核电站时钟同步系统概述

柴源

西安中核核仪器股份有限公司 710061

1. 引言

在目前国内国际大力推进碳达峰和碳中和的前提下，核电作为一种环保可靠的清洁能源，大力推进核电项目势在必行。时钟同步系统是核电站全厂通信系统的重要组成部分之一，不仅为电站的重要设备，如仪器控制设备、继电保护设备、故障录波设备、通信设备等提供时钟基准信号授时，以保障其正常运行，还在电网调度中发挥着重要作用。

核电站时钟系统用于为全厂提供统一时间和为同步设备、计算机系统和网络提供同步脉冲信号，母钟接收来自GPS的标准时间信号，将其传送到电站内的各子钟，自动对时。系统定时将子钟和母钟比较对时，以确保子钟时间与母钟同步。同时，母钟提供多种同步信号，供电站内的同步设备、计算机系统和网络作同步使用。时钟系统主要由一级母钟，二级母钟，信号放大器设备和多种类型的子钟等设备组成。

2. 系统概述

时钟系统是田湾核电站全厂通信系统子系统之一，时钟系统用于为全厂提供统一时间和为同步设备、计算机系统和网络等提供同步脉冲信号，母钟接收来自GPS的标准时间信号，将其传送到电站内的各子钟，自动对时。系统定时将子钟和母钟比较对时，以确保子钟时间与母钟同步。同时，母钟提供多种同步信号，供电站内的同步设备、计算机系统和网络作同步使用。

核电站时钟系统主要包括：GPS时钟源接收天线；安装在行政办公楼W1UYC内外部时钟源GPS卫星接收机接收、一级母钟、控制管理终端、接口设备、各类子钟、接线箱、光端机、电源及电缆；安装在公共区域T1UYA、UCB内的二级母钟、接口设备、RS422中继器、各类子钟、接线箱、光端机、电源及电缆等。

为其他系统提供同步时钟对时信号的远端输出接口，比如：DCS、KIC、KIS、KDO、KSN、GPA、GRE、LGR、KKO等系统提供各种高精度的时间基准信号。系统采用安全和可靠的智能保护输出接口箱，信号在发送之前要进行数据回读，确认无误后再发出发送指令，如有时间异常跳变，则发出禁发指令。

时钟系统设计全面执行ISO9001质量标准。并按自动控制运行设计。系统所有设备满足24小时/天，365天/年，全天侯不间断连续运行。

正常情况下核电站时钟系统的一级母钟接收来自GPS卫星接收机接收提供的标准时间信号，并将标准时间信号传输给子钟及其他设备，为设备运行管理及办公区的工作人员提供统一标准时间信息；当外部时钟源无效或中断时，母钟仍可利用自身高稳晶体振荡器产生的时间信号带动所辖范围内的子钟继续降级运行，同时在本地发出声光故障告警并向控制管理系统终端告警信息。

子钟与母钟通讯中断后，子钟仍能采用自身内置晶振独立运行。考虑核电时钟系统分布广、数量多、电磁干扰强及环境恶劣（核岛内子钟还要工作在大剂量辐照环境中）等特点，子钟采用了高精度、超低功耗、高防护等级、抗辐照和抗腐蚀等设计理念，最大程度地满足核电站对子钟的特殊需求。

3. 系统设计方案

核电站时钟系统主要包括：GPS时钟源接收模块；安装在行政办公楼W1UYC内外部时钟源GPS卫星接收机接收、一级母钟、控制管理终端、接口设备、各类子钟、接线箱、光端机、电源及电缆；安装在公共区域T1UYA、UCB内的二级母钟、远端智能输出接口卡、RS422中继器、各类子钟、接线箱、光端机、电源及电缆等。

一级母钟接收来自GPS卫星的标准信号，产生精确时间码。通过传输通道将标注时间信号传输给所辖子钟、各个需要的设备等，由一级母钟按标准时间信号指挥所辖的子钟统一显示标准时间，为核电站机组区域内的运行管理及工作人员提供统一标准时间信息和定时信号。

一、二级母钟均采用双机热备份结构，主备母钟采用冗余热备份方式运行，正常情况下由主母钟工作，备母钟处于热待机状态，当主母钟发生故障不能正常工作时，立即自动切换到备母钟上，由备母钟代替主母钟工作，当系统恢复正常后，再切换回主母钟工作。时钟系统具备可靠性、安全性、灵活性及成熟性。母钟上可产生和显示年、月、日、时、分、秒的信息。

厂房内小型子钟采用橙色LED电子发光管固定显示“时、分、秒”，主控室；用于会议室的中型日历数显子钟采用高亮度低功耗橙色数码管按照两联固定格式显示“年、月、日、星期、时、分、秒”等（具体显示方式订定货后与业主商定），第一行显示年、月、日；第二行显示时、分、秒及中文星期字样；安装于常规岛保卫室、控制中心用的大型数显指针式子钟采用数码管和指针表盘混合显示方式，时间显示采用时、分两针模拟表盘，“年、月、日”采用橙色数码管固定显示格式，星期采用橙色点阵块中文显示方式。子钟具有12和24小时两种显示方式的功能转换。

本系统具备可监控性，通过控制管理系统终端够实时监测时钟系统主要设备的运行状态及故障状态，并具有集中告警和远程联网告警功能。

详细情况参见图1时钟系统结构图：

图‑1时钟系统结构图

1. 1. 系统组成

核电站时钟系统按照系统整体功能来划分，规划为五个子系统：一级母钟系统、二级母钟系统、子钟系统、控制管理系统、电源系统。

1. 2. 一级母钟系统:

a）功能：母钟系统作为田湾核电时钟系统的控制中枢，能自动接收GPS卫星接收机接收提供的标准时间信号，并通过传输通道将精确时间信号发送给子钟及其它需要时钟基准信号的设备或系统，并且可以连接监控管理终端监控各设备的运行状态。

b）组成：GPS卫星接收机接收、一级母钟（主备）、一级422接口箱、信号输出接口卡等组成。

1. 3. 二级母钟系统:

a）功能：二级母钟系统作为3、4号机组和公共区域时钟系统的控制中枢，能自动接收一级母钟提供的标准时间信号，并通过传输通道将精确时间信号发送给子钟及其它需要时钟基准信号的设备或系统。

b）组成：、二级母钟（主备）、二级422接口箱、信号输出接口卡等组成。

1. 4. 子钟系统：

a）功能：一般安装在办公室、控制室、调度大厅及厂房等人员工作的场所，主要是用于向工作人员提供时间显示功能

b）组成：主要由接线箱、各类子钟、光端机及电缆等组成。

1. 5. 控制管理系统：

a）功能：控制管理计算机能够实时检测本工程时钟系统主要设备和模块的运行状态，对系统的工作状态、故障状态进行显示、打印、存档，并能够对全厂显示子钟及信号输出接口卡\环路控制器等进行点对点的控制。

b）组成：控制管理系统终端包括一台监控终端和系统网管软件，系统网管软件包括系统主软件包、卫星定时基准源监控软件包、母钟监控软件包、子钟监控软件包等。

1. 6. 电源系统：

a）功能：电源系统主要对时钟系统供电，向时钟系统设备提供符合核电站现场的电源要求的交流220V市电，时钟电源系统还配有在线式UPS，可保证意外断电情况下的时钟系统主母钟系统和监控系统的不间断供电。

b）组成：电源、UPS电源、电池组等组成。

4. 系统相关接口

   1. 与其它机组的接口

系统在不影响原有设备正常工作的情况下可以实现3、4号机组与既有1、2号机组、与行政办公楼时钟系统的对接。实施实施方案如下：

在3、4号机组母钟与原1、2号机组时钟系统母钟中间增加一台时间信号协议转换器，1、2号机组时钟系统母钟接收3、4号机组母钟时钟系统母钟的时间源信号，并进行数据协议转换，转化为1、2号机组母钟可以接收的数据格式，给1、2号机组母钟提供时间源信号；1、2号机组中其他系统所需要的授时接口以及全厂子钟所需校时信号均来自3、4号机组的母钟。与行政办公楼时钟系统的对接的原理同上，接口协议的转换需要与提供行政办公楼时钟系统的厂家沟通；本次时钟系统还给以后扩建的5、6号机组预留扩容接口。

1. 2. 与其他子系统接口

时钟系统母钟接收来自GPS的标准时间信号，将其传送到电站内的各子钟，自动对时。系统定时将子钟和母钟比较对时，以确保子钟时间与母钟同步。同时，母钟提供多种同步信号，供电站内的同步设备、计算机系统和网络作同步使用，根据技术规格书，还需要在厂内通信系统中通过SNTP协议给以下几个系统授时。

• 行政电话系统

• 调度电话系统

• 录音系统

1. 3. NTP网线

输出信号：10M/100M以太网时间信号

网络时间同步精度：1-10ms

接口数量：2个

物理接口：标准RJ45

接线线缆：网线

1. 4. 1PPS无源脉冲分配器

可输出信号：（1PPS、1PPM、1PPH、1PPD）

耐压范围：5-220VDC

准时延：上升沿，上升时间≦1us；

同步精度：≦3us；

隔离方式：光电隔离；

输出方式：集电极开路输出；

接口数量：8个

物理接口：接线端子

接线线缆：双绞线或平行线缆

1. 5. 24V有源脉冲分配器

可输出信号：（1PPS、1PPM、1PPH、1PPD）

电平格式：TTL、RS485差分信号或光纤

准时延：上升沿，上升时间≦1us；

同步精度：≦3us；

隔离方式：光电隔离；

输出方式：集电极开路输出；

接口数量：8个

物理接口：接线端子

接线线缆：双绞线或平行线缆

1. 6. 直流IRIG-B码分配器

电平格式：TTL、RS485差分信号或光纤；

准时沿：上升沿；

上升时间：≦100ns；

同步精度：≦1us；

接口数量：8个；

物理接口：接线端子

接线线缆：双绞线或平行线缆

1. 7. 交流IRIG-B码分配器

载波频率：1kHz

信号幅值（峰峰值）：高幅值的典型值为10V，高低调制比的典型值为5:1

输出阻抗：600Ω，变压器隔离输出

同步精度：≦20us

接口数量：8个

物理接口：BNC接头

接线线缆：同轴线缆

1. 8. 智能RS232信号分配器

电平格式：TTL、RS485差分信号或光纤；

波特率：9600bit/s，8位数据位，1位停止位，无校验

同步精度：≦5ms；

接口数量：8个

物理接口：接线端子

接线线缆：双绞线或平行线缆

5. 结束语

核电站时钟系统采用树状的时间信息传递方式，由前端到后端逐级传递，后级同步于前级，同级之间相互独立，不仅可以保证系统可靠工作。时间分配网络设计考虑高可靠性结构。根据厂区分区要求分成多个回路连接，每个回路均可独立运行，一旦出现故障不影响其它回路的正常运行。提高核电站时钟同步系统相关功能和性能的稳定性、打破核电站各个子项时钟系统各自为政的设计方式，在核电厂建立统一的时间同步网络，可实现核电厂内所有生产、调度管理及核电站安全运行的水平。

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