火力发电厂GPS同步对时系统研究及设计

摘 要：火力发电厂采用统一时钟管理有利于事故原因的查找，有利于事故发生过程的明晰，通过实现电厂设备管理、能耗分析、生产控制和电网调度等系统间时间同步，充分发挥各个系统的应有功能，为生产系统提供必要的控制调整指导措施和事故原因分析数据。结合某大型发电厂的应用实例，详细分析了在电厂的特定环境下，GPS同步对时系统的主要设计原则、系统功能及系统构成。

关键词：电厂； GPS； 同步对时系统配置； 设计

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2011）7-169-001

一、概述

随着电力自动化水平的提高，以超高压、大机组和自动化为主要特征的电厂对系统统一时钟的要求越来越迫切，对时间同步的精度要求越来越高。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，累积误差越来越大，会失去正确的时间计量作用，因此，统一时钟对于电力系统和电厂机组安全、经济运行至关重要。

目前对于GPS系统的设计，电力系统还没有专业的国家标准或行业标准，以下对火力发电厂GPS设计原则及方案进行讨论。

二、火力发电厂GPS系统设计原则

在火力发电厂中，全厂设一套独立的GPS系统作为时间基准。

GPS时钟对时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，能自动接受另一台正常工作的时间信号接收单元标准时钟信号。而扩展分时钟接收来自主时钟的对时信号，实现对时信号的互为备用。

为了节省线缆，便于运行、维护和管理，主时钟和分时钟的布置按照设备的分布情况进行布置。GPS时钟对时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。

三、GPS时钟对时系统功能构成

GPS时钟对时系统由主时钟和分时钟构成。主时钟和分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；主时钟和分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。

1.时间信号接收（输入）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；对分时钟，接收来自主时钟或其它时钟同步信号。

2.时间保持单元

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。

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时间同步信号。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.电源模块

电源模块为GPS时钟对时系统提供电源，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块。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。

5.显示模块

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。

6.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；分时钟接收模块包括：可接入非天线时钟信号。

7.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TTL和交流B码）、串口输出模块（分RS-232、RS-422及RS-485）等。

四、电厂GPS时钟对时系统方案

全厂#1、2机组设置一套GPS/北斗时钟对时系统，升压站继电器室设置两台GPS/北斗主时钟，主厂房的电气电子设备间设置两台分时钟。双主时钟互为热备用，实现时间基准信号互为热备用。分时钟分别接收两台主时钟的标准时间同步信号，且对该两接入信号能够实现同步切换。

考虑到升压站继电器室与集控楼电气电子设备间的位置距离，主、分时钟之间连接采用IRIG-B（DC）码光纤连接；两台主时钟的连接采用IRIG-B（DC）码屏蔽控制电缆连接。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机相关设备接入各自对应的分时钟，主厂房内公用设备就近接入相应的分时钟；升压站部分设备接入升压站继电器室内主时钟。

根据设备对时钟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。

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，并在招标过程中对设备的对时类型和电接口形式加以规定，这样可有效减少GPS输出模块的种类，有利于GPS时钟对时系统的简化。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。

五、结论

在GPS系统方案设计过程中，应充分考虑电厂的规模，合理配置主时钟和分时钟的台数，并根据时间同步信号的传输距离确定其传输通道。在方案设计时，应根据设备对时钟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。全厂统一设置GPS系统必然是今后电厂的设计趋势。