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  • 电厂时钟同步设备(卫星同步时钟)应用方案
    2021-03-30 15:04:43

    电厂时钟同步设备(卫星同步时钟)应用方案
    电厂时钟同步设备(卫星同步时钟)应用方案
    目前国内电网逐步形成以大机组,超高压和高自动化为主要特征的现代化大电网,电网运行瞬息万变,发生事故后更要掌握实时信息及时决策处理,这些都离不开统一的时间基准.时间同步主要用于电力系统各类自动化及继电保护装置,这些装置包括:调度自动化系统,电能量计费系统,事件顺序记录装置,故障录波器,微机继电保护装置,电厂,变电站监控系统等。当前在国内电力系统中,时间同步的应用方式是接收导航卫星发送的无线标准时间信号并采用符合相应规范要求的装置作为统一时钟信号源,再由统一时钟信号源向电网中各类装置提供标准时间,时标的输出主要包括1PPS输出,1PPM输出,IRIG-B输出,NTP/SNTP,PTP等.

    电厂时钟同步系统
    HR-901GB电厂/变电站时间同步系统是京准公司集多年在电力时间同步领域的研究和开发经验,因应广大用户对时间系统越来严格的安全运行要求,并从保障国家安全的角度考虑,利用当前先进的电路集成、软件编程技术,结合M国GPS、中国北斗、俄罗斯格罗娜丝等全球卫星导航系统各自的技术特点开发而成的新一代电力时间同步系统。系统采用的装置全部为思利敏公司自主研发,实现了多源输入(GPS、北斗、格罗娜丝、高精度守时、IRIG-B码基准等)、多制式输出(TTL、空接点、IRIG-B、差分、串口、网络、光纤等)、多设备适用(系统输出。可以任意扩展,可以满足任何规模、任何方式的时间信号需求)的组合式应用,为电力、煤炭、轨道交通、石油化工、航道水运、邮电电信及相关领域提供了高精度、高稳定、高安全,高可靠的时间基准信号。

        HR-901GB电厂/变电站时间同步系统由母钟和信号扩展装置组成,可集中或单独组屏。母钟与信号扩展装置均可根据现场的要求进行组合式配置,利用GPS(全球卫星定位系统)、北斗或IRIG-B(DC)码发送的秒同步信号和时间信息,向各种系统和自动化装置(如调度自动化系统、微机继电保护装置、故障录波器、事件顺序记录装置、远动装置、计算机数据交换网、雷电定位系统等)提供精确的时间信息和时间同步信号。可完全满足《华东电网统一时钟系统技术规范》、《上海电网GPS时间同步系统技术原则和运行管理规定》和《电力系统时间同步技术规范》的各种要求。产品自推出市场以来,经受了众多的现场运行考验,得到广大用户的认可与信赖。
    
        HR-901GB时间同步系统主要由主时钟、若干从时钟、时间信号传输介质组成。根据时间同步现场的不同需求,,时间同步系统的结构配置有多种形式,主要分为三种:基本式、主从式、主备式。
    

    1、基本式

    由一台主时钟和信号传输介质组成,为被授时设备(系统)对时。根据需要和技术要求,主时钟可设接收上一级时间同步系统下发的有线时间基准信号的接口。该系统由一面主时钟屏组成,主时钟屏一般设在电厂/变电站/机房的控制室。

    2、主从式

    由一台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成,为被授时设备(系统)对时。根据实际需要和技术要求,主时钟可设接收上一级时间同步系统下发的有线时间基准信号的接口。该系统由一面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成,主时钟屏一般设在电厂/变电站/机房的控制室。时钟扩展屏数量根据电厂/变电站/机房内小室的情况而定。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

    3、主备式

    由两台主时钟、多台从时钟和信号传输介质组成,为被授时设备(系统)对时。根据实际需要和技术要求,主时钟可预留接口,用来接收上一级时间同步系统下发的有限时间基准信号。该方式可分为两台主时钟同屏系统结构和两台主时钟不同屏系统结构。

    a)两台主时钟同屏系统结构

    该系统由一面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成,主时钟屏有两台主时钟,时钟扩展屏数量根据电厂/变电站内小室的情况而定。主时钟屏一般设在电厂/变电站/机房的控制室。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

    b)两台主时钟不同屏系统结构

    该系统结构由两面主时钟屏或和多面时钟扩展屏组成,每面主时钟屏内各有一台主时钟。时钟扩展屏数量根据电厂/变电站内小室的情况而定。各小室时钟屏负责本小室二次设备的对时。

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    整合网络时间同步系统(NTP时钟同步设备)解决方案
    整合网络时间同步系统(NTP时钟同步设备)解决方案

    电力系统对统一时间的要求愈来愈迫切,高精度、可管理、高可靠的时间同步网已经成为现代化电力系统稳定运行的重要基础。

    时间系统孤岛林立

    通常来讲,现有电力系统都是简单通过在变电站等机房内部配置GPS卫星接收机的方式来获得时间信息。由于不具备各分散GPS接收机的网管能力,全电网统一的时间同步机制还没有形成。各个电厂、变电站、调度中心都是时间孤岛,各机房的时间系统也没有统一的精度要求和安全性标准。

    于是,由于时间同步不良而可能导致的各种问题无法预防:所有的时间基准依赖GPS,而GPS时间受制于天气因素和政治因素,且安装过程复杂,时间系统的安全性缺乏保障;所有站点准同步,无统一的时间同步网络实现全网同步;GPS接收机广泛使用,各站点不能共享,资源浪费严重;现网时间设备种类繁多,制式不一,大多数不能纳入网管,只能人工现场维护;GPS信号一旦发生故障,则守时性能低,同步质量下降。

    因此,这些系统和装置均需要使用统一的、精确的时间,才能够准确完成规定的功能和特定的配合工作。另外,只有具备了统一精确的时间源,才可以更好的实现各系统的运行监控和故障分析,可以通过各种电力系统自动化控制设备的开关动作、调整的先后顺序及准确时间来分析事故的原因及过程。

    整合时间同步孤岛

    基于以上问题,电力系统迫切需要建立统一的时间同步网络,变准同步的时间同步孤岛为等级同步的树状网络;时间同步的基准要做到多元化,避免单一GPS时间的风险;时间同步设备要做到可管理,制式要统一,提高可维护性。

    时间同步与传统的频率同步是不同的概念,频率同步指不同系统之间的时钟是同步的,时间同步是指不同系统之间的绝对时间是相同的。例如在通信系统中,每个系统都有内部时间,包括时分秒等,但是由于每个系统内部时间独立运行,各个系统之间的时间不一定是相同的。时间同步就是将各个不同系统之间的时间偏差控制在特定范围之内的一种技术。

    而不同的电力自动化系统对时间的精度有着不同的需求,对时间同步系统信号的种类也是多样化的。“线路行波故障测距装置”、“雷电定位系统”和“功角测量系统”等时间同步精度需要达到μs级的要求;“变电站监控系统”、“配电网自动化系统”和“微机保护装置”等自动化控制和监测类设备时间同步精度需要达到ms级的要求;“电能量计费系统”、“电力市场交易系统”和“自动记录仪表”等计费和交易类系统的时间同步精度需求则通常为秒级。
    • 如何组网?

    为了满足电力系统对时间同步的特别需求,新型时间同步系统需要具备如下功能:能跟踪GPS,也能跟踪地面参考源和北斗卫星,互为备份;能够组建时间同步网,可以跟踪上级时间同步节点的时间源,也可以向下级时间同步节点分发时间;支持时间延时的自动补偿功能;能够纳入网管中心统一管理和维护;具有丰富的时间同步接口和较高的端口密度;内置光收发模块,通信机房和保护小室之间通过光纤组网,且延时可自动补偿。

    因此,典型的组网方案为:调度中心放置一级时间同步设备,可以跟踪GPS或者北斗卫星;通过V.24协议将DCLS时间码承载到传输网上,电厂和变电站可以从传输网上获得调度中心的时间作为地面备份;时间在传输网上的延时可以在接收端自动补偿。

    电厂和变电站的通信机房可以采取与调度中心相同配置,同时引入调度中心通过传输送过来的地面备用时间源。在卫星不可用的情况下,将主用时间源GPS或者北斗卫星切换到备用时间源上,避免进入守时状态,保证精度。

    在变电站的保护小室可以放置二级时间同步设备,不配置卫星接收卡,通过光纤接收通信机房的时间,并自动做延时补偿,使之精度能够达到跟踪卫星的精度。

    所有的时间同步设备都能通过DCN网进行维护管理,对于没有DCN网点场合,例如保护小室,则可以通过网管系统进行管理,从而实现全网设备的可维护可管理。
    • 时间服务器是核心

    时间服务器是时间同步系统的核心设备,也是电力系统时间同步网络必不可少的组件。时间服务器的特性,直接决定着整个时间同步网络的精度、可靠性和安全性。建设高质量的时间同步网络,离不开高质量的时间服务器。

    由于电力系统的特殊要求,除传统意义时间服务器的功能外,还存在诸多特殊需求,是在组建电力系统时间同步网时所必须考虑的:

    端口能力。时间服务器需要支持多种输出端口类型,包括静态空接点、串口、光纤接口、IRIG-B接口、以太网接口等,以便适应与各种自动化设备的时间信号连接需求。

    卫星跟踪能力。从安全性和可靠性考虑,时间服务器设备需要具备跟踪多种卫星系统并获取时间同步信号的能力,主要的卫星系统包括GPS、GLONASS和北斗系统等。

    内部振荡源的支持能力。为了满足不同的需求,时间服务器设备需要具备多种内部振荡源的灵活配置能力,以便达到合理控制投资的目的。例如对于高保持和高精度的需求,可以配置铷钟振荡源,如中心机房的一级时间服务器;对于普通时间精度的要求,可以配置晶体钟振荡源,如各变电站的二级时间服务器等。
       
    组网可扩展能力。时间服务器设备需要支持多个光接口,每个主设备可以通过光口级联若干个从设备,同时从设备可以将时间码通过光口环回,这样从设备可以获得时延参数,自动补偿时延。可以满足从通信机房到多个保护小室的时间同步组网,能够达到变电站的所有机房覆盖。

    供电方式。因为通常在通信机房直接使用-48V支流电源,而在继保机房则需要使用220V交流电源,时间服务器需要同时支持220V交流和-48V直流电源。
      目前,对于在专网行业系统的时间同步问题,尚无行业标准规范。华为基于在电信运营领域已经积累了丰富的时间同步解决方案和实际工程部署经验,旨在为电力系统提供电信级可靠性和高精度的时间同步方案,并已在南方电网、北京电力成功完成测试和试验网建设。我们相信,在电力等专网系统存在的时间同步孤岛即将消失,一张张全新的时间同步网络即将形成,并为各行各业的飞速发展提供基础保障。

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    超高精度北斗GPS时钟同步设备(时间频率)及其应用
    超高精度北斗GPS时钟同步设备(时间频率)及其应用
    1 引言

    时间,这是最早被人类意识到的同时也是最神秘的一个基本物理量。从古时代人们的日出而作,日落而息,到地心说和日心说,再到相对论和宇宙大爆炸理论,人类从未停止过对时间本质与起源的探求。另一方面,如何不断地提高“时间”这一基本物理量的测量精度,也一直是人类不懈追求的重要目标之一。早在18 世纪,为争夺海上霸权,解决远距离航海定位(经度)的难题,欧洲各国都在积极寻找海上精确守时的办法。最终,一位英国钟表匠约翰·哈里森(John Harrison)发明了航海钟,首次使钟摆的摆动频率摆脱了重力影响,大大提高了航海过程中的时间测量精度,从而使安全的长距离海上航行成为可能。在一定程度上,这也是日后英国成为“日不落帝国”的根本原因所在。

    在此之后,随着现代高精度原子钟的快速发展,时间测量的精度已经遥遥领先于其他物理量的测量精度,时间因而成为测量精度最高的基本单位。1967年,国际度量衡大会通过了新的国际单位制原子秒的定义——位于海平面上的铯(133Cs)原子基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁振荡9192631770周期所持续的时间为1 秒(定义中的铯原子在温度为0 K时必须是静止的),这标志着时频计量由天文基准过度到量子基准。极高的测量精度和可直接传递的特性也使时频计量成为其他计量向量子基准转化的先导;1983年,国际计量大会(CGPM)会议重新定义长度计量单位“米”为光在真空中1/299792458秒所传播的距离。长度和时间的这种密切关系已被广泛应用于卫星定位系统,例如全球定位系统(GPS)以及我国的北斗系统。在卫星定位系统中,星载钟之间的时间同步精度决定了定位精度。为了提高定位精度,一方面要提高星载守时钟的稳定度和准确度,更重要的则是提高整个系统的时间同步精度。

    超高精度时间频率同步的重要性不仅仅体现在导航领域,而且在基础科学、天文观测、国防安全、通信以及金融等领域,精密授时与同步均有着广泛而重要的应用。本文将介绍几种主要的时间同步方法及其在科学领域的一些重要应用。

    在此,有必要指出,约翰·哈里森在250年前提出的使用高精度守时钟保持时间同步的基本概念影响至今。就基本概念而言,假如有两台独立守时钟,计时分别为t1与t2,那么,二者相对误差为

    其中,σ1和σ2分别为两台钟的独立稳定度,σ12为二者相互不确定度。当两台钟完全独立时,其互相关系数C12=0,那么它们都必须有很高的稳定度(即σ1,σ2均较小)才可以保证其相对误差很小。今天,我们需要重新审视这个基本假设。事实上,当两台钟频繁地进行比对时,则两台钟可以不再独立,其相对误差可以非常小,而对其“绝对”稳定度,例如σ21的要求可以大大放宽。在大家熟知的重要应用方面,超高精度的异地时间频率同步才是根本;“绝对”时间并没有太多意义。所以,近年来国际、国内大量发展的“光钟”假如不能做到长期运行(守时)和异地可搬运,其实际应用意义并不是很大。相比之下,“授时”(同步)将有可能带来相关方面科学上的革命性进展。

    2 时频同步方法

    在原子钟技术发展初始,人们最早采用搬运钟的方法进行时间同步,然而这种方法限制了同步距离,同时对原子钟稳定性有很高要求。随着卫星导航系统的发展,目前异地时钟的时间频率传输与同步主要是通过卫星链路来实现的。利用卫星双向时间频率传递(TWSTFT),卫星共视(CV)等方法可以实现10-15/天量级的频率传输稳定度以及纳秒量级的时间同步精度。

    随着现代高精度原子钟的快速发展,频率稳定度在10-16/s的频率振荡器以及频率不确定度在10-18的光钟相继出现。现有的时频传输和同步技术已无法满足高精度原子钟时间频率比对的需求,需要发展具有更高精度的时频传输与同步方法。基于光纤链路的时频同步技术以其具有的低损耗、高稳定度优势而逐渐发展成为一种新型同步技术,世界各国均已开展对此项技术的研究。2012年6月1日,由欧盟9国(德国、法国、英国、奥地利、意大利、荷兰、瑞典、芬兰、捷克)共同出资合作进行的联合研究项目NEAT-FT正式启动,旨在未来建设一个频率传输稳定度优于10-17/天,时间同步精度优于100ps的欧洲时频光纤同步网络。此外,在光纤链路中,在进行微波、光频、脉冲以及飞秒光梳信号的传输与同步技术方面,也逐渐有越来越多的研究成果出现。

    清华大学精密测量联合实验室长期从事超高精度时频同步领域的研究,且其成果在世界上处于领先水平。2011年,我们在清华大学与中国计量科学研究院(昌平)之间往返80km的商用光纤链路上,首次演示了时标脉冲、微波频率的同时传输与同步实验。图1 为该实验的原理图,通过在发射端(图中左侧)主动探测并补偿光纤传输引入的相位噪声,实现了7×10-15/s,5×10-19/天的频率传输稳定度以及优于50ps的时标同步精度。使用此时标,并进一步使用频率信号过零点作为时间同步基准,可以将时间同步精度提高至50fs。相比于卫星传输中常见的ns级稳定度指标,这一结果在传输天稳定度上提高了4个数量级。

    图1 时间频率光纤传输与同步系统原理图

    与卫星同步相比,基于光纤的时频同步方法一个显著的不足之处就在于其覆盖范围的局限性——传统方案具有“点对点”结构,即一个发射端对应一个接收端,这在很大程度上限制了光纤时频同步技术的应用范围。基于此,我们提出并演示了一种可在光纤链路任意位置处下载高稳定度频率信号的方案,如图2 所示,这一技术大大拓展了传统方案的应用范围,使光纤时频同步的网络化建设成为可能。

    图2 可多点下载光纤时频同步系统原理图

    我们还进一步研究了不同拓扑结构的光纤同步网络,针对一个发射站对应于多个接收站的多分支网络化结构,提出了在接收端对光纤传输引入相位噪声进行被动式补偿的同步方案,采用此方案进行高精度时频同步,各接收站相互之间独立,具有树状拓扑结构并且易于扩展,增加新的分支。在国际合作建设的平方公里阵列天文望远镜(SKA)等实际系统中具有广阔的应用前景。

    3 重要科学应用

    超高精度的异地时间频率同步与精密授时在众多科学领域均扮演着举足轻重的角色,研究结果往往取决于时间同步的精度。

    在卫星导航领域,星载钟之间的时间同步精度很大程度上决定了最终的定位精度。卫星定位、导航的基本原理十分简单:假设位于地表或地表附近的用户看到四颗或更多导航卫星,并接收到了导航卫星所广播的信号。此信号包括了精确的发射时刻及该时刻卫星的精确位置,据此,用户可以列出至少4个方程:

    其中Rj是第j颗卫星在tj时刻所处的位置, R是用户在接收时刻t的位置。这里的未知量一般是位置R(x,y,z)及时刻t,共4个变量。通过上述4个方程可以求出这4个未知数,用户也就得到了自己的时间和位置信息。从以上方程我们很容易看出,定位精度取决于星载钟之间的时间同步精度。以GPS系统为例,其星载钟与分布在全球范围的地面监测站地面站之间每天进行两次时间同步校准,校正后便自由运行,运行一段时间≈40000s之后,这些钟的时间将不再一致,偏离值的不确定量为。其中σ为描述原子钟频率稳定度的阿伦标准方差,典型原子钟的频率稳定度满足关系式。因此,星载钟间的偏离值将随着运行时间发生正比于的积累。针对于此,我们提出了对北斗系统星载钟利用星间微波链路进行相位锁定时间同步的设想,有望使其定位精度得到大幅度提高。例如,相比于GPS每40000s校准钟差,假如北斗系统每5分钟校准钟差,则其精度可以提高10倍。

    另一方面,将卫星导航的原理反过来应用,即所谓倒GPS系统(reversed GPS),通过设立在地面的观测站,实现对卫星以及其他天体进行观测定位,由于地面守时钟精度远高于星载钟,且利用光纤进行时间同步可以大大提高同步精度,因此可对卫星运行轨道以及天体星历进行精确测定。

    在天文观测领域,采用甚长基线干涉测量技术(VLBI)时,可以通过距离达数千公里的观测站对同一射电源发出的信号进行接收,并根据时延差做相关处理,最终得到超高分辨率的干涉信号。观测精度最终取决于延时的测量精度,即时间同步精度。传统的方案是,通过在各观测站放置独立运行的高精度原子钟(如氢钟)进行守时,时延误差随时间积累。若采用光纤链路进行时间同步,各观测站无需分别放置守时钟即可获得高精度同步的时频信号,并对时延实时进行补偿,保证误差不随时间积累,天稳定度可比采用独立氢钟守时提高3个数量级。

    此外,清华大学精密测量实验室已加入“平方公里射电望远镜阵列(SKA)”这一国际大型合作项目的研究工作,此项目由澳大利亚、加拿大、意大利、新西兰、荷兰、南非、英国、中国等20个国家共同合作,旨在通过建设一个由3000—4000个大型天线组成的阵列,形成1km2的信息采集区,构成世界上最大的射电天文望远镜。实施SKA将有助于科学家真正了解宇宙和人类起源的奥秘,并有望推动一些直接影响人们日常生活的新技术的诞生。超高精度时间同步是其中一项十分关键的新技术,为保证组成阵列的数千面天线之间的相位相干,短期时间同步精度需要达到1ps量级,同时长期稳定度要达到10年内时间误差不超过10ns,并且天线阵列具有在中心处呈网状分布,在3个旋臂处呈链状分布的不同的拓扑结构。针对以上要求,我们提出了适用于不同网络结构的光纤时间同步方案,有望最终应用于SKA项目。

    综上所述,在众多科学研究领域,新兴的基于光纤链路的超高精度时间同步技术以及空间微波链路时间同步技术与传统的授时与同步技术相比,有着巨大的精度优势;随着相关技术的逐步发展与完善,这两项新技术也会逐步展现其在其他领域的巨大应用潜力。

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    NTP授时服务器(时钟同步设备)在电脑系统设置方法

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    如何让Windows10系统时间与NTP时间服务器实时同步对时

     

    微软从Windows2000开始,系统就支持使用NTP同步的方式获取时间,Windows系统默认的时间源都来自time.windows.com。

     

     

    为了用户使用的方便,time.windows.com以及大多数公网NTP时间服务器没有使用NTP加密方案传输时间,而是使用明文传输。这种公网时间同步方案是非常不可靠的,容易被黑客使用中间人攻击(MITM)方式攻击。

     

     

    企业用户建议使用独立的卫星授时服务器也称NTP时间服务器,维护企业内部网络的计算机和服务器的时间。

     

     

    使用自建的NTP时间服务器不仅可以安全的获取准确时间,同时,不会因为有时公网授时服务器无法工作用户无法获得时间。

     

     

    在这一方面多数金融企业包括银行、保险、券商、交易所以及大型企业都已经开始使用。

     

     

    由于Windows操作系统提供的time.windows.com是免费的服务,因此Windows系统默认与时间服务器同步的间隔是7天。通过这样的设置,Windows可以有效的降低网络通信量,以及对time.windows.com 的负载压力。

     

     

    根据我们的实际测试,一般计算机系统(不含虚拟机)内置的普通晶体振荡器频率准确度为20ppm~200ppm左右,操作系统的时间漂移率为(1.73秒/天~17.3秒/天)左右。

     

     

    为了提高时间精度,如果用户所在企业内部有NTP时间服务器,可以更改NTP时间服务器的同步间隔,下面将详细介绍如何通过修改Windows10注册表,更改本地计算机与内网NTP时间服务器的同步间隔。

    1. 打开注册表

    1. 依次找到HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\W32Time\TimeProviders\NtpClient

     

    1. 双击SpecialPolllnterval并选择十进制,默认值604800或其他数值,意思为604800秒与NTP时间服务器同步一次(时间同步间隔),比如我想30秒和NTP时间服务器同步一次就将数值改为30确定即可,如下图:

    1. 打开控制面板—管理工具—服务,双击服务——Windows Time

    1. 打开Windows Time 配置如下图:(别忘记应用确定

     

     

     

     

    1. 右击系统右下角时间——调整日期和时间——选择INTERNET时间

    1. 填写目标NTP时间服务器IP地址——应用确定即可,同步成功如下图:

     

     

     

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空空如也

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