朱 明 瞿 萍

（國(guó)電南京自動(dòng)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(shí)現(xiàn)過程層數(shù)字采樣，具有簡(jiǎn)化二次接線、提高測(cè)量精度、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)核心問題。IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)試圖通過對(duì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸方案試圖解決過程層數(shù)字化通信對(duì)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(shì)，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(gè)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(jiǎn)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(gè)遠(yuǎn)端傳感模塊的采樣數(shù)據(jù)，通過合理的時(shí)間同步機(jī)制和采樣時(shí)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(shí)將采樣報(bào)文發(fā)出[3-4]。IED 接收多個(gè)MU 的采樣報(bào)文，并完成多個(gè)MU 的采樣插值同步，然后由保護(hù)/測(cè)量模塊完成保護(hù)/測(cè)量功能。

圖1 采樣值傳輸轉(zhuǎn)換過程

由此，某一時(shí)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(gè)延遲時(shí)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(hào)、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(shí)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(shí)現(xiàn)MU 與IED 之間的采樣值傳輸。

其具體實(shí)施方案是：①M(fèi)U 與IED 都接入同一個(gè)同步源網(wǎng)絡(luò)，同步設(shè)備以固定1S 的時(shí)間間隔發(fā)送同步脈沖；②同步脈沖發(fā)生時(shí)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(shí)間間隔發(fā)送采樣值信息。

MU 以采樣計(jì)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?jī)蓭蓸又祱?bào)文的時(shí)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(gè)MU 采樣值的Syn 與SmpCnt 信息來確定采樣值的實(shí)際采樣時(shí)間，以T0標(biāo)記同步脈沖的發(fā)生時(shí)刻，每個(gè)帶有Syn 標(biāo)志的采樣值的實(shí)際采樣時(shí)間為TSmpCnt=T0+ SmpCnt/SmpRate × 1s 。

IED 根據(jù)每個(gè)帶有Syn 標(biāo)志的采樣值信息還原出每幀采樣報(bào)文對(duì)應(yīng)的實(shí)際采樣時(shí)刻，即可通過使用相鄰時(shí)刻的采樣值數(shù)據(jù)軟件插值算法[6-7]得到任意時(shí)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(bào)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(bào)文都能到達(dá)，在插值計(jì)算時(shí)須滯后同步源一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的延遲時(shí)間。該延遲時(shí)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(gè)最大可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲時(shí)間Max(te)。

標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)采樣值傳輸?shù)姆桨?，IED 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(hào)后，IED 將無法實(shí)現(xiàn)跨間隔的采樣同步，二次設(shè)備也就無法實(shí)現(xiàn)差動(dòng)運(yùn)算，這將導(dǎo)致變電站降級(jí)運(yùn)行；同樣一些保護(hù)設(shè)備失去同步信號(hào)后，也會(huì)導(dǎo)致一些光纖差動(dòng)保護(hù)退出運(yùn)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(duì)同步源的過分依賴，在總體上降低了數(shù)字化變電站運(yùn)行的可靠性。

2.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸

采樣值的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸是對(duì)組網(wǎng)傳輸方案的一個(gè)改進(jìn)，其目的是解決組網(wǎng)方案下對(duì)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(shí)施方案是：①M(fèi)U 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(shí)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(gè)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(hào)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(shí)可表示為te=D/kc[5]，考慮光信號(hào)具有極高的傳輸速率，te可忽略不計(jì)。

假設(shè)IED 具有兩個(gè)功能：①能夠獲取采樣值到達(dá)IED 的準(zhǔn)確時(shí)間tR，②能夠獲取每個(gè)MU 的互感器額定延遲時(shí)間td。在采樣值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案中，從采樣信號(hào)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(shí)間精確推斷出實(shí)際的采樣時(shí)間tS，即tS=t R-t d-t e≈t R-td。

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

圖3 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案下的采樣值同步

由此，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)所需要的不同MU 的采樣值報(bào)文都能到達(dá)IED，IED 的插值計(jì)算仍需一個(gè)滯后的延遲時(shí)間。該延遲時(shí)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(shí)間Max(te)之和。由于Max(te)可忽略不計(jì)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案所需最大的延遲時(shí)間僅為 Max(td)，與標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)傳輸方案相比，其計(jì)算延遲時(shí)間更短，能夠使二次保護(hù)設(shè)備具有更快的動(dòng)作時(shí)間。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案由于采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖通信方式，其過程層通信報(bào)文無法準(zhǔn)確地記錄監(jiān)視，給電站運(yùn)維管理帶來不便。

3 不依賴MU 同步的網(wǎng)絡(luò)化方案

針對(duì)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(shí)現(xiàn)方式是：①使用一種特殊的交換機(jī)（下文簡(jiǎn)稱“記時(shí)交換機(jī)”）實(shí)現(xiàn)采樣值的網(wǎng)絡(luò)傳輸：記時(shí)交換機(jī)統(tǒng)計(jì)每幀采樣值報(bào)文在本機(jī)內(nèi)部的延遲時(shí)間，并將延遲時(shí)間以累加的方式記錄到采樣值報(bào)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(shí)間；③IED設(shè)備根據(jù)采樣值到達(dá)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的互感器額定延遲時(shí)間、交互網(wǎng)絡(luò)總的延遲時(shí)間，還原出其原始采樣時(shí)刻，最終實(shí)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(bào)文從MU 發(fā)出，經(jīng)n個(gè)記時(shí)交換機(jī)最終到達(dá)IED 所經(jīng)歷的總延遲時(shí)間為

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

記時(shí)交換機(jī)記錄下每幀采樣值報(bào)文到達(dá)tIn與離開該交換機(jī)時(shí)間tOut，以tOut-tIn計(jì)算得出報(bào)文在本機(jī)中的延遲時(shí)間，并將該延遲時(shí)間以累加的方式寫入到采樣值報(bào)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(shí)間tR，并根據(jù)采樣值報(bào)文中記錄的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間tNd，以及互感器額定延遲時(shí)間td，并忽略光纖的傳輸延遲，就可以精確推斷出實(shí)際的采樣時(shí)刻tS，即tS=tR-td-tNd。

IED 由此可以用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案相同的方法，推算出不同MU 的每幀采樣報(bào)文的采樣時(shí)刻，完成跨間隔采樣值的同步計(jì)算，其實(shí)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(duì)交換機(jī)的性能要求較高，為測(cè)試交換機(jī)的延遲性能及時(shí)間精度特性，設(shè)計(jì)測(cè)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(bào)文實(shí)際到達(dá)IED 的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)交換機(jī)的交換轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間和延遲時(shí)間的精度信息，并統(tǒng)計(jì)交換機(jī)記錄的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)精度。此測(cè)試結(jié)果見表1。

測(cè)試結(jié)果表明：交換機(jī)通過千兆級(jí)聯(lián)，其每級(jí)計(jì)時(shí)交換機(jī)的延遲時(shí)間大約是50μs 的級(jí)別；時(shí)標(biāo)精度與級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)成反比，級(jí)聯(lián)數(shù)增加，其時(shí)標(biāo)的精度會(huì)以每級(jí)100ns 的精度誤差下降；在不大于3 級(jí)級(jí)聯(lián)的情況下，計(jì)時(shí)交換機(jī)記錄延遲時(shí)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(jí)時(shí)鐘傳輸精度小于±200ns[10]的要求。

表1 交換機(jī)性能統(tǒng)計(jì)表

在實(shí)際運(yùn)行中，數(shù)字化、智能化變電站過程層網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)一般不會(huì)超過3 級(jí)，該方案下的時(shí)間精度誤差最大不超過250ns，完全滿足IEC 61850 9-2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(bào)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(duì)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(shí)，犧牲了一些保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，卻為過程層數(shù)字化采樣的運(yùn)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(shí)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(shí)，該方案也避免了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案造成系統(tǒng)過程層采樣運(yùn)維不方便的問題。

不可否認(rèn)，該方案對(duì)交換機(jī)的要求比傳統(tǒng)組網(wǎng)方案要高，在保護(hù)動(dòng)作快速性上比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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?shí)時(shí)性，提高了變電站運(yùn)行可靠性，且運(yùn)維方便，因此在智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的實(shí)際應(yīng)用中具有很好的應(yīng)用前景。

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