一種不依賴MU同步的采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

朱 明 瞿 萍

（國電南京自動化股份有限公司，南京 210003）

傳統(tǒng)過程層使用大量電纜傳輸采樣數(shù)據(jù)，而IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)通過數(shù)字化通信方式實現(xiàn)過程層數(shù)字采樣，具有簡化二次接線、提高測量精度、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點。隨著數(shù)字化變電站的推廣，過程層數(shù)字化采樣得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。

跨間隔的采樣值（SV）同步是過程層數(shù)字化采樣傳輸需要解決的一個核心問題。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)試圖通過對所有通信設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一同步的方式，解決跨間隔間的采樣值同步問題，但同步源的引入，使數(shù)字化采樣的可靠性相比傳統(tǒng)方案有所降低。而點對點采樣值傳輸方案試圖解決過程層數(shù)字化通信對同步源的依賴問題，卻使二次接線變得復(fù)雜，又損失了數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢，降低了數(shù)字化站的可維護(hù)性。

1 采樣值傳輸轉(zhuǎn)換過程

過程層數(shù)字化采樣通常由三個環(huán)節(jié)組成：遠(yuǎn)端傳感模塊、合并單元（MU）、智能接收設(shè)備（IED）。遠(yuǎn)端傳感模塊負(fù)責(zé)原始AD 采樣，簡單處理（如低通濾波）后以數(shù)字化的方式傳輸給MU。MU 接收多個遠(yuǎn)端傳感模塊的采樣數(shù)據(jù)，通過合理的時間同步機(jī)制和采樣時延補(bǔ)償機(jī)制[2]進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的同步處理，并將同步好的采樣數(shù)據(jù)按照IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議定時將采樣報文發(fā)出[3-4]。IED 接收多個MU 的采樣報文，并完成多個MU 的采樣插值同步，然后由保護(hù)/測量模塊完成保護(hù)/測量功能。

圖1 采樣值傳輸轉(zhuǎn)換過程

由此，某一時刻的采樣值從遠(yuǎn)端傳感模塊開始采集，經(jīng)由MU 同步，到IED 正確接收，共經(jīng)歷以下幾個延遲時間：遠(yuǎn)端傳感模塊內(nèi)部延遲ta、遠(yuǎn)端傳感模塊到MU 的傳輸延遲tb、MU 內(nèi)部延遲tc、MU 到IED 的傳輸延遲te，詳見圖1[5]。其中ta、tb、tc在遠(yuǎn)端傳感模塊類型與MU 型號、參數(shù)不變的情況下，其總的傳輸延遲通常是固定的，因此將其統(tǒng)稱為互感器額定延遲td，即td=t a+t b+tc；而傳輸延遲te因采樣傳輸方案的不同具有不確定性。

2 現(xiàn)有采樣值傳輸方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)傳輸

通過組網(wǎng)方式實現(xiàn)采樣值傳輸是IEC 61850 提出的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，即通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)MU 與IED 之間的采樣值傳輸。

其具體實施方案是：①MU 與IED 都接入同一個同步源網(wǎng)絡(luò)，同步設(shè)備以固定1S 的時間間隔發(fā)送同步脈沖；②同步脈沖發(fā)生時刻的采樣值信息以SmpCnt 為0、并標(biāo)記為Syn 狀態(tài)從MU 發(fā)送出去；③在下次同步脈沖到來前，MU 將以SmpCnt 遞增的方式以固定時間間隔發(fā)送采樣值信息。

MU 以采樣計數(shù)器（SmpCnt）標(biāo)記采樣值的序列：SmpCnt 在[0,smpRate-1]間循環(huán)遞增（SmpRate為MU 固有采樣率）。MU 發(fā)送的每兩幀采樣值報文的時間間隔為1/SmpCnt 秒。

IED 本身接收同步源的同步信息，并根據(jù)所訂閱的每個MU 采樣值的Syn 與SmpCnt 信息來確定采樣值的實際采樣時間，以T0標(biāo)記同步脈沖的發(fā)生時刻，每個帶有Syn 標(biāo)志的采樣值的實際采樣時間為TSmpCnt=T0+ SmpCnt/SmpRate × 1s 。

IED 根據(jù)每個帶有Syn 標(biāo)志的采樣值信息還原出每幀采樣報文對應(yīng)的實際采樣時刻，即可通過使用相鄰時刻的采樣值數(shù)據(jù)軟件插值算法[6-7]得到任意時刻的采樣數(shù)據(jù)，其原理如圖2所示。

圖2 組網(wǎng)方案下采樣值同步方式

在該方案中，由于采樣報文在交換網(wǎng)絡(luò)中傳輸，其傳輸延遲te具有不確定性。IED 為保證采樣插值同步所需要的采樣值報文都能到達(dá)，在插值計算時須滯后同步源一個相對較長的延遲時間。該延遲時間為：在所接收MU 的最大互感器額定延遲Max(td)基礎(chǔ)上增加一個最大可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間Max(te)。

標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)采樣值傳輸?shù)姆桨福琁ED 完成不同MU之間的采樣值同步，完全依賴于同步源網(wǎng)絡(luò)。任一MU 失去同步信號后，IED 將無法實現(xiàn)跨間隔的采樣同步，二次設(shè)備也就無法實現(xiàn)差動運算，這將導(dǎo)致變電站降級運行；同樣一些保護(hù)設(shè)備失去同步信號后，也會導(dǎo)致一些光纖差動保護(hù)退出運行。與傳統(tǒng)變電站相比，盡管采取了一些通信冗余措施增強(qiáng)其可靠性，但標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)采樣值傳輸方案對同步源的過分依賴，在總體上降低了數(shù)字化變電站運行的可靠性。

2.2 點對點傳輸

采樣值的點對點傳輸是對組網(wǎng)傳輸方案的一個改進(jìn)，其目的是解決組網(wǎng)方案下對同步源網(wǎng)絡(luò)的依賴問題，提高數(shù)字化變電站的可靠性。

其具體實施方案是：①MU 與IED 都不需要接入同步網(wǎng)絡(luò)；②不同MU 按照各自的內(nèi)部時鐘以固定的采樣頻率發(fā)送采樣值數(shù)據(jù)；③采樣值傳輸不再經(jīng)過交換設(shè)備，而通過光纖直接連接到IED。

由于取消了同步網(wǎng)絡(luò)，各個MU 之間的SmpCnt不再具有同步相關(guān)性，而光纖直連的通信方式，其MU 到IED 之間的傳輸延遲te僅為光信號在此段光纖中的傳輸延遲。te大小取決于鏈路物理特性和傳播距離，與傳播信息量無關(guān)，若傳輸距離為D，光速為c，k傳輸介質(zhì)修正系數(shù)（同軸電纜中k約為0.65)，傳播延時可表示為te=D/kc[5]，考慮光信號具有極高的傳輸速率，te可忽略不計。

假設(shè)IED 具有兩個功能：①能夠獲取采樣值到達(dá)IED 的準(zhǔn)確時間tR，②能夠獲取每個MU 的互感器額定延遲時間td。在采樣值點對點傳輸方案中，從采樣信號采集到IED 設(shè)備接收，在忽略te情況下，IED 就可以根據(jù)接收到的采樣時間精確推斷出實際的采樣時間tS，即tS=t R-t d-t e≈t R-td。

在點對點采樣值傳輸方案的具體實施中，IED設(shè)備通過特有硬件，如FPGA 完成多路信號的硬件并行處理[8]，記錄下每幀采樣值的到達(dá)時間；MU 通過在IEC 61850-9-2 報文中以特定采樣通道的方式將其互感器額定延時td告知接收該采樣信息的IED。IED 設(shè)備根據(jù)采樣接收時間以及對應(yīng)的互感器額定延遲時間td，可還原出其原始采樣時刻，并依據(jù)還原真實MU 采樣時刻后的采樣數(shù)據(jù)，通過插值同步的方式計算出任意時刻采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)跨間隔采樣同步，其原理如圖3所示。

圖3 點對點方案下的采樣值同步

由此，點對點傳輸方案徹底解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸方案依賴同步源的問題。

為保證同步時所需要的不同MU 的采樣值報文都能到達(dá)IED，IED 的插值計算仍需一個滯后的延遲時間。該延遲時間為：所有接收MU 中最大的互感器額定延遲 Max(td)與最大網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時間Max(te)之和。由于Max(te)可忽略不計，點對點傳輸方案所需最大的延遲時間僅為 Max(td)，與標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)傳輸方案相比，其計算延遲時間更短，能夠使二次保護(hù)設(shè)備具有更快的動作時間。

點對點傳輸方案由于采用了點對點的光纖接線，MU 與IED 需要更多的光口，這不僅增加了二次設(shè)備的成本，也使得二次接線變得復(fù)雜；另外，由于點對點的光纖通信方式，其過程層通信報文無法準(zhǔn)確地記錄監(jiān)視，給電站運維管理帶來不便。

3 不依賴MU 同步的網(wǎng)絡(luò)化方案

針對上述兩種采樣值傳輸方案的不足，本文提出了另外一種采樣值傳輸方案——不依賴MU 同步的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。

其具體實現(xiàn)方式是：①使用一種特殊的交換機(jī)（下文簡稱“記時交換機(jī)”）實現(xiàn)采樣值的網(wǎng)絡(luò)傳輸：記時交換機(jī)統(tǒng)計每幀采樣值報文在本機(jī)內(nèi)部的延遲時間，并將延遲時間以累加的方式記錄到采樣值報文的特定字段中；②IED 設(shè)備通過特有硬件（如FPGA）記錄下每幀采樣值的準(zhǔn)確到達(dá)時間；③IED設(shè)備根據(jù)采樣值到達(dá)時間以及對應(yīng)的互感器額定延遲時間、交互網(wǎng)絡(luò)總的延遲時間，還原出其原始采樣時刻，最終實現(xiàn)跨間隔的采樣值同步。

不依賴MU 同步的采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸方案的原理如圖4所示。

圖4 不依賴MU 同步的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

采樣值報文從MU 發(fā)出，經(jīng)n個記時交換機(jī)最終到達(dá)IED 所經(jīng)歷的總延遲時間為

其中，以SwitchDelay 標(biāo)記在記時交換機(jī)中的延遲時間；以Fiber 標(biāo)記在光纖中的傳輸時間，考慮光纖傳輸?shù)难訒r特性，其延遲時間FiberDelay 可忽略不計。

記時交換機(jī)記錄下每幀采樣值報文到達(dá)tIn與離開該交換機(jī)時間tOut，以tOut-tIn計算得出報文在本機(jī)中的延遲時間，并將該延遲時間以累加的方式寫入到采樣值報文的特定保留字段部分，如圖4所示。

IED 精確記錄采樣值到達(dá)IED 時間tR，并根據(jù)采樣值報文中記錄的網(wǎng)絡(luò)延遲時間tNd，以及互感器額定延遲時間td，并忽略光纖的傳輸延遲，就可以精確推斷出實際的采樣時刻tS，即tS=tR-td-tNd。

IED 由此可以用點對點傳輸方案相同的方法，推算出不同MU 的每幀采樣報文的采樣時刻，完成跨間隔采樣值的同步計算，其實現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 不依賴MU 同步的網(wǎng)絡(luò)傳輸采樣值同步方法

該方案，對交換機(jī)的性能要求較高，為測試交換機(jī)的延遲性能及時間精度特性，設(shè)計測試方案如下：①同一MU 發(fā)送兩路相同的采樣數(shù)據(jù)，一路通過光纖直接接入 IED，另一路通過交換網(wǎng)絡(luò)接入IED；②IED 通過比較兩路報文實際到達(dá)IED 的時間，統(tǒng)計交換機(jī)的交換轉(zhuǎn)發(fā)延遲時間和延遲時間的精度信息，并統(tǒng)計交換機(jī)記錄的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時精度。此測試結(jié)果見表1。

測試結(jié)果表明：交換機(jī)通過千兆級聯(lián)，其每級計時交換機(jī)的延遲時間大約是50μs 的級別；時標(biāo)精度與級聯(lián)的級數(shù)成反比，級聯(lián)數(shù)增加，其時標(biāo)的精度會以每級100ns 的精度誤差下降；在不大于3 級級聯(lián)的情況下，計時交換機(jī)記錄延遲時標(biāo)的精度與IEEE 1588 相當(dāng)，滿足智能電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)單級時鐘傳輸精度小于±200ns[10]的要求。

表1 交換機(jī)性能統(tǒng)計表

在實際運行中，數(shù)字化、智能化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)一般不會超過3 級，該方案下的時間精度誤差最大不超過250ns，完全滿足IEC 61850 9-2 標(biāo)準(zhǔn)對過程層采樣同步精度小于1μs 要求[3-11]。

不依賴MU 同步的網(wǎng)絡(luò)化方案，過程層采樣值報文可以通過網(wǎng)絡(luò)記錄儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備記錄原始采樣信息，對事故追憶、事故分析可以提供可靠的第三方監(jiān)視信息。它雖然有網(wǎng)絡(luò)延時，犧牲了一些保護(hù)動作時間，卻為過程層數(shù)字化采樣的運維管理提供了更多便利。

4 結(jié)論

不依賴MU 同步的采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，以交換機(jī)記錄網(wǎng)絡(luò)傳輸時間為基礎(chǔ)，利用互感器具的固定采樣延遲特性，通過插值的方式解決了跨間隔采樣值同步的問題。

相比傳統(tǒng)組網(wǎng)傳輸方案，該方案不依賴同步源，提高了數(shù)字化、智能化系統(tǒng)的方案可靠性；同時，該方案也避免了點對點傳輸方案造成系統(tǒng)過程層采樣運維不方便的問題。

不可否認(rèn)，該方案對交換機(jī)的要求比傳統(tǒng)組網(wǎng)方案要高，在保護(hù)動作快速性上比點對點傳輸方案也稍差，但它具有與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相當(dāng)?shù)膶崟r性，提高了變電站運行可靠性，且運維方便，因此在智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的實際應(yīng)用中具有很好的應(yīng)用前景。

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