GPS對時技術在瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

楊 東，彭 放，李 彬

（國電大渡河公司瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川漢源625304）

GPS對時技術在瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

楊 東，彭 放，李 彬

（國電大渡河公司瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川漢源625304）

根據(jù)瀑布溝水電站對時系統(tǒng)的對時方案、方法和和技術要求，結合瀑布溝電站的應用實例，詳細分析了G PS對時在電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應用特點和實現(xiàn)方式，并對如何解決實際問題展開了討論。

對時系統(tǒng)；PTP；N TP；水電站

0 引言

現(xiàn)今水電站自動化程度越來越高，為實現(xiàn)整個電廠的時鐘完全統(tǒng)一，提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，水電站的自動裝置如計算機監(jiān)控系統(tǒng)、自動化及線路微機保護裝置、故障錄波裝置、電能量計費系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)等需要進行統(tǒng)一對時。監(jiān)控系統(tǒng)對時的主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、事故分析等時間的統(tǒng)一。

1 瀑布溝水電站對時系統(tǒng)介紹

圖1 瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)結構圖

瀑布溝水電站使用的是ZH-502時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時接收GPS、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)送的秒同步信號和時間信息，按設定的優(yōu)先級自適應選擇外同步時鐘信號，產生與UTC保持同步的IRIG-B碼、1PPS/1PPM/1PPH 脈沖碼、DCF77碼、串口時間報文，提供NTP/SNTP網(wǎng)絡時間服務器，并具有工頻鐘、頻率測量、外部事件時間測量等功能。該系統(tǒng)用于實現(xiàn)整個電站自動裝置的時鐘同步，包括計算機監(jiān)控系統(tǒng)、功角測量裝置、安控裝置、保護裝置及故障錄波裝置、保護及故障信息系統(tǒng)子站、輔機控制系統(tǒng)、通風空調控制系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、消防監(jiān)控系統(tǒng)、水情水調系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)、大壩安全檢測系統(tǒng)等及其他需要對時的系統(tǒng)設備的時鐘同步。

2 瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)對時方案

瀑布溝監(jiān)控系統(tǒng)采用全開放的分布式星型網(wǎng)絡結構，各節(jié)點計算機采用局域網(wǎng)聯(lián)接。局域網(wǎng)設備由4臺快速交換式以太網(wǎng)交換機和網(wǎng)路連接設備組成。監(jiān)控主干網(wǎng)絡為1 000 MB工業(yè)以太網(wǎng)，現(xiàn)地控制單元采用ControlNET總線通訊。如圖1：

ZH-502時間同步系統(tǒng)1號主時鐘向瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)提供2路NTP網(wǎng)絡對時信號和1路IRIG-B122碼（AC）對時信號。由GPS對時裝置引出2路NTP網(wǎng)絡對時信號，分別接入監(jiān)控系統(tǒng)3號、4號交換機，通過網(wǎng)絡與上位機系統(tǒng)、各LCU內的CPU模件對時。1路IRIG-B122碼（AC）對時信號接入監(jiān)控系統(tǒng)對時機箱，機箱內配置一個AB 1 756 EN2T對時模塊。對時機箱與支持PTP協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)A網(wǎng)3號主交換機相連。各LCU的SOE機架中均設置1 756 EN2T對時模塊。該模塊與各LCU的A網(wǎng)交換機相連，采用PTP網(wǎng)絡對時協(xié)議，獲取網(wǎng)絡中的時鐘信息，其對時精度可達100 ns。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)對時方案

瀑布溝水電站上位機系統(tǒng)、各LCU內的CPU模件對時采用網(wǎng)絡時間協(xié)議（Network Time Protocol）對時。瀑布溝水電站上位機全部是NTP協(xié)議的客戶端，上位機不做NTP服務器，ZH-502時間同步系統(tǒng)作為SNTP服務器,該裝置由GPS或北斗系統(tǒng)授時，再將時間信號通過同軸電纜通過轉接盒送到監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)路中。瀑布溝電站上位機工作站采用了Unix操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)。對于采用Unix操作系統(tǒng)的上位機工作站，對時的方法為：以root用戶身份創(chuàng)建配置表/etc/inet/ntp.conf，啟用NTP對時功能即可。對于Windows操作系統(tǒng)的上位機工作站可使用NetTime、Dimension 4等NTP軟件實現(xiàn)對時。該類軟件可以從網(wǎng)上下載，可靠性高。對于各LCU內的CPU模件對時則是通過IE訪問需要設置NTP對時的AB EWEB模塊，選擇時鐘服務器，將時鐘服務器地址設置為ZH-502時間同步系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)雙網(wǎng)中的接點地址。瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)還同時與機組頂蓋排水系統(tǒng)、機組技術供水控制系統(tǒng)等機組輔機控制系統(tǒng)通過ControlNET總線網(wǎng)通訊。機組輔機控制系統(tǒng)通過ControlNET總線接收機組LCU的時間信號來實現(xiàn)對時。一旦瀑布溝電站NTP對時網(wǎng)絡中斷，各上位機工作站或各PLC將以其本身的時鐘運行。

瀑布溝電站各LCU的SOE模塊采用精確對時協(xié)議（Precision Time Protocol）（即 PTP）對時。瀑布溝電站PTP對時的實現(xiàn)需要使用硬件和軟件配合來獲得更精確的定時同步。目前來講，雖然PTP時間同步精度較高，但當前的PTP協(xié)議版本尚不支持路由能力，其同步信號的傳輸主要依靠點對點的固定鏈路傳輸方式。瀑布溝電站PTP時間同步網(wǎng)的組網(wǎng)結構為：從GPS對時裝置引出1路IRIG-B122碼（AC）對時信號，接入地面副廠房網(wǎng)絡柜的對時機箱（機箱內配置一個1756EN2T對時模塊），對時機箱與3號主交換機（A網(wǎng)）相連。各LCU的SOE機架內均設置1756EN2T對時模塊，該模塊與各LCU的A交換機（支持PTP）相連。PTP時間同步鏈路中設置了優(yōu)先級，一旦PTP對時出現(xiàn)問題，監(jiān)控系統(tǒng)將有相關的報警提示運行維護人員，同時該對時鏈路將按照事先設置的優(yōu)先級選擇對時服務器實現(xiàn)對時，如圖2：

圖2 瀑布溝PTP時間同步網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.2 該方案優(yōu)點

（1）瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)對時方案采用GPS對時系統(tǒng)資源共享，一個電站只需要一套GPS授時系統(tǒng)。該方案具有對時準確，成本低的優(yōu)點。同時，由于使用了GPS授時，使得電站時間和電網(wǎng)時間同步，對于AGC和AVC在電站中的應用奠定了基礎。同時由于時間的同步，也便于實現(xiàn)電站的遠方控制與監(jiān)視。

（2）瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)對時采用了NTP對時是通過軟件實現(xiàn)，其最大的優(yōu)點便是網(wǎng)絡性。通過豐富的以太網(wǎng)資源，能將時間同步信號傳送到任何一個存在網(wǎng)絡的角落。只要有以太網(wǎng)的地方，便能實現(xiàn)時間的同步，因此NTP時間同步十分適合于大范圍的組網(wǎng)應用。其優(yōu)點有以下幾個方面：

易擴展性——網(wǎng)絡擴展方便、廉價。若要在已建成的時間同步網(wǎng)絡中增加新的節(jié)點，只要使新節(jié)點的時鐘接入網(wǎng)絡并分配IP網(wǎng)絡地址就可以實現(xiàn)同步。

易管理性——方便、靈活、實時、多功能的網(wǎng)絡管理是NTP時間同步網(wǎng)又一大特色。

易實現(xiàn)性。NTP協(xié)議已經有了20年的演變與應用，因此當前使用的交換機、路由器及裝有各類操作系統(tǒng)的PC終端都能很好的支持NTP協(xié)議。另外由于為了傳輸NTP時間同步信號而產生的數(shù)據(jù)流所占用的帶寬資源非常小，因此對于現(xiàn)在正在使用中的以太網(wǎng)網(wǎng)絡所增加的傳輸負擔可以忽略不計。

易升級性。易升級性是組建時間同步網(wǎng)時需要考慮的另一大要素。由于NTP是一種軟件協(xié)議，因此基于NTP的時間同步網(wǎng)的升級十分簡便。一旦NTP協(xié)議進行了更新，只需要對應升級相應時鐘設備的軟件版本即可達到時間同步網(wǎng)性能升級的目的。

（3）采用的PTP對時協(xié)議對內存及CPU性能沒有特殊的要求，只需要最小限度的網(wǎng)絡帶寬。因此其對網(wǎng)絡資源的占用幾乎可以忽略不計。

該方案存在的問題：瀑布溝電站PTP對時目前只能在監(jiān)控系統(tǒng)A網(wǎng)中實現(xiàn)，一旦A網(wǎng)無法通訊后，維護人員需手動將PTP時間信號接入B網(wǎng)的交換機中，同時在所有使用PTP對時的PLC中修改相應的對時協(xié)議。

3 結論

瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)對時方案解決了該電站內監(jiān)控設備統(tǒng)一對時的問題，具有GPS共享，節(jié)省投資、對時準確等優(yōu)點。針對不同的設備、不同的信息采用了NTP和PTP兩種對時協(xié)議，對于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、提高運行水平起到重要作用，為故障發(fā)生后的事故分析，提供了標準的時間順序參考。

[1]徐丙垠,李桂義，冀有黨.接收GPS衛(wèi)星信號的電力系統(tǒng)同步時鐘［J］.電力系統(tǒng)自動化，1995，（3）.

[2]李瑞生，張克元，馮秋芳.電力系統(tǒng)自動化GPS精確對時的解決方案[D].研究生論文.1999年9月.

P228.4

B

1672-5387（2010）06-0090-02

2010-10-08

楊東（1985-），男，助理工程師，主要從事水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)維護工作。