誰(shuí)來(lái)“護(hù)駕”電力全網(wǎng)時(shí)間?

錢 軍

北斗的高精度、穩(wěn)定性、安全性和自主性已然折射出中國(guó)智慧的光芒。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，運(yùn)行水平大幅提高，建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)”成為中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的既定戰(zhàn)略。國(guó)家發(fā)改委稱，2009年至2020年，中國(guó)將投資4萬(wàn)億元用于智能電網(wǎng)建設(shè)。

要建設(shè)智能電網(wǎng)就離不開(kāi)數(shù)字化變電站。而目前，在涉及電網(wǎng)安全的廣域電網(wǎng)運(yùn)行，保護(hù)與控制等方面，尤其是電網(wǎng)中重要發(fā)電廠及變電站內(nèi)各自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，建立在脈沖技術(shù)上的工作原理，還有很多問(wèn)題和安全性論證沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間同步成為當(dāng)代電網(wǎng)以及未來(lái)智能電網(wǎng)運(yùn)行的一項(xiàng)基本要求。為實(shí)現(xiàn)電力時(shí)間統(tǒng)一基準(zhǔn)，GPS系統(tǒng)一直被廣泛地應(yīng)用于中國(guó)電網(wǎng)調(diào)度中心、電廠和變電站的自動(dòng)化運(yùn)行、保護(hù)、控制、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域的授時(shí)。

事實(shí)上，采用美國(guó)的GPS作為主時(shí)鐘源或許是過(guò)去的一種技術(shù)無(wú)奈，或許是決策者出于經(jīng)濟(jì)性、認(rèn)知慣性的考慮，但在電力系統(tǒng)中，廣泛采用GPS，就真正統(tǒng)一了設(shè)備與系統(tǒng)間的時(shí)間嗎?真的實(shí)現(xiàn)了電力全網(wǎng)時(shí)間的統(tǒng)一嗎?如此的“GPS時(shí)間”可靠安全嗎?

“GPS”隱患

2007年12月，某區(qū)域電網(wǎng)公司(應(yīng)公司要求隱去真實(shí)名稱)對(duì)其所在省電力電網(wǎng)GPS授時(shí)設(shè)備進(jìn)行全面檢查。隨后，一份匯報(bào)材料被緊急送到公司領(lǐng)導(dǎo)案頭。匯報(bào)所涉及內(nèi)容令該公司高層頗感驚訝：“全省GPS授時(shí)設(shè)備完好率不足60％”。

看到這一消息，公司第一時(shí)間召集協(xié)調(diào)會(huì)，與會(huì)專家和一線輸電站負(fù)責(zé)人也認(rèn)識(shí)到問(wèn)題嚴(yán)重性，經(jīng)過(guò)數(shù)天討論和分析，設(shè)備質(zhì)量只是一方面，“GPS授時(shí)安全隱患”這一深層次問(wèn)題，更應(yīng)引起足夠重視。

“我們已經(jīng)將這一重大隱患備份至國(guó)家相關(guān)電力安全管理部門。電力工業(yè)的安全生產(chǎn)關(guān)系國(guó)家能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈，是保障國(guó)家安全，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素之一。”公司負(fù)責(zé)人事后感慨。

在一個(gè)省份出現(xiàn)如此高比例的設(shè)備損壞，非但不正常，更需要警惕的是其危險(xiǎn)程度。近年來(lái)，隨著中國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行控制及保護(hù)水平的提升，大部分變電站采用了綜合自動(dòng)化方案，這也是今后電網(wǎng)的發(fā)展方向。

自動(dòng)化、信息化和輸電效率得到了不同程度提高，降低成本同時(shí)，問(wèn)題也隨之而來(lái)。中國(guó)電力企業(yè)從電力傳輸網(wǎng)到電力計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間系統(tǒng)，主要是以GPS作為主時(shí)鐘源，進(jìn)行同步授時(shí)，由于其授時(shí)的工作原理和系統(tǒng)時(shí)鐘源被美國(guó)掌控，GPS授時(shí)存在重大隱患。

具體而言，目前中國(guó)電力行業(yè)接收GPS授時(shí)信號(hào)是免費(fèi)的，GPS授時(shí)終端價(jià)格低廉，這是美國(guó)GPS系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。正因?yàn)槭恰懊赓M(fèi)的午餐”，所以美國(guó)不承諾對(duì)任何應(yīng)用所產(chǎn)生的問(wèn)題負(fù)責(zé)。

眾所周知，GPS系統(tǒng)是美國(guó)政府引以為豪的戰(zhàn)略工程，所有信號(hào)的發(fā)生、傳輸權(quán)由美國(guó)掌控，一旦出現(xiàn)民用信號(hào)關(guān)閉、誤碼率加大或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障，以GPS技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)將被置于危險(xiǎn)的境地，中國(guó)電網(wǎng)概莫能外。

在中國(guó)，存在長(zhǎng)距離大規(guī)模電力傳輸?shù)默F(xiàn)實(shí)，從電廠發(fā)出的每度電，都以高達(dá)每秒30萬(wàn)公里的速度經(jīng)過(guò)變電站并網(wǎng)輸送，經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)、數(shù)十個(gè)變電站的長(zhǎng)距離配送，最終抵達(dá)用戶。這個(gè)過(guò)程需要同時(shí)有幾百臺(tái)設(shè)備保護(hù)電力安全運(yùn)行，涉及各種以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化裝置，如電廠機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等，如此大量設(shè)備是否能夠按照預(yù)先計(jì)劃的流程，準(zhǔn)確安全地傳輸?shù)轿?，決然離不開(kāi)全網(wǎng)設(shè)備時(shí)間基準(zhǔn)問(wèn)題。

“倘若這些設(shè)備運(yùn)行時(shí)間不同步，那么輕則運(yùn)行設(shè)備失控，影響正常輸供，重則造成整個(gè)地區(qū)電網(wǎng)癱瘓。而且由于時(shí)間不同步，很難及時(shí)排查事故原因。”北京國(guó)智恒電力管理科技有限公司董事長(zhǎng)呂建光如此描繪。

客觀來(lái)說(shuō)，電力輸配對(duì)設(shè)備時(shí)間同步的精準(zhǔn)度提出了極高極嚴(yán)的技術(shù)要求，電力設(shè)備時(shí)間同步的精準(zhǔn)度正從過(guò)去的微秒級(jí)過(guò)渡到納秒級(jí)，因此，必須為電力系統(tǒng)配置高精度、高可靠的授時(shí)系統(tǒng)，在傳輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)間出現(xiàn)時(shí)間誤差，高壓電流勢(shì)必會(huì)在瞬間燒毀被接收的變電站或是傳輸線路，這很容易理解。

“北斗”精準(zhǔn)而出

如何解決報(bào)告所涉問(wèn)題，公司經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，決定起用獨(dú)立自主的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)，利用中國(guó)的高精度衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)支撐電網(wǎng)運(yùn)行。

對(duì)GPS授時(shí)在電力行業(yè)應(yīng)用存在的重大安全隱患進(jìn)行分析調(diào)查，做出科學(xué)判斷，根據(jù)北斗系統(tǒng)的特性，自主創(chuàng)新，聯(lián)合研發(fā)了“北斗電力全網(wǎng)時(shí)間同步管理系統(tǒng)”。

“北斗一號(hào)”是中國(guó)自行研制建立的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，集導(dǎo)航定位、短報(bào)文通信、高精度授時(shí)三大主要功能于一體。

該系統(tǒng)目前工作覆蓋區(qū)域主要集中在北緯5°～55°，東經(jīng)70°～140°之間的廣大地區(qū)。隨著2003年5月25日“北斗一號(hào)”系統(tǒng)的第3顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，“北斗一號(hào)”系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始全面為各種用戶提供穩(wěn)定和可靠的服務(wù)，開(kāi)通運(yùn)行7年來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)狀況良好。

目前，北斗二代系統(tǒng)正待字閨中，2010年1月17日，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星Compass G1成功發(fā)射，第二代北斗衛(wèi)星組網(wǎng)正在按照預(yù)定計(jì)劃進(jìn)行?？梢灶A(yù)見(jiàn)的未來(lái)，系統(tǒng)服務(wù)能力更強(qiáng)，定位授時(shí)精度更高，并與北斗一號(hào)系統(tǒng)完全兼容，能夠?yàn)橛脩籼峁└油晟品€(wěn)定的服務(wù)。

“北斗電力全網(wǎng)時(shí)間同步管理系統(tǒng)”(下稱系統(tǒng))是采用北斗與GPS(或其它)等多時(shí)間源智能切換技術(shù)開(kāi)發(fā)完成的新一代電力系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)產(chǎn)品。系統(tǒng)裝置內(nèi)置恒溫晶振或銣鐘，通過(guò)多時(shí)間源智能切換技術(shù)和先進(jìn)的時(shí)間控制處理算法實(shí)現(xiàn)可靠的、高精度的時(shí)間輸出；采用“北斗雙向授時(shí)功能”專有技術(shù)能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上全電力系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一；通過(guò)利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短信息功能，能夠?qū)崿F(xiàn)所有廠站端時(shí)間同步系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和運(yùn)行控制；系統(tǒng)為電力輸送提供高精度的、安全的全網(wǎng)時(shí)間同步整體解決方案，準(zhǔn)確、可靠、易用的特點(diǎn)確保了可靠、高精度授時(shí)的廣泛需要。

由此，中國(guó)電力輸送領(lǐng)域重點(diǎn)攻堅(jiān)的時(shí)間同步課題將得到徹底解決，2008年9月，選擇將中國(guó)華東電網(wǎng)公司調(diào)度中心作為北斗電力全網(wǎng)時(shí)間同步監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的總控中心，2個(gè)500KV變電站(上海南匯變電站和南京東善橋變電站)和2個(gè)電廠(新安江電廠和富春江電廠)作為衛(wèi)星同步時(shí)鐘的使用單位，構(gòu)成實(shí)用性北斗電力時(shí)間同步示范系統(tǒng)。試用結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到使用要求，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)范圍內(nèi)的時(shí)間同步。

系統(tǒng)于2008年12月19日通過(guò)組織的專家委員會(huì)鑒定驗(yàn)收。鑒定委員會(huì)認(rèn)為，該研究成果整體水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

2009年9月，國(guó)家電監(jiān)會(huì)公開(kāi)表示，國(guó)家正式確立“天地互備，以北斗為主的電力授時(shí)體系”。

這標(biāo)志著中國(guó)電力行業(yè)自主高精度授時(shí)時(shí)代已經(jīng)開(kāi)啟。中國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)應(yīng)用的春天也已到來(lái)。

中國(guó)創(chuàng)造

“北斗導(dǎo)航，是‘中國(guó)創(chuàng)造的杰出代表，閃耀著中華民族自主創(chuàng)新的燦爛光芒，是天之驕子?！敝袊?guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用管理中心副主任趙康寧如是說(shuō)。

作為中國(guó)具有戰(zhàn)略意義的國(guó)家重要信息基礎(chǔ)和戰(zhàn)略設(shè)施，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正在表達(dá)著中國(guó)綜合國(guó)力，已經(jīng)為包括電力在內(nèi)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

北斗系統(tǒng)將繼續(xù)在包括智能電網(wǎng)在內(nèi)的電力電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮更大作用。未來(lái)幾年，建設(shè)特高壓電網(wǎng)又是發(fā)展智能電網(wǎng)的強(qiáng)大物理基礎(chǔ)，大容量、遠(yuǎn)距離輸電是最大特點(diǎn)，對(duì)各種技術(shù)要求、設(shè)備配備、電網(wǎng)的建設(shè)和特性提出了更高要求。

2009年，中國(guó)4萬(wàn)億元拉動(dòng)內(nèi)需的投資分配落地，隨后，國(guó)家電網(wǎng)公司宣布將建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”、“特高壓電網(wǎng)”作為未來(lái)五年的核心發(fā)展目標(biāo)，其在時(shí)間同步系統(tǒng)方面對(duì)高精度授時(shí)將有更加苛刻的要求，我國(guó)北斗衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)將逐步替代國(guó)外GPS產(chǎn)品與技術(shù)，擺脫對(duì)國(guó)外系統(tǒng)的依賴，保證電網(wǎng)的正常建設(shè)和安全。

“電力全網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)”的系統(tǒng)和終端開(kāi)發(fā)成功與應(yīng)用，解決了目前電力系統(tǒng)時(shí)間同步應(yīng)用中的三大難題：提供可靠的備用時(shí)鐘源；實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與維護(hù)。

此項(xiàng)高精度授時(shí)系統(tǒng)不僅能全時(shí)段、全區(qū)域地控制電力全網(wǎng)內(nèi)所有時(shí)鐘的信息，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全網(wǎng)同步。同時(shí)，還可自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中各單位時(shí)鐘狀態(tài)，并進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)和控制，實(shí)現(xiàn)真正意義上電力全網(wǎng)時(shí)間同步管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)而解決了因GPS固有缺陷給電力調(diào)度、生產(chǎn)帶來(lái)的重大事故隱患。

時(shí)間同步管理系統(tǒng)的研制成功，創(chuàng)造了歷史，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白，系統(tǒng)全部采用具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。

北斗的高精度，穩(wěn)定性、安全性和自主性已然折射出中國(guó)智慧的光芒，也同樣因?yàn)閾碛羞@些，她才不斷的被技術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、科學(xué)界和民眾所認(rèn)可，也因?yàn)閾碛羞@些，北斗的來(lái)來(lái)會(huì)更好。