李大鵬

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

隨著數(shù)字化變電站的發(fā)展，GOOSE，SAV 在變電站過程層中的廣泛應(yīng)用，信號、模擬量的時(shí)標(biāo)精度非常重要。變電站對時(shí)主鐘裝置設(shè)備如果狀態(tài)異常，GOOSE，SAV 報(bào)文時(shí)標(biāo)精度會超過規(guī)定范圍，引起變電站保護(hù)、測控設(shè)備邏輯判斷錯(cuò)誤，從而可能導(dǎo)致跳閘事故等情況發(fā)生。如何快速發(fā)現(xiàn)變電站時(shí)鐘裝置故障是智能變電站急需解決的問題。

變電站對時(shí)裝置技術(shù)發(fā)展已有幾十年時(shí)間，而大部分研究在于高精度時(shí)間測試技術(shù)，高精度守時(shí)技術(shù)，授時(shí)方式靈活性方面[1-3]?，F(xiàn)有對時(shí)系統(tǒng)通信尚沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)盡管采用了國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但這些協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)語義定義中沒有對時(shí)的定義。各廠家都自行進(jìn)行了擴(kuò)展，而且互不相容。

本文分析了對時(shí)裝置的數(shù)據(jù)需求，提出了對時(shí)設(shè)備的數(shù)據(jù)模型來描述對時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并介紹了基于ΙEC61850 標(biāo)準(zhǔn)為對時(shí)裝置建立了信息模型，以實(shí)現(xiàn)不同廠家之間的設(shè)備互連互通和監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)。

1 變電站時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能變電站時(shí)鐘同步系統(tǒng)由時(shí)鐘源，主時(shí)鐘，時(shí)鐘信號傳輸通道，時(shí)鐘信號接口，被授時(shí)裝置組成，如圖1所示。變電站時(shí)鐘主鐘裝置將時(shí)間同步給變電站內(nèi)的保護(hù)裝置，測控裝置，錄波裝置等。

圖1 變電站時(shí)鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過時(shí)鐘裝置同步變電站時(shí)鐘，可為系統(tǒng)故障分析和處理提供準(zhǔn)確的時(shí)間依據(jù)；時(shí)鐘同步是提供電網(wǎng)綜合自動化水平的必要技術(shù)手段；電子式互感器的應(yīng)用，時(shí)鐘同步是保證同步采樣的基礎(chǔ)；數(shù)字化變電站采用分布式采集，由合并單元輸出的數(shù)字采樣信號中必須含有時(shí)間信息。各合并單元輸出的電壓、電流信號必須嚴(yán)格同步，否則將直接影響保護(hù)動作的正確性，甚至在失去同步時(shí)要退出相應(yīng)的保護(hù)。

所以，智能變電站內(nèi)時(shí)鐘主從時(shí)鐘裝置工作狀態(tài)和輸出時(shí)鐘準(zhǔn)確性直接關(guān)系的高壓保護(hù)設(shè)備保護(hù)動作的正確性，直接關(guān)系著電網(wǎng)綜合自動化水平的高低。所以時(shí)鐘裝置的工作狀態(tài)非常重要，對其進(jìn)行監(jiān)視，是智能化變電站必須要做的工作。

隨著ΙEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的廣泛運(yùn)用，時(shí)鐘裝置通過MMS 傳輸時(shí)鐘裝置的測量以及狀態(tài)數(shù)據(jù)將成為必然。

2 智能變電站時(shí)鐘設(shè)備信息數(shù)據(jù)分析

智能變電站時(shí)鐘設(shè)備信息數(shù)據(jù)源有兩大類：對時(shí)狀態(tài)測量數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)。

2.1 對時(shí)狀態(tài)測量數(shù)據(jù)

對時(shí)狀態(tài)測量的方法有多種手段，基于分層管理，建設(shè)成本低，管理成本低，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，性能上至少保證SOE 記錄有效性的要求。傳統(tǒng)變電站、智能站的站控層采用NTP 測量時(shí)鐘差的方法作為對時(shí)狀態(tài)測量的手段，在智能變電站過程層采用GOOSE 時(shí)標(biāo)的方式作為對時(shí)狀態(tài)測量的手段，以期盡可能的利用現(xiàn)有資源。

1）站控層NTP 測量鐘差的原理

NTP 測量鐘差原理是基于網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議的對時(shí)過程是先測量兩地時(shí)鐘偏差再做修正。

具體的鐘差測量算法如圖2所示。

圖2 基于NTP 原理的鐘差測試原理

T0，T1，T2，T3為裝置時(shí)標(biāo)，⊿t為鐘差，NTP建立在網(wǎng)絡(luò)連路延遲對稱的假設(shè)上，因此

對時(shí)狀態(tài)測量核心工作原理是乒乓原理，通過問答時(shí)標(biāo)實(shí)現(xiàn)對傳輸延遲的補(bǔ)償，站內(nèi)被測設(shè)備只需要具備標(biāo)準(zhǔn)的NTP 服務(wù)，用一個(gè)需要單獨(dú)編寫的在線監(jiān)測采集端去輪流查詢這些被監(jiān)測設(shè)備即可獲取到全站的時(shí)鐘偏差，這些偏差數(shù)據(jù)再由標(biāo)準(zhǔn)的站內(nèi)通信協(xié)議上傳到變電站后臺，進(jìn)行統(tǒng)一的分析告警。

根據(jù)這種方案的監(jiān)測準(zhǔn)確度等于NTP 的對時(shí)準(zhǔn)確度，經(jīng)過實(shí)例驗(yàn)證，在變電站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下NTP 測量有效靈敏度為20ms。

經(jīng)過分析，狀態(tài)可歸納為以下三種類型（見表1）。

表1 狀態(tài)類型表

2）過程層GOOSE 測量鐘差的原理

對時(shí)狀態(tài)測量軟件集成在測控裝置內(nèi)，在需要輪詢時(shí)，測控裝置發(fā)起一個(gè)請求，在被測過程層設(shè)備上配置一個(gè)虛遙控點(diǎn)，被測設(shè)備收到后，返回一個(gè)虛遙信，通過測控裝置受到虛遙信時(shí)自身登記的時(shí)戳T2和返回 GOOSE 報(bào)文中的發(fā)出時(shí)戳T1，△t=T2-T1，該方法測量誤差等于網(wǎng)絡(luò)延遲，合格的監(jiān)控系統(tǒng)GOOSE 延遲在±4ms 以內(nèi)，因此該方法的測量靈敏度在10ms 級，如圖3所示。

圖3 GOOSE 測量鐘差的原理

請求返回的輪詢機(jī)制可保證測量的可靠性，當(dāng)請求超時(shí)無返回時(shí)可自動重發(fā)，并且管理權(quán)由對時(shí)狀態(tài)測量軟件控制，如測量對象，測量周期等，不易產(chǎn)生沖突。

2.2 設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)

設(shè)備狀態(tài)自檢是設(shè)備通過自身設(shè)計(jì)主動獲取對時(shí)工作狀態(tài)的手段，它發(fā)現(xiàn)故障較為快速和直接，但可發(fā)現(xiàn)的問題受到自檢設(shè)計(jì)的局限。系統(tǒng)/設(shè)備因具有以下基本狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)類型，以便實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的故障分析邏輯。

1）被授時(shí)系統(tǒng)/設(shè)備（見表2）

表2 被授時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)表

2）被授時(shí)系統(tǒng)/設(shè)備（見表3）

表3 被授時(shí)信號狀態(tài)表

3 時(shí)鐘裝置的IED 模型

3.1 IEC61850 的數(shù)據(jù)模型

ΙEC61850 是智能電網(wǎng)下的變電站設(shè)備建模和數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，其按功能劃分節(jié)點(diǎn)，用邏輯設(shè)備抽象物理設(shè)備。ΙEC61850 采用分層的對象模型，一個(gè)服務(wù)器（server）內(nèi)可以包含多個(gè)邏輯設(shè)備，一個(gè)邏輯設(shè)備由多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)組成，一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)數(shù)據(jù)對象，一個(gè)數(shù)據(jù)對象具有多個(gè)數(shù)據(jù)屬性。一個(gè)服務(wù)器必須提供一個(gè)或多個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)（server access point）。在通信網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)服務(wù)器就是一個(gè)功能節(jié)點(diǎn)，它能夠提供數(shù)據(jù)，或允許其他功能節(jié)點(diǎn)訪問它的資源。

3.2 時(shí)鐘設(shè)備功能分解

采用ΙEC61850 標(biāo)準(zhǔn)建立ΙED 的對象模型首先是對ΙED 的功能進(jìn)行定義，分解和分配。

針對變電站時(shí)鐘的功能要求和技術(shù)特點(diǎn)，可以將起分解為：對時(shí)測量功能，設(shè)備自檢狀態(tài)功能。

4 模型實(shí)現(xiàn)

4.1 LD（邏輯裝置）模型定義

時(shí)鐘裝置的各項(xiàng)功能可分為兩大類：一部分是裝置基本參數(shù)部分，主要涉及裝置自身的一些參數(shù)和設(shè)置，該功能模塊各廠家自行整理。另一部分為時(shí)鐘的測量功能，設(shè)備自檢等一些高級監(jiān)視功能，該部分功能各廠家監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基本相同。

如上所述，可以將時(shí)鐘裝置的模型劃分為基本功能LD0（實(shí)列名稱采用“LD0”）和高級應(yīng)用LD（名稱可采用“APPL”)。

4.2 基本功能LD0 中的LN 模型定義

1）裝置基本參數(shù)監(jiān)控LLN0 建模

將時(shí)鐘裝置的公用參數(shù)監(jiān)控防在基本性能LD 的LLN0[4-5]節(jié)點(diǎn)中，使模型簡潔且便于操作（見表4）。

表4 基本性能LLN0 類結(jié)構(gòu)

2）運(yùn)行告警LN 建模

為了便于管理也便于擴(kuò)展數(shù)據(jù)對象，將所有表示裝置基本性能的告警信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一放入基本性能LD0 的通用類型節(jié)點(diǎn)GGΙO[6-8]中，數(shù)據(jù)對象名統(tǒng)一采用“Alm”擴(kuò)展。LN 中的數(shù)據(jù)對象數(shù)量視時(shí)鐘裝置能 的告警信息數(shù)量而定。如果告警信息過多可分 入多個(gè)GGΙO 中（見表5）。

表5 時(shí)鐘裝置告警GGIO 類結(jié)構(gòu)

4.3 高級應(yīng)用LD 中的模型定義

在高級應(yīng)用LD中按照時(shí)鐘裝置主從關(guān)系分別擴(kuò)展了TSSM 邏輯節(jié)點(diǎn)。點(diǎn)具體意義在2.2 節(jié)有說明。

被授時(shí)系統(tǒng)/設(shè)備LN 定義DLT/860 擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)名稱為TSSM 見表6。

表6 被授時(shí)系統(tǒng)/設(shè)備LN 結(jié)構(gòu)

所有ALM 狀態(tài)均為雙點(diǎn)狀態(tài)信息，0 表示正常，1 表示告警。

授時(shí)系統(tǒng)/設(shè)備LN 定義DLT/860 擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)名稱為TSSM 見表7。

表7 授時(shí)系統(tǒng)/設(shè)備LN 結(jié)構(gòu)

所有ALM 狀態(tài)均為雙點(diǎn)狀態(tài)信息，0 表示正常，1 表示告警。

5 時(shí)鐘裝置IED 通信服務(wù)映射

時(shí)鐘應(yīng)用功能對實(shí)時(shí)性能的要求較低，所以ΙED 的通信服務(wù)主要采用客戶/服務(wù)器工作模式。支持應(yīng)用關(guān)聯(lián)（association），報(bào)告（report）等服務(wù)。時(shí)鐘ΙED 的訪問通過將邏輯節(jié)點(diǎn)下的相關(guān)數(shù)據(jù)對象組成數(shù)據(jù)集由客戶端利用服務(wù)檢索應(yīng)用數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)值來實(shí)現(xiàn)。其抽象通信服務(wù)模型如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘裝置MMS 通信抽象通信服務(wù)模型

上述時(shí)鐘ΙED 的抽象通信服務(wù)接口（ACSΙ）可映射到ΙEC61850-8-1 定義的制造報(bào)文規(guī)范（MMS）

對時(shí)ΙED 模型的SERVER 映射到MMS 的虛擬設(shè)備（VMD）；邏輯設(shè)備映射到 MMS 的域模型（domain）[9]；邏輯節(jié)點(diǎn)類。數(shù)據(jù)類。日志控制塊等都映射到MMS 的命名變量；數(shù)據(jù)集類映射到MMS的命名變量列表。

時(shí)鐘裝置有狀態(tài)變位或者告警信號時(shí)通過MMS 的報(bào)告方式來更新客戶端數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

在智能化變電站中，采用全站統(tǒng)一的ΙEC61850協(xié)議對時(shí)鐘主從裝置工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，必然將成為發(fā)展趨勢。而時(shí)鐘裝置建模工作是將時(shí)鐘裝置真正融合到智能變電站二次一體化監(jiān)控的基礎(chǔ)，對推動變電站二次一體化的建設(shè)有著重要的意義。

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