电力智能变电站时钟同步系统方案要求
1、电力智能变电站时钟同步系统方案概述
目前电力系统中的时间同步方式是以天基授时为主，地基授时为辅，逐步形成天地互备的时钟同步体系；天基授时应采用北斗卫星对谁为主、全球定位系统（GPS）为辅的单向授时方式；地基授时应采用以本地时钟为主，通信同步网为辅的对时方式。电力智能变电站应采用全厂统一时钟时钟装置，实现对全厂的各系统和设备对时。主时钟采用双机冗余配置，生产控制系统的后台计算机宜采用NTP方式对时，测控和保护等设备宜采用IRIG-B码、秒脉冲对时方式。
2、电力电厂智能变电站时钟同步系统方案系统组成
电力智能变电站时钟同步系统方案由主时钟、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的控制中心，包括标准3U机箱、接收模块、接收天线、电源模块、时间信号输出模块等。
整个电力智能变电站时钟同步系统方案配置两台主时钟，一主一备，2台主时钟以冗余热备模式工作，完成GPS、北斗卫星信号的接收、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）。其他小室配置扩展时钟，通过接收主时钟的IRIG-B码信号的接收、处理，再给其他设备对时。
◆ 电力智能变电站时钟同步系统方案的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、北斗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）等提供对时信号接口。同时扩展时钟还可提供2～4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。告警信号的电接口类型为继电器空接点，接点耐压>250V DC。
◆ 主时钟及时间扩展设备具有时间显示功能，运行状态下显示年、月、日、时、分、秒。
◆ 主时钟及时间扩展设备可根据需要配置恒温晶振内部守时功能。通过接收（GPS、北斗或地面链路的PTP、IRIG-B）时间源信号，经过信号处理与相位比对测量，进行相位同步和驯服内部频率源(铷钟或OCXO)，实现频率信号跟踪和时间同步。产生本地标准时间信号和信息，通过时间或信息输出单元实现授时输出。在外部时间信号丢失后，依靠内部频标源（铷钟或OCXO）获得的高精度频率精度，以保持模式维持本地标准时间信号和信息的输出。
◆ 时间同步系统必须具备在线监测功能并预留接口，已满足后期上级管理单位建立在线监测系统时能顺利接入。
◆ 可采用两路直流，或者一路交流一路直流电源供电，任何一路电源消失，主时钟及信号扩展装置仍保持正常工作。
◆时钟屏采用2260*800*600标准机柜或根据实际情况定制，柜体前后开门，前门采用玻璃门，后门采用双开门，以方便线缆的连接。机柜底部装有公共接地铜排。屏内预留足够标准的插槽、面板和接线端子排，以满足将来不同时间信号输出接口数量的扩展要求；所有时间输出信号全部接入柜内的端子排上。
3、电力智能变电站时钟同步系统网络拓扑图：
（1） 电力电厂智能变电站时钟同步系统
4.1
电力电厂智能变电站时钟同步系统的配置
4.2.1
电力电厂智能变电站时钟同步系统必须统一配置，站内各业务系统使用统一的时间同步装置。
4.2.2 35kV变电站同步对时系统按主备式配置。每套同步对时系统包括主、从时钟源。每套系统的双时钟源，一台采用北斗卫星作为标准时钟源，另一台采用GPS卫星作为标准时钟源，优先采用北斗卫星作为对时源，电力电厂智能变电站时钟同步系统应采用铷原子钟作为装置守时时钟源。
4.2.3 主时钟的基本配置
4.2.3.1 内置铷原子钟；
4.2.3.2 内置BD+GPS接收机（含天馈线）
4.2.3.3 输入接口：
a) 2个卫星输入接口（1个GPS接口和1个BD接口）；
b) 2个IRIG-B（DC）输入接口；
c) 1个上级地面时间基准PTP输入接口（以太接口，光接口或电接口）。
4.2.3.4 输出接口：
a) 电IRIG-B（DC）输出不小于32路；
b) 脉冲输出不小于16路；
c) NTP输出不小于2路；
d) PTP输出不小于2路（以太接口，光接口或电接口）。
e) 光IRIG-B（DC）输出不小于16路。
4.2.4 MTBF≥25000小时，平均维修时间（MTTR）不大于30分钟，使用寿命不得少于15年。
4.2.5 电力电厂智能变电站时钟同步系统对时光口类型为多模，发送波长为850nm，发送功率为-15dBm到-20dBm之间
4.2.6 同步对时系统跟踪卫星时间采取步进方式实现，引入守时时钟源作为逻辑判据，阈值不大于5μs。步进步长应小于阈值，建议取0.5μs（除装置重启和初次上电外）。
4.2.7 GPS源与北斗源的切换应实现无缝切换，且无跳变。在任何情况下，都尽量避免飞点或乱码的产生。
4.2.8 电力电厂智能变电站时钟同步系统电源应支持直流双电源，支持热拔插。
4.2.9 电力电厂智能变电站时钟同步系统异常应提供相应的告警信号给后台，应采用MMS报文方式接入。
4.2.10 尺寸为标准的19英寸N*U工业机箱。
4.2 电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步装置组成
4.3.1 电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步装置主要由接收单元、时钟单元和输出单元三部分组成，如图4。
图4 时间同步装置的基本组成
4.3.2 接收单元
4.3.2.1 电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步装置的接收单元以接收的卫星或地面时间基准信号作为外部时间基准。
4.3.2.2 主时钟的接收单元由天线、馈线、低噪声放大器（可选）、防雷保护器（可选）和接收器等组成。
4.3.2.3 主时钟的接收单元能同时接收至少两种外部时间基准信号，其中一种应为卫星时间基准信号。
4.3.3 时钟单元
4.3.3.1 接收单元接收到外部时间基准信号后，时钟单元按优先顺序选择外部时间基准信号作同步源，将时钟牵引入跟踪锁定状态，并补偿传输延时。同步对时系统跟踪卫星时间采取步进方式实现，引入守时时钟源作为逻辑判据，阈值不大于5μs。步进步长应小于阈值，建议取0.5μs。
4.3.3.2 在牵引过程中，时钟单元仍能输出正确的时间同步信号和时间信息。这些时间同步信号应不出错，时间信息应无错码，脉冲码应不多发或少发。
4.3.3.3 时钟单元的频率源可根据时间准确度的要求，选用温度补偿石英晶体振荡器、恒温控制晶体振荡器或原子频标等，同步对时系统应采用铷原子钟作为装置守时时钟源。
4.3.4 输出单元
输出单元输出各类时间同步信号和时间信息、状态信号和告警信号，也可以显示时间、状态和告警信息。输出的时间同步信号应符合4.7的规定。
4.3 电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步装置的功能要求
4.4.1 主时钟可输出脉冲信号、电IRIG-B码、光IRIG-B码、串行口时间报文和网络时间报文、PTP时间报文等。
4.4.2 应输出用于检测的1PPS脉冲信号（TTL电平）。
4.4.3 在失去外部时间基准信号时具备守时功能。
4.4.4 具有输入传输延时补偿功能。
4.4.5 如输出NTP或SNTP、PTP时间同步信号，不同网络接口之间应实现物理隔离。
4.4.6 输出信号之间应互相电气隔离，装置的电源输入和所有输出不应与装置内部弱电回路有电气联系。
4.4.7 电力电厂智能变电站时钟同步系统具有自复位能力；时间同步装置复位时应不输出时间同步信号，复位后应能恢复正常工作。
4.4.8 面板上应有下列信息显示：
a) 电源状态指示；
b) 时钟同步信号输出指示灯（正常：lPPS同步闪烁；故障：熄灭或常亮）；
c) 外部时间基准信号状态指示；
d) 当前使用的时间基准信号；
e) 年、月、日、时、分、秒（北京时间）；
f) 故障信息；
4.4.9 电力电厂智能变电站时钟同步系统应有下列告警接点输出：
a) 电源中断告警；
b) 故障状态告警。
4.4.10 电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步装置还可选配电网频率测量和电钟时差累计等其他功能。
4.4.11 GPS源与北斗源运行方式要求：
a)GPS源与北斗源都锁定各自卫星信号时，默认北斗源为同步基准源，且考虑GPS源与北斗源的初始状态到此状态的切换，有时差时采用步进方式实现稳定输出(例如初始状态为GPS卫星带着运行，输出与天上卫星时间有较大偏差)。
b)GPS源锁定卫星信号，北斗源没有锁定卫星信号时，以GPS源为同步基准源，且考虑GPS源与北斗源的初始状态到此状态的切换，有时间差时采用步进方式实现稳定输出。
c)GPS源没有锁定卫星信号，北斗源锁定卫星信号时，以北斗源为同步基准源，且考虑GPS源与北斗源的初始状态到此状态的切换，有时间差时采用步进方式实现稳定输出。
d)GPS源与北斗源都没有锁定卫星信号时，默认以北斗源所在守时时钟源为同步基准源，且考虑GPS源与北斗源的初始状态到此状态的切换，有时间差时采用步进方式实现稳定输出。
4.4.12 电力电厂智能变电站时钟同步系统站内设备对时要求：
a)站控层设备应采用SNTP对时方式。
b)间隔层设备应采用电IRIG-B（DC）对时。
c)智能终端对时应采用光纤IRIG-B（DC）或光纤秒脉冲对时。
d)合并单元应采用光纤IRIG-B（DC）或光纤秒脉冲对时。
e)变电站内可根据需要采用IEC 61588协议进行对时。
4.4 电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步装置的性能要求
4.5.1 电源
4.5.1.1 交流电源
a) 电压：220V，允许偏差为–20%～+15%；
b) 频率：50Hz，允许偏差±5%；
c) 交流电源波形为正弦波，谐波含量小于5%。
4.5.1.2 直流电源
a) 电压：220V，允许偏差为–20%～+15%；
b) 直流电源电压纹波系数小于5%。
4.5.1.3 供电方式
采用双直流电源供电。
4.5.2 绝缘性能
4.5.2.1 绝缘电阻
a) 除非另有规定，考核绝缘性能的大气条件应符合3.1的要求；
b) 用电压等级为500V的兆欧表测量各回路之间的绝缘电阻，应符合下述规定：
──所有导电回路与地（或与地有良好接触的金属框架）间的绝缘电阻应不小于20MΩ；
──无电气联系的各导电回路间的绝缘电阻应不小于20MΩ。
4.5.2.2 介质强度试验
应符合GB/T 13729-2002中3.6.2的规定。
4.5.3 耐湿热性能
装置应能承受GB/T 2423.3-2006规定的恒定湿热试验：温度+40℃±2℃，相对湿度93%±3%，试验持续时间48h。在试验结束前2h内，测量各导电回路与外露非带电部位及外壳之间、无电气联系的各回路之间的绝缘电阻，应不小于1.5MΩ。
4.5.4 机械性能
4.5.4.1 振动（正弦）
──振动响应：装置应能承受GB/T 11287-2000中3.2.1规定的严酷等级为1级的振动响应试验，试验期间及试验后的装置性能符合该标准中5.1规定的要求。
──振动耐久：装置应能承受GB/T 11287-2000中3.2.2规定的严酷等级为1级的振动耐久试验，试验期间及试验后的装置性能符合该标准中5.2规定的要求。
4.5.4.2 冲击
──冲击响应：装置应能承受GB/T 14537-1993中4.2.1规定的严酷等级为1级的冲击响应试验，试验期间及试验后的装置性能符合该标准中5.1规定的要求。
──冲击耐久：装置应能承受GB/T 14537-1993中4.2.2规定的严酷等级为1级的冲击耐久试验，试验期间及试验后的装置性能符合该标准中5.2规定的要求。
4.5.4.3 碰撞
──装置应能承受GB/T 14537-1993中4.3规定的严酷等级为1级的碰撞试验，试验期间及试验后的装置性能符合该标准中5.2规定的要求。
4.5.5 电磁兼容性
4.5.5.1 静电放电抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.2-2006中规定的严酷等级为Ⅳ级静电放电试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.2 射频电磁场辐射抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.3-2006中规定的严酷等级为Ⅳ级射频电磁场辐射试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.3 电快速瞬变脉冲群抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.4-2008中规定的严酷等级为Ⅳ级电快速瞬变脉冲群试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.4 浪涌（冲击）抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.5-2008中规定的试验等级为Ⅳ级浪涌（冲击）试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.5 工频磁场抗扰度
4.5.5.6 电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.8-2006中规定的试验等级为Ⅳ级工频磁场试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.7 脉冲磁场抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置能承受GB/T 17626.9-2011中规定的试验等级为Ⅳ级脉冲磁场试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.8 阻尼振荡磁场抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.10-1998中规定的试验等级为III级或Ⅳ级阻尼振荡磁场试验，在技术规范内，性能正常。
4.5.5.9 振荡波抗扰度
电力电厂智能变电站时钟同步系统装置应能承受GB/T 17626.12-1998中规定的严酷等级为Ⅲ级或Ⅳ级振荡波试验，在技术规范内，性能正常。
4.7.1 电力电厂智能变电站时钟同步系统装置的时间同步信号、接口类型与时间同步准确度的对照
为保证电力电厂智能变电站时钟同步系统时间同步的准确度及信号传输的质量，被授时设备或系统可按表3选用不同信号接口。时间同步准确度要求优于1μs时，传输电缆长度应控制在15m之内。
表3 时间同步信号、接口类型与时间同步准确度的对照
接口类型 | 光纤 | RS-422，RS-485 | 静态空接点 | TTL | AC | RS-232C | FE（电/光） |
1PPS | 1μs | 1μs | 1μs | 100ns | — | — | — |
1PPM | 1μs | 1μs | 1μs | 100ns | — | — | — |
1PPH | 1μs | 1μs | 1μs | 100ns | — | — | — |
串口时间报文 | ～10ms | ～10ms | — | — | — | ～10ms | — |
IRIG-B（DC） | 100ns | 1μs | — | 100ns | — | — | — |
IRIG-B（AC） | — | — | — | — | 6μs | — | — |
网络授时（NTP） | — | — | — | — | — | — | ～10ms |
网络授时（PTP） | — | — | — | — | — | — | 200ns |
4.1 守时性能
采用铷原子钟作为守时时钟源，守时时间应小于24μs/天。
4.2 接收器和天线
4.9.1 接收器
a) 接收灵敏度：捕获 ＜-160dBW，跟踪 ＜-163dBW；
b) 捕获时间：热起动时 ＜2min；冷起动时 ＜20min；
c) 时间准确度：优于 1μs（1PPS，相对于UTC）。
4.9.2 接收天线
a) 灵敏度：≤-163dBW；
b) 工作温度范围：-40℃至＋70℃；
c) 允许最大相对湿度：100%，结露。
4.9.3 接收天线技术要求：
主时钟所配天线必须保证安装地点接收信号所需灵敏度。
天线环境要求：工作温度：-40℃至+70℃，工作湿度：100％，结露。
接收天线和安装底座需是配套产品。
