過程層采樣值同步傳輸優(yōu)化方法研究

喻立，李遠，曹慧文

(1.云南電網公司紅河供電局，云南 紅河 661100；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100086)

過程層采樣值同步傳輸優(yōu)化方法研究

喻立1，李遠1，曹慧文2

(1.云南電網公司紅河供電局，云南 紅河 661100；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100086)

對基于IEC61850標準體系的全數(shù)字化采樣原理和過程進行闡述，并對IEC 61850-9-2標準的SendMSVMessage通信服務映射機制作了詳細講解，進而提出了工程應用中優(yōu)化IEC 61850-9-2標準SV采樣值傳輸和同步效能的技術和方法。

IEC 61850-9-2；SV采樣值；合并單元MU；SendMSVMessage

0 前言

實現(xiàn)數(shù)字化采樣是智能變電站的基本特征和要求。隨著高速以太網技術的發(fā)展，智能變電站已經實現(xiàn)了過程層 (SV、GOOSE網絡)、站控層(MMS網絡)的全以太網結構，采用IEC 61850-9-2標準實現(xiàn)SV采樣值的以太網數(shù)據(jù)傳輸是智能化變電站目前最為通行的做法，但是由于實際工程應用中存在互感器類型不一、合并單元處理機制有差異、以太網組網方式不同、交換機功能和性能參差不齊等客觀因素，影響了IEC 61850-9-2標準的SV采樣值的傳輸效能和同步效能。

通過對全數(shù)字化采樣過程及IEC 61850-9-2 SV采樣值同步傳輸過程進行說明和分析，并根據(jù)IEC 61850-9-2標準的組播傳輸方式、SendMSVMessage通信服務映射機制、網絡交換機對應的功能應用方面提出了符合IEC 61850-9-2 SV采樣值傳輸要求的可配置方法，在實際工程應用中靈活、正確地設置能夠有效提高IEC 61850-9-2 SV采樣值的傳輸和同步效能，為智能化變電站二次系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行提供更有力的技術保障。

1 數(shù)字化采樣傳輸?shù)倪^程分析

1.1 系統(tǒng)中模擬量采樣過程

在常規(guī)綜合自動化系統(tǒng)中，測控裝置、保護裝置等設備對電氣模擬量的采集和處理過程如圖1所示，即由裝置CPU定時發(fā)送鎖存脈沖對所連接的A/D模數(shù)轉換芯片的采樣數(shù)據(jù)進行處理，從而保證了采樣的同步實效性。雖然在二次采樣回路中小TA、小TV和LP低通回路也會產生相對微小的相移，但是由于同一時刻同一裝置的小TA、小TV和LP低通回路參數(shù)的相移基本相同，所以能夠避免采樣數(shù)據(jù)的不同步問題，而且整個采樣及同步過程在間隔層同一裝置中就能實現(xiàn)。

圖1 常規(guī)綜合自動化系統(tǒng)中測控、保護裝置的采樣回路

1.2 數(shù)字化采樣技術的傳輸過程

和常規(guī)綜合自動化系統(tǒng)相比，數(shù)字化采樣系統(tǒng)的結構和環(huán)節(jié)更加復雜，如圖2所示。一個最基本的數(shù)字化采樣系統(tǒng)包含過程層的互感器二次輸出部分、合并單元，間隔層的IED智能設備以及通信設備。其中互感器輸出可以采用常規(guī)電磁式互感器的模擬量輸出方式，也可以采用電子式互感器的遠端模塊光信號輸出。合并單元MU對互感器輸出電氣量進行合并和同步處理，并把處理后的數(shù)字信號按照特定的標準格式提供給間隔層設備使用。

圖2 IEC 61850-9-2采樣值傳輸原理圖

2 數(shù)字化采樣及同步技術的實效性

2.1 電子式互感器二次輸出的實效性

電子式互感器國際上一般稱為非常規(guī)互感器NCIT，其中電子式電壓互感器遵循國際電工委員會制定的IEC 6044-7標準，而電子式電流互感器遵循IEC 6044-8標準。電子式互感器的基本原理是把一次側的高電壓、大電流變換為可以傳輸?shù)男盘?，一般是?shù)字信號或頻率變換信號，通過二次側處理后，以模擬量或數(shù)字量的形式輸出給保護、測量、計量等二次設備使用。在有源電子式互感器中，其遠端模塊與合并單元通過光纖接口進行互聯(lián)，如圖3所示，而電子式互感器在完成模數(shù)變換、數(shù)據(jù)處理等功能時不可避免的存在延遲，總延遲為t1、t2、t3部分的總和，對于任何單一的電子式互感器而言，總延遲是一個固定的時間數(shù)值。

圖3 電子式互感器遠端模塊采樣延時原理圖

2.2 合并單元數(shù)據(jù)同步的實效性

合并單元MU根據(jù)需求可以接入多個電子式互感器的信號，在IEC 60044-8標準中規(guī)定為7路電流和5路電壓組成一個合并單元，如圖4所示。合并單元同步采集多路互感器的電壓、電流信號然后變換為符合IEC61850-9-2標準的以太網信息幀報文輸出給保護、測量、計量等二次設備使用。其功能主要有：

1)接收遠端模塊發(fā)出的報文；

2)進行數(shù)據(jù)的合并和同步處理；

3)形成IEC 61850-9-2標準的格式輸出。在采用IEC 61850-9-2標準時，采樣數(shù)據(jù)采用以太網方式傳輸，合并單元和IED智能電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸延時不確定，接收方雖然可以獲得數(shù)據(jù)到達的準確時刻，但是無法計算出數(shù)據(jù)的采集時刻，所以采樣數(shù)據(jù)的同步不能在接收方IED智能電子設備中完成，必須在合并單元MU中完成。

變電站內全部合并單元必須接入統(tǒng)一的同步對時系統(tǒng)，每個合并單元都通過樣本計數(shù)器對采樣數(shù)據(jù)進行編號。只要對時系統(tǒng)正常，就可以保證所有合并單元在同一時刻采樣數(shù)據(jù)的樣本計數(shù)器編號的一致性是有效的。當IED接收到來自不同通道的SV采樣數(shù)據(jù)后，將同一編號的樣本計數(shù)器的采樣數(shù)據(jù)放入同一時標內進行處理，便能保證采樣數(shù)據(jù)的有效性。

3 SV采樣值傳輸模型的原理

由于SV采樣值對實時性要求較高，采用的是發(fā)布方/訂閱者通信方式，如圖5所示。發(fā)布方首先將采樣值以數(shù)據(jù)集的形式存入發(fā)送側的緩沖區(qū)內，然后通過SendMSVMessage服務將采樣數(shù)據(jù)發(fā)出。訂閱者從接收側的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，通過在采樣值中打上時標，可以通過校驗值判斷是否及時刷新數(shù)據(jù)，接收側緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)由通信系統(tǒng)負責實時更新。

SV采樣值可以采用組播和單播兩種方式進行傳輸，即組播采樣值控制模塊MSVCB(Multicast Sampled Value Control Block)和單播采樣值控制模塊 USVCB(UnicastSampledValueControl Block)。目前SV采樣值主要以多播應用關聯(lián)的MSVCB采樣值傳輸方式。如表1所示，MSVCB類型共定義了三種服務：SendMSVMessage、Get-MSVCBValues和SetMSVCBValues.

表1 ACSI服務類型表

發(fā)布方通過SendMSVMessage服務向一個或多個訂閱者發(fā)送采樣值數(shù)據(jù)，由于對傳輸?shù)膶崟r性要求較高，為了避免通信協(xié)議棧造成的延時，在IEC 61850-9-2中，SendMSVMessage服務被直接映射到網絡的數(shù)據(jù)鏈路層。

SendMSVMessage通信服務映射使用帶有采樣計數(shù)器SmpCnt和采樣同步SmpSynch標識的方式，以一定采樣頻率將同步采樣的數(shù)據(jù)定期發(fā)送。IEC 61850-9-2采用了ASN.1標準定義了采樣值發(fā)送服務SendMSVMessage的應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元SavPDU。在IEC 61850-9-2采樣值數(shù)據(jù)被發(fā)送至緩沖區(qū)之前，應用層可以將多個ASDU鏈接至一個APDU中，APDU所包含的ASDU的數(shù)目n與采樣頻率有關，并且可以根據(jù)實際的應用需求進行靈活配置。

4 提高數(shù)字化采樣傳輸實效性

4.1 以太網傳輸優(yōu)先級的配置

IEC 61850-9-2以組播方式在以太網數(shù)據(jù)鏈路層上傳輸采樣值，由于采樣值對傳輸要求有很高的實時性要求，在采樣值傳輸?shù)膱笪闹邪薞LAN虛擬局域網的優(yōu)先級設置功能，可以通過將采樣值報文的以太網傳輸優(yōu)先級設定為較高的級別，并通過使用支持網絡傳輸優(yōu)先級的交換機進行組網，以確保采樣值報文的傳輸具有較好的實時性。

4.2 應用服務數(shù)據(jù)單元的配置

SendMSVMessage服務讓SV采樣報文高速連續(xù)傳輸，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中進行同步采樣，在系統(tǒng)正常運行時，采樣值傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量要遠遠大于GOOSE報文的數(shù)據(jù)流量，為了減少對網絡帶寬的占有量，可以將多個應用服務數(shù)據(jù)單元ASDU合并至一個應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元內再進行統(tǒng)一傳輸。

4.3 網絡交換機組播協(xié)議配置

動態(tài)配置方式可以采用目前的兩種數(shù)據(jù)鏈路層組播管理協(xié)議，即 GMRIP(GARP Multicast Registration Protocol)和IGMP Snooping(Internet Group ManagementProtocolSnooping)， 采 用GMRIP和IGMP Snooping兩種組播管理協(xié)議均可以實現(xiàn)二層交換機組播動態(tài)過濾，便免了靜態(tài)配置的復雜設置。GMRIP協(xié)議更加適合GOOSE和IEC 61850-9-2標準下SV組播報文的過濾，因為GOOSE和IEC 61850-9-2標準下SV報文只在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸，IED無須支持網絡層的IGMP，此外，組播地址也不受范圍的限制。

5 結束語

對于采用 IEC 61850-9-2映射到 ISO/IEC 8802-3的采樣值標準而言，SV采樣值的傳輸和同步效能是實現(xiàn)數(shù)字化或智能化變電站采樣技術的關鍵，本文在對數(shù)字化采樣的原理及傳輸過程進行說明后，提出了改善和優(yōu)化SV采樣值的傳輸和同步能效的方法：

1)適當合并SendMSVMessage服務類的應用服務數(shù)據(jù)單元ASDU個數(shù)；

2)正確設置網絡交換機采樣值優(yōu)先級的功能配置；

3)啟用網絡交換機自動GMRIP組播協(xié)議的功能配置。

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Research on Optimization Method of SV Samples Synchronous Transmission

YU li1，LI yuan1，CAO Huiwen2
(1.Yunnan Honghe Power Supply Bureau，Honghe，Yunnan 661100；2.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd，Beijing 100086)

This paper elaborates all-digital sampling principles and processes，And explains IEC 61850-9-2 standards SendMSVMessage communication service mapping mechanism in detail，F(xiàn)urther analysis how to improve the standard IEC 61850-9-2 SV sampled value transmission and synchronization performance in engineering applications.

IEC 61850-9-2；SV sampled value；merging unit；SendMSVMessage

TM76

B

1006-7345(2014)04-0109-05

2014-04-10

喻立 (1984)，女，助理工程師，云南電網公司紅河供電局，主要從事電力自動化、指標管理工作 (e-mail)yulihust＠163.com。

李遠 (1982)，男，工程師，云南電網公司紅河供電局，主要從事電力自動化管理、智能電網研究工作 (e-mail)601537617＠qq.com。

曹慧文 (1981)，男，工程師，北京四方繼保自動化股份有限公司，主要從事電力自動化技術研究工作 (e-mail)124926310＠qq.com.。