康 健,夏玉林
(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福州 350108;2.唐山學(xué)院??平逃?河北唐山 063020)
數(shù)字化變電站中合并單元的研究現(xiàn)狀
康 健1,夏玉林2
(1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福州 350108;2.唐山學(xué)院??平逃?河北唐山 063020)
介紹了數(shù)字變電站合并單元使用中的關(guān)鍵技術(shù)。首先對(duì)比分析了 GPS,SN TP,IEEE1588時(shí)間同步方法的特點(diǎn),對(duì)目前實(shí)際采用的電子式互感器與合并單元之間的數(shù)字接口方案進(jìn)行歸納總結(jié),然后分別進(jìn)行了基于IEC 618502921和IEC 618502922的合并單元的功能模塊分析,最后綜述了合并單元的性能測(cè)試方案。
數(shù)字化變電站;合并單元;IEC61850;IEC 6004427/8;接口
按照IEC 61850的標(biāo)準(zhǔn),變電站內(nèi)智能設(shè)備從邏輯和功能上分為3層:變電站層、間隔層和過(guò)程層。過(guò)程層的典型設(shè)備有智能操作箱和合并單元,主要完成開(kāi)關(guān)量和模擬量的采集以及控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能。合并單元是由IEC 6004428為規(guī)范電子式互感器的數(shù)字化輸出而首次定義的,且在 IEC 61850中也引用了這一概念。IEC 61850規(guī)定了合并單元輸入電壓與電流的采樣數(shù)據(jù),以及輸出應(yīng)按照以太網(wǎng)的方式向外發(fā)送數(shù)據(jù),并且還規(guī)定了 IEC 618502921和IEC 618502922兩種數(shù)據(jù)的幀格式。IEC 61850-921特定通信服務(wù)映射(SCSM)通過(guò)單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路來(lái)傳輸采樣值,IEC 618502922特定通信服務(wù)映射通過(guò)ISO/IEC 880223來(lái)傳輸采樣值。兩者的主要差別在于IEC 618502921通過(guò)獨(dú)立的鏈路來(lái)單向傳輸采樣值,采樣值的報(bào)文不存在發(fā)生碰撞等不確定因素,而 IEC 618502922中所規(guī)范的過(guò)程總線已是網(wǎng)絡(luò)的概念,它能更加徹底地實(shí)施變電站過(guò)程總線的數(shù)字化,它要求將合并單元裝置、數(shù)字化測(cè)控、保護(hù)裝置包含于同一個(gè)交換式以太網(wǎng)上,這就對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及合并單元裝置、數(shù)字化測(cè)控、保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)性能提出了很高的要求。針對(duì) IEC 618502921和 IEC 618502922的規(guī)定,我國(guó)也頒布了相應(yīng)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),分別是DL/T860. 91和DL/T860.92。
按照IEC 60044的意圖,電子式互感器和合并單元是緊密聯(lián)系在一起的,應(yīng)該由同一個(gè)廠家提供。但在實(shí)際應(yīng)用中,合并單元多由二次設(shè)備廠家提供,且一個(gè)合并單元可能連接多個(gè)廠家的電子式互感器。然而,目前還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在電子式互感器和合并單元的信息交換方面給出規(guī)定。這給電子式互感器和合并單元之間的互聯(lián)造成了不確定性,增加了雙方的工作量。本文就合并單元所涉及的關(guān)鍵性問(wèn)題進(jìn)行考察,即簡(jiǎn)要述評(píng)時(shí)間同步、合并單元與電子式互感器的信息交換、合并單元與間隔層設(shè)備的通信,以及合并單元的性能測(cè)試方面的研究現(xiàn)狀。
同步采樣對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析等具有非常重要的意義。IEC 6004428提供了2種時(shí)間同步的方法:插值法和同步時(shí)鐘法,而IEC 6185029只支持時(shí)鐘同步法。文獻(xiàn)[1]指出,目前在我國(guó)電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的同步時(shí)鐘技術(shù)是采用全球定位系統(tǒng)(GPS)作為同步時(shí)鐘源,而且在目前可利用的時(shí)鐘基準(zhǔn)源中,GPS有其獨(dú)具的優(yōu)越性,其輸出的秒脈沖統(tǒng)計(jì)誤差為1μs,且沒(méi)有累積誤差,能夠滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν綍r(shí)鐘的要求。但輸入外部 GPS信號(hào),需要新增一根對(duì)時(shí)光纜或電纜,由此增加了硬件上的復(fù)雜性,而且一旦失去外部GPS信號(hào),將面臨采樣失步的危險(xiǎn)。IEC 61850引入了簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)。SNTP是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)的簡(jiǎn)化,應(yīng)用于簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)中。作為使用最為普遍的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間傳輸協(xié)議,SNTP的應(yīng)用已較為成熟,在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下, SNTP的對(duì)時(shí)精度可在大多數(shù)情況下保持在1 ms以內(nèi),但是1 ms的對(duì)時(shí)精度現(xiàn)在已不能滿足要求,這是因?yàn)閷?duì)于穩(wěn)態(tài)工頻電氣量,其額定頻率為50 Hz,周期為20 ms,1 ms對(duì)應(yīng)的電角度誤差為18度,這個(gè)誤差不能滿足測(cè)量的要求。
文獻(xiàn)[1]和[2]中提出,IEEE 1588是2002年底發(fā)布的用于自動(dòng)化系統(tǒng)中的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議,能夠達(dá)到亞微秒級(jí)同步精度。協(xié)議定義的各種類型同步報(bào)文均是基于UDP/IP協(xié)議發(fā)送的,因此尤其適合于在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn),是一種精度很高且可以利用現(xiàn)成的以太網(wǎng)作為校時(shí)通道的校時(shí)方法。一個(gè)IEEE 1588精確時(shí)鐘系統(tǒng)包括普通時(shí)鐘、透明時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘,系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均被認(rèn)為是一個(gè)時(shí)鐘,通過(guò)以太網(wǎng)將整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘相連。系統(tǒng)中的時(shí)鐘工作在主時(shí)鐘、從時(shí)鐘和無(wú)源時(shí)鐘3種狀態(tài)。具體的時(shí)鐘狀態(tài)則是由最優(yōu)化的時(shí)鐘算法所確定的。
但文獻(xiàn)[3]指出,由于IEEE 1588適用于相對(duì)本地化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng),因此對(duì)于站站之間同步應(yīng)用(如線路差動(dòng)保護(hù))和絕對(duì)時(shí)間戳應(yīng)用(如同步相量測(cè)量),仍需 GPS信號(hào)支持,但是不必要求每個(gè)相關(guān)IED都外接 GPS。因?yàn)橹灰WC一個(gè)根時(shí)鐘能與 GPS同步,理論上站內(nèi)所有 IED都可借助IEEE 1588時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)絕對(duì)同步。此外,需注意的是,網(wǎng)絡(luò)同步的硬件設(shè)計(jì)中,要求智能傳感器、交換機(jī)及保護(hù)、測(cè)量等設(shè)備都必須支持IEEE 1588協(xié)議,但目前電力行業(yè)制造商所推出的產(chǎn)品中支持此協(xié)議的并不多。
為了采樣點(diǎn)的準(zhǔn)確定時(shí)以及能夠進(jìn)行密集采樣,電子式互感器與合并單元之間宜通過(guò)光纖收發(fā)器實(shí)現(xiàn)光纖連接,采樣數(shù)據(jù)由特定編碼組成高速信息幀,以一個(gè)統(tǒng)一的幀格式進(jìn)行高速傳輸。
文獻(xiàn)[4]指出,合并單元和電子式互感器之間可以遵從UART方式進(jìn)行通信。鏈路層幀格式為:起始符(2字節(jié))+數(shù)據(jù)(4字節(jié))+狀態(tài)(1字節(jié))+幀校驗(yàn)(1字節(jié)),合計(jì)8字節(jié),幀校驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的8位CRC校驗(yàn),采用UART異步串行通信方式。異步傳輸是一個(gè)字符接一個(gè)字符傳輸,一個(gè)字符的信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位組成。每一個(gè)字符的傳送靠起始位來(lái)同步,用下降沿通知收方傳輸開(kāi)始,緊跟著起始位之后的是數(shù)據(jù)位,傳輸時(shí)低位在前、高位在后,字符本身由5~8位數(shù)據(jù)位組成。接收端檢測(cè)并確認(rèn)起始位后,接收8位數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位后面是奇偶校驗(yàn)位,最后是停止位,停止位標(biāo)志一個(gè)字符的結(jié)束,并為下一個(gè)字符的開(kāi)始傳送做準(zhǔn)備,停止位后面是不定長(zhǎng)度的空閑位。文獻(xiàn)[5]采用典型的11位(1個(gè)起始位、8位數(shù)據(jù)、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位),起始位為“0”,停止位為“1”。當(dāng)采樣率為每周波采樣200點(diǎn)時(shí),由于工頻為50 Hz,通信帶寬要求為(8+ 3)位/字節(jié)×8字節(jié)×200點(diǎn)×50 Hz=0.88 M bit/s,所以采用-M bit/s的傳輸波特率完全能夠滿足數(shù)據(jù)傳送的速度。
目前合并單元與電子式互感器的接口,有些采用國(guó)際電工委員會(huì)制定的電子式互感器標(biāo)準(zhǔn) IEC 6004427/8來(lái)實(shí)現(xiàn)的。文獻(xiàn)[5]介紹了基于IEC 6004428標(biāo)準(zhǔn)的電子式電流互感器與合并單元的接口方案。電子式電流互感器完成電流數(shù)據(jù)的采集后,按照IEC 6004428規(guī)約的要求對(duì)數(shù)據(jù)組幀編碼,加入電流、電壓、延遲以及狀態(tài)碼等。在鏈路層將數(shù)據(jù)加上幀頭、CRC校驗(yàn)碼完成組幀,然后在物理層進(jìn)行曼徹斯特編碼傳輸,以保證實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。幀格式采用FT3,此格式起始符為2個(gè)字節(jié),然后是用戶數(shù)據(jù)1、校驗(yàn)碼1、用戶數(shù)據(jù)2、校驗(yàn)碼2、用戶數(shù)據(jù)3、校驗(yàn)碼3。曼徹斯特編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光纖收發(fā)器后通過(guò)光纖高速傳輸?shù)胶喜卧?。曼徹斯特編碼是一種自同步編碼方式,包括數(shù)據(jù)信息和時(shí)鐘信息。在曼徹斯特編碼中,每一位的中間都有一跳變,位中間的跳變既作時(shí)鐘信號(hào),又作數(shù)據(jù)信號(hào);從高到低跳變表示“1”,從低到高跳變表示“0”。曼徹斯特編碼將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中,在傳輸代碼信息的同時(shí),也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方,每位編碼中有一跳變,不存在直流分量,因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)電平,所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。
合并單元與電子式互感器之間也可以利用現(xiàn)成的以太網(wǎng)PHY芯片實(shí)現(xiàn)百兆光纖通信,采用IEEE 802.9a等與以太網(wǎng)一致的4B/5B編碼規(guī)則[6],該編碼方案具有效率高和容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。該編碼將發(fā)送的數(shù)據(jù)流以每4 bit為一個(gè)組,然后按照4B/5B編碼規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的5 bit碼。5 bit碼共有32種組合,但只采用其中的24種,16種對(duì)應(yīng)4 bit碼的16種,8種用作控制碼,以表示幀的開(kāi)始和結(jié)束、光纖線路的狀態(tài)(靜止、空閑、暫停)等。
3.1 基于IEC 618502921的合并單元
3.1.1 FPGA與ARM技術(shù)組合方案
文獻(xiàn)[7]給出了輸入為模擬信號(hào)情況下的合并單元的實(shí)現(xiàn)方案。該方案是基于三星公司推出的 ARM 9處理器S3C2410提出的,以S3C2410為主控芯片,設(shè)備啟動(dòng)后,獲取站內(nèi)的初始化信息,然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣模塊;數(shù)據(jù)采集模塊由一塊FPGA和兩塊A/D轉(zhuǎn)換芯片組成,FPGA根據(jù)ARM發(fā)送來(lái)的采樣頻率和采樣精度來(lái)控制兩塊A/D芯片,將電流/電壓互感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后進(jìn)行處理。
文獻(xiàn)[8]中合并單元主要由兩個(gè)控制運(yùn)算芯片組成,選用Atmel公司的A T91RM 9200 ARM和Altera公司的Cy-clone2代FPGA。合并單元的設(shè)計(jì)可以兼顧模擬輸入信號(hào)和數(shù)字輸入信號(hào),模擬輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和A/D轉(zhuǎn)換后送到ARM,而數(shù)字輸入信號(hào)為了抗干擾等原因,通過(guò)光電轉(zhuǎn)換,將數(shù)字光信號(hào)送入合并單元,到達(dá)合并單元之后,通過(guò)電光轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為電信號(hào),由FPGA實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)、數(shù)字濾波,最后送入ARM,由ARM將數(shù)據(jù)按照IEC 61850的格式組成以太幀然后發(fā)送。
3.1.2 FPGA與DSP技術(shù)組合
文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的合并單元裝置硬件采用 FPGA加DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中把它細(xì)劃分為3個(gè)主要功能模塊:數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊,另外還有一個(gè)同步采樣脈沖系列發(fā)生模塊。數(shù)據(jù)接收模塊利用FPGA,通過(guò)用戶編程實(shí)現(xiàn)對(duì)合并單元接收的多路串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行有效性校驗(yàn),并將其轉(zhuǎn)換成并行信號(hào),同時(shí)可利用FPGA編程產(chǎn)生同步采樣脈沖。數(shù)據(jù)處理模塊,即DSP通過(guò)定時(shí)方式讀取各路并行數(shù)據(jù),其定時(shí)工作原理為:在同步有效采樣脈沖前沿時(shí)刻啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí),定時(shí)間隔大小保證 n路(n≤12)串行數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換,且存入各自相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并保持穩(wěn)定,此時(shí)DSP從數(shù)據(jù)接收模塊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)依次讀取轉(zhuǎn)換后的各路并行數(shù)據(jù);DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后給數(shù)據(jù)包打上正確的包號(hào),然后將各路有效數(shù)據(jù)按 IEC 618502921協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式組幀后寫入數(shù)據(jù)輸出以太網(wǎng)通信模塊發(fā)送至緩沖區(qū),并啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送命令。數(shù)據(jù)輸出模塊針對(duì)每幀數(shù)據(jù)自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)頭和幀校驗(yàn)碼,最終將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給間隔層的二次測(cè)量、保護(hù)等設(shè)備。
3.2 基于IEC 618502922的合并單元
采用IEC 618502921標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送的數(shù)據(jù)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,各個(gè)合并單元之間的數(shù)據(jù)不能共享,并沒(méi)有真正體現(xiàn)出電子式互感器的優(yōu)勢(shì),也不能真正體現(xiàn) IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程層總線通信的優(yōu)勢(shì)。而IEC 618502922,它強(qiáng)調(diào)未來(lái)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)放性、互操作性以及可擴(kuò)展性,可實(shí)現(xiàn)間隔層設(shè)備和站級(jí)設(shè)備對(duì)過(guò)程層信息的共享。但是由于IEC 618502922部分所定義的標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)靈活,所以實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定難度。為此,IEC委員會(huì)專門出版了針對(duì) IEC 618502922的Light Edi-tion(簡(jiǎn)稱922LE),對(duì) IEC 618502922的應(yīng)用提供指導(dǎo),并對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行固化。
文獻(xiàn)[10]給出了基于IEC 618502922的合并單元的研制樣機(jī)。根據(jù)IEC 618502922規(guī)定,合并單元需要將各路采集信息封裝為以太網(wǎng)多播幀格式發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。二次設(shè)備單元必須加入相應(yīng)的多播地址或VLAN才能接收到所訂閱的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文。其中采樣測(cè)量值(SMV)和跳閘命令(GOOSE)是過(guò)程總線最為重要的數(shù)據(jù),對(duì)實(shí)時(shí)性要求非常高。SMV與GOOSE的不同在于它的傳輸量大而且是周期性的。為了區(qū)分過(guò)程層SMV報(bào)文與其他實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的報(bào)文傳輸引入了優(yōu)先級(jí)的概念。SMV報(bào)文需要打上最高優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽,以使交換機(jī)能優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)它,確保它的實(shí)時(shí)性。SMV按多播幀的格式發(fā)至網(wǎng)絡(luò),在傳統(tǒng)的交換機(jī)上,則是以廣播方式發(fā)送的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的多播數(shù)據(jù)時(shí),由多播幀引起的廣播數(shù)據(jù)會(huì)消耗大量的帶寬,會(huì)引起“廣播風(fēng)暴”。在實(shí)際應(yīng)用中,如果采用網(wǎng)管型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將不存在上述問(wèn)題,因?yàn)樗峁┝薎GM P Snooping服務(wù),允許網(wǎng)絡(luò)主機(jī)加入或離開(kāi)多個(gè)多播組,防止了多播幀被發(fā)往那些未請(qǐng)求這些幀的主機(jī)。另一種方法是采用VLAN技術(shù)根據(jù)繼電保護(hù)和控制域劃分虛擬子網(wǎng),將不同業(yè)務(wù)功能的節(jié)點(diǎn)群進(jìn)行安全隔離,以避免“廣播風(fēng)暴”的發(fā)生。
當(dāng)前國(guó)外如ABB,AREVA,SIEM ENS等廠家均推出了基于IEC 618502922標(biāo)準(zhǔn)的合并單元。國(guó)內(nèi)廠家如南瑞[11]、許繼[12]、上海思源弘瑞等目前也已推出了基于該標(biāo)準(zhǔn)的合并單元產(chǎn)品。其中南瑞、許繼提供的是數(shù)字化變電站的整體解決方案,而上海思源弘瑞則分別提供了過(guò)程層、間隔層、站控層的產(chǎn)品。合并單元屬于過(guò)程層產(chǎn)品,可采集傳統(tǒng)CT/ PT、電子式互感器的數(shù)據(jù),采樣數(shù)據(jù)發(fā)送可同時(shí)支持 IEC 618502922,IEC 618502921,IEC 6004428,裝置可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)IEEE 1588對(duì)時(shí),無(wú)需額外的對(duì)時(shí)信號(hào)光纖,對(duì)時(shí)精度可達(dá)到1μs,如果間隔層設(shè)備不支持IEEE 1588,也可以采用IRIG2B碼或秒脈沖對(duì)時(shí)。
文獻(xiàn)[9]給出了合并單元以太網(wǎng)通信功能測(cè)試。數(shù)字采樣值分別接入合并單元裝置定義的A,B,C數(shù)據(jù)接收通道,在模擬現(xiàn)場(chǎng)額定一次電流400A的電磁環(huán)境下,通過(guò)Sniffer協(xié)議分析軟件對(duì)合并單元以太網(wǎng)輸出幀的內(nèi)容準(zhǔn)確性進(jìn)行分析驗(yàn)證,并重點(diǎn)校對(duì)了協(xié)議中所描述的狀態(tài)字內(nèi)容變化及其報(bào)警功能。
文獻(xiàn)[10]則給出了合并單元的綜合測(cè)試方案。將合并單元接入標(biāo)準(zhǔn)輸入源(OM ICRON),通過(guò)比較輸入信號(hào)與工控機(jī)上所接收到的采樣值數(shù)據(jù)可以算得采樣精度;為了精確測(cè)量傳輸延遲,由GPS秒脈沖觸發(fā),采用CPU晶振定時(shí),每秒發(fā)送一次采樣數(shù)據(jù),當(dāng)工控機(jī)接收到合并單元1整秒時(shí)刻的報(bào)文時(shí),立即讀取當(dāng)前的微秒數(shù),即為延遲時(shí)間。為了進(jìn)一步分析以太網(wǎng)對(duì)采樣值傳輸?shù)挠绊?還可加入負(fù)載測(cè)試,通過(guò)引入不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載觀察采樣值信號(hào)的延遲情況。
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(責(zé)任編校:李秀榮)
Present Research of Merging Unit in Digital Substation
KANGJian1,XIA Yu-lin2
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2.Division of Junior Education,Tangshan College,Tangshan 063020,China)
Merging unit is an important interface between electronic transducers and protection and measure equipments of the bay level of substation.The paper firstly compares the characteristics of GPS,SN TP and IEEE1588 time synchronization methods are compared,then summarizes digital interface program between the practically applied electronic mutual inductors and merging unit and analyses the functional modules based on IEC618502921and IEC618502922,and finally sum s up the performance testing programs of merging units.
digital substation;merging unit;IEC61850;IEC 6004427/8;interface
TM 45
A
1672-349X(2010)06-0038-03
2010-09-09
康健(1974-),女,講師,博士,主要從事電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的教學(xué)與研究。