高精度同步時(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)在抽水蓄能電廠的應(yīng)用

黃 鵬，龍福海，王 濤

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

眾所周知，在當(dāng)今社會(huì)，時(shí)間所扮演的角色是多么的重要。同樣作為對(duì)時(shí)工具的同步時(shí)鐘，在電力行業(yè)這個(gè)保障民生的行業(yè)中，其對(duì)時(shí)系統(tǒng)的高精度、高智能化，在支撐電站的正常運(yùn)行中，同樣是有著舉足輕重的作用。同步時(shí)鐘，顧名思義就是具有高精度本振時(shí)鐘信號(hào)的可以對(duì)外接需要對(duì)時(shí)、守時(shí)的設(shè)備提供滿足其時(shí)鐘對(duì)時(shí)、守時(shí)精度的一套授時(shí)設(shè)備。目前主流的對(duì)時(shí)系統(tǒng)有GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)，北斗時(shí)鐘對(duì)時(shí)以及高精度同步時(shí)鐘對(duì)時(shí)系統(tǒng)，其中高精度同步時(shí)鐘主要有銣原子鐘、銫原子鐘。目前這些主流對(duì)時(shí)系統(tǒng)都比較成熟可靠，其對(duì)時(shí)精度也能滿足大部分客戶對(duì)精度的要求。基于河北省調(diào)度對(duì)電廠側(cè)同步時(shí)鐘穩(wěn)定可靠的要求，經(jīng)過(guò)我廠的綜合考慮，銣原子鐘作為備用時(shí)鐘，其精度、可靠性及經(jīng)濟(jì)效益能滿足相關(guān)要求，因此我廠采用以銣原子鐘為本振時(shí)鐘的同步時(shí)鐘設(shè)備，與GPS時(shí)鐘、北斗時(shí)鐘組成深度冗余配置，統(tǒng)一接入HUAWEI Optix OSN 2500系列產(chǎn)品的SDH設(shè)備時(shí)鐘輸入板卡上。

2 電站原有通信設(shè)備介紹

張河灣電廠是一座日調(diào)節(jié)型的抽水蓄能電站，以一路500 kV線路經(jīng)廉州變電站接入河北南部電網(wǎng)。張河灣-許營(yíng)光傳輸電路，共設(shè)張河灣、許營(yíng)2個(gè)光通信站，傳輸速率為622 Mb/s，設(shè)備采用SDH制式，線路側(cè)光接口采用1+1配置。承載省網(wǎng)SDH數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕蝿?wù)，通過(guò)2 M數(shù)字中繼線與河北省調(diào)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)二平面相通。

張河灣光傳輸設(shè)備為HUAWEI Optix OSN 2500系列產(chǎn)品，部署于副廠房7樓通信設(shè)備室SDH1號(hào)設(shè)備柜內(nèi)，主要由增強(qiáng)型子架、SL4單板、ETF8單板、D75S單板、PQ1單板、CXL4單板、SAP單板及電源和散熱模塊組成，配備雙風(fēng)扇、雙路供電以提高可靠性。

3 改造背景及可行性

張河灣Optix OSN 2500光傳輸設(shè)備目前沒(méi)有外接時(shí)鐘晶振為設(shè)備提供高精度的同步時(shí)鐘信號(hào)，其自身配備的晶振僅能在時(shí)鐘信號(hào)丟失的情況下維持48 h的時(shí)鐘保持，且精度不足，若省公司時(shí)鐘信號(hào)丟失則我公司設(shè)備將處于自由震蕩狀態(tài)，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，給公司業(yè)務(wù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大的安全隱患。因此急需增設(shè)一套外部精準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)時(shí)設(shè)備。

目前主流的時(shí)鐘對(duì)時(shí)方法主要有GPS時(shí)鐘對(duì)時(shí)、北斗時(shí)鐘對(duì)時(shí)及本地高精度同步時(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)方式。我廠通信設(shè)備采用的對(duì)時(shí)方式在改造前采取跟隨電力干線網(wǎng)的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)時(shí)系統(tǒng)。但調(diào)度對(duì)于電廠間的信息通信的可靠性提出了更高的要求，當(dāng)主對(duì)時(shí)系統(tǒng)故障或中斷時(shí)，要求依然能保證調(diào)度與電廠間的正常通信，因此需增加一套為通信設(shè)備提供高精度對(duì)時(shí)、守時(shí)的本地同步時(shí)鐘系統(tǒng)。因GPS、北斗時(shí)鐘受衛(wèi)星、天線及極端惡劣天氣影響，經(jīng)綜合考慮，我廠采用的是以銣原子鐘為本振的同步時(shí)鐘來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤河北省電力公司骨干傳輸網(wǎng)時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)，并與河北省電力公司側(cè)的時(shí)鐘精度保持一致，GPS時(shí)鐘信號(hào)作為后備時(shí)鐘的多重冗余同步時(shí)鐘授時(shí)系統(tǒng)。以期在其他時(shí)鐘信號(hào)丟失的情況下，依靠銣原子鐘的時(shí)鐘信號(hào)，與河北省電力公司保持正常的通信業(yè)務(wù)。

4 同步時(shí)鐘增設(shè)過(guò)程

光通信設(shè)備本身具備一旦外部時(shí)鐘源喪失時(shí)，利用其設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘維持系統(tǒng)運(yùn)行的能力。但自身配置的同步時(shí)鐘精度及可靠性不滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下對(duì)精度偏移的要求，因此我廠SDH設(shè)備配備2個(gè)外同步時(shí)鐘輸入接口和1個(gè)外同步時(shí)鐘輸出口，各接口特性符合ITU-T建議G.703中的相關(guān)要求。其時(shí)鐘輸入來(lái)源由以下3種：

（1）2 048 kb/s或2 048 kHz同步時(shí)鐘輸入，我廠主要采用2 048 kb/s。因?yàn)楹颖笔【W(wǎng)的局內(nèi)定時(shí)分配原則為：BITS的定時(shí)輸出有2 048 kb/s和2 048 kHz兩類，以2 048 kb/s時(shí)鐘信號(hào)為首選[1]。

（2）從STM-N信號(hào)中恢復(fù)授時(shí)信號(hào)。

（3）從支路信號(hào)中提取授時(shí)信號(hào)[2]。

我廠同步時(shí)鐘改造前，時(shí)鐘信號(hào)跟隨電力干線網(wǎng)的時(shí)鐘信號(hào)占用其中1號(hào)外部同步時(shí)鐘接入接口。另一時(shí)鐘接入接口為備用接口。改造新加裝的高精度銣原子鐘自動(dòng)授時(shí)系統(tǒng)利用之前剩余的備用接口接入2號(hào)外部時(shí)鐘接入接口。銣原子鐘設(shè)備采用型號(hào)為TimeProvider 1000ETSI的“泰坦時(shí)鐘”。

該時(shí)鐘采用特殊設(shè)計(jì)，將輸入、輸出、和時(shí)鐘功能集合在一個(gè)板卡上，方便將來(lái)進(jìn)行擴(kuò)容。該時(shí)鐘的子架僅需要3個(gè)模塊：兩個(gè)輸入、輸出、時(shí)鐘模塊（IOCS）和一個(gè)信息管理模塊（IMC），用來(lái)提供通信/告警接口。

TimeProvider設(shè)計(jì)采用Symmetricom公司的SmartClock技術(shù)，IOCs內(nèi)置的振蕩器性能超群，準(zhǔn)確度高。采用智能硬件算法，SmartClock在鎖定參考信號(hào)時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)鐘老化的過(guò)程并將這些信息記憶存儲(chǔ)。當(dāng)參考信號(hào)失效時(shí)，SmartClock利用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償頻偏的變化確保TimeProvider輸出高度穩(wěn)定的同步定時(shí)信號(hào)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

“泰坦時(shí)鐘”設(shè)計(jì)精度滿足省網(wǎng)對(duì)于SDH設(shè)備時(shí)鐘精度的要求。即：

（1）SDH設(shè)備時(shí)鐘的定時(shí)要求不劣于ITU-T建議G.813的要求。

（2）SDH設(shè)備時(shí)鐘應(yīng)保持24 h以上不劣于±0.37 ppm，使業(yè)務(wù)不受損傷。

（3）時(shí)鐘帶寬：SDH設(shè)備時(shí)鐘帶寬應(yīng)處于1～10 Hz范圍內(nèi)。

（4）最小頻率牽引和失步范圍均應(yīng)為±4.6 ppm。

當(dāng)選定的定時(shí)基準(zhǔn)丟失后，我廠SDH設(shè)備能自動(dòng)地轉(zhuǎn)換至另一定時(shí)基準(zhǔn)輸入。并且具有定時(shí)基準(zhǔn)的自動(dòng)恢復(fù)能力和手動(dòng)恢復(fù)能力，在有效定時(shí)的情況下，自動(dòng)恢復(fù)應(yīng)在10～20 s范圍內(nèi)切回。“泰坦時(shí)鐘”一直處于熱備用狀態(tài)，實(shí)時(shí)跟蹤來(lái)自河北省電力公司骨干傳輸網(wǎng)時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)，并與基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)鐘頻率保持一致。

“泰坦時(shí)鐘”的時(shí)鐘模塊（IOC）在輸入基準(zhǔn)參考時(shí)鐘有效的情況下，會(huì)經(jīng)歷以下工作過(guò)程來(lái)進(jìn)行授時(shí)：

預(yù)熱——加電后，IOC預(yù)熱需要20 min左右。

快鎖——預(yù)熱完成，IOC進(jìn)入快速鎖定狀態(tài)。

正常鎖定——IOC快速鎖定完成后，即進(jìn)入正常鎖定模式。如果設(shè)定在SSU模式，并且鎖定外部可用的基準(zhǔn)參考源（PRS）后，TimeProvider輸出滿足G.811和GR-2830-CORE標(biāo)準(zhǔn)。

保持——如果參考信號(hào)失效，時(shí)鐘即進(jìn)入保持模式。保持時(shí)TimeProvider輸出的準(zhǔn)確度取決于IOC內(nèi)部振蕩器的質(zhì)量等級(jí)。

自由運(yùn)行——如果IOC加電后沒(méi)有輸入?yún)⒖迹琓imeProvider在預(yù)熱完成后即進(jìn)入自由運(yùn)行狀態(tài)。如果參考時(shí)鐘有效可用，TimeProvider即進(jìn)入快速鎖定并最終進(jìn)入正常鎖定狀態(tài)。

“泰坦時(shí)鐘”電源為雙電源供電方案，電源一路取自電廠廠用電交流電源，另一路取自電廠通信系統(tǒng)專用直流UPS電源，其直流UPS電源在全廠停電的狀態(tài)下滿足穩(wěn)定供電大于48 h的設(shè)計(jì)需求，雙路電源設(shè)計(jì)大大提高了供電可靠性。

5 總結(jié)

我廠高精度同步時(shí)鐘經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)性能滿足預(yù)期要求。通過(guò)這次改造，電廠與省網(wǎng)之間的通信傳輸可靠性得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。在保證電站穩(wěn)定可靠運(yùn)行以及保障民生用電的道路上又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。