巨型水電站衛星時鐘系統設計特點

王　妍，李永年

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

巨型水電站衛星時鐘系統設計特點

王妍，李永年

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000）

摘要：對三峽右岸電站、向家壩電站時鐘系統的安全性、可靠性和可擴展性等設計特點進行了闡述，對水電站常見對時接口的選擇標準進行了歸納，并在三峽右岸和向家壩電站的應用基礎上，對巨型水電站衛星時鐘系統的設計特點進行了總結，希望對其他大型水電站的建設具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：水電站；時鐘系統；對時接口

0　引言

當今水電站自動化程度越來越高，自動化裝置應用越來越普及，并朝著數字化、智能化方向發展。智能設備之間的協調工作，需要統一的時鐘源以保證控制系統的同步工作以及事件記錄的一致性。此外，除傳統自動化裝置外，電站數據的一些高級應用系統，如趨勢分析系統、在線監測系統、專家診斷系統也存在對時需求。在各種時間同步技術中，衛星授時由于覆蓋面廣、精度高、成本低的特點得到廣泛應用。本文對三峽、向家壩兩大巨型水電站的衛星時鐘系統的設計與應用進行了總結，提出一些適合巨型水電站參考的衛星時鐘系統的設計思路。

1　時鐘系統結構設計

對于三峽右岸（包括三峽地下電站，下同）、向家壩這樣的巨型電站而言，其壩工建筑物結構復雜，既包含壩后廠房，又有地下電站，運行設備分散、對時距離遠、對時設備多，時鐘系統結構設計既要考慮系統的可靠性，還要考慮系統的安全性和可擴展性。

1.1安全性和可靠性設計

水電站衛星時鐘系統由衛星信號接收天線、主時鐘（提供系統時鐘源）、從時鐘（通過光纜等數據通道與主時鐘相連進行數據中繼、為數據終端提供對時服務的擴展時鐘）三個部分以及相關連接光纜、電纜組成。為保證時鐘系統的可靠性，三峽右岸和向家壩電站均采用2套獨立的高可靠衛星同步時鐘作為主時鐘，再根據對時設備的分布和數量，配置若干臺從時鐘進行信號擴展，組成全站統一授時系統，巨型水電站衛星時鐘系統結構模型見圖1。

圖1巨型水電站衛星時鐘系統結構模型圖

主時鐘通過衛星天線接收外部衛星對時信號，并為整個時鐘系統提供時鐘源。在外部時鐘源的選擇上，三峽右岸電站由于建成時間較早，兩路時鐘源均選擇GPS對時。但是GPS受控于美國軍方，對電力系統這樣關系到國計民生的行業，采用GPS作為唯一的外部時鐘源存在一定的安全隱患。現今，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和北斗雙時鐘源組成雙機互備系統，2臺主時鐘通過多模光纖互聯實現信號共享、互為熱備。當一臺時鐘的信號故障時，系統可使用另一臺時鐘的信號，保證對時信號的正常輸出。

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

在硬件配置上，主時鐘均實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輸入輸出模塊均為帶隔離的插件，一個模塊（或通道）損壞不影響其他模塊（或通道）的正常工作。時鐘裝置還自帶故障診斷輸出功能，并將故障信號輸出接入就近的LCU，以便于時鐘故障能被及時發現和處理。

1.2可擴展性設計

從時鐘裝置本身的擴展性來看，三峽右岸和向家壩電站均采用中水科技BSS-3型系列衛星時鐘裝置，該裝置采用全可插拔式模塊化設計，當需要擴展信號輸出時，可采用增加相應輸出模塊的方式來實現。目前，國內主流的衛星時鐘裝置產品基本都支持此功能。

對三峽右岸和向家壩這樣的巨型電站而言，通常來講，有對時需求的設備包括：監控系統廠站層設備、監控系統各LCU、發變組保護、開關站保護、勵磁系統、調速系統、PMU、GIS智能監控系統、狀態監測系統、故障錄波裝置、自動抄表系統、圖像監控、火災報警系統等。這些設備分布在全站各個區域，但又相對的區域性集中，可以采用分層分布式的組網結構，以應對不同的對時需求。

三峽右岸電站與地下電站均位于大壩右側，需要對時的設備集中于右岸壩后廠房、右岸地電地下廠房、右岸地電開關站三個區域；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樓四個區域。因此，在系統結構設計上，可以采用分層、分布方式，在對時設備集中的區域建立二級擴展時鐘，直接為設備提供對時服務并為三級擴展時鐘提供時鐘源，使整個時鐘系統具有更強的靈活性和可擴展性。在次一級的設備集中區域設置三級擴展時鐘。比如，水電站可按區域劃分，在右岸地下廠房設置二級擴展時鐘，而地電機組LCU盤柜附近的設備又相對集中，因此可于機組LCU再設置三級擴展時鐘，為機組LCU、發變組保護、調速器、勵磁系統提供對時。

2　對時接口的選擇

2.1常見對時接口特點

常見對時接口的對時精度、傳輸距離及特點見表1：

表1常見對時接口特點

2.2水電站各系統對時接口推薦

對時接口的選擇主要有以下四方面的考慮：信號傳輸的距離；對側支持的接口類型；對時精度要求；綜合應用成本考慮。根據各接口的特點以及實際應用情況，水電站中各系統推薦選用的對時接口如下：

1）監控系統及狀態監測系統對時。計算機監控系統和機組狀態監測系統通常區域相對集中，且對時以計算機類服務器為主，從綜合應用成本來考慮，通常選擇系統內某臺計算機作為NTP服務器直接與主時鐘相連對時，再為系統內的計算機提供NTP網絡對時服務。

2）現地LCU對時。LCU的SOE模塊通常采用毫秒級對時精度，PLC的對時精度可以略低一點。三峽右岸和向家壩電站LCU采用的施奈德昆騰系列PLC,該PLC通過NTP標準接口、SOE模塊通過DCF 77標準接口就近接入對時裝置進行對時。若采用其他廠家的PLC也可以根據設備支持情況靈活選擇。

3）保護裝置對時。500 kV GIS高壓電纜保護、斷路器控制、保護監控系統、故障錄波、線路保護、母線保護、安穩系統、PMU、發電機保護、變壓器保護、發變組故障錄波、機組非電量保護等對時精度要求較高，通常需要到1μs，因此通常采用直流IRIG-B碼對時。也可以根據接口支持情況采用秒脈沖對時方式。

4）調速、勵磁系統對時。調速、勵磁均為隨動系統，且系統自帶處理器，可以對年月日時分等參數進行標定，從對時精度、傳輸距離和經濟性角度來考慮可以采用空接點接入分脈沖，實現硬接點對時。

5）其他系統對時。若系統存在上位機服務器（如在線監測系統），且數據時標由系統上位機標定，在不違反二次安防相關規定的情況下，可就近與所在安全區域的NTP對時服務器對時，或直接與GPS時鐘裝置進行NTP對時；若數據時標由系統現地層設備提供，現地層設備可根據支持的對時接口就近接入擴展時鐘進行對時。當存在跨安全區域對時的情況時，還需要考慮相關的安全需求。

2.3跨安全區域的對時

作為水電站的控制核心，衛星時鐘通常作為計算機監控系統的一部分布置在安全一區，而需要對時的系統或裝置根據安全區域的劃分存在于以下三個安全區，因此需要考慮跨安全區域的對時問題。各系統基本的安全分區情況如下：

1）安全一區（生產控制區）：電站計算機監控系統、微機保護裝置、勵磁系統、調速系統、PMU、GIS智能監控系統等；

2）安全二區（非生產控制區）：布置在II區的狀態監測系統、故障錄波裝置、自動抄表系統、圖像監控、火災報警系統等；

3）安全三區（管理信息大區）：趨勢分析系統、生產數據實時發布系統、布置在III區的狀態監測系統等，對于該區設備主要是歷史數據的高級應用，由于歷史數據本身已自帶時標，因此可根據業務需要不考慮對時。

對安全一區的設備，實時性要求高，采用脈沖對時、直流IRIG-B碼、DCF77對時相對較多；安全二區和安全三區計算機設備較多，采用NTP網絡對時較為經濟。

由于脈沖對時、直流IRIG-B碼對時、DCF77對時及串行口對時只能進行衛星時鐘向被授時設備的信息單向傳輸，故可以進行跨安全區域的對時，即衛星時鐘同步系統可直接與被授時設備相連。

對于NTP網絡對時，衛星時鐘與NTP服務器之間僅存在單向的信息傳輸，但NTP服務器與其他計算機之間是通過TCP/IP網絡連接來實現對時的。根據二次安防的基本原則，不允許低安全區域訪問高安全區域的數據。因此，在實際應用過程中，允許衛星時鐘同步系統跨安全區域對NTP服務器進行直接對時，但是不允許NTP服務器與被授時對象之間有跨安全區域的網絡連接。

3　巨型水電站時鐘系統設計特點

綜合三峽右岸和向家壩電站時鐘系統的應用，巨型水電站時鐘系統通常具有以下特點：

1）時鐘系統的結構與大壩結構密切相關，通常根據設備分布情況采用分層分布的系統結構。第一層為主站層，負責接收信號源及信號中繼；第二層為區域中心層，根據設備集中區域進行靈活設置，用于接收主站擴展的時鐘信號并為有需求的設備就近提供對時服務；第三層為現地對時層，直接為終端設備提供對時服務，通常情況下，衛星時鐘擴展到第三層即可滿足需要，極個別情況下，也可再往下擴展。

2）在時鐘結構的冗余性設計上，時鐘系統主時鐘和二級時鐘采用雙路時鐘互備，且主時鐘和二級時鐘之間、二級時鐘與三級時鐘之間通過光纖交叉冗余（見圖1），冗余的時鐘裝置中只要有一臺主時鐘或一臺二級時鐘正常工作，所有對時信號均能正常輸出。

3）在時鐘裝置硬件冗余性配置上，主時鐘和二級擴展時鐘均采用交直流雙電源配置，以增強時鐘系統的供電可靠性；且主時鐘和二級擴展時鐘均加裝了恒溫守時模塊，當兩臺主時鐘均故障時或都收不到信號時，系統自動轉入恒溫守時狀態，保證高精度的時間信號輸出。

4）在對時接口的選擇上，除了要考慮對時精度、最大傳輸距離以及經濟成本外，還要根據對時設備的特點考慮安全方面的需求。

4　結語

本文對三峽右岸和向家壩電站衛星時鐘系統的結構設計和對時接口的選擇進行了總結。其中，時鐘結構及硬件的冗余配置保證了系統可靠性；分層分布的時鐘系統結構有效地保證了系統的可擴展性。

同時，綜合對時精度、傳輸距離、綜合應用成本以及安全區域的劃分分析了對時接口的選擇，對其他大型水電站時鐘系統的建設具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]張玉屏.GPS時鐘同步系統介紹及在水電廠的應用[J].水電廠自動化，2007，114(4)：359-361.

[2]常占鋒，李初輝.GPS/北斗雙星時鐘同步系統在水電站設計策略[J].水電站機電技術，2012，35(5)：38-39.

中圖分類號：TP872

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）07-0073-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.021

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：王妍（1985-），女，工程師，從事水電站監控系統維護管理工作。