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