简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】横向合同

【课题编号】KY0713

【课题起止时间】2008年10月～2009年6月

【完成单位】北京中水科水电科技开发有限公司（自动化所）

葛洲坝水力发电厂

【主要完成人】陶  林、李  伟、袁平路、孙  纲、俸  靖、郭超一、王桂平　

立项背景

葛洲坝水力发电厂由大江电厂、二江电厂和开关站构成，二江电厂有7台机组（1#～7#），大江电厂有机组14台机组（8#～21#），其二次设备包含有计算机监控系统、微机继电保护装置、事件顺序记录装置、故障录波器、调速器、励磁系统等，为了保证这些设备安全运行急需一套统一的时间同步系统。

80年代一直没有一个良好的时钟同步方案。科研技术人员曾经考虑使用原子钟或广播报时声音解码来实现对时，但前者造价太高，后着精度太差，终究无法实现全厂时间统一。90年代随着美国GPS全球卫星系统建立，使得全球导航、定位、及授时成为可能，1996年随着GPS技术成熟及民用化开放，再加上高速光缆通信技术，使得基于GPS建立电厂全厂时钟同步系统成为可能，北京中水科技（水科院自动化所）一直跟踪GPS前沿技术，并在2000年成功研制BSS-3型GPS同步时钟装置，并逐渐开始在电厂、变电所中广泛应用。2005年以后GPS卫星系统已广泛渗透到军事、工业、甚至民用领域，它对国民经济的影响越来越大。因此建立一套中国自主知识产权的卫星系统突显越来越重要，在我国政府支持大力下，在科研工程技术人员努力下，2003年12月15日第一代北斗导航定位系统－－北斗一号建成并正式开通运行，中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航定位系统的国家。使得我国卫星应用打破单一依靠美国GPS系统的局面。

详细科学技术内容

（一）总体思路

“葛洲坝水电厂二次设备GPS统一对时系统改造工程”工程的总体思路是卫星信号集中接收分层、分布对时、建立GPS系统和我国的北斗星系统互备主站、构成“GPS+北斗“双机冗余系统，整个系统应具备很好的扩展性，并方便检修人员检修维护。

葛洲坝电站区域分布图

（二）设计原则

葛洲坝电站二次设备GPS系统整体必须安全可靠、实用经济、技术先进，易于维护，有较强的升级换代能力。整个系统采取总体设计一次到位，根据现场进度分步施工的办法。具体设计原则说明如下：

（1）系统的可靠性：

采用分布处理技术和冗余技术。系统关键部位采用冗余、互备配置。如: 双机互备主时钟、双网光纤传输、双电源互备等；

（2）系统的开放性及可扩展性：

系统主要硬件设备符合计算机技术发展迅速的特点，采用全分布开放式系统，并具有成功的运行经验，能在水电厂环境下长期连续稳定运行。

充分保护用户投资，系统能适应功能的增加和规模的扩充要求。

（3）系统功能的完善性：

整个系统配备完善的应用功能，模块化结构，能构配置对时装置所需要的所有接口模块。能稳定可靠地与监控系统及二次自动设备进行数据通信。

（4）系统安全性：

系统是标准化的成熟产品，功能完善并模块化，装置的各种输入、输出接口均有电气隔离。

（5）系统抗干扰性：

系统网络采用光纤技术，避免了不同设备之间的电信号连接。　

（三）技术方案

葛洲坝电厂二次设备GPS统一对时系统采用GPS信号集中接收、分层、分布开放式网络结构。系统共分三层：大江一级主站层、二级从站及现地扩展单元层、三级现地扩展单元层。各层之间采用双光纤网总线连接，构成高可靠冗余的网络结构。系统具有较高的传输速率和良好的抗电磁干扰能力。

a．大江GPS时钟主站及机组时钟扩展装置：

在大江电厂中控室辅助盘室安装GPS主站屏一面，配置BSS-3型GPS同步主钟和北斗同步主钟各一台。每台装置均配天线、热备交直流双电源，高精度恒温守时时钟。两台主钟之间采用光纤互备，每台主钟均配有20路光纤输出接口。其中14路多摸光纤输出接口用来连接大江电厂14台机组二级时钟扩展装置，2路单摸光纤二级输出接口用来连接二江电厂辅助盘室GPS从站，2路单摸光纤二级输出接口用来连接500KV开关站GIS室GPS从站。

BSS-3 (G02)和BSS-3 (北斗) 同步主时钟装置模板构成：

M12互备型主钟接收模板

北斗互备型主钟接收模板

OCXO恒温晶振守时模板

光纤输出模板

NTP网络输出模板

串行口输出模板

IRIG-B模板

PPS/PPM脉冲输出模板

M12互备型接收模块是接收GPS卫星信号，该模块装有GPS接收板和相应的接口电路。BSS-3系列GPS同步时钟采用具有12个并行接收通道的Motorola GPS接收器和配套的有源天线。接收器在搜索到4颗卫星并锁定后，能给出精确的时间信息。

“北斗一号”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星导航定位系统，主要是利用三颗地球同步卫星来测量地球表面和空间的各种用户位置，并兼有双向报文及授时的功能。北斗互备型接收模块是接收我国的北斗卫星信号，该接收单元具配置具有6个并行通道，可以同时跟踪3颗北斗卫星的无源北斗接收板。

在收不到GPS信号情况下，仍然要求时钟能够输出准确时间，这时就需要选配高精度守时模块。守时模块有不同精度，采用普通温补晶振一般精度在10-6，即每天误差约100毫秒。最常用的恒温晶振（OCXO）精度可达10-8, 守时精度约每天1毫秒。本方案主钟配置恒温晶振守时模板，采用恒温晶振（OCXO）。

串行口输出模板可根据用户要求配置不同的接口，有RS232、RS422、RS485，有4路、8路且每路之间都有电气隔离。报文格式一般采用BSS-3报文或水科院报文，还根据用户要求编制了BJT报文、103报文。

NTP（net time protocol）模块是用于网络对时的时间服务器，兼容SNTP，接口为10BaseT或10/100BaseT以太网RJ45接口。UNIX操作系统使用自带的程序设置。

大江电厂厂房共有14台机组，按发电机组每台机组配置一套时钟扩展装置，共计配置14台时钟扩展装置。每台扩展装置就地安装在所对应的机旁控制屏柜上。根据发电机组保护对时要求，扩展装置配置串行口模板、PPS/PPM脉冲模板。

b．500KV开关站时钟从站：

在500KV开关站GIS室安装GPS从站屏一面，新屏上安装2台4U BSS-3型GPS时钟扩展装置构成GPS从站。每台扩展装置均配两路光纤输入接口，热备交直流双电源。两路卫星时钟信号分别取自大江主站的GPS信号和自大江主站的北斗信号，两套时钟信号互为热备用，当有一路收不到信号时自动切换到另一路备用通道，保证从站时钟正常工作。

c．二江GPS时钟从站：

在二江电厂辅助盘室安装GPS从站屏一面，新屏上安装2台4U BSS-3型GPS时钟扩展装置构成GPS从站。每台装置均配2路光纤输入接口、12路多模光纤输出接口、热备交直流双电源。2路卫星时钟信号分别取自大江主站的GPS信号和大江主站的北斗信号，两套时钟信号互为热备用，当有一路收不到信号时自动切换到另一路备用通道，保证从站时钟正常工作。10路光纤输出接口分别用来连接二江电厂7台机组、0F发电机组、葛茶线保护、闸门泵站集控时钟扩展装置。二江GPS从站上还插有串行口输出模板、脉冲输出模板、NTP网络输出模板，用来为二江各种线路保护等自动装置提供对时信号。

d．二江机组GPS时钟扩展装置：

二江电厂区域厂房共有7台机组，按发电机组每台机组配置一套时钟扩展装置，故配置7台时钟扩展装置。每台扩展装置就地安装在所对应的机旁控制屏上。根据发电机组保护对时要求，扩展装置配置串行口模板、PPS/PPM脉冲模板。

e．0F机组时钟扩展装置：

二江电厂区域0F厂房配置1台时钟扩展装置。扩展装置就地安装在机旁控制屏上。根据发电机组保护对时要求，扩展装置配置串行口模板、PPS/PPM脉冲模板。

f．葛茶线时钟扩展装置：

在葛茶线保护室配置1台时钟扩展装置。扩展装置可控制屏上。根据保护对时要求，配置串行口模板、PPS/PPM脉冲模板。

g．闸门泵站集控时钟扩展装置：

在闸门泵站集控室配置1台时钟扩展装置（三级）。扩展装置可控制屏上。根据对时要求，配置NTP网络模板、PPS/PPM脉冲模板。

   （四）实施效果

本工程项目通过系统策划、分步实施，在长江电力领导下，在中水科技和葛洲坝电厂共同努力下，工程与2009年6月24日顺利完工。该工程顺利通过由葛洲坝电厂生产技术部及中水科技主要研制负责人参加的葛洲坝水电厂二次设备GPS统一对时系统改造工程竣工验收，最终认为该项目质量、安全、进度、造价均符合合同要求，已取得了显著的经济与社会效益。

发明及创新点

（1）特大型水电厂全厂GPS和北斗互备系统的首次应用：卫星时钟覆盖葛洲坝电站大江电厂、二江电厂和开关站几乎所有二次设备。30台BBS-3型卫星时钟装置分散布置并通过光缆连接，组成了全厂统一的时钟系统。

（2）双卫星加高精度守时热备运行： GPS卫星系统和北斗卫星系统，构成互备系统，该系统的GPS和北斗信息共享、热备运行，当有一个系统出现问题时会自动切换，保证所有对时信号正常输出，当两台主钟都收不到信号时，自动转入高精度守时状态仍能保证全厂时钟统一。除主钟互备外所有二级钟均采用双光纤输入，因此该时钟系统运行后总能保证输出对时信号，由于信号采用热备用方式，因此信号转换对于输出来讲无切换时间。

（3）现阶段国内GPS一般采用单机对时方案，容易造成各时钟装置在GPS未定位时时钟不统一。葛洲坝时钟系统采用卫星集中接收（加高精度守时）分层分布对时方案不但能满足分布范围广的对时的要求，而且能保证全厂时钟真正统一。

（4）BSS-3时钟装置采用19英寸2U/4U标准机箱，模块化结构设计，备有多种功能对时模块：脉冲空接点和有源脉冲对时模块、 RS422、RS232串行对时模块、直流IRIG-B码对时模块、基于NTP/SNTP协议的网络时间服务器模块、恒温守时模块等。该装置采用交直流双电源供电，后插式结构，用户可以根据实际需要，配置相应的对时模块，组合灵活，易于扩展和维护。

（5）每个功能对时模块自带CPU针对不同的通信协议可单独编程，适合电厂多种保护及自动装置对时要求。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

该工程由于通过充分调研、考察，通过多次技术方案比较，采用合理先进的技术方案和现场实施方案，技术先进，现场施工安全，时间短。设备指标高、性能好，改造投入很小，经济与社会效益显著，达到了国内同类系统先进水平。

成果应用情况及社会经济效益

（1）应用情况

中水科技BSS-3卫星同步时钟装置自2000年研制成功以后，先后在三峡电厂、广西贵港、五强溪、瑞丽江、埃塞俄比亚Tekeze水电站等国内100多个电厂、变电所广泛应用。特别是本次申报的葛洲坝二次设备GPS项目属于老厂改造项目，涉及面广连接设备多。从2009年4月28日工程开工两个月完成全部工程并通过验收，充分体现了中水科技方案设计能力及良好的施工组织能力。这样涉及大量二次设备的改造工程，个设备互不干扰，接入都能安全进行、顺利完成，非常值得认真总结，推广。

（2）社会经济效益：

葛洲坝电站二次设备GPS统一对时系统改造工程实施后，

①为整个电厂二次系统提供了一个高精度、高可靠性的时钟基准。使得电厂二次设备可靠性大幅提高，减少了维护时间，提高了电厂安全管理水平。

②当机组发生故障时快速分析故障原因，大大减轻了运行人员的劳动强度。

葛洲坝水电厂二次设备GPS统一对时系统改造工程，为长江电力安全生产做出了很大贡献，社会效益明显。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

在推广葛洲坝水电厂二次设备卫星统一对时系统的过程中感到有几个方面可以改进提高。首先是解决标准化、系列化。积极推广卫星技术，特别是北斗卫星应用，跟踪北斗卫星导航系统的发展。