數(shù)字化變電站同步問題及解決對策分析

晏創(chuàng)

（佛山市辰譽電力設(shè)計咨詢有限公司，廣東 佛山 528000）

1 數(shù)字化變電站相關(guān)技術(shù)介紹

電子式傳感器主要由可以連接到傳輸系統(tǒng)和能夠?qū)崿F(xiàn)二次轉(zhuǎn)換器的一個或者是多個電流和電壓傳感器構(gòu)成的，可以實現(xiàn)正比于被測量的電壓和電流量的傳輸，完成測量儀器、儀表和繼電保護或控制功能的裝置。智能斷路器裝置就是可以配備電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，并且是較高性能的斷路器和控制設(shè)備，不但可以實現(xiàn)斷路器的基本功能，還可以實現(xiàn)監(jiān)測和診斷等附加功能。數(shù)字化變電站的通信體系是以IEC61850為基礎(chǔ)進行的，將變電站的一二次設(shè)備劃作三層：站控層、間隔層、過程層。在這里過程層描述的是變電站內(nèi)的變壓器、斷路器、隔離開關(guān)和輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設(shè)備。而間隔層以斷路器的隔間進行的分組。可以實現(xiàn)測量、控制元件和繼電保護元件等功能。最后的站控層是用來監(jiān)控主機和遠動通信機。GOOSE就是可以迅速的進行以太網(wǎng)多播報文傳輸，將變電站中智能設(shè)備LED之間傳統(tǒng)的硬接線通信方式給取代，換言之，取代了原有再硬連線中使用的網(wǎng)絡(luò)信號，不但在邏輯節(jié)點之間通信商提升了速度，而且變得更加可靠。

2數(shù)字化變電站問題分析

2.1 關(guān)鍵技術(shù)的三網(wǎng)合一

在這里的三網(wǎng)就是SMV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)和IEEEI588同步網(wǎng)。所謂的三網(wǎng)合一就是把SMV、GOOSE信息和IEEE1588統(tǒng)一起來形成組網(wǎng)，就是把這三種信息同步連接到過程層的交換機上，而測控保護裝置用一個網(wǎng)口可實現(xiàn)全部的接入。因為GOOSE、錄波等功能，就點對點的這個方案在實際中，必須裝備大量的交換機，這樣光纜的需求就會增加，不但成本升高，而且維護也十分困難，破壞了最初的信息共享。就采樣值方面三網(wǎng)合一的方案具有一些不足和不確定性，當采樣值在以太網(wǎng)中由IEC61850-9-2進行傳輸，不能確定延時，造成無法實現(xiàn)保護的功能。

2.2 組網(wǎng)情況下的網(wǎng)絡(luò)延遲分析

所謂的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時就是將一幀報文由發(fā)送向接收時在網(wǎng)絡(luò)傳輸時消耗的所有時間。由以下四種原因影響：首先，存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制說明的是一個這樣的實際工作：由交換機存儲接到的數(shù)據(jù)開始一直到一幀接收完畢，在后在從對應的端口將交換機接收的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)幀越多延長時間越長，速度越快延長時間越短。其次，交換機制存在于以太網(wǎng)交換機的內(nèi)部。交換機制是靠復雜的硬件電路去實現(xiàn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)引擎、VLAN等其它的功能。而由交換機制出現(xiàn)的延時可以用來實現(xiàn)這些邏輯功能。第三，在光纖鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位，其速度可以達到光速（3×108m/s）的 2／3。一旦進行長距離的通信網(wǎng)絡(luò)時，就會發(fā)現(xiàn)這種線路傳輸?shù)难訒r。最后，SMV、GOOSE和IEEE1588數(shù)據(jù)幀如果由同一以太網(wǎng)中進行傳輸，一定會造成數(shù)據(jù)幀的碰撞，在去除數(shù)據(jù)幀碰撞的問題上，采用的方法是以太網(wǎng)交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制的隊列結(jié)合。由于隊列能夠給延時造成一些不確定性因素，而延時的大小主要依據(jù)的是實際網(wǎng)絡(luò)的通信工況。我們很難算出精準的排隊延時，在計算時，我們就應該全面的掌握在網(wǎng)絡(luò)上通信時全部的信息源，尤其是一定要了解由何種設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)幀的大小、優(yōu)先級和傳送的時間及效率。但是由于網(wǎng)絡(luò)負載十分輕的時候，我們就不研究數(shù)據(jù)幀排隊的影響。讓我們在研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、VLAN和優(yōu)先級的設(shè)計時，可以增加變電站的實時性，這樣有助于變電站的發(fā)展。

2.3 同步原理的分析

在進行同步原理分析時，先將網(wǎng)絡(luò)中的主時鐘作為參照，然后就開始算出主、從時鐘之間差距，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲來糾正從時鐘。主時鐘的經(jīng)典是算法BMC算法，再由每個PTP端口所給的質(zhì)量信息，開始進行對比之后選擇哪個適合做主時鐘。在主時鐘周期性的組播中，由于具有時間戳的信息，所以就應該向主時鐘同步的傳輸從時鐘的信息，這樣再根據(jù)自身接收和發(fā)送消息的時間，就能夠算出從時鐘與主時鐘的差距和網(wǎng)絡(luò)的延遲時間。

3 數(shù)字化變電站和9-2采值解決方案

3.1 數(shù)字化變電站解決方案

3.1.1 單一變電站解決方案

IEC61850把數(shù)字化變電站劃分成站控層、間隔層、過程層，信息可以進行交互并且實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。但是由于數(shù)字化變電站的類型很多，出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和保護測控設(shè)備的配置大不相同。而以太網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)可分為總線型、星型、環(huán)型三種。我們在研究單一變電站解決方案時，可以將站控層、間隔層、過程層在拓撲結(jié)構(gòu)上使用總線型、星型以及環(huán)型。

3.1.2 多變電站解決方案

對于多數(shù)的變電站來說，我們現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個對時主站，之后開始實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的時鐘同步。而對時主站的最高級時鐘進行冗余配置，在其他較近的變電站之間接入PZP透明時鐘，實現(xiàn)中繼器的功能，降低非對稱性的影響。

3.29 -2采樣值的同步解決方案

3.2.1 傳統(tǒng)秒脈沖同步方式下的解決方案

首先采用虛擬采樣的技術(shù)，就合并單元在秒脈沖上升沿到來時出現(xiàn)的采樣值，將序號記作0，逐次增加。與此同時，保護裝置出現(xiàn)的虛擬采樣中斷，將序號也記作0，之后，合并單元開始采樣并且保護裝置出現(xiàn)采樣中斷時計數(shù)器值加1，并開辟出相互對應的一個存儲單元。最后，當合并單元的采樣值進入到保護裝置時，核對出現(xiàn)的采樣序號，把采樣值送入采樣序號所對應的保護裝置的存儲單元里。

3.2.2 IEEE1588網(wǎng)絡(luò)同步方式下9-2采樣值的同步方法

將每一路信號的采樣值采用拉格朗日線性插值法開始同步處理，不要多余的硬件，就采用對每一路采樣值進行一定算法的軟件，完成同步的任務(wù)。之后他們就會用同樣的采樣率開始自由的采樣，由于每一路信號的9-2采樣值報文具有高精度統(tǒng)一的時間戳。而同步算法依據(jù)的是保護裝置的采樣時刻或每一路信號的采樣時刻，就會把剩余的信號經(jīng)過線性插值換算成基準點的時刻。

結(jié)語

本文就電子式互感器的廣泛使用以和以IEC61850為基礎(chǔ)來實現(xiàn)標準的數(shù)字化變電站建設(shè)所造成了大量同步問題進行了分析，從而找出了數(shù)字化變電站在傳統(tǒng)同步方式上的缺點，進一步的研究了IEEE1588PTP網(wǎng)絡(luò)同步方式的理論和有關(guān)的知識，總結(jié)了一些以IEEE1588為基礎(chǔ)的數(shù)字化變電站同步解決方案，進一步地優(yōu)化數(shù)字化變電站同步方式。

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