關于AP1000核電廠時間同步系統的方案研究

陳紅艷 李亮亮 王玉東

（1. 國核電力規劃設計研究院，北京 100095；2. 國網北京經濟技術研究院，北京 102209）

關于AP1000核電廠時間同步系統的方案研究

陳紅艷1李亮亮1王玉東2

（1. 國核電力規劃設計研究院，北京 100095；2. 國網北京經濟技術研究院，北京 102209）

隨著AP1000核電技術的引進，我國已建AP1000海陽、三門核電站。核電站作為電力系統非常重要的電源點，其安全穩定運行對電網具有非常重要的意義。時間同步系統作為AP1000核電站通信子系統之一事引進西屋設計方案，經梳理分析發現該方案不完全適合我國電力系統需求，在今后的運行過程中也會存在一定問題。針對這一現狀，筆者通過對目前AP1000核電站時間信息需求、系統的構成分析等，查找存在問題，在汲取我國電網500kV及以上變電站時間同步系統設計理念的基礎上，提出AP1000核電站時間同步系統組網的全新設計理念，以便徹底解決目前AP1000核電站時間同步系統所存在的薄弱問題，為核電站內各類控制系統提供可靠保證。。

AP1000核電站；時間同步系統；GPS；北斗

山東海陽核電項目是中國三代核電自主化依托項目，是引進美國西屋公司設計的 AP1000核電技術。一期工程共建設2臺機組，計劃于2014年投產。其中時間同步系統作為 AP1000核電站站內通信子系統之一，不僅向廠區內各生產區域所設置的子鐘提供時間信號，同時還向區域內相關的自動化、遠動控制、繼電保護等裝置和系統提供必要的時間同步信息。核電站作為電源點，其時間同步系統對外與電網調度側保持一致，對內利于全廠各相關控制系統及調度、生產管理系統穩定運行，目前在建的AP1000海陽一期及三門核電站均配置有時間同步系統，便于核電站正常運行或事故狀態下的綜合分析，對電站安全穩定運行、避免事故隱患有著極其重要的作用。

本文針對在建的海陽核電一期時鐘同步系統進行分析、論證，并借鑒電力系統時鐘同步系統的設計理念，提出全新的 AP1000核電站時鐘同步系統設計方案。

1 電力系統時間同步系統構成

1.1 系統組成方式

根據電力行業標準要求，時間同步系統有多種組成方式，其典型方式為基本式、主從式、主從主備式三種。

1）基本式

基本式時間同步系統由1臺主時鐘和信號傳輸介質組成，詳見圖1。

圖1 基本式時間同步系統

2）主從式

主從式時間同步系統由1臺主時鐘、多臺從時鐘和信號傳輸介質組成，詳見圖2。

3）主從主備式

主從主備式時間同步系統應由2臺（及以上）主時鐘、多臺從時鐘和信號傳輸介質組成，詳見圖3。

圖3 主備式時間同步系統

針對上述三種方式，大型發電廠及500kV變電站及有條件的場所宜采用主從主備式時間同步系統，以提高系統的可靠性。

1.2 輸出信號

1）脈沖對時

脈沖對時也稱為硬對時，是利用脈沖的準時沿（上升沿或下降沿）來校準授時設備。常用的脈沖對時信號有秒脈沖（1PPS）、分脈沖（1PPM）、時脈沖（1PPH）。

脈沖對時的優點是精度高，適應性強；缺點是只能校準到秒，其余數據需要人工預置。

2）串口報文對時

也稱為軟對時，是利用時間數據（年、月、日、時、分、秒）按一定的格式，通過串口發送給授時裝置，授時裝置利用收到的數據預置內部時鐘。常用的串行接口有RS232、RS422、RS485。

串口報文對時的優點是數據全面，不需要人工預置；缺點是精度低，報文的格式需要通過調試端口提前設定。

3）時間編碼方式對時

在實際應用中我們也可以采取兩種對時相結合的方式，即串口+脈沖。這種方式的缺點是需要傳送2個信號。為了解決這個矛盾，采用國際通用時間格式碼，將脈沖對時的準時沿和串口報文的時間數據相結合，構成脈沖串來傳輸時間信息。授時設備可以從脈沖串中解析出準時沿和時間數據。這就是常用的IRIG-B碼，簡稱B碼。

時間編碼方式的優點是數據全面，對時精度高，不需要人工預置；缺點是編碼復雜。B碼對時又分為直流差分B碼、直流TTL B碼、正弦調制交流B碼。

4）網絡方式對時

網絡方式對時基于網絡時間協議（NTP）、精確時間協議（PTP）。目前，簡單網絡時間協議（SNTP）應用較多。網絡時間傳輸的是以1900年1月1日0時0分0秒算起時間戳的用戶數據協議（UDP）報文，用64位表示，前32位為秒，后32位為秒等分數。網絡中報文往返時間是可以估算的，因此采用補償算法可以達到精確對時的目的。網絡授時方式可以為接入網絡的任何系統提供對時，其中NTP授時精度可以達到50ms，PTP授時精度可以達到1μs，SNTP授時精度可以達到1s。

網絡方式對時的優點是基于網絡的，物理實現方便；缺點是高精度補償算法復雜。

四種對時方式各有優缺點，目前電力系統應用比較廣泛的是以B碼和網絡對時為主。

1.3 系統運行方式

時間同步系統有獨立運行和組網運行兩種方式1）獨立運行方式

各發電廠、變電站、電網調度側的時間同步系統均不組建時間同步網，各站點的時間同步系統僅依靠GPS、北斗無線方式獨立運行。

這種組網方式目前變電站、發電廠普遍采用的方式。

2）組網運行方式

隨著電網自動化程度日益提高及智能電網的建設要求，統一精確的時間是保證電網安全穩定運行，提高運行水平的一個重要措施。因此各省電網均在致力于研究時間同步系統組網的運行方式。

即將各站時間同步系統接入統一的時間同步網。各站時鐘設備除接收無線時間基準信號之外，還能接收上一級（調度端）時間同步系統下發的有線時間基準信號。兩類時間基準信號經輸入比對后提供給時間服務器，正常時無線時間基準信號作為系統的優先授時源；當無線時間基準信號受到干擾或異常時，以有線時間基準信號作為系統的授時源。

2 在建AP1000海陽一期時間同步系統

2.1 信息需求

核電站站內時鐘同步系統除向核電站廠區內各建筑中布置的子鐘提供時間信號外，還應同時為核電站內各種控制系統及相關設備提供統一的時間基準信息，滿足其對時間同步的要求。

核電站內需要對時的裝置：全廠范圍子鐘；常規島：發電機、勵磁變、主變、引線、廠用變壓器等保護，保護管理機、故障錄波裝置、同步相量測量、保護錄波信息管理子站、勵磁系統、主廠房通風系統PLC控制、凝結水精處理系統PLC控制和同期裝置等；BOP：NCS系統、行波測距、線路保護、線路斷路器、母線差動保護、線路保護故障錄波裝置、保護故障信息子站、同步相量測量裝置（PMU）、遠動終端、除鹽水處理系統PLC控制、電解海水制氯系統PLC控制、非放廢水處理系統PLC控制、海水淡化系統PLC控制、常規島及BOP閉路電視系統等。

時間信號準確度：根據裝置不同要求分別為1s、1ms、1μs等。其中對時精度要求最高的為同步向量測量裝置（PMU），時間精度要求優于1μs。

時間信號接口方式：RS485串口對時報文、直流TTL B碼、SNTP、NTP等。

目前核島部分只在時間服務器上配置各類輸出板卡1塊，預留接口。

2.2 系統構成

目前在建海陽核電一期時間同步系統采用的是單元機總體設計。即：全廠按核島+常規島方式分別組織兩套相互獨立的時間同步系統，且各系統只向本區域核島、常規島內的裝置提供時間信號。每套時間同步系統均由無線主時鐘、時間/時鐘服務器、二級母鐘和子鐘構成，系統內部采用主從式結構，兩套時間同步系統分別布置在1#核島和2#核島，具體配置如下。

1#時間同步系統負責向1#核島、1#常規島、BOP及廠前區建筑物提供時間信號。由于1#時間同步系統所需覆蓋區域較大，本期配置1套GPS主時鐘、3套二級母鐘和4套時間服務器。GPS主時鐘安裝在1#核島輔助廠房內，3套二級母鐘分別布置在1#常規島主廠房、網控樓繼電器室和運維大樓，并按區域負責向周圍建筑物內設備提供時間信號。另由于網控樓內的網絡控制系統（NCS）和同步向量測量裝置（PMU）對時間信號的精度要求較高（PMU系統要求時間信號精度優于1μs），為了能提供穩定且高精度的時間信號，其裝置又自配GPS+北斗雙無線卡的主時鐘，并以無線方式為主。在核電廠時鐘系統整體投運后，當精度達到NCS、PMU要求的情況下，可通過網控樓繼電器室配置的二級母鐘接受來自1#核島主時鐘的時間信號。

2#時間同步系統主要負責向 2#核島和 2#常規島提供時間信號，本期配置1套GPS主時鐘、1套二級母鐘和1套時間服務器。主時鐘放在2#核島輔助廠房內，二級母鐘放在2#常規島主廠房北電子設備間內。

各系統GPS主時鐘與二級時鐘之間通過廠內各建筑物間敷設的光纜連接。

海陽核電（AP1000）一期時間同步系統結構詳見圖4。

主時鐘：主時鐘是整個時鐘系統的中樞部分，其精度及穩定性很大程度上決定了整個系統的可靠性，一期工程在核島及網控樓均有設置。為了保證其可靠性，主時鐘按三重時間源（核島：1+2配置：1個GPS接收模塊+2個晶振模塊；網控樓：1個GPS接收模塊+1個北斗接收模塊+1個晶振模塊）冗余配置，三個模塊同時運行，當一個或兩個模塊發生故障時，不影響其他模塊正常運行，各個模塊均具有自檢功能，發現故障可立即報警。主時鐘接收來自GPS衛星提供的基準時間，獲得標準的UTC時間，并產生精確的標準同步時間碼，提供給時間/時鐘服務器和控制管理終端；當設備接收GPS信號時，GPS信號精度可以達到10-12，主時鐘輸出信號精度優于10-6；當GPS衛星信號出現故障時，主時鐘將依靠自身高穩定恒溫晶振模塊獨立運行，以最后一次收到的正確 GPS時標信號為守時基準，繼續對時間/時鐘服務器進行校時，同時發出“GPS故障”的報警信息，主時鐘具有自走時功能，守時誤差為0.92μs/min。

圖4 在建AP1000時間同步系統結構圖

二級母鐘：二級母鐘接收來自主時鐘提供的標準時間信號，將自身的時間信號校準，并通過網線或光纖將時間信號發送給時間/時鐘服務器和控制管理終端。為保證系統的穩定性，二級母鐘也設計為三重時鐘源（2+1配置：2個外部信號接收模塊+1個晶振模塊）冗余配置，三個模塊同時運行，其中一個或兩個模塊發生故障，不影響其他模塊正常運行。當有來自上級母鐘的時間信號輸入時，二級母鐘可以產生精度優于10-6的時間頻率基準信號，當失去主時鐘信號輸入時，二級母鐘也具有自走時功能，守時誤差為0.92μs/min。

時間/時鐘服務器：時間/時鐘服務器接收來自上級母鐘的時間信號，擴展輸出各種標準時間信號，為下級母鐘及其他系統主機或裝置提供多制式的同步時鐘信號。時間/時鐘服務器在失去上級母鐘同步信號輸入或發現異常時間數據時可關閉輸出端口。時間/時鐘服務器通過多種輸出卡可提供串行碼（RS232、RS485/422）、脈沖信號(PPS、PPM、PPH、PPD)、B碼（直流差分B碼、直流TTL B碼、正弦調制交流B碼）、MOSFET空接點、NTP、SNTP等多種格式的時間信號及頻率信號，現場根據需求配置板卡以輸出不同類型的時間信號。

子鐘：安裝在生產廠房及辦公區域，作為時間信息顯示單元，為各區域工作人員提供精準的時間信息。正常工作狀態下，子鐘經由時間/時鐘服務器自動接收來自二級母鐘的標準時間信號作為校時信號，對自身時間進行校準后進行正確顯示。異常情況下，子鐘與二級母鐘通信中斷后，子鐘仍能采用自身晶振產生的時間信號獨立運行。

3 海陽核電一期時間同步系統存在問題分析

通過對海陽一期時間同步系統的需求分析可以看出，核電站內保護、遠動、控制等各系統對時間同步系統的依賴性非常高，對時間精度的要求也較高，尤其PMU系統對時間精度的要求優于1μs，因此提高時鐘同步系統的整體穩定性是十分必要的。我們對海陽核電一期工程時間同步系統進行系統梳理和分析鐘發現其存在以下不足之處，即：

1）系統結構單一。雖然在一期工程同時布置了兩套時間同步系統，且系統完全能夠覆蓋整個廠區，內部也是主從式結構。但是兩套系統之間卻是完全獨立運行沒有形成內部整體的時間同步網，即在結構上不能構成互備方式。雖然這些GPS接收機具備基本的時間接收和輸出功能，但是由于沒有接收上級時鐘裝置以及系統不能互為備用，一旦某個GPS主時鐘發生故障或受到外界干擾，將造成核電站站內各獨立系統之間的時間誤差或混亂，結果是其一無法實現站內的時間統一基準，其二無法與電網調度端的時間統一基準，將給核電站的生產運行帶來一定的影響。

2）系統劃分不盡合理。1#時間同步系統覆蓋了1#核島、1#常規島、廠前區及 BOP，覆蓋范圍超過整個廠區的 70%；而 2#時間同步系統僅覆蓋了 2#核島和2#常規島。如果1#時間同步系統發生故障，廠前區及BOP的運行將會受到影響，進而影響到整個核電站的正常運行。

3）時間接收源單一。目前除網控樓的時鐘無線輸入信號為兩路外，一期工程整體時鐘同步系統均只配置 1路 GPS無線信號，時間源過于單一。當GPS信號受到外界干擾、關閉或板卡出現故障時，雖然可以依靠設備自帶晶振短時內保持高精度信號輸出，但長時間沒有外部時間信號輸入的話，勢必會形成累計誤差，影響時間精度要求，無法滿足核電站正常運行的需求。

4 AP1000核電站時間同步系統改進方案

基于上述分析，在核電站內建設統一的時間同步網絡，即可實現站內所有生產、調度管理及控制系統均運行在統一的時間基準下，并在事故發生后，通過每個開關動作、調整的先后順序及準確時間來分析事故的原因及過程。因此說統一精確的時間同步系統是保證核電站安全穩定運行，提高運行水平的一個重要措施。為使后續建設的 AP1000核電站時間同步系統運行更加安全，結構更加合理，我們結合海陽核電一期工程，從系統組網和信號接收兩個方面提出改進后的設計方案。

1）系統組網

在核電站內建設統一的時間同步系統，并組網形成主備式時間同步系統。具體方案：配置2套主時鐘，分別布置在1#核島和網控樓。主時鐘互備且對區域內所有二級鐘輸出信號，形成主時鐘互備、二級鐘兩路輸入的組網方式。

考慮到網控樓內 PMU系統對時間精度要求較高，且樓內安裝的系統遠動及線路保護等裝置與電網側連接要求的基準時間在精度上保持一致，為了減小信號傳輸中所產生的誤差，提高時間信號的精度和穩定度。將網控樓的二級母鐘升級為主時鐘，將2#核島主時鐘改為二級母鐘，2#核島與2#常規島的時鐘由主從方式改為平行方式，均設為二級母鐘。

1#核島主時鐘與網控樓的主時鐘互聯構成互為備用，當任何一套主時鐘發生故障時，仍然可以接收來自另一套主時鐘的時間信號，極大地增加了系統的安全性及可靠性。

將系統由目前單一主從式改為主從主備式，每套二級母鐘保證兩路輸入，即同時接收來自1#核島和網控樓的主時鐘信號，大大提高二級母鐘的可靠性。

2）信號接收

在海陽核電一期工程中，主時鐘只配置了1路GPS輸入信號，為了防止外來信號干擾以及無線接收板卡故障等原因造成的長期自由振蕩，增強系統可靠性和安全性，無線輸入板卡應采用冗余配置且為不同授時源，即GPS+北斗。另外，考慮到核電站作為電源點與電力系統聯接，在核電站內部時鐘同步基準統一的基礎上應與接入電網的時鐘系統保持一致，以利于系統發生故障后進行判別，特提出在網控樓主時鐘內增加1路能接收來自電網側的有線時間信號源。在主時鐘正常情況下，跟蹤本站GPS、北斗基準源提供的IRIG-B（交流B碼）時間信號；當非常時期衛星不可用或無法接收無線時間信號時，跟蹤電網側通過傳輸網絡或調度數據網傳送的DCLS（直流B碼）時間信號或經數據網傳輸的NTP信號，并以有線基準信號作為系統的授時源與電網保持時間同步。

另在主時鐘晶振板卡的配置上應配置1塊晶振板卡、1塊銣鐘板卡，以提高其短穩和常穩性能，提高系統的穩定性和輸出時間精度。

在站內各區域時間信號傳輸的過程中，為了減少失真對信號造成的影響，主時鐘和二級母鐘間應采用光纖傳輸通道以及對時間同步準確度影響比較小的DCLS（直流B碼）信號。

改進后的AP1000核電站時間同步系統如圖5。

5 結論

時間同步系統作為 AP1000核電站廠內通信子系統之一，負責向廠區內子鐘及相關控制系統等裝置提供高精度的時間同步信息，其系統的安全性和穩定性對核電站安全運行具有十分重要的意義。本文結合在建 AP1000海陽一期核電項目，對時間同步系統做出了翔實的分析、論證和研究，結合電力系統比較先進的設計理念提出全新的設計方案，該方案對于后續其他 AP1000核電項目的建設具有十分重要的指導意義。

[1] 雷霆, 李斌. 220kV變電站GPS時間同步系統實現技術[J]. 電力自動化設備, 2007(11).

[2] 孫娜, 熊偉, 丁宇征. 時間同步的研究與應用[J]. 計算機工程與應用, 2003(27): 177-185.

[3] 高厚磊, 厲吉文, 文峰. GPS及其在電力系統中的應用[J]. 電力系統自動化, 1995(9): 18-20.

[4] DL/T 1100.1—2009電力系統的時間同步系統第1部分：技術規范.

Research on Time Synchronization System for AP1000Nuclear Power Plant

Chen Hongyan1 Li Liangliang1 Wang Yudong2
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research lnstitute, Beijing 100095;2. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209)

China has built Haiyang and Sanmen nuclear power plant of AP1000.The security and stability of nuclear power plant has very important significance for the Grid. As one of the communication subsystem in AP1000nuclear power plant, the time synchronization system is designed by Westinghouse corportation，which is not suitable for China’s electric power system requirements. So we propose a new design for time synchronization system to solve these problems, and provide a reliable guarantee for the various control system in the nuclear power plant.

AP1000nuclear power plant; time synchronization system; GPS; beidou navigation satellite system

陳紅艷（1962-），女，山東日照人，高級工程師，從事電力系統通信設計及項目管理。