GPS对时技术在瀑布沟水电站监控系统中的应用

杨 东，彭 放，李 彬

（国电大渡河公司瀑布沟水力发电总厂，四川汉源625304）

GPS对时技术在瀑布沟水电站监控系统中的应用

杨 东，彭 放，李 彬

（国电大渡河公司瀑布沟水力发电总厂，四川汉源625304）

根据瀑布沟水电站对时系统的对时方案、方法和和技术要求，结合瀑布沟电站的应用实例，详细分析了G PS对时在电站监控系统中的应用特点和实现方式，并对如何解决实际问题展开了讨论。

对时系统；PTP；N TP；水电站

0 引言

现今水电站自动化程度越来越高，为实现整个电厂的时钟完全统一，提高电力系统运行的可靠性和稳定性，水电站的自动装置如计算机监控系统、自动化及线路微机保护装置、故障录波装置、电能量计费系统、生产管理系统等需要进行统一对时。监控系统对时的主要目的是实现数据采集、命令下发、事故分析等时间的统一。

1 瀑布沟水电站对时系统介绍

图1 瀑布沟电站监控系统结构图

瀑布沟水电站使用的是ZH-502时间同步系统。该系统可同时接收GPS、北斗卫星导航系统发送的秒同步信号和时间信息，按设定的优先级自适应选择外同步时钟信号，产生与UTC保持同步的IRIG-B码、1PPS/1PPM/1PPH 脉冲码、DCF77码、串口时间报文，提供NTP/SNTP网络时间服务器，并具有工频钟、频率测量、外部事件时间测量等功能。该系统用于实现整个电站自动装置的时钟同步，包括计算机监控系统、功角测量装置、安控装置、保护装置及故障录波装置、保护及故障信息系统子站、辅机控制系统、通风空调控制系统、工业电视系统、消防监控系统、水情水调系统、MIS系统、大坝安全检测系统等及其他需要对时的系统设备的时钟同步。

2 瀑布沟水电站监控系统对时方案

瀑布沟监控系统采用全开放的分布式星型网络结构，各节点计算机采用局域网联接。局域网设备由4台快速交换式以太网交换机和网路连接设备组成。监控主干网络为1 000 MB工业以太网，现地控制单元采用ControlNET总线通讯。如图1：

ZH-502时间同步系统1号主时钟向瀑布沟水电站监控系统提供2路NTP网络对时信号和1路IRIG-B122码（AC）对时信号。由GPS对时装置引出2路NTP网络对时信号，分别接入监控系统3号、4号交换机，通过网络与上位机系统、各LCU内的CPU模件对时。1路IRIG-B122码（AC）对时信号接入监控系统对时机箱，机箱内配置一个AB 1 756 EN2T对时模块。对时机箱与支持PTP协议的监控系统A网3号主交换机相连。各LCU的SOE机架中均设置1 756 EN2T对时模块。该模块与各LCU的A网交换机相连，采用PTP网络对时协议，获取网络中的时钟信息，其对时精度可达100 ns。

2.1 监控系统对时方案

瀑布沟水电站上位机系统、各LCU内的CPU模件对时采用网络时间协议（Network Time Protocol）对时。瀑布沟水电站上位机全部是NTP协议的客户端，上位机不做NTP服务器，ZH-502时间同步系统作为SNTP服务器,该装置由GPS或北斗系统授时，再将时间信号通过同轴电缆通过转接盒送到监控系统网路中。瀑布沟电站上位机工作站采用了Unix操作系统和Windows操作系统。对于采用Unix操作系统的上位机工作站，对时的方法为：以root用户身份创建配置表/etc/inet/ntp.conf，启用NTP对时功能即可。对于Windows操作系统的上位机工作站可使用NetTime、Dimension 4等NTP软件实现对时。该类软件可以从网上下载，可靠性高。对于各LCU内的CPU模件对时则是通过IE访问需要设置NTP对时的AB EWEB模块，选择时钟服务器，将时钟服务器地址设置为ZH-502时间同步系统在监控系统双网中的接点地址。瀑布沟电站监控系统还同时与机组顶盖排水系统、机组技术供水控制系统等机组辅机控制系统通过ControlNET总线网通讯。机组辅机控制系统通过ControlNET总线接收机组LCU的时间信号来实现对时。一旦瀑布沟电站NTP对时网络中断，各上位机工作站或各PLC将以其本身的时钟运行。

瀑布沟电站各LCU的SOE模块采用精确对时协议（Precision Time Protocol）（即 PTP）对时。瀑布沟电站PTP对时的实现需要使用硬件和软件配合来获得更精确的定时同步。目前来讲，虽然PTP时间同步精度较高，但当前的PTP协议版本尚不支持路由能力，其同步信号的传输主要依靠点对点的固定链路传输方式。瀑布沟电站PTP时间同步网的组网结构为：从GPS对时装置引出1路IRIG-B122码（AC）对时信号，接入地面副厂房网络柜的对时机箱（机箱内配置一个1756EN2T对时模块），对时机箱与3号主交换机（A网）相连。各LCU的SOE机架内均设置1756EN2T对时模块，该模块与各LCU的A交换机（支持PTP）相连。PTP时间同步链路中设置了优先级，一旦PTP对时出现问题，监控系统将有相关的报警提示运行维护人员，同时该对时链路将按照事先设置的优先级选择对时服务器实现对时，如图2：

图2 瀑布沟PTP时间同步网网络拓扑图

2.2 该方案优点

（1）瀑布沟电站监控系统对时方案采用GPS对时系统资源共享，一个电站只需要一套GPS授时系统。该方案具有对时准确，成本低的优点。同时，由于使用了GPS授时，使得电站时间和电网时间同步，对于AGC和AVC在电站中的应用奠定了基础。同时由于时间的同步，也便于实现电站的远方控制与监视。

（2）瀑布沟电站监控系统对时采用了NTP对时是通过软件实现，其最大的优点便是网络性。通过丰富的以太网资源，能将时间同步信号传送到任何一个存在网络的角落。只要有以太网的地方，便能实现时间的同步，因此NTP时间同步十分适合于大范围的组网应用。其优点有以下几个方面：

易扩展性——网络扩展方便、廉价。若要在已建成的时间同步网络中增加新的节点，只要使新节点的时钟接入网络并分配IP网络地址就可以实现同步。

易管理性——方便、灵活、实时、多功能的网络管理是NTP时间同步网又一大特色。

易实现性。NTP协议已经有了20年的演变与应用，因此当前使用的交换机、路由器及装有各类操作系统的PC终端都能很好的支持NTP协议。另外由于为了传输NTP时间同步信号而产生的数据流所占用的带宽资源非常小，因此对于现在正在使用中的以太网网络所增加的传输负担可以忽略不计。

易升级性。易升级性是组建时间同步网时需要考虑的另一大要素。由于NTP是一种软件协议，因此基于NTP的时间同步网的升级十分简便。一旦NTP协议进行了更新，只需要对应升级相应时钟设备的软件版本即可达到时间同步网性能升级的目的。

（3）采用的PTP对时协议对内存及CPU性能没有特殊的要求，只需要最小限度的网络带宽。因此其对网络资源的占用几乎可以忽略不计。

该方案存在的问题：瀑布沟电站PTP对时目前只能在监控系统A网中实现，一旦A网无法通讯后，维护人员需手动将PTP时间信号接入B网的交换机中，同时在所有使用PTP对时的PLC中修改相应的对时协议。

3 结论

瀑布沟电站监控系统对时方案解决了该电站内监控设备统一对时的问题，具有GPS共享，节省投资、对时准确等优点。针对不同的设备、不同的信息采用了NTP和PTP两种对时协议，对于保障电力系统安全稳定运行、提高运行水平起到重要作用，为故障发生后的事故分析，提供了标准的时间顺序参考。

[1]徐丙垠,李桂义，冀有党.接收GPS卫星信号的电力系统同步时钟［J］.电力系统自动化，1995，（3）.

[2]李瑞生，张克元，冯秋芳.电力系统自动化GPS精确对时的解决方案[D].研究生论文.1999年9月.

P228.4

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1672-5387（2010）06-0090-02

2010-10-08

杨东（1985-），男，助理工程师，主要从事水电厂计算机监控系统维护工作。