郭法安 易 婷

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)一二次設(shè)備數(shù)字化程度的提升以及計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)變電站已逐漸被基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站替代。智能變電站的顯著特點是能對一二次系統(tǒng)裝備的軟硬件功能進(jìn)行解析，將交流采樣插件、開入開出插件從傳統(tǒng)的保護、測控及自動化設(shè)備硬件中解放獨立出來，構(gòu)成新的合并單元（Merging Unit，MU）及智能終端，以便于變電站過程層的信息訂閱和發(fā)布。其中，MU作為新的交流量采集設(shè)備，將模擬量轉(zhuǎn)化為IEC61850-9-2數(shù)字量發(fā)送于過程層網(wǎng)絡(luò)，以供間隔層智能電子設(shè)備（Intelligent Electric Device，IED）訂閱，不同的保護、測控、自動化裝置依據(jù)自身的邏輯功能需求訂閱相關(guān)采樣值（Sampled Value，SV）虛端子［1］。

二次電纜為傳統(tǒng)變電站交流電流、電壓互感器的連續(xù)模擬量采集提供通道，常規(guī)保護、測控、自動化裝置運用1200～2400Hz的頻率進(jìn)行采樣保持，常使用頻率跟蹤算法獲得相對固定的周期采樣值。智能化變電站對采樣值的獲取方式一般分為三種： （1）模采（傳統(tǒng)電纜模擬量采集）；（2）直采（點對點光纖采集）；（3）網(wǎng)采（經(jīng)過程層交換機采集）。歷經(jīng)多年的運維經(jīng)驗積累，國家電網(wǎng)公司形成220kV變電站采用“保護直采直跳，測控網(wǎng)采”的技術(shù)方案；而南方電網(wǎng)公司最新的變電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用“模采網(wǎng)跳”的技術(shù)方案，少數(shù)試點站采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的技術(shù)方案。隨著二次裝備類型的迭代更新，智能變電站中有很多種采樣設(shè)備以及采樣方式，現(xiàn)場應(yīng)用的互感器、MU及IED常常采購于不同廠家，各廠家對于采樣同步的處理邏輯和方法不一，因此如何保證同一IED從不同MU、互感器接收到的采樣數(shù)據(jù)保持同步性是一個必須要考慮的問題，尤其是在IED實現(xiàn)其功能而需要獲取多間隔采樣數(shù)據(jù)時，要保證邏輯輸入的正確性。例如，母線差動保護、變壓器差動保護、距離（阻抗）保護、功率測量、測控同期等。因此，為確保采樣數(shù)據(jù)源的同步性及有效性，本文研究智能變電站在混合采樣時的同步技術(shù)，即IED在同時接入模采、直采及網(wǎng)采數(shù)據(jù)源的情況下，如何保持?jǐn)?shù)據(jù)同步性以適應(yīng)現(xiàn)場工程實踐混合采樣同步技術(shù)要求。

1 智能變電站采樣方式及傳輸延時

電子式互感器是新一代智能交流互感器，因其具有線性動態(tài)范圍寬、無磁路飽和、絕緣要求較低等常規(guī)變電站沒有的優(yōu)勢，在高壓智能電網(wǎng)中得到了一定程度的推廣應(yīng)用。而在中低電壓電網(wǎng)中，絕緣成本相對較低，電子式互感器的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢作用不明顯，況且其靈敏性和可靠性仍有待提升。相比之下，采用成熟穩(wěn)定的常規(guī)電磁式電壓互感器不失為一種更佳的選擇。為應(yīng)對磁路飽和等問題，保護裝置軟件算法已具有較強的抗磁飽和特性。因此，在中低電壓智能電網(wǎng)中，更多地采用電磁式互感器進(jìn)行模擬量采集，可以將模擬量直接傳輸給IED；亦可以由合并單元進(jìn)行數(shù)字量采集分發(fā)，通過光纖實現(xiàn)數(shù)字化傳輸。第二種方案較好地兼具了光纖傳輸通信的抗干擾性和可靠性，又可減少交流二次回路電纜數(shù)量，節(jié)約成本。從實際應(yīng)用看，目前智能變電站中的IED采樣方式存在三種類型，如圖1所示。

圖1 智能變電站IED采樣方式

1.1 模采方式傳輸延時

模采方式采用傳統(tǒng)電纜進(jìn)行模擬量采集，在IED發(fā)出采樣中斷信號時，其數(shù)據(jù)傳輸延時主要為采樣保持器、A／D轉(zhuǎn)換器的所需時間，將該延時記作tA。通常即使轉(zhuǎn)換原理相同，但分辨率不同，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換時間也不同，對于常見的逐位比較式A／D轉(zhuǎn)換器，tA一般為幾百微米。

在IED采樣頻率為1200Hz（采樣間隔833μs）時，模采方式下真實時刻數(shù)據(jù)傳輸延時示意圖如圖2所示。

圖2 模采方式下數(shù)據(jù)傳輸延時示意圖

1.2 直采方式傳輸延時

直采方式采用點對點光纖采集，其數(shù)據(jù)傳輸延時tB主要由MU數(shù)據(jù)處理額定延時tB1、光纖通道延時tB2組成。其中，光纖通道延時tB2是指數(shù)據(jù)在光纖路徑中傳輸?shù)乃钑r間，光纖通道路徑越長，該值越大；反之該值越小。當(dāng)光纖通道路徑長度達(dá)到幾十公里時，光纖傳輸延時可通過乒乓法測定，而站內(nèi)光纖通道較短，tB2一般可忽略不計。MU數(shù)據(jù)處理額定延時tB1主要由MU的算法處理耗時和數(shù)據(jù)在MU光模塊中的傳輸耗時所構(gòu)成，通常可達(dá)毫秒級，該延時是確定值且被記錄到每幀報文的數(shù)據(jù)集中。SV報文抓包示例如圖3所示，MU將自身數(shù)據(jù)處理額定延時tB1打到采樣報文 （IEC61850-9-2）中的第1個Value值上，然后發(fā)送給下一個設(shè)備。間隔MU在接收到母線MU的SV報文后，在合并輸出時會在母線電壓已有的Value值基礎(chǔ)上累加自身的數(shù)據(jù)處理額定延時。

圖3 SV報文抓包示例

在IED采樣頻率為1200Hz（采樣間隔833μs），MU采樣頻率為4000Hz（SV控制塊發(fā)送間隔250μs）時，直采方式下真實時刻的數(shù)據(jù)傳輸延時示意圖如圖4所示。

圖4 直采方式下數(shù)據(jù)傳輸延時示意圖

1.3 網(wǎng)采方式傳輸延時

網(wǎng)采方式采用經(jīng)過程層交換機采集，其數(shù)據(jù)傳輸延時tC主要由電子式互感器數(shù)據(jù)處理額定延時tC1、MU數(shù)據(jù)處理額定延時tC2、交換機數(shù)據(jù)處理動態(tài)延時tC3和光纖通道延時tC4組成。因站內(nèi)光纖通道較短，tC4可忽略不計，電子式互感器數(shù)據(jù)處理額定延時tC1、MU數(shù)據(jù)處理額定延時tC2均打到采樣報文（IEC61850-9-2）中的第1個Value值上，級聯(lián)設(shè)備疊加該值，處理方法同前述。交換機數(shù)據(jù)處理動態(tài)延時tC3包括交換機數(shù)據(jù)包處理耗時tC31和數(shù)據(jù)包排隊延時tC32。當(dāng)前處理的數(shù)據(jù)包幀數(shù)越大，則處理耗時tC31越大，反之越小。而排隊延時tC32與交換機緩存中的累計報文隊列長度成正比，其機理是當(dāng)交換機發(fā)生數(shù)據(jù)包傳輸沖突時，采取排隊方式按優(yōu)先級進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)發(fā)，交換機的數(shù)據(jù)處理動態(tài)延時與交換機網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕重緊密相關(guān)，不同時刻交換機緩存中的報文大小以及報文隊列長度具有較大的間歇性與動態(tài)變化特征，對以上原因造成的交換機數(shù)據(jù)處理動態(tài)延時進(jìn)行測定較為困難［2］。因此使用具有動態(tài)延時可測功能的交換機來實時計算每一幀SV報文的交換機數(shù)據(jù)處理動態(tài)延時tC3。

交換機延時可測功能具體來說是通過對SV報文在交換機數(shù)據(jù)傳輸中的輸入、輸出端口打時標(biāo)戳的方式，從而計算SV報文途徑交換機的輸入時刻和輸出時刻的差值，實現(xiàn)SV報文交換機數(shù)據(jù)處理動態(tài)延時tC3的精確計算，并將此延時寫入SV報文中的保留字段中，如圖3所示的Reserved字段。數(shù)據(jù)經(jīng)過多級交換機轉(zhuǎn)發(fā)，Reserved字段可疊加計算交換機數(shù)據(jù)處理浮動延時tC3。

在IED采樣頻率為1200Hz（采樣間隔為833μs），MU采樣頻率為4000Hz（SV控制塊發(fā)送間隔250μs）時，網(wǎng)采方式下真實時刻數(shù)據(jù)傳輸延時示意圖如圖5所示。

圖5 網(wǎng)采方式下數(shù)據(jù)傳輸延時示意圖

2 智能變電站混合采樣同步技術(shù)

智能變電站存在上述不同的數(shù)據(jù)源接入方式，電磁式互感器模擬量采樣和SV數(shù)字量采樣并存的情況在現(xiàn)場應(yīng)用時需加以考慮其同步性措施。例如，主變高壓側(cè)、中壓側(cè)、低壓側(cè)采用不同類型的電流互感器進(jìn)行采樣，主變各側(cè)電流數(shù)據(jù)如何保持同步；變電站10kV開關(guān)柜線路保護所使用的電流采用電磁式CT或穿芯式CT，電壓從母線合并單元處訂閱，線路保護的電流、電壓數(shù)據(jù)如何保持同步；在常規(guī)站改造為智能站的技改工程中，母線保護在過渡時期，部分間隔的電流回路仍采用電磁式CT采樣，而整體間隔采用電子式CT，在合并單元接入時如何保證母線差流計算的準(zhǔn)確性［3］。

2.1 插值重采樣同步法

數(shù)據(jù)插值算法是智能變電站IED多間隔采樣時保證數(shù)據(jù)同步性的一種基本數(shù)學(xué)方法，其前提條件是獲知采樣脈沖發(fā)出時刻和IED接收到的采樣值真實時刻之間的差值。通過前文分析可知，模采、直采方式下數(shù)據(jù)傳輸延時固定不變，網(wǎng)采方式下數(shù)據(jù)傳輸延時可以測量計算。這樣以來，IED可依據(jù)采樣值的接收時刻減去數(shù)據(jù)傳輸延時而得到原始數(shù)據(jù)的真實采集時刻，從而實現(xiàn)在同一坐標(biāo)系下不同采樣輸入的原始數(shù)據(jù)的同步采樣。

數(shù)據(jù)插值算法在實際應(yīng)用中需考慮如下問題：

（1）選擇合適的插值脈沖時刻

插值算法首先需要確定一個統(tǒng)一的插值脈沖時刻，以便于將多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)對齊到同一時刻上。本文采用指定插值時刻法，來實現(xiàn)各路數(shù)據(jù)的同步采樣。

（2）選擇合適的插值數(shù)值算法

一次插值、二次插值、三次樣條插值是較為常用的插值數(shù)值算法。各種算法均有優(yōu)缺點，一次插值可以滿足大部分應(yīng)用場合，而像主變保護這種需要采集高次諧波分量的IED，三次樣條插值則更為精確?？梢愿鶕?jù)需要選擇合適的插值數(shù)字算法，以滿足精度和運算速度的要求［4］。

在IED采樣頻率為1200Hz（采樣間隔為833μs），MU采樣頻率為4000Hz（SV 控制塊發(fā)送間隔為250μs）時，多種采樣方式混合輸入下各通道數(shù)據(jù)的傳輸及再采樣示意圖如圖6所示。

圖6 混合輸入時數(shù)據(jù)傳輸及再采樣示意圖

設(shè)模采、直采、網(wǎng)采的數(shù)據(jù)傳輸延時分別為tA、tB、tC，根據(jù)數(shù)據(jù)幀接收時刻，減去數(shù)據(jù)傳輸延時，可以得到數(shù)據(jù)幀對應(yīng)的采樣真實時刻。IED根據(jù)采樣頻率即可確定采樣脈沖周期ts，再選擇固定的插值脈沖時刻，用插值脈沖時刻分別對模采、直采、網(wǎng)采的數(shù)據(jù)進(jìn)行測算，得到原始數(shù)據(jù)的采樣真實時刻。該時刻極有可能不會恰好收到數(shù)據(jù)幀，這個時候可通過合適的數(shù)據(jù)插值算法獲得所需采樣值。通過上述原理，實現(xiàn)了IED多路混合輸入數(shù)據(jù)在采樣脈沖時刻的同步采樣。

2.2 外部時鐘同步法

外部時鐘同步法的基本原理是MU處理后的上送采樣值均被打上了樣本計數(shù)器值，如圖3所示的smp Cnt字段。smp Cnt值（范圍在0～3999）專門用于對采樣樣本序列進(jìn)行統(tǒng)計計數(shù)，當(dāng)MU與全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）或北斗（Beidou Navigation Satellite System，BDS）時鐘同步后，每出現(xiàn)一個精確的秒脈沖，將smp Cnt數(shù)值置為0，新的秒脈沖到來之前，smp Cnt按采樣頻率自行累計加1。

由于間隔層IED與過程層MU均接收站內(nèi)統(tǒng)一的GPS／BDS的B碼時鐘源同步信號，因此MU與IED在理論上可采用外部時鐘實現(xiàn)采樣同步。MU采樣按固定傳輸間隔（250μs）傳輸數(shù)據(jù)集，并在每幀報文上打上smp Cnt樣本計數(shù)器值，用以準(zhǔn)確地標(biāo)識每幀報文的真實采集時間，smp Cnt為0表示該幀報文數(shù)據(jù)剛好在整秒時刻，smp Cnt為100表示該幀報文數(shù)據(jù)時間為當(dāng)前時刻過了100個間隔（25ms），無論該幀報文在傳輸通道上經(jīng)歷多長延時，在IED接收后均能還原計算該幀報文數(shù)據(jù)采樣的真實時刻。IED在接收到多種采樣方式混合輸入的數(shù)據(jù)后，將所有smp Cnt數(shù)值相同的數(shù)據(jù)放在同一時刻進(jìn)行處理，即可完成數(shù)據(jù)同步采樣。

2.3 兩種方法的評價及應(yīng)用

根據(jù)GB／T32901-2016《智能變電站繼電保護通用技術(shù)條件》及相關(guān)反措要求，保護裝置實現(xiàn)其保護功能不依賴外部對時系統(tǒng)。在基于外部時鐘對時的網(wǎng)采智能站建設(shè)方案中，如果保護裝置采樣同步的正確性依賴外部時鐘，同步時鐘裝置單一故障將導(dǎo)致單一或多個保護閉鎖或差流異常，保護拒動、誤動的潛在風(fēng)險大［5］。因此保護裝置采用插值重采樣同步，而測控可采用外部時鐘同步的技術(shù)方案。

運用前文所述的插值重采樣同步法或外部時鐘同步法，可實現(xiàn)智能站多路混合輸入數(shù)據(jù)的同步采樣。前者要求準(zhǔn)確獲取各路通道的采樣延時，并記錄在SV報文中的Value、Reserved兩個參數(shù)中，對采樣通道延時進(jìn)行補充后可以對齊各路數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)同步重采樣。后者嚴(yán)格要求使用基于同步時鐘的等間隔采樣脈沖，多路混合輸入數(shù)據(jù)源參照同步脈沖，使用樣本計數(shù)器來標(biāo)識每個數(shù)據(jù)幀的序列，序列相同的視為同一采樣時刻數(shù)據(jù)，從而獲取同步采樣值，而采樣延時Value值和Reserved值則無需考慮。插值重采樣同步法不依賴于外部時鐘源，在安全性、可靠性上有較強的優(yōu)勢，一般應(yīng)用于采樣延時確定的保護裝置，避免了因外部時鐘源故障或丟失造成的保護誤動或拒動；其缺點是引入了一定的誤差，合理的選擇插值時刻基準(zhǔn)和插值數(shù)值算法可以將誤差減少到可接受范圍。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸無法確定采樣延時時，可以考慮使用依賴于外部時鐘源（GPS或BDS）的同步時鐘法，數(shù)據(jù)同步計算簡便高效，但在外部時鐘源故障或丟失時，若裝置守時能力不足則會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采樣精度。

3 結(jié)束語

為了適應(yīng)智能變電站IED同時接入模采、直采、網(wǎng)采數(shù)據(jù)源等實際情況，本文對智能變電站混合采樣同步技術(shù)進(jìn)行了研究。在對智能變電站采樣方式及傳輸延時進(jìn)行分析后，提出了插值重采樣同步法和外部時鐘同步法兩種可針對混合采樣的同步方法，并對兩種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了評價。本文所提的智能變電站混合采樣同步技術(shù)在保護裝置、測控裝置等的IED改造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，并對有類似混合接入需求的合并單元設(shè)計具有一定的參考價值。