国家电网同步时钟系统解决方案

一、方案背景

在国家电网的运行中，时间同步至关重要。从电力系统的自动化技术发展来看，发电厂自动化控制系统、变电站综自系统、调度自动化系统等众多设备的广泛应用，都依赖于精确统一的时间基准。例如，继电保护装置、自动化装置、安全稳定控制系统等需要基于统一时间基准运行，以满足同步采样、故障分析等需求，进而提高电网系统运行效率。传统的授时方式，如依赖 GPS 卫星系统，存在潜在安全风险，且随着电网自动化和网络安全技术的发展，对变电站统一时钟的精度要求和安全性能越来越高，因此同步时钟系统的升级改造迫在眉睫。

二、系统需求分析

1. 高精度授时需求：不同电力自动化设备对时间同步精度要求不同。像线路行波故障测距装置、同步相量装置等要求时间同步准确度不大于 1μs；故障录波器、pmu 等要求不大于 1ms；微机保护装置、安全自动化装置等要求不大于 10ms；电能量采集装置等要求不大于 1s 。国家电网需要一个能满足各类设备高精度授时的同步时钟系统。

1. 安全可控需求：随着网络安全重要性的提升，电力时钟需具备安全可控能力，包括元器件国产自主、操作系统自主可控、通信协议自主可控，以降低外部风险，保障电网安全稳定运行。

1. 实时监测与告警需求：能够对用时设备的时差进行监测，一旦出现越限情况及时告警，确保站点内装置对时准确性，及时发现并处理对时偏差问题。

1. 兼容性与扩展性需求：要能与现有的电力系统设备兼容，同时具备良好的扩展性，以适应未来电网规模扩大和技术发展的需求。

三、方案设计

1. 授时源选择：采用北斗卫星导航系统作为主要授时源，不再使用 GPS 作为信号源。北斗卫星系统多项指标达到甚至优于 GPS 系统，且具有自主知识产权，能满足安全可控需求。同时，为确保授时的可靠性，可配置冗余授时源，如地面原子钟等，在北斗信号异常时切换使用。

1. 时间同步技术：综合运用多种时间同步技术。对于对时精度要求极高的设备，采用脉冲对时（如 1pps 信号）结合时间编码方式对时（如 irig - b 码），利用脉冲对时的高精度准时沿和时间编码方式对时全面的数据优势；对于一般精度要求的设备，可采用串口报文对时（如通过 rs - 422 接口）或网络方式对时（基于 ntp、ptp 协议），根据设备分布和网络情况灵活选择。

1. 系统架构：构建分层分布式的同步时钟系统架构。在区域控制中心设置主时钟，负责接收北斗卫星信号并进行高精度时间校准，然后通过通信网络将时间信号分发到各个变电站的从时钟。从时钟再对站内的继电保护装置、自动化装置等设备进行对时。同时，建立统一运行管理平台，实时监测主时钟、从时钟以及用时设备的运行状态和对时精度。

1. 安全防护设计：在每台主时钟的卫星信号接收机处部署卫星授时安全隔离装置，精确保障卫星信号的有效性和可靠性，及时识别卫星信号存在的干扰欺骗，一旦发现威胁站点稳定运行的情况，立即采取措施处理，确保站点时间稳定性和精确度。

四、系统架构

五、设备选型

主时钟：选用具备国产化元器件、自主可控操作系统的北斗四统一安全可控时间同步装置作为主时钟。该装置应具备高可靠性、高精度授时能力，能同时接收多颗北斗卫星信号，并进行精确的时间解算和处理。

从时钟：从时钟同样要满足安全可控和高精度要求，可根据变电站规模和设备数量选择合适型号。其应具备良好的通信接口，能与主时钟和站内设备稳定通信，准确接收和转发时间信号。

卫星授时安全隔离装置：选择专业的卫星授时安全隔离装置，其需具备强大的信号监测和分析能力，能够快速识别干扰和欺骗信号，保障卫星信号的纯净性和可靠性。

子钟：选择不同的显示钟，包括单面子钟，双面子钟，已经需要授时的前端设备。

六、实施步骤

1. 前期调研与规划：对国家电网现有同步时钟系统进行全面调研，了解设备运行状况、对时精度、存在问题等，结合需求分析制定详细的改造和建设规划，明确技术要求、工程目标及时间节点。

1. 设备采购与安装：按照设备选型方案，采购主时钟、从时钟、卫星授时安全隔离装置等设备。在安装过程中，严格遵循相关标准和规范，确保设备安装牢固、接线正确。

1. 系统调试与测试：完成设备安装后，进行系统调试。首先对主时钟进行卫星信号接收和校准测试，确保主时钟时间准确；然后依次调试从时钟与主时钟的对时，以及从时钟与站内设备的对时。对整个系统进行全面测试，包括授时精度测试、安全防护功能测试、实时监测与告警功能测试等，确保系统各项性能指标符合要求。

1. 运行维护与优化：系统投入运行后，建立完善的运行维护机制。定期对设备进行巡检和维护，及时处理设备故障和异常情况。根据实际运行情况，对系统进行优化，不断提升系统性能和稳定性。