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        基于延時(shí)記錄的數(shù)字化采樣傳輸新方案

        2015-06-06 11:42:08朱明
        綜合智慧能源 2015年8期

        朱明

        (國電南京自動化股份有限公司,南京 210032)

        基于延時(shí)記錄的數(shù)字化采樣傳輸新方案

        朱明

        (國電南京自動化股份有限公司,南京 210032)

        IEC 61850傳統(tǒng)組網(wǎng)方式存在同步源依賴,可靠性低。點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方案雖解決了同步依賴問題,但過程層數(shù)據(jù)不能共享,數(shù)字化站可維護(hù)性降低。提出利用具有延時(shí)記錄功能的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆桨福ㄟ^采樣報(bào)文直連與網(wǎng)絡(luò)傳輸比對、網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)變化、網(wǎng)絡(luò)流量干擾等方法驗(yàn)證該方案,對采樣值網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能、交換機(jī)延時(shí)記錄精度等特性進(jìn)行測試,在三級級聯(lián)且網(wǎng)絡(luò)基本滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下,報(bào)文最大延時(shí)小于1ms,若選擇千兆級聯(lián)組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于500 μs,網(wǎng)絡(luò)延時(shí)精度小于250ns,完全滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對過程層采樣同步精度小于1μs的要求,該方案在解決跨間隔采樣對同步源的依賴問題的同時(shí)具備了與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)性,并通過延時(shí)插值同步算法、解決采樣報(bào)文Reserved字段沖突等改進(jìn)措施提高了方案的可靠性,使其在智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的實(shí)際應(yīng)用中具有更好的應(yīng)用前景。

        IEC 61850;網(wǎng)絡(luò)延時(shí);延時(shí)精度;過程層;采樣同步

        0 引言

        IEC 61850通過數(shù)字化通信實(shí)現(xiàn)過程層數(shù)字采樣,取代了傳統(tǒng)過程層使用大量電纜傳輸采樣數(shù)據(jù)的方式,具有二次接線簡單、測量精度高、數(shù)據(jù)可共享等優(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]。

        IEC 61850推薦的標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)傳輸方案完全依賴于采樣同步網(wǎng)絡(luò),一旦丟失同步信號將無法實(shí)現(xiàn)跨間隔的采樣同步,二次設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)差動運(yùn)算,導(dǎo)致光纖差動保護(hù)退出運(yùn)行,變電站降級運(yùn)行。盡管可通過通信冗余措施增強(qiáng)其可靠性,但標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)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(yùn)行的可靠性。

        點(diǎn)對點(diǎn)采樣值傳輸方案雖然解決了同步源依賴問題,但點(diǎn)對點(diǎn)的光纖接線方式要求二次設(shè)備提供更多的光口,不僅增加了成本,導(dǎo)致二次接線復(fù)雜,還損失了數(shù)據(jù)共享優(yōu)勢,無法準(zhǔn)確記錄、監(jiān)視過程層通信報(bào)文,降低了數(shù)字化變電站的可維護(hù)性。

        因此,提高采樣同步的可靠性、簡化工程實(shí)施過程、提高數(shù)字化站可維護(hù)性,成為數(shù)字化采樣工程最關(guān)注的核心問題。

        1 基于交換機(jī)延時(shí)記錄的采樣傳輸新方案

        為解決組網(wǎng)方案下跨間隔采樣依賴合并單元(MU)同步的問題,出現(xiàn)了基于交換機(jī)延時(shí)記錄的過程層數(shù)字化采樣傳輸,實(shí)現(xiàn)不依賴同步源的跨間隔采樣同步計(jì)算新方案。

        新方案通過特殊網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)統(tǒng)計(jì)每幀采樣值報(bào)文在交換網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間并記錄到采樣值報(bào)文的Reserved字段[2],實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)可追溯。根據(jù)采樣值到達(dá)智能電子設(shè)備(IED)的精確時(shí)間、相應(yīng)的互感器額定延時(shí)和交換網(wǎng)絡(luò)總延時(shí),還原出原始采樣時(shí)刻,最終實(shí)現(xiàn)不依賴同步源的跨間隔采樣值同步。

        新方案從原理上能解決目前跨間隔采樣值組網(wǎng)帶來的同步依賴問題,同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣值傳輸,具有網(wǎng)絡(luò)傳輸所具有的數(shù)據(jù)共享、接線簡單、可維護(hù)性高的優(yōu)點(diǎn)。由于該方案對硬件提出了更高要求,在不同組網(wǎng)級聯(lián)下交換機(jī)延時(shí)標(biāo)記是否能滿足精度和動作要求,能否承受網(wǎng)絡(luò)流量干擾,其可靠性和實(shí)用性有待進(jìn)一步測試和工程驗(yàn)證。

        2 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)統(tǒng)計(jì)與記錄

        新方案的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)MU組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同,均采用了目前常見的兩級級聯(lián)的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單間隔設(shè)備在本間隔交換機(jī)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù),跨間隔設(shè)備采用級聯(lián)的方式傳輸數(shù)據(jù),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 不依賴MU同步的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案

        網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的延時(shí)記錄,通過高精度時(shí)間測量硬件,如現(xiàn)場編程門列陣(FPGA),對報(bào)文在交換網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)并記錄到采樣報(bào)文中,實(shí)現(xiàn)過程如下。

        (1)單一交換機(jī)能夠精確記錄下每幀采樣報(bào)文進(jìn)入交換機(jī)某一端口和離開交換機(jī)另一端口的時(shí)間,分別記為tin和tout,則采樣值在交換機(jī)內(nèi)的交換延時(shí)為ts=tout-tin;通過FPGA等硬件將采樣值在交換機(jī)內(nèi)的交換延時(shí)ts以累加的方式記錄到采樣報(bào)文的Reserved字段中,并立即將采樣報(bào)文發(fā)送出交換機(jī)端口。交換機(jī)統(tǒng)計(jì)和記錄延時(shí)的過程如圖2所示。

        圖2 交換機(jī)統(tǒng)計(jì)并記錄延時(shí)

        (2)在多級交換機(jī)級聯(lián)的組網(wǎng)方案中,采樣報(bào)文從MU發(fā)出,經(jīng)過n個(gè)交換機(jī)最終到達(dá)IED所經(jīng)歷的延遲時(shí)間為

        式中:tsi和tfi分別為采樣報(bào)文在交換機(jī)和光纖中的傳輸時(shí)間。

        信號在光纖中的傳輸時(shí)間,取決于鏈路的物理特性和傳播距離。若傳輸距離為D,光速為c,傳輸介質(zhì)修正系數(shù)為k(同軸電纜中k約為0.65),傳播延時(shí)可表示為D/(kc)[3],考慮光信號具有極高的傳輸速率,在光纖傳輸距離比較短的情況下,其延遲時(shí)間tfi可忽略不計(jì)。由此,交換網(wǎng)絡(luò)的總延遲時(shí)間可標(biāo)記為

        n個(gè)交換機(jī)的多級網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)tnd會被累計(jì)記錄到采樣報(bào)文的Reserved字段,采樣報(bào)文經(jīng)過多級網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)統(tǒng)計(jì)與記錄如圖3所示[2]。

        3 交換機(jī)延時(shí)特性驗(yàn)證

        基于交換機(jī)延時(shí)記錄的過程層數(shù)字化采樣傳輸方案對交換機(jī)的性能提出了更高的要求,對此交換機(jī)的延時(shí)性能、延時(shí)精度等做了進(jìn)一步的測試(測試組網(wǎng)方案如圖4所示),測試要點(diǎn)主要有4方面。

        (1)MU1同時(shí)發(fā)送出2幀標(biāo)志為最高網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級的采樣報(bào)文,且由硬件保證發(fā)送的絕對同步性。

        圖3 多級網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)統(tǒng)計(jì)與記錄

        圖4 網(wǎng)絡(luò)傳輸方案性能測試

        (2)其中一路采樣報(bào)文經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絀ED。組網(wǎng)方案分為單臺交換機(jī)、多臺交換機(jī)兩級級聯(lián)和三級級聯(lián)組網(wǎng)。級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)又分為百兆級聯(lián)與千兆級聯(lián);另一路采樣報(bào)文通過光纖直接鏈接到IED。

        (3)IED分別記錄2路采樣報(bào)文的到達(dá)時(shí)間,以此對比交換網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

        (4)通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備向交換機(jī)注入組播干擾流量,再次對比交換網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性。

        在試驗(yàn)中,被測試MU的采樣率為4 000點(diǎn)/s,包含24通道采樣數(shù)據(jù),其網(wǎng)絡(luò)平均流量為8.03 Mb/s左右。為模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)最大負(fù)載情況下的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文延時(shí)特性,試驗(yàn)對測試網(wǎng)絡(luò)加入了大流量的組播背景流量,并進(jìn)行進(jìn)一步測試。

        考慮百兆交換機(jī)的最大交換能力,實(shí)際加入網(wǎng)絡(luò)的背景流量為90Mb/s,即試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行流量為98.03Mb/s,基本接近百兆交換機(jī)的交換極限。為更加接近實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況,干擾流量以平均分配的方式注入每一級交換機(jī)中。以三級級聯(lián)為例,每級交換機(jī)注入30Mb/s流量。

        3.1 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能測試

        根據(jù)測試方案,分別進(jìn)行無網(wǎng)絡(luò)流量干擾和注入網(wǎng)絡(luò)流量干擾,對交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲性能進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),測試數(shù)據(jù)見表1。

        由表1可知,在沒有網(wǎng)絡(luò)流量干擾的情況下,百兆級聯(lián)交換網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間與交換機(jī)的級聯(lián)個(gè)數(shù)基本成正比關(guān)系。在千兆級聯(lián)的情況下,延遲時(shí)間與交換機(jī)級聯(lián)個(gè)數(shù)基本呈線性關(guān)系。

        表1 交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測試 μs

        加入干擾流量后交換機(jī)的最大延遲時(shí)間呈現(xiàn)大幅增加;千兆級聯(lián)的交換網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間大大低于百兆網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的延遲時(shí)間。但即使在三級百兆級聯(lián)的情況下,其最大延遲時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1ms。

        3.2 網(wǎng)絡(luò)延時(shí)精度測試

        根據(jù)測試方案,通過直連光纖到達(dá)IED的采樣報(bào)文達(dá)到時(shí)間記作tptp,通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的采樣報(bào)文時(shí)間記作tnet。假定IED對接收到的采樣報(bào)文記錄時(shí)間非常準(zhǔn)確,且忽略光纖傳輸延時(shí),則采樣報(bào)文的發(fā)送時(shí)間tsend與直連、組網(wǎng)接收采樣報(bào)文時(shí)間的關(guān)系為

        本文以tptp-tnet-tnd的方法統(tǒng)計(jì)交換機(jī)記錄的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)tnd的精度,同時(shí)統(tǒng)計(jì)在交換網(wǎng)絡(luò)注入風(fēng)暴流量時(shí)其網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的精度,測試數(shù)據(jù)見表2。

        由表2可以看出,在不大于3級級聯(lián)的情況下,其記錄延遲時(shí)標(biāo)的平均精度與IEEE 1588—2008[4]同步精度相當(dāng),滿足智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)單級時(shí)傳輸精度小于±200 ns[5]的要求。

        由表2還可以看出,時(shí)標(biāo)精度與級聯(lián)的級數(shù)成反比,且與級聯(lián)方式無關(guān),級聯(lián)數(shù)越多,其時(shí)標(biāo)的精度就會以每級100 ns的精度誤差下降。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)級聯(lián)一般不會超過3級,該方案下的時(shí)間精度誤差最大不超過250 ns,完全滿足IEC 61850-9-2—2004標(biāo)準(zhǔn)對過程層采樣同步精度小于1μs要求[6-7]。

        3.3 驗(yàn)證結(jié)論

        經(jīng)過測試驗(yàn)證,基于交換機(jī)延時(shí)記錄的不依賴MU同步的采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸方案,在只考慮三級級聯(lián)且網(wǎng)絡(luò)基本滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下,報(bào)文的最大延遲時(shí)間小于1ms。若選擇千兆級聯(lián)進(jìn)行組網(wǎng),其網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于500μs,其網(wǎng)絡(luò)延時(shí)統(tǒng)計(jì)誤差不超過250 ns。在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能上與常規(guī)組網(wǎng)方案基本相當(dāng),在時(shí)間精度上雖比點(diǎn)對點(diǎn)方案略差,但完全滿足數(shù)字化變電站采樣同步的需求。

        4 方案的改進(jìn)與完善

        根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,實(shí)際工程實(shí)施中可以通過一些技術(shù)手段進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體性能,并能夠適應(yīng)未來標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的需求。

        4.1 優(yōu)先傳輸機(jī)制與延時(shí)插值

        基于交換機(jī)延時(shí)記錄的采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸方案可不依賴于MU同步,實(shí)現(xiàn)跨間隔采樣同步計(jì)算,采樣報(bào)文的傳輸應(yīng)明確啟用IEEE 802.1Q協(xié)議中的優(yōu)先級傳輸機(jī)制,將采樣報(bào)文的優(yōu)先級設(shè)置為最高,并以千兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)組網(wǎng),以此進(jìn)一步提高采樣傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與保護(hù)動作的快速性。

        為避免二次設(shè)備在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)異常的情況下采樣同步失效,保證同步時(shí)所有MU的采樣值報(bào)文通過網(wǎng)絡(luò)傳輸都能到達(dá)IED,在采樣報(bào)文還原前,IED需增加1個(gè)相對固定的延時(shí),以進(jìn)一步提高采樣同步計(jì)算的可靠性。

        以Max(tg)和Max(tnd)分別標(biāo)記所接收MU中的最大互感器延時(shí)和最大網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。其中,Max(tg)受MU性能影響,Max(tnd)受網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的影響。插值的固定延時(shí)應(yīng)不小于以Max(tg)+ Max(tnd),且插值固定延遲的設(shè)定越接近該理論數(shù)值,保護(hù)動作的快速性越能得到保證。

        4.2 Reserved字段沖突解決

        基于交換機(jī)延時(shí)記錄的采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸方案,將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)記錄到了IEC 61850-9-2—2004報(bào)文的Reserved字段。隨著數(shù)字化工程應(yīng)用的推廣,IEC 61850-9-2—2011的Edition 2.0版本被廣泛解讀。其中,新增了對Reserved字段部分內(nèi)容用來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)傳輸安全性的內(nèi)容[8-9],使方案在報(bào)文字段上與IEC 61850-9-2—2011(Edition 2.0)定義存在沖突。

        在后續(xù)實(shí)施中,參考IEC 61850-9-2—2011(Edition 2.0)中引用的PRP/HSR[10]的實(shí)施方案,即在標(biāo)準(zhǔn)采樣報(bào)文中創(chuàng)建一個(gè)擴(kuò)展的能存放該延時(shí)數(shù)據(jù)的特定字段,避免使用Reserved字段帶來的沖突問題。

        5 結(jié)論

        基于交換機(jī)延時(shí)記錄的過程層數(shù)字化采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸,以交換機(jī)記錄網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)為基礎(chǔ),依賴互感器具有固定采樣延遲特性,通過插值的方式解決了不依賴MU同步的跨間隔采樣值同步。該方案通過組網(wǎng)簡化了二次接線,過程層采樣報(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,為事故追憶和分析提供可靠的第三方監(jiān)視信息,兼顧了數(shù)字化變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)的可維護(hù)性。

        經(jīng)測試驗(yàn)證,相比傳統(tǒng)組網(wǎng)傳輸方案,該方案雖然有一定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí),犧牲了一些保護(hù)動作時(shí)間,但網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能與常規(guī)組網(wǎng)方案相當(dāng),時(shí)間精度完全滿足數(shù)字化變電站采樣同步的需求。最高優(yōu)先級的虛擬局域網(wǎng)(Vlan)協(xié)議傳輸和延時(shí)同步插值計(jì)算措施可進(jìn)一步提高方案的可靠性,若能夠避免與IEC 61850—2004字段占用沖突,在智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的實(shí)際應(yīng)用中將具有很好的應(yīng)用前景。

        [1]高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2008.

        [2]朱明,瞿萍.一種不依賴MU同步的采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸方案[J].電氣技術(shù),2014(11):62-65.

        [3]黃燦,肖馳夫.智能變電站中采樣值傳輸延時(shí)的處理[J].電網(wǎng)技術(shù),2011(1):5-10.

        [4]IEEE 1588—2008 IEEE standard for a precision clock synchronization protocal for networked measurement and control systems[S].

        [5]Q/GDW 429—2010智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)規(guī)范[S].

        [6]IEC 61850—2004 Communication networks and system in substation—part9-2:Specific communication servicemapping(SCSM)sampled values over ISO/IEC 8802-3[S].

        [7]王立輝,許揚(yáng).數(shù)字化變電站過程層采樣值時(shí)間同步性分析及應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備,2010(8):37-40.

        [8]IEC/TS 62351—2007 Power systemsmanagement and associated information exchange-Data and communications security Part6:Security for IEC 61850[S].

        [9]IEC/TC57 IEC 61850—2011 Communication networks and system in substation Part9-2:Specific communication servicemapping(SCSM)sampled values over ISO/IEC 8802-3.Edition 2.0[S].

        [10]IEC 62439—2012 Industrial communication networks-High availability automation networks Part 3:Parallel redundancy protocol(PRP)and high-availability seam less redundancy(HSR)[S].

        (本文責(zé)編:弋洋)

        TM 769

        A

        1674-1951(2015)08-0022-04

        朱明(1978—),女,江蘇海門人,工程師,信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師(高級),工學(xué)碩士,從事電力系統(tǒng)自動化和熱工自控方面的工作(E-mail:ming-zhu@sac-china.com)。

        2015-01-13;

        2015-07-15

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