巨型水電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

王　妍，李永年

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

巨型水電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

王妍，李永年

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

摘要：對(duì)三峽右岸電站、向家壩電站時(shí)鐘系統(tǒng)的安全性、可靠性和可擴(kuò)展性等設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，對(duì)水電站常見(jiàn)對(duì)時(shí)接口的選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了歸納，并在三峽右岸和向家壩電站的應(yīng)用基礎(chǔ)上，對(duì)巨型水電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，希望對(duì)其他大型水電站的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水電站；時(shí)鐘系統(tǒng)；對(duì)時(shí)接口

0　引言

當(dāng)今水電站自動(dòng)化程度越來(lái)越高，自動(dòng)化裝置應(yīng)用越來(lái)越普及，并朝著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。智能設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作，需要統(tǒng)一的時(shí)鐘源以保證控制系統(tǒng)的同步工作以及事件記錄的一致性。此外，除傳統(tǒng)自動(dòng)化裝置外，電站數(shù)據(jù)的一些高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，如趨勢(shì)分析系統(tǒng)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)也存在對(duì)時(shí)需求。在各種時(shí)間同步技術(shù)中，衛(wèi)星授時(shí)由于覆蓋面廣、精度高、成本低的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)三峽、向家壩兩大巨型水電站的衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，提出一些適合巨型水電站參考的衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1　時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于三峽右岸（包括三峽地下電站，下同）、向家壩這樣的巨型電站而言，其壩工建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既包含壩后廠房，又有地下電站，運(yùn)行設(shè)備分散、對(duì)時(shí)距離遠(yuǎn)、對(duì)時(shí)設(shè)備多，時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要考慮系統(tǒng)的可靠性，還要考慮系統(tǒng)的安全性和可擴(kuò)展性。

1.1安全性和可靠性設(shè)計(jì)

水電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)由衛(wèi)星信號(hào)接收天線、主時(shí)鐘（提供系統(tǒng)時(shí)鐘源）、從時(shí)鐘（通過(guò)光纜等數(shù)據(jù)通道與主時(shí)鐘相連進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼、為數(shù)據(jù)終端提供對(duì)時(shí)服務(wù)的擴(kuò)展時(shí)鐘）三個(gè)部分以及相關(guān)連接光纜、電纜組成。為保證時(shí)鐘系統(tǒng)的可靠性，三峽右岸和向家壩電站均采用2套獨(dú)立的高可靠衛(wèi)星同步時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，再根據(jù)對(duì)時(shí)設(shè)備的分布和數(shù)量，配置若干臺(tái)從時(shí)鐘進(jìn)行信號(hào)擴(kuò)展，組成全站統(tǒng)一授時(shí)系統(tǒng)，巨型水電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。

圖1巨型水電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

主時(shí)鐘通過(guò)衛(wèi)星天線接收外部衛(wèi)星對(duì)時(shí)信號(hào)，并為整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。在外部時(shí)鐘源的選擇上，三峽右岸電站由于建成時(shí)間較早，兩路時(shí)鐘源均選擇GPS對(duì)時(shí)。但是GPS受控于美國(guó)軍方，對(duì)電力系統(tǒng)這樣關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的行業(yè)，采用GPS作為唯一的外部時(shí)鐘源存在一定的安全隱患。現(xiàn)今，新建電站（如向家壩電站）和改造后的電站（如葛洲壩電站）等一般都采用GPS和北斗雙時(shí)鐘源組成雙機(jī)互備系統(tǒng)，2臺(tái)主時(shí)鐘通過(guò)多模光纖互聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)共享、互為熱備。當(dāng)一臺(tái)時(shí)鐘的信號(hào)故障時(shí)，系統(tǒng)可使用另一臺(tái)時(shí)鐘的信號(hào)，保證對(duì)時(shí)信號(hào)的正常輸出。

為了保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，衛(wèi)星天線均配置有避雷器；在主時(shí)鐘與二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘的連接上，三峽右岸與向家壩電站均采用了單模光纖交叉冗余連接，任一路主時(shí)鐘故障或光纖中斷，均不影響二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘的對(duì)時(shí)；三級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘與二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘間同樣也采用單模光纖交叉冗余連接。同時(shí)，主時(shí)鐘和二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘均配置有恒溫守時(shí)模塊，以保證系統(tǒng)失去外部時(shí)鐘源時(shí)仍能正常工作。

在硬件配置上，主時(shí)鐘均實(shí)行交直流雙電源配置，確保供電的可靠性；電源模塊和所有信號(hào)輸入輸出模塊均為帶隔離的插件，一個(gè)模塊（或通道）損壞不影響其他模塊（或通道）的正常工作。時(shí)鐘裝置還自帶故障診斷輸出功能，并將故障信號(hào)輸出接入就近的LCU，以便于時(shí)鐘故障能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

1.2可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

從時(shí)鐘裝置本身的擴(kuò)展性來(lái)看，三峽右岸和向家壩電站均采用中水科技BSS-3型系列衛(wèi)星時(shí)鐘裝置，該裝置采用全可插拔式模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)需要擴(kuò)展信號(hào)輸出時(shí)，可采用增加相應(yīng)輸出模塊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)主流的衛(wèi)星時(shí)鐘裝置產(chǎn)品基本都支持此功能。

對(duì)三峽右岸和向家壩這樣的巨型電站而言，通常來(lái)講，有對(duì)時(shí)需求的設(shè)備包括：監(jiān)控系統(tǒng)廠站層設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)各LCU、發(fā)變組保護(hù)、開(kāi)關(guān)站保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、PMU、GIS智能監(jiān)控系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、故障錄波裝置、自動(dòng)抄表系統(tǒng)、圖像監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。這些設(shè)備分布在全站各個(gè)區(qū)域，但又相對(duì)的區(qū)域性集中，可以采用分層分布式的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對(duì)不同的對(duì)時(shí)需求。

三峽右岸電站與地下電站均位于大壩右側(cè)，需要對(duì)時(shí)的設(shè)備集中于右岸壩后廠房、右岸地電地下廠房、右岸地電開(kāi)關(guān)站三個(gè)區(qū)域；向家壩電站全站可分為左岸壩后廠房、右岸壩后廠房、壩頂、右岸GIS樓四個(gè)區(qū)域。因此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可以采用分層、分布方式，在對(duì)時(shí)設(shè)備集中的區(qū)域建立二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘，直接為設(shè)備提供對(duì)時(shí)服務(wù)并為三級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘提供時(shí)鐘源，使整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)具有更強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性。在次一級(jí)的設(shè)備集中區(qū)域設(shè)置三級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘。比如，水電站可按區(qū)域劃分，在右岸地下廠房設(shè)置二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘，而地電機(jī)組LCU盤(pán)柜附近的設(shè)備又相對(duì)集中，因此可于機(jī)組LCU再設(shè)置三級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘，為機(jī)組LCU、發(fā)變組保護(hù)、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)提供對(duì)時(shí)。

2　對(duì)時(shí)接口的選擇

2.1常見(jiàn)對(duì)時(shí)接口特點(diǎn)

常見(jiàn)對(duì)時(shí)接口的對(duì)時(shí)精度、傳輸距離及特點(diǎn)見(jiàn)表1：

表1常見(jiàn)對(duì)時(shí)接口特點(diǎn)

2.2水電站各系統(tǒng)對(duì)時(shí)接口推薦

對(duì)時(shí)接口的選擇主要有以下四方面的考慮：信號(hào)傳輸?shù)木嚯x；對(duì)側(cè)支持的接口類型；對(duì)時(shí)精度要求；綜合應(yīng)用成本考慮。根據(jù)各接口的特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用情況，水電站中各系統(tǒng)推薦選用的對(duì)時(shí)接口如下：

1）監(jiān)控系統(tǒng)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)時(shí)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常區(qū)域相對(duì)集中，且對(duì)時(shí)以計(jì)算機(jī)類服務(wù)器為主，從綜合應(yīng)用成本來(lái)考慮，通常選擇系統(tǒng)內(nèi)某臺(tái)計(jì)算機(jī)作為NTP服務(wù)器直接與主時(shí)鐘相連對(duì)時(shí)，再為系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)提供NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)服務(wù)。

2）現(xiàn)地LCU對(duì)時(shí)。LCU的SOE模塊通常采用毫秒級(jí)對(duì)時(shí)精度，PLC的對(duì)時(shí)精度可以略低一點(diǎn)。三峽右岸和向家壩電站LCU采用的施奈德昆騰系列PLC,該P(yáng)LC通過(guò)NTP標(biāo)準(zhǔn)接口、SOE模塊通過(guò)DCF 77標(biāo)準(zhǔn)接口就近接入對(duì)時(shí)裝置進(jìn)行對(duì)時(shí)。若采用其他廠家的PLC也可以根據(jù)設(shè)備支持情況靈活選擇。

3）保護(hù)裝置對(duì)時(shí)。500 kV GIS高壓電纜保護(hù)、斷路器控制、保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)、故障錄波、線路保護(hù)、母線保護(hù)、安穩(wěn)系統(tǒng)、PMU、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、發(fā)變組故障錄波、機(jī)組非電量保護(hù)等對(duì)時(shí)精度要求較高，通常需要到1μs，因此通常采用直流IRIG-B碼對(duì)時(shí)。也可以根據(jù)接口支持情況采用秒脈沖對(duì)時(shí)方式。

4）調(diào)速、勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)時(shí)。調(diào)速、勵(lì)磁均為隨動(dòng)系統(tǒng)，且系統(tǒng)自帶處理器，可以對(duì)年月日時(shí)分等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，從對(duì)時(shí)精度、傳輸距離和經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)考慮可以采用空接點(diǎn)接入分脈沖，實(shí)現(xiàn)硬接點(diǎn)對(duì)時(shí)。

5）其他系統(tǒng)對(duì)時(shí)。若系統(tǒng)存在上位機(jī)服務(wù)器（如在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），且數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)由系統(tǒng)上位機(jī)標(biāo)定，在不違反二次安防相關(guān)規(guī)定的情況下，可就近與所在安全區(qū)域的NTP對(duì)時(shí)服務(wù)器對(duì)時(shí)，或直接與GPS時(shí)鐘裝置進(jìn)行NTP對(duì)時(shí)；若數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)由系統(tǒng)現(xiàn)地層設(shè)備提供，現(xiàn)地層設(shè)備可根據(jù)支持的對(duì)時(shí)接口就近接入擴(kuò)展時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)時(shí)。當(dāng)存在跨安全區(qū)域?qū)r(shí)的情況時(shí)，還需要考慮相關(guān)的安全需求。

2.3跨安全區(qū)域的對(duì)時(shí)

作為水電站的控制核心，衛(wèi)星時(shí)鐘通常作為計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分布置在安全一區(qū)，而需要對(duì)時(shí)的系統(tǒng)或裝置根據(jù)安全區(qū)域的劃分存在于以下三個(gè)安全區(qū)，因此需要考慮跨安全區(qū)域的對(duì)時(shí)問(wèn)題。各系統(tǒng)基本的安全分區(qū)情況如下：

1）安全一區(qū)（生產(chǎn)控制區(qū)）：電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、PMU、GIS智能監(jiān)控系統(tǒng)等；

2）安全二區(qū)（非生產(chǎn)控制區(qū)）：布置在II區(qū)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、故障錄波裝置、自動(dòng)抄表系統(tǒng)、圖像監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等；

3）安全三區(qū)（管理信息大區(qū)）：趨勢(shì)分析系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)、布置在III區(qū)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，對(duì)于該區(qū)設(shè)備主要是歷史數(shù)據(jù)的高級(jí)應(yīng)用，由于歷史數(shù)據(jù)本身已自帶時(shí)標(biāo)，因此可根據(jù)業(yè)務(wù)需要不考慮對(duì)時(shí)。

對(duì)安全一區(qū)的設(shè)備，實(shí)時(shí)性要求高，采用脈沖對(duì)時(shí)、直流IRIG-B碼、DCF77對(duì)時(shí)相對(duì)較多；安全二區(qū)和安全三區(qū)計(jì)算機(jī)設(shè)備較多，采用NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。

由于脈沖對(duì)時(shí)、直流IRIG-B碼對(duì)時(shí)、DCF77對(duì)時(shí)及串行口對(duì)時(shí)只能進(jìn)行衛(wèi)星時(shí)鐘向被授時(shí)設(shè)備的信息單向傳輸，故可以進(jìn)行跨安全區(qū)域的對(duì)時(shí)，即衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)可直接與被授時(shí)設(shè)備相連。

對(duì)于NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，衛(wèi)星時(shí)鐘與NTP服務(wù)器之間僅存在單向的信息傳輸，但NTP服務(wù)器與其他計(jì)算機(jī)之間是通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)的。根據(jù)二次安防的基本原則，不允許低安全區(qū)域訪問(wèn)高安全區(qū)域的數(shù)據(jù)。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，允許衛(wèi)星時(shí)鐘同步系統(tǒng)跨安全區(qū)域?qū)TP服務(wù)器進(jìn)行直接對(duì)時(shí)，但是不允許NTP服務(wù)器與被授時(shí)對(duì)象之間有跨安全區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)連接。

3　巨型水電站時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

綜合三峽右岸和向家壩電站時(shí)鐘系統(tǒng)的應(yīng)用，巨型水電站時(shí)鐘系統(tǒng)通常具有以下特點(diǎn)：

1）時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與大壩結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通常根據(jù)設(shè)備分布情況采用分層分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第一層為主站層，負(fù)責(zé)接收信號(hào)源及信號(hào)中繼；第二層為區(qū)域中心層，根據(jù)設(shè)備集中區(qū)域進(jìn)行靈活設(shè)置，用于接收主站擴(kuò)展的時(shí)鐘信號(hào)并為有需求的設(shè)備就近提供對(duì)時(shí)服務(wù)；第三層為現(xiàn)地對(duì)時(shí)層，直接為終端設(shè)備提供對(duì)時(shí)服務(wù)，通常情況下，衛(wèi)星時(shí)鐘擴(kuò)展到第三層即可滿足需要，極個(gè)別情況下，也可再往下擴(kuò)展。

2）在時(shí)鐘結(jié)構(gòu)的冗余性設(shè)計(jì)上，時(shí)鐘系統(tǒng)主時(shí)鐘和二級(jí)時(shí)鐘采用雙路時(shí)鐘互備，且主時(shí)鐘和二級(jí)時(shí)鐘之間、二級(jí)時(shí)鐘與三級(jí)時(shí)鐘之間通過(guò)光纖交叉冗余（見(jiàn)圖1），冗余的時(shí)鐘裝置中只要有一臺(tái)主時(shí)鐘或一臺(tái)二級(jí)時(shí)鐘正常工作，所有對(duì)時(shí)信號(hào)均能正常輸出。

3）在時(shí)鐘裝置硬件冗余性配置上，主時(shí)鐘和二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘均采用交直流雙電源配置，以增強(qiáng)時(shí)鐘系統(tǒng)的供電可靠性；且主時(shí)鐘和二級(jí)擴(kuò)展時(shí)鐘均加裝了恒溫守時(shí)模塊，當(dāng)兩臺(tái)主時(shí)鐘均故障時(shí)或都收不到信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒溫守時(shí)狀態(tài)，保證高精度的時(shí)間信號(hào)輸出。

4）在對(duì)時(shí)接口的選擇上，除了要考慮對(duì)時(shí)精度、最大傳輸距離以及經(jīng)濟(jì)成本外，還要根據(jù)對(duì)時(shí)設(shè)備的特點(diǎn)考慮安全方面的需求。

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)三峽右岸和向家壩電站衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)時(shí)接口的選擇進(jìn)行了總結(jié)。其中，時(shí)鐘結(jié)構(gòu)及硬件的冗余配置保證了系統(tǒng)可靠性；分層分布的時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有效地保證了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

同時(shí)，綜合對(duì)時(shí)精度、傳輸距離、綜合應(yīng)用成本以及安全區(qū)域的劃分分析了對(duì)時(shí)接口的選擇，對(duì)其他大型水電站時(shí)鐘系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TP872

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）07-0073-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.021

收稿日期：2015-04-30

作者簡(jiǎn)介：王妍（1985-），女，工程師，從事水電站監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)管理工作。