｃｌｏｃｋｓ．Ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＧＰＳ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｍｏｒｅ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏ— ｎｉｓｍ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．Ｕｎｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ｉｎ ｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｉｓ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｂｅｎｅｆｉｔ ｏ ａｃｃｉｔｄｅｎｔ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｉｎ－ ｖｅｓｔｉｇａｔｉｎｇ，ｉｓ ｏｆｇｒｅａｔ ｂｅｎｅｆｉｔ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｌｅｖｅｌ ｏｆｆｏｓｓｉｌ ｆｕｅｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｏｓｓｉｌ Ｆｕｅｌ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ；ＧＰＳ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｄｅｓｉｎ；Ｏｐｔｇｉｍｉｚｉｎｇ Ｏ引言 随着电网自动化水平的提高，以超高压、大机组和自动 化为主要特征的现代化大电网系统对统一时钟的要求越来 个生产和运行维护管理水平。 １现状 火力发电厂中有ＧＰＳ时间同步要求的自动化智能设备 越迫切。自动化智能装置内部虽然都带有实时时钟，但其固 有误差难以避免，且随着运行时间的增加，累积误差越来越 主要集中在电气和热控两个专业。目前，设置电厂ＧＰＳ时间 同步系统通常做法有： 大，会失去正确的时间计量作用。因此，电网的安全经济运 行、各种自动化智能设备的正常运行和事故的正确及时的处 理等均离不开统一的时间基准。 有了统一的时间，在电厂生产中，便于根据生产数据计 ①电气和热控各自设置ＧＰＳ时间同步系统； ②由热控设置ＧＰＳ时间同步系统，而电气利用其扩展 装置对时； ③由电气设置ＧＰＳ时间同步系统，而热控利用其扩展 算阶段电价成本。在内部管理中，便于通过调度自动化系统、 装置对时。 故障录波、保护、发电厂机组自动控制系统、发电厂网络计算 机监控系统等各种记录的事件时间、事件发生的先后次序 等，对事故进行分析，对查找事故的原因、明晰事故发生的过 这些做法均缺少对全厂ＧＰＳ时间同步系统的统一优化 配置，增加了设备的投资和今后运行维护成本。此外，如何对 实时时钟实现时间同步，达到全网的时间统一，长期来一直 程有很大的帮助作用。同时，也有利于明确责任，增强对生 产的管理。总之，发电厂若有统一精确的时间系统，可提高整 是电力系统追求的目标【ＩＩ，同时也是电力系统的内在要求。 鉴于以上原因，作为电力系统有机组成部分，火力发电 １ ７ ～ 厂中也应该设置全厂统一的ＧＰＳ时间同步系统，并在电厂 的初步设计阶段，由电厂的电力网络部分对ＧＰＳ时间同步 系统方案进行统一规划和设计，并对相应的方案进行评审。 ２ ＧＰＳ时间同步系统设计原则 （１）全厂设一套ＧＰＳ时间同步系统。 （２）ＧＰＳ时间同步系统由两台主时钟组成。双主机互为 热备用，实现时间基准信号互为热备用。当某一时间信号接 收单元发生故障时，能自动接收另一台正常工作的时间信号 接收单元的标准时钟信号。 （３）每台从时钟分别接收来自两台主时钟的对时信号， 实现对时信号的互为备用 （４）为了节省缆线，便于运行、维护和管理，主时钟和从时 钟的布置按照设备的分布情况进行布置。例如，本工程的电 力网络设置两台主时钟，每台机组各设置一台从时钟。 （５）时间同步准确度、时间同步信号类型应根据各种类 型装置、系统的时间同步准确度要求进行确定。 （６）对于距离较长的电力网络继电器室（控制室）主时钟 至主厂房各从时钟之间的连接宜采用光纤连接，光电信号由 光电转换器进行转换。 ３ ＧＰＳ时间同步系统功能要求 （１）ＧＰＳ时间同步系统采用模块化设计，可根据不同需 求灵活配置，且模块更换方便，便于设备的维护和管理。 （２）ＧＰＳ接收天线必须满足安装地点接收信号所需的灵 敏度，天线电缆的选择应能满足ＧＰＳ接收器需要的信号强 度。 （３）主时钟和从时钟具有时间保持功能。其内部的时钟， 当接收外部时间的基准信号时，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，保持一定的走时准确度， 使其输出的时间同步信号仍能保证一定的准确度。且两者的 时间自动切换，切换时输出时间同步信号不得出错，即时间 报文不得有误码，脉冲码不得多发或少发。 （４）输出模块的电接口在电气上均互相隔离（光电隔离）， 抗干扰能力强。各种输出、输入接口发生短暂短路或接地时， 不应给设备带来永久性的损伤。 （５）输出模块的时间同步类型和电接口丰富，能够满足 电厂的不同设备对时间同步信号类型和时间同步信号电接 口的要求。 （６）主时钟应具有必要的工作状态指示和报警。如：电源 指示信号、外部时间基准信号、锁定信号、输出时间信号、电 源中断告警、外部时间基准信号消失告警等，并具有时间、日 期的设置手段。 （７）ＧＰＳ时间同步装置电源供电多样。既可选ＡＣ２２０Ｖ， 又可选ＤＣ２２０Ｖ或ＤＣＩ １０Ｖ。机箱采用尺寸应便于安装，采 用标准２Ｕ、４Ｕ或用户指定的其它尺寸机箱。 （８）电磁兼容性应能满足在发电厂的机组电气继电器室 和电力网络继电器室等的电磁环境下正常运行。 ４ ＧＰＳ时间同步系统构成 时间同步系统有多种组成方式，其典型形式有基本式、 主从式、主备式三种闭。考虑到火力发电厂需要对时的设备主 要集中在网络继电器室和主厂房的电气继电器室和热控的 电子设备间，因此火力发电厂ＧＰＳ时问同步系统推荐采用 主从＋主备形式，即两台互为热备用的主时钟和两台从时 钟。 ＧＰＳ时间同步系统由主时钟和从时钟构成。主时钟和从 时钟系统功能构成由三个主要部分组成：时间信号接收（输 入）单元、时间保持单元和时间信号输出单元；主时钟和从时 钟系统模块构成通常由以下几部分构成：电源模块、显示模 块、接收模块、信号处理模块、输出模块。 ４．１系统功能构成 （１）时间信号接收（输人）单元。接收外部的基准信号。对 主时钟而言，接收的是ＧＰＳ卫星发送的定时、定位信号，获 得满足要求的时间信息；对从时钟，不能接收ＧＰＳ卫星发送 的对时信号，而是接收来自主时钟或其它时间同步信号。 （２）时间保持单元。主时钟和从时钟内部的时钟，当接收 外部时间的基准信号时，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，保持一定的走时准确度，使其输 出的时间同步信号仍能保证一定的准确度。内部时钟的震荡 源可以根据时钟精度的要求，选用普通的石英晶振、有温度 补偿的石英晶振或原子频标。 （３）时间信号输出单元。当主时钟接收到外部时间基准 信号时，按照外部时间基准信号输出时间同步信号；当接收 不到外部时间基准信号时，按照内部时钟保持单元的时钟输 出同步信号。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。 ４．２系统模块构成 （１）电源模块。电源模块为ＧＰＳ时间同步系统提供电源， 该模块采用高性能、大功率开关电源，电源电压可采用多种 电源输入模式。模块上应安装电源滤波器等抗干扰元件和故 障报警继电器，以及浪涌保护器，起到防止感应雷和过电压 等意外灾害对系统的损害。 （２）显示模块。该模块接收信号处理模块的信号，实现对 工作状态指示和告警。具有时间、日期及跟踪卫星个数（主时 钟）显示功能和时间、日期的设置手段。 （３）接收模块。主时钟接收模块包括：通过外接天线接收 卫星信号，并可外接后备其它时钟信号；从时钟接收模块包 括：可接人非天线时钟信号，通常至少具有两路信号可接入。 （４）信号处理模块。该模块采用高性能处理芯片对整个 系统进行监控；接收模块对传送来的时间信息进行处理，转 换成能够应用于设备的各种信号，并传送至显示模块和输出 模块。 （５）输出模块。输出模块将从信号处理模块来的时间信 号转换成传送给对时设备的信号。根据不同设备的时间同步 信号类型的要求，输出模块可分为：脉冲输出模块（分有源和 无源）、ＩＲＩＧ－Ｂ码输出模块（分直流ＲＳ－４２２、直流ＴｒｒＬ、和交流Ｂ码）、串口输出模块（分ＲＳ一２３２、ＲＳ－４２２、ＲＳ－４８５）等。 ５时间同步信号类型、电接口和传输通道 电厂不同设备ＧＰＳ时间同步信号的类型、电接口和传 输通道的选择由设备对时间同步准确度的要求和设备到 ＧＰＳ时间同步装置的距离所决定。 ５．１时间同步信号类型 （１）秒脉冲信号（１ｐｐｓ）。一种时间同步信号，每秒钟一个 脉冲。 （２）分脉冲信号（１ｐｐｍ）。一种时间同步信号，每分钟一个 脉冲。 （３）时脉冲信号（１ｐｐｈ）。一种时间同步信号，每小时—个 脉冲。 （４）ＩＲＩＧ－Ｂ（Ｄｃ）时码。每秒一帧，包含１００个码元，每码元 １０ｍｓ。每个码元包含的时间信号为：自当年元旦开始的天、 时、分、秒，以及自当天０时整开始的秒数。 （５）ＩＲＩＧ－Ｂ（ＡＣ）时码。用ＩＲＩＧ—Ｓ（ＤＣ）码对ｌｋＨＺ正弦波 进行幅度调制形成的时码信号，幅值大的对应高电平，幅值 小的对应低电平，典型调制比为３：１。 （６）时间报文。时间报文的内容包括：年、月、日、时、分、 秒；时间报文的格式：ＡＳＣＩＩ或ＢＣＤ或１６进制码；信号传输 速率：３００、６００、１２２２００、２４００、９６００、１９２００ｂｐｓ可选；时间报文 发送时间：每秒输出、每分输出、根据请求输出１次或用户指 定方式输出。 ５．２时间同步信号电接口 当ＧＰＳ时间同步系统有多路时间信号输出时，不管信 火 力 号接口的类型，各路输出在电气上均应互相隔离。 发 电 （１）静态有源／无源接点输出。对ＧＰＳ时间同步系统而 厂 言，可分为有源输出和无源输出。对于无源空接点输出，允许 ０ ∽ 外接电压为２５０Ｖ。 时 （２）ｒｒＬ电平输出。 间 同 （３）串行数据通信接口，包括ＲＳ．２３２接口、ＲＳ．４２２接口 步 系 和ＲＳ－４８５接１２１。 统 的 （４）ＡＣ调制信号接口。 计 设 （５）２０ｍＡ电流环接口。 优 化 ５．３时间同步信号传输通道 时间信号传输通道应保证ＧＰＳ时间同步系统发出的时 间信号传输到电厂设备时能满足电厂设备对时间信号质量 的要求。 （１）同轴电缆。用于高质量的传输ｒｒＬ电平信号。如： ｌｐｐｓ、ｌｐｐｍ、ｌｐｐｈ和ＩＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ）码ＴＴＬ电平信号等，传输距 离ｓ １０ｍ。 （２）屏蔽控制电缆。用于传输ＲＳ．２３２信号，传输距离ｓ １５ｍ；用于传输ＲＳ－４２２、ＲＳ－４８５和２０ｍＡ电流环接口信号， 传输距离ｓ １５０ｍ。 （３）音频通信电缆。用于传输ＩＲＩＧ．Ｂ（ＡＣ）信号，传输距 离ｓ １０００ｍ。 （４）光纤。用于远距离传输各种时间信号，传输距离取决 于光纤类型。 ６ ＧＰＳ时间同步系统方案 某发电厂工程，本期建设２ｘ６６０ＭＷ级超临界燃煤机 组，规划容量为２ｘ６６０ＭＷ＋２ｘ １０００ＭＷ。本期工程以５００ｋＶ 电压接人系统，两回５００ｋＶ线路接人附近５００ｋＶ变电所。电 厂５００ｋＶ升压站附近区域设置电力网络继电保护通信楼， 用于布置升压站一次设备有关的线路保护柜、计量柜、电力 网络监控系统柜（ＮＣＳ）和ＧＰＳ主时钟柜等电气二次设备。 升压站设置两台ＧＰＳ时间同步系统主时钟，主厂房的 ＃１、＃２两台机组分别设置一台从时钟。双主时钟互为热备 用，实现时间基准信号互为热备用。当某一主时钟发生故障 时，能自动接收另一台主时钟的标准时间同步信号。从时钟 分别接收两台主时钟的标准时间同步信号，且对该两接人信 号能够实现同步切换。考虑到主时钟、从时钟之间的距离和 对时闻信号质量的要求，之间连接采用ＩＲＩＧ．Ｂ（ＤＣ）码光纤 １ ３９ 一 连接。两台主时钟的连接采用ＩＲＩＧ—Ｂ（Ｄｃ）码屏蔽控制电缆 或同轴电缆连接；从时钟分别布置在＃１、＃２机组的电气继 电器室内，两台主时钟布置在升压站的网络继电器室内。 ＧＰＳ时间同步系统结构见图一所示： ｌｉｒ聊 耍蕾芰矗髓 Ｉｉｒ毒嘴珏 图一ＧＰＳ时钟对时系统结构图 为节省连接电缆，以及便于今后的设备运行、维护和管 理，＃１、＃２机相关的设备接入各自对应的＃ｌ、＃２从时 钟，主厂房内的公用设备就近接人相应的从时钟；升压站部 分的设备接入网络继电器室内的主时钟。根据设备对时间同 步准确度的要求不同，确定各自设备的时间同步信号类型、 电接口和传输通道。该６００ＭＷ发电厂工程的全厂ＧＰＳ系统 配置如表一所示。 需要指出的是，具体设备对时方案的选择应同时考虑设 备制造厂家所能提供的设备对时类型和电接口形式，重要的 是在各种自动化子智能设备的招标过程中对设备的对时类 型和电接Ｉ＝１形式加以规定，这样可有效减少ＧＰＳ输出模块 的种类，有利于ＧＰＳ时间同步系统的简化。为减少投资成 本，对于ＩＲＩＧ－Ｂ码对时方法，当设备的距离较远时，采用交 流Ｂ码对时和用音频通信电缆作为时间同步信号传输通道： 反之，宜采用直流Ｂ码对时和用屏蔽控制电缆作为时间同步 信号传输通道。 ７结束语 为便于分析事故、查找事故原因、明晰事故发生过程、正 表一全厂ＧＰＳ系统配置表 序号设备名称 规格 卡件数量 ｌ 光纤 至少４芯多模 ｌ２００ｍ ＧＰＳ时问信号接收单元（至少４ 个光纤接口） ２个 ２套主时钟 脉冲空接点 ２４个 ２ ２ ＧＰＳ主柜 ＩＲＩＧ・Ｂ０３Ｃ，ＲＳ－４８５接口） ＩＫＩＧ－Ｂ（ＤＣ，ＲＳ－４２２接口） ４０个 ５ 串！￣（Ｐ，３４８５接口１ ８个 １ ＮＴＰ口 ２个 ２ ＧＰＳ时间信号扩展单元个光纤接口） （至少两 ２个 Ｉ套从时钟 脉冲空接点 ２４个 ２ １机ＧＰＳ １ＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ，ＲＳ．４８５接口） 分柜 ＩＲＩＧ－Ｂ（ＤＣ，ＲＳ－４２２接口） ３２个 ４ 串ｎ￣￥４８５接口） ｌ６个 ２ ＮＴＰ口 ２个 ２ ＧＰＳ时问信号扩展单元个光纤接口） （至少两 ２个 １套从时钟 脉冲空接点 ２４个 ２ ４ ２机ＧＰＳ 分柜 ＩＩＲＩＧ－ＲＩＧ－Ｂ∞ｃ，Ｂ（ＯＣ，ＲＳ．ＲＳ．４２２接口）４８５接口） ３２个 ４ 串￣１（ＲＳ４８５接口１ ｌ６个 ２ ＮＴＰ口 ２个 ２ 确和及时的处理事故，有必要在全厂设置统一精确的时间系 统。在ＧＰＳ时间同步系统方案的设计过程中，应充分考虑电 厂的规模，合理配置主时钟和从时钟的台数，并根据时间同 步信号的传输距离确定其传输通道。电厂设备大多采用不同 厂家的自动化智能设备。且不同设备对时间同步准确度要求 不同。在方案设计时，应根据设备对时间同步准确度的要求 不同，确定各自设备的时间同步信号类型、电接口和传输通 道。 ‘参考文献 ［１］ＱＢ／ＨＤＯ１・２００２．华东电网时间同步系统技术规范【Ｓ】． 【２］ＤＬｒＩ＂１ １００．１－２００９．电力系统的时间同步系统第１部 分：技术规范［ｓ】． 作者简介 王秋梅（１９７４一），女，河南洛阳人，应天职业技术学院讲 师，主要从事电力系统自动化技术和自动化控制技术等方面 的教学和研究。