智能站采集同步與延時探討

姚以沛，朱良肄

（國網(wǎng)太原供電公司，山西 太原 030009）

0 引言

智能變電站的核心技術(shù)之一是將電流、電壓模擬量同步采樣，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，把數(shù)字量實時傳輸至各保護裝置?！?10（66）～220 kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》要求“合并單元宜具備合理的采樣延時補償機制和時間同步機制，確保輸出的各類電子互感器信號的相差保持一致”。為保證電流、電壓模擬量采樣的同步性和實時性，使用IRIG-B碼對時與合并單元延時補償?shù)确椒ㄟM行同步采樣。但IRIG-B碼對時存在傳輸延時的差異性和不確定性帶來同步的誤差；IEC 61850-9-2規(guī)約報文的幀格式長度不固定給傳輸延時帶來不確定性。智能站合并單元的同步性和實時性問題將造成保護裝置測量不正確，引起保護裝置誤動或延長動作時間。

本文主要對合并單元同步采樣延時、模數(shù)轉(zhuǎn)換延時和信息傳輸延時的產(chǎn)生進行分析；現(xiàn)場檢查的簡便方法及調(diào)整；提出智能站數(shù)據(jù)采集設(shè)計的改進建議。

1 同步對時

同步對時方式有：自帶GPS、秒脈沖、分脈沖、IRIG-B、簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議SNTP(Simple Network Time Protocol)、IEEE1588等對時方式。由于自帶GPS、秒脈沖、分脈沖對時方式的傳輸延時的不確定性和準(zhǔn)確度原因造成裝置間同步的誤差，所以不采用，一般采用IRIG-B、IEEE1588對時方式。智能站合并單元(間隔層)一般采用IRIG-B對時，過程層和站控層一般采用IEEE1588對時。

IRIG-B時間標(biāo)準(zhǔn)稱為B碼對時標(biāo)準(zhǔn)，時幀速率為1幀/s。B碼對時的特點：攜帶信息量大，高分辨率，接口標(biāo)準(zhǔn)化，國際通用等特點。IRIG-B(DC)的同步對時精度為幾十納秒，時間編碼30位：天—10位、時—6位、分—7位、秒—7位，接口采用TTL、RS422、光口等。

IEEE1588全稱“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)時鐘與主控機的主時鐘實現(xiàn)同步。IEEE1588對時的特點：無需專用的對時線和接口，利用以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)線傳送時鐘信號，校準(zhǔn)過程安全可靠。

智能站合并單元（間隔層）一般采用IRIG-B對時，使用站內(nèi)統(tǒng)一對時裝置進行對時，誤差的差異性基本一致，因此IRIG-B信號傳輸延時的差異性和不確定性造成的誤差較小。

2 采樣延時及補償

合并單元將電流電壓模擬量進行同步采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字量傳輸至保護裝置等過程會產(chǎn)生時延，采樣延時的長短將影響保護整組動作的時間；各模擬量采樣的不同步或延時的差異將造成時間、相位的差別，影響保護的正確測量、判別和動作。

同一合并單元裝置采樣的各模擬量的同步性和延時差異性相同，只影響保護整組動作時間，不會對保護的測量、判別和動作產(chǎn)生影響；不同合并單元采樣(如母線差動保護)或合并單元級聯(lián)(如母線電壓合并單元與間隔合并單元級聯(lián))的情況，各合并單元對各組模擬量產(chǎn)生的采樣延時不相等，造成各組模擬量相位的差別，可能造成母線差動保護差流不為零，距離保護的阻抗元件測量阻抗不正確。

下面以母線差動保護和間隔保護采樣為例進行分析。

2.1 采樣延時分析

采樣過程包括：同步采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、計算處理、發(fā)送、接收等過程。各過程延時分析如下。

2.1.1 模擬量傳輸過程

Δtm：模擬量傳輸延時。

目前采用常規(guī)互感器，傳輸速度為光速，各模擬量延時較小且相同，實時性好，與常規(guī)保護相同，不考慮影響。若采用電子式互感器，各互感器采樣延時有差別，目前不采用電子互感器，不做分析。

2.1.2 合并單元采樣

Δtm1：信號調(diào)理延時。折算至模擬量傳輸延時Δtm。

ΔtA/D：A/D采樣延時。采樣原理不同，有較小的不同。

ΔtD：數(shù)據(jù)重采樣延時。合并單元級聯(lián)時進行重新采樣。

Δtmu1：數(shù)據(jù)接收延時。

Δtmu2：數(shù)據(jù)處理延時。不同處理方法有較大差別。

Δtmu3：數(shù)據(jù)發(fā)送延時。包括數(shù)據(jù)編碼、整形和發(fā)送延時。

2.1.3 保護裝置接收

ΔtIED：保護裝置進行同一接收處理，差別小。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程

Δtst：交換機打包延時。報文大小不同延時不同。

Δtsm：報文發(fā)送延時。與網(wǎng)速、路徑以及報文大小有關(guān)。

Δtp：報文傳播延時。與網(wǎng)速、路徑以及報文大小有關(guān)。

Δtq：報文排隊延時。延時不確定。

通過以上分析，得出以下結(jié)論。

a）模擬量傳輸?shù)膶崟r性好，Δtm、Δtm1不考慮。

b）合并單元的延時差異較大的有 Δtmu1、Δtmu2、Δtmu3，差異較小的有ΔtA/D、ΔtD，合并單元的延時由合并單元測得傳輸至下一級裝置進行補償，但實際IEC61850-9-2規(guī)約報文中傳輸時延為固定給定值，實際傳輸時延值要小于報文中傳輸時延。

c）保護裝置接收延時ΔtIED影響相同不考慮，延時產(chǎn)生的差異為前過程產(chǎn)生，對其進行補償。

d）采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸延時Δtst、Δtsm、Δtp、Δtq的不確定性和不可測量，無法進行補償，目前采用直連方式。

2.2 母線差動保護

各間隔合并單元將采集到的數(shù)據(jù)采用直連方式傳輸至母線差動保護，示意圖如圖1所示。

圖1 母線差動保護采集示意圖

Δt1=Δtm+Δtm1,同模擬量傳輸，實時性不好考慮;Δt2=ΔtA/D+Δtmu2+Δtmu3。若各間隔合并單元為同一型號，則Δt2相同；若各間隔合并單元為不同型號，則Δt2不相同，按IEC 61850-9-2規(guī)約報文中傳輸時延為固定給定值下級設(shè)備進行補償；Δt3為Δtmu3的一部分不確定延時——傳輸延時，采用直連方式差別較小。

母線差動保護采樣延時的主要影響為Δt2，但IEC61850-9-2規(guī)約報文中傳輸時延為固定給定值與實際傳輸時延值存在差別，影響各組數(shù)據(jù)的相位，若采用不同型號合并單元誤差將更大。

2.3 間隔保護

間隔單元的三相電流和線路電壓，由同一合并單元采集，同步延時差異?。荒妇€電壓由母線電壓合并單元采集級連至間隔合并單元進行重采樣處理，傳送至保護裝置，如圖2所示。

合并單元級連產(chǎn)生不同步和延時差。

2.3.1 母線電壓合并單元延時

ΔtPT=ΔtA/D+Δtmu2+Δtmu3

圖2 母線電壓合并單元與間隔合并單元級連示意圖

ΔtPT與母線電壓合并單元IEC 61850-9-2報文設(shè)定傳輸延時存在差值。

2.3.2 間隔合并單元延時

ΔtL=ΔtA/D+Δtmu2+Δtmu3+Δtmu1

間隔合并單元接收到母線電壓合并單元傳輸?shù)男盘?，按IEC 61850-9-2報文的給定傳輸延時進行補償與本間隔單元數(shù)據(jù)進行重采樣。由于實際ΔtPT與給定的傳輸延時補償值存在差別，造成母線電壓與間隔采集量不同步出現(xiàn)相位差。

3 現(xiàn)場實際案例

在智能變電站的采集系統(tǒng)中，采用光纖直連方式，母線電壓合并單元級連至各間隔合并單元。實際測量中發(fā)現(xiàn)兩個不同廠家合并單元級連時，造成變壓器高、中側(cè)電壓以及線路保護、錄波器測量到母線電壓與線路電壓相位差6度，理論值應(yīng)為0度。

分析原因：廠家A母線電壓合并單元IEC 61850-9-2報文傳輸延時給定值為1 500μs級連至廠家B間隔合并單元，廠家B并沒有按1 500μs進行補償，而是按750μs進行補償；之后廠家B按1 500μs進行補償，電壓相位差變?yōu)?2度。由于IEC 61850-9-2報文中給定傳輸延時1 500μs與實際傳輸延時ΔtPT存在差值，通過計算得出：

Δt=（相位差度數(shù)）×（一個周波時間）÷（360°） =6×20÷360=0.333 ms。

將廠家B按750μs+333μs=1083μs≈1000μs進行補償后，電壓相位相同。1 000μs為兩個廠家合并單元級連的綜合延時差。

4 存在問題及建議

由于合并單元采樣存在不同的延時，造成各合并單元存在不同步情況；IEC 61850-9-2報文中給定傳輸延時與實際傳輸延時ΔtPT存在差值，造成不同廠家的合并單元之間不同步現(xiàn)象嚴(yán)重。

4.1 存在問題

a）合并單元傳輸延時為給定值，不是實際傳輸延時，兩者之間存在差值。

b）接收IED設(shè)備進行傳輸延時補償不能按實際傳輸延時分別補償。

c）實際調(diào)試、運行中可以對同相位的量進行檢查和調(diào)整，對于相位不確定的量無法檢查、校核和調(diào)整。

4.2 建議

a）盡可能采用同一型號合并單元。

b）設(shè)備間采用直連方式，不采用網(wǎng)絡(luò)方式。c）盡可能不采用合并單元級連的方式。

d）對合并單元傳輸延時進行實測，用實測的傳輸延時進行補償。

e）對采集系統(tǒng)各采集量進行“延時—相位”檢查試驗，進行適當(dāng)?shù)匮a償調(diào)整。