GPS對(duì)時(shí)技術(shù)在瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)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(duì)時(shí)技術(shù)在瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)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(duì)時(shí)系統(tǒng)的對(duì)時(shí)方案、方法和和技術(shù)要求，結(jié)合瀑布溝電站的應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)分析了G PS對(duì)時(shí)在電站監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)如何解決實(shí)際問題展開了討論。

對(duì)時(shí)系統(tǒng)；PTP；N TP；水電站

0 引言

現(xiàn)今水電站自動(dòng)化程度越來越高，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)電廠的時(shí)鐘完全統(tǒng)一，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，水電站的自動(dòng)裝置如計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化及線路微機(jī)保護(hù)裝置、故障錄波裝置、電能量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等需要進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)時(shí)。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)的主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、事故分析等時(shí)間的統(tǒng)一。

1 瀑布溝水電站對(duì)時(shí)系統(tǒng)介紹

圖1 瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

瀑布溝水電站使用的是ZH-502時(shí)間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時(shí)接收GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送的秒同步信號(hào)和時(shí)間信息，按設(shè)定的優(yōu)先級(jí)自適應(yīng)選擇外同步時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生與UTC保持同步的IRIG-B碼、1PPS/1PPM/1PPH 脈沖碼、DCF77碼、串口時(shí)間報(bào)文，提供NTP/SNTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器，并具有工頻鐘、頻率測(cè)量、外部事件時(shí)間測(cè)量等功能。該系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站自動(dòng)裝置的時(shí)鐘同步，包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、功角測(cè)量裝置、安控裝置、保護(hù)裝置及故障錄波裝置、保護(hù)及故障信息系統(tǒng)子站、輔機(jī)控制系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)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(diào)系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)、大壩安全檢測(cè)系統(tǒng)等及其他需要對(duì)時(shí)的系統(tǒng)設(shè)備的時(shí)鐘同步。

2 瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)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(luò)結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)聯(lián)接。局域網(wǎng)設(shè)備由4臺(tái)快速交換式以太網(wǎng)交換機(jī)和網(wǎng)路連接設(shè)備組成。監(jiān)控主干網(wǎng)絡(luò)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(shí)間同步系統(tǒng)1號(hào)主時(shí)鐘向瀑布溝水電站監(jiān)控系統(tǒng)提供2路NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)信號(hào)和1路IRIG-B122碼（AC）對(duì)時(shí)信號(hào)。由GPS對(duì)時(shí)裝置引出2路NTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)信號(hào)，分別接入監(jiān)控系統(tǒng)3號(hào)、4號(hào)交換機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)系統(tǒng)、各LCU內(nèi)的CPU模件對(duì)時(shí)。1路IRIG-B122碼（AC）對(duì)時(shí)信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)機(jī)箱，機(jī)箱內(nèi)配置一個(gè)AB 1 756 EN2T對(duì)時(shí)模塊。對(duì)時(shí)機(jī)箱與支持PTP協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)A網(wǎng)3號(hào)主交換機(jī)相連。各LCU的SOE機(jī)架中均設(shè)置1 756 EN2T對(duì)時(shí)模塊。該模塊與各LCU的A網(wǎng)交換機(jī)相連，采用PTP網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)協(xié)議，獲取網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘信息，其對(duì)時(shí)精度可達(dá)100 ns。

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)方案

瀑布溝水電站上位機(jī)系統(tǒng)、各LCU內(nèi)的CPU模件對(duì)時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol）對(duì)時(shí)。瀑布溝水電站上位機(jī)全部是NTP協(xié)議的客戶端，上位機(jī)不做NTP服務(wù)器，ZH-502時(shí)間同步系統(tǒng)作為SNTP服務(wù)器,該裝置由GPS或北斗系統(tǒng)授時(shí)，再將時(shí)間信號(hào)通過同軸電纜通過轉(zhuǎn)接盒送到監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)路中。瀑布溝電站上位機(jī)工作站采用了Unix操作系統(tǒng)和Windows操作系統(tǒng)。對(duì)于采用Unix操作系統(tǒng)的上位機(jī)工作站，對(duì)時(shí)的方法為：以root用戶身份創(chuàng)建配置表/etc/inet/ntp.conf，啟用NTP對(duì)時(shí)功能即可。對(duì)于Windows操作系統(tǒng)的上位機(jī)工作站可使用NetTime、Dimension 4等NTP軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)。該類軟件可以從網(wǎng)上下載，可靠性高。對(duì)于各LCU內(nèi)的CPU模件對(duì)時(shí)則是通過IE訪問需要設(shè)置NTP對(duì)時(shí)的AB EWEB模塊，選擇時(shí)鐘服務(wù)器，將時(shí)鐘服務(wù)器地址設(shè)置為ZH-502時(shí)間同步系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)雙網(wǎng)中的接點(diǎn)地址。瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)還同時(shí)與機(jī)組頂蓋排水系統(tǒng)、機(jī)組技術(shù)供水控制系統(tǒng)等機(jī)組輔機(jī)控制系統(tǒng)通過ControlNET總線網(wǎng)通訊。機(jī)組輔機(jī)控制系統(tǒng)通過ControlNET總線接收機(jī)組LCU的時(shí)間信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)。一旦瀑布溝電站NTP對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中斷，各上位機(jī)工作站或各PLC將以其本身的時(shí)鐘運(yùn)行。

瀑布溝電站各LCU的SOE模塊采用精確對(duì)時(shí)協(xié)議（Precision Time Protocol）（即 PTP）對(duì)時(shí)。瀑布溝電站PTP對(duì)時(shí)的實(shí)現(xiàn)需要使用硬件和軟件配合來獲得更精確的定時(shí)同步。目前來講，雖然PTP時(shí)間同步精度較高，但當(dāng)前的PTP協(xié)議版本尚不支持路由能力，其同步信號(hào)的傳輸主要依靠點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定鏈路傳輸方式。瀑布溝電站PTP時(shí)間同步網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)為：從GPS對(duì)時(shí)裝置引出1路IRIG-B122碼（AC）對(duì)時(shí)信號(hào)，接入地面副廠房網(wǎng)絡(luò)柜的對(duì)時(shí)機(jī)箱（機(jī)箱內(nèi)配置一個(gè)1756EN2T對(duì)時(shí)模塊），對(duì)時(shí)機(jī)箱與3號(hào)主交換機(jī)（A網(wǎng)）相連。各LCU的SOE機(jī)架內(nèi)均設(shè)置1756EN2T對(duì)時(shí)模塊，該模塊與各LCU的A交換機(jī)（支持PTP）相連。PTP時(shí)間同步鏈路中設(shè)置了優(yōu)先級(jí)，一旦PTP對(duì)時(shí)出現(xiàn)問題，監(jiān)控系統(tǒng)將有相關(guān)的報(bào)警提示運(yùn)行維護(hù)人員，同時(shí)該對(duì)時(shí)鏈路將按照事先設(shè)置的優(yōu)先級(jí)選擇對(duì)時(shí)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)，如圖2：

圖2 瀑布溝PTP時(shí)間同步網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.2 該方案優(yōu)點(diǎn)

（1）瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)方案采用GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)資源共享，一個(gè)電站只需要一套GPS授時(shí)系統(tǒng)。該方案具有對(duì)時(shí)準(zhǔn)確，成本低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于使用了GPS授時(shí)，使得電站時(shí)間和電網(wǎng)時(shí)間同步，對(duì)于AGC和AVC在電站中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)由于時(shí)間的同步，也便于實(shí)現(xiàn)電站的遠(yuǎn)方控制與監(jiān)視。

（2）瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)采用了NTP對(duì)時(shí)是通過軟件實(shí)現(xiàn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)便是網(wǎng)絡(luò)性。通過豐富的以太網(wǎng)資源，能將時(shí)間同步信號(hào)傳送到任何一個(gè)存在網(wǎng)絡(luò)的角落。只要有以太網(wǎng)的地方，便能實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步，因此NTP時(shí)間同步十分適合于大范圍的組網(wǎng)應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

易擴(kuò)展性——網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展方便、廉價(jià)。若要在已建成的時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)中增加新的節(jié)點(diǎn)，只要使新節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘接入網(wǎng)絡(luò)并分配IP網(wǎng)絡(luò)地址就可以實(shí)現(xiàn)同步。

易管理性——方便、靈活、實(shí)時(shí)、多功能的網(wǎng)絡(luò)管理是NTP時(shí)間同步網(wǎng)又一大特色。

易實(shí)現(xiàn)性。NTP協(xié)議已經(jīng)有了20年的演變與應(yīng)用，因此當(dāng)前使用的交換機(jī)、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(shí)間同步信號(hào)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流所占用的帶寬資源非常小，因此對(duì)于現(xiàn)在正在使用中的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)所增加的傳輸負(fù)擔(dān)可以忽略不計(jì)。

易升級(jí)性。易升級(jí)性是組建時(shí)間同步網(wǎng)時(shí)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(shí)間同步網(wǎng)的升級(jí)十分簡(jiǎn)便。一旦NTP協(xié)議進(jìn)行了更新，只需要對(duì)應(yīng)升級(jí)相應(yīng)時(shí)鐘設(shè)備的軟件版本即可達(dá)到時(shí)間同步網(wǎng)性能升級(jí)的目的。

（3）采用的PTP對(duì)時(shí)協(xié)議對(duì)內(nèi)存及CPU性能沒有特殊的要求，只需要最小限度的網(wǎng)絡(luò)帶寬。因此其對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用幾乎可以忽略不計(jì)。

該方案存在的問題：瀑布溝電站PTP對(duì)時(shí)目前只能在監(jiān)控系統(tǒng)A網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，一旦A網(wǎng)無法通訊后，維護(hù)人員需手動(dòng)將PTP時(shí)間信號(hào)接入B網(wǎng)的交換機(jī)中，同時(shí)在所有使用PTP對(duì)時(shí)的PLC中修改相應(yīng)的對(duì)時(shí)協(xié)議。

3 結(jié)論

瀑布溝電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)時(shí)方案解決了該電站內(nèi)監(jiān)控設(shè)備統(tǒng)一對(duì)時(shí)的問題，具有GPS共享，節(jié)省投資、對(duì)時(shí)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)不同的設(shè)備、不同的信息采用了NTP和PTP兩種對(duì)時(shí)協(xié)議，對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間順序參考。

[1]徐丙垠,李桂義，冀有黨.接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的電力系統(tǒng)同步時(shí)鐘［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1995，（3）.

[2]李瑞生，張克元，馮秋芳.電力系統(tǒng)自動(dòng)化GPS精確對(duì)時(shí)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)工作。