巨型水电站卫星时钟系统设计特点

2015-07-28李永年

水电站机电技术 2015年7期

关键词：水电站

王　妍，李永年

（中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443000）

巨型水电站卫星时钟系统设计特点

王妍，李永年

（中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌 443000）

摘要：对三峡右岸电站、向家坝电站时钟系统的安全性、可靠性和可扩展性等设计特点进行了阐述，对水电站常见对时接口的选择标准进行了归纳，并在三峡右岸和向家坝电站的应用基础上，对巨型水电站卫星时钟系统的设计特点进行了总结，希望对其他大型水电站的建设具有一定的借鉴意义。

关键词：水电站；时钟系统；对时接口

0　引言

当今水电站自动化程度越来越高，自动化装置应用越来越普及，并朝着数字化、智能化方向发展。智能设备之间的协调工作，需要统一的时钟源以保证控制系统的同步工作以及事件记录的一致性。此外，除传统自动化装置外，电站数据的一些高级应用系统，如趋势分析系统、在线监测系统、专家诊断系统也存在对时需求。在各种时间同步技术中，卫星授时由于覆盖面广、精度高、成本低的特点得到广泛应用。本文对三峡、向家坝两大巨型水电站的卫星时钟系统的设计与应用进行了总结，提出一些适合巨型水电站参考的卫星时钟系统的设计思路。

1　时钟系统结构设计

对于三峡右岸（包括三峡地下电站，下同）、向家坝这样的巨型电站而言，其坝工建筑物结构复杂，既包含坝后厂房，又有地下电站，运行设备分散、对时距离远、对时设备多，时钟系统结构设计既要考虑系统的可靠性，还要考虑系统的安全性和可扩展性。

1.1安全性和可靠性设计

水电站卫星时钟系统由卫星信号接收天线、主时钟（提供系统时钟源）、从时钟（通过光缆等数据通道与主时钟相连进行数据中继、为数据终端提供对时服务的扩展时钟）三个部分以及相关连接光缆、电缆组成。为保证时钟系统的可靠性，三峡右岸和向家坝电站均采用2套独立的高可靠卫星同步时钟作为主时钟，再根据对时设备的分布和数量，配置若干台从时钟进行信号扩展，组成全站统一授时系统，巨型水电站卫星时钟系统结构模型见图1。

图1巨型水电站卫星时钟系统结构模型图

主时钟通过卫星天线接收外部卫星对时信号，并为整个时钟系统提供时钟源。在外部时钟源的选择上，三峡右岸电站由于建成时间较早，两路时钟源均选择GPS对时。但是GPS受控于美国军方，对电力系统这样关系到国计民生的行业，采用GPS作为唯一的外部时钟源存在一定的安全隐患。现今，新建电站（如向家坝电站）和改造后的电站（如葛洲坝电站）等一般都采用GPS和北斗双时钟源组成双机互备系统，2台主时钟通过多模光纤互联实现信号共享、互为热备。当一台时钟的信号故障时，系统可使用另一台时钟的信号，保证对时信号的正常输出。

为了保证系统的安全性和可靠性，卫星天线均配置有避雷器；在主时钟与二级扩展时钟的连接上，三峡右岸与向家坝电站均采用了单模光纤交叉冗余连接，任一路主时钟故障或光纤中断，均不影响二级扩展时钟的对时；三级扩展时钟与二级扩展时钟间同样也采用单模光纤交叉冗余连接。同时，主时钟和二级扩展时钟均配置有恒温守时模块，以保证系统失去外部时钟源时仍能正常工作。

在硬件配置上，主时钟均实行交直流双电源配置，确保供电的可靠性；电源模块和所有信号输入输出模块均为带隔离的插件，一个模块（或通道）损坏不影响其他模块（或通道）的正常工作。时钟装置还自带故障诊断输出功能，并将故障信号输出接入就近的LCU，以便于时钟故障能被及时发现和处理。

1.2可扩展性设计

从时钟装置本身的扩展性来看，三峡右岸和向家坝电站均采用中水科技BSS-3型系列卫星时钟装置，该装置采用全可插拔式模块化设计，当需要扩展信号输出时，可采用增加相应输出模块的方式来实现。目前，国内主流的卫星时钟装置产品基本都支持此功能。

对三峡右岸和向家坝这样的巨型电站而言，通常来讲，有对时需求的设备包括：监控系统厂站层设备、监控系统各LCU、发变组保护、开关站保护、励磁系统、调速系统、PMU、GIS智能监控系统、状态监测系统、故障录波装置、自动抄表系统、图像监控、火灾报警系统等。这些设备分布在全站各个区域，但又相对的区域性集中，可以采用分层分布式的组网结构，以应对不同的对时需求。

三峡右岸电站与地下电站均位于大坝右侧，需要对时的设备集中于右岸坝后厂房、右岸地电地下厂房、右岸地电开关站三个区域；向家坝电站全站可分为左岸坝后厂房、右岸坝后厂房、坝顶、右岸GIS楼四个区域。因此，在系统结构设计上，可以采用分层、分布方式，在对时设备集中的区域建立二级扩展时钟，直接为设备提供对时服务并为三级扩展时钟提供时钟源，使整个时钟系统具有更强的灵活性和可扩展性。在次一级的设备集中区域设置三级扩展时钟。比如，水电站可按区域划分，在右岸地下厂房设置二级扩展时钟，而地电机组LCU盘柜附近的设备又相对集中，因此可于机组LCU再设置三级扩展时钟，为机组LCU、发变组保护、调速器、励磁系统提供对时。

2　对时接口的选择

2.1常见对时接口特点

常见对时接口的对时精度、传输距离及特点见表1：

表1常见对时接口特点

2.2水电站各系统对时接口推荐

对时接口的选择主要有以下四方面的考虑：信号传输的距离；对侧支持的接口类型；对时精度要求；综合应用成本考虑。根据各接口的特点以及实际应用情况，水电站中各系统推荐选用的对时接口如下：

1）监控系统及状态监测系统对时。计算机监控系统和机组状态监测系统通常区域相对集中，且对时以计算机类服务器为主，从综合应用成本来考虑，通常选择系统内某台计算机作为NTP服务器直接与主时钟相连对时，再为系统内的计算机提供NTP网络对时服务。

2）现地LCU对时。LCU的SOE模块通常采用毫秒级对时精度，PLC的对时精度可以略低一点。三峡右岸和向家坝电站LCU采用的施奈德昆腾系列PLC,该PLC通过NTP标准接口、SOE模块通过DCF 77标准接口就近接入对时装置进行对时。若采用其他厂家的PLC也可以根据设备支持情况灵活选择。

3）保护装置对时。500 kV GIS高压电缆保护、断路器控制、保护监控系统、故障录波、线路保护、母线保护、安稳系统、PMU、发电机保护、变压器保护、发变组故障录波、机组非电量保护等对时精度要求较高，通常需要到1μs，因此通常采用直流IRIG-B码对时。也可以根据接口支持情况采用秒脉冲对时方式。

4）调速、励磁系统对时。调速、励磁均为随动系统，且系统自带处理器，可以对年月日时分等参数进行标定，从对时精度、传输距离和经济性角度来考虑可以采用空接点接入分脉冲，实现硬接点对时。

5）其他系统对时。若系统存在上位机服务器（如在线监测系统），且数据时标由系统上位机标定，在不违反二次安防相关规定的情况下，可就近与所在安全区域的NTP对时服务器对时，或直接与GPS时钟装置进行NTP对时；若数据时标由系统现地层设备提供，现地层设备可根据支持的对时接口就近接入扩展时钟进行对时。当存在跨安全区域对时的情况时，还需要考虑相关的安全需求。

2.3跨安全区域的对时

作为水电站的控制核心，卫星时钟通常作为计算机监控系统的一部分布置在安全一区，而需要对时的系统或装置根据安全区域的划分存在于以下三个安全区，因此需要考虑跨安全区域的对时问题。各系统基本的安全分区情况如下：

1）安全一区（生产控制区）：电站计算机监控系统、微机保护装置、励磁系统、调速系统、PMU、GIS智能监控系统等；

2）安全二区（非生产控制区）：布置在II区的状态监测系统、故障录波装置、自动抄表系统、图像监控、火灾报警系统等；

3）安全三区（管理信息大区）：趋势分析系统、生产数据实时发布系统、布置在III区的状态监测系统等，对于该区设备主要是历史数据的高级应用，由于历史数据本身已自带时标，因此可根据业务需要不考虑对时。

对安全一区的设备，实时性要求高，采用脉冲对时、直流IRIG-B码、DCF77对时相对较多；安全二区和安全三区计算机设备较多，采用NTP网络对时较为经济。

由于脉冲对时、直流IRIG-B码对时、DCF77对时及串行口对时只能进行卫星时钟向被授时设备的信息单向传输，故可以进行跨安全区域的对时，即卫星时钟同步系统可直接与被授时设备相连。

对于NTP网络对时，卫星时钟与NTP服务器之间仅存在单向的信息传输，但NTP服务器与其他计算机之间是通过TCP/IP网络连接来实现对时的。根据二次安防的基本原则，不允许低安全区域访问高安全区域的数据。因此，在实际应用过程中，允许卫星时钟同步系统跨安全区域对NTP服务器进行直接对时，但是不允许NTP服务器与被授时对象之间有跨安全区域的网络连接。

3　巨型水电站时钟系统设计特点

综合三峡右岸和向家坝电站时钟系统的应用，巨型水电站时钟系统通常具有以下特点：

1）时钟系统的结构与大坝结构密切相关，通常根据设备分布情况采用分层分布的系统结构。第一层为主站层，负责接收信号源及信号中继；第二层为区域中心层，根据设备集中区域进行灵活设置，用于接收主站扩展的时钟信号并为有需求的设备就近提供对时服务；第三层为现地对时层，直接为终端设备提供对时服务，通常情况下，卫星时钟扩展到第三层即可满足需要，极个别情况下，也可再往下扩展。

2）在时钟结构的冗余性设计上，时钟系统主时钟和二级时钟采用双路时钟互备，且主时钟和二级时钟之间、二级时钟与三级时钟之间通过光纤交叉冗余（见图1），冗余的时钟装置中只要有一台主时钟或一台二级时钟正常工作，所有对时信号均能正常输出。

3）在时钟装置硬件冗余性配置上，主时钟和二级扩展时钟均采用交直流双电源配置，以增强时钟系统的供电可靠性；且主时钟和二级扩展时钟均加装了恒温守时模块，当两台主时钟均故障时或都收不到信号时，系统自动转入恒温守时状态，保证高精度的时间信号输出。

4）在对时接口的选择上，除了要考虑对时精度、最大传输距离以及经济成本外，还要根据对时设备的特点考虑安全方面的需求。