智能變電站采樣值組網(wǎng)分布式同步技術(shù)及應(yīng)用

趙家慶，錢(qián)科軍，俞 瑜，趙 慧，李 春，呂 洋，田 江

（國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

智能電網(wǎng)是堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架與智能化技術(shù)高度集成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)，其基本特征是“信息化、自動(dòng)化和互動(dòng)化”[1-4]。智能電網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)變電站各類(lèi)裝備的信息化和智能化提出了新的、更高的要求[5-8]。

在智能變電站內(nèi)，一般采用電子式互感器加合并單元方式或就地?cái)?shù)字化的方式進(jìn)行模擬量的數(shù)字化采集和信號(hào)傳輸。因此，保護(hù)、測(cè)控裝置等二次設(shè)備需要對(duì)接入的數(shù)字式采樣值（SV）進(jìn)行同步采樣計(jì)算，目前影響采樣同步實(shí)現(xiàn)方法的主要因素是采樣值的傳輸方式。采樣值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣泛也較為成熟的一種采樣值傳輸方式，它不依賴(lài)外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)[3]，在保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)多路采樣值數(shù)據(jù)間的同步，運(yùn)行穩(wěn)定性好，工程實(shí)現(xiàn)較為便捷。采樣值組網(wǎng)傳輸方式是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[9]規(guī)定的一種數(shù)據(jù)資源共享的規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，其可擴(kuò)展性較強(qiáng)。受網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間不確定因素影響，目前應(yīng)用中，采樣值組網(wǎng)同步多依賴(lài)全局外同步系統(tǒng)的時(shí)間同步信號(hào)協(xié)調(diào)全站采樣[10]，系統(tǒng)的可靠性由全站唯一的外同步時(shí)鐘的可靠性決定；即使建設(shè)冗余的全站同步系統(tǒng)如雙機(jī)備份系統(tǒng)來(lái)支持采樣值組網(wǎng)傳輸同步，由于雙機(jī)切換時(shí)的不同步和時(shí)延抖動(dòng)等問(wèn)題，仍可能造成系統(tǒng)同步問(wèn)題，工程應(yīng)用有一定的局限性[11-12]。

因此，本文提出了一種不依賴(lài)全局同步系統(tǒng)的智能變電站過(guò)程層采樣值組網(wǎng)分布式同步技術(shù)。與常規(guī)依賴(lài)全局同步的組網(wǎng)方案相比，該技術(shù)的特點(diǎn)在于合并單元、保護(hù)測(cè)控裝置等設(shè)備均不需要接入全局外同步信號(hào)，各自自由運(yùn)行。該技術(shù)已在蘇州110 kV沈巷變中實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

1 變電站過(guò)程層采樣值組網(wǎng)技術(shù)

1.1 采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸同步方法

采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸同步的方法主要有B碼同步[13]、IEEE 1588 時(shí)間同步[14]2 種。

目前，B碼對(duì)時(shí)方式成熟可靠，站控層、間隔層、過(guò)程層設(shè)備都可以采用這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)同步，站內(nèi)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。然而，使用B碼同步時(shí)需要建立額外獨(dú)立的對(duì)時(shí)回路，傳輸距離較長(zhǎng)、對(duì)抗干擾能力和可靠性要求高時(shí)通常采用信號(hào)電纜或光纖進(jìn)行傳輸，施工量較大，工程實(shí)施較為復(fù)雜。IEEE 1588時(shí)間同步可通過(guò)過(guò)程層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，它不需要建立獨(dú)立的物理對(duì)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，但要求交換機(jī)、合并單元、保護(hù)測(cè)控裝置等的接口等都支持IEEE 1588規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 采樣值網(wǎng)絡(luò)傳輸同步方法的特點(diǎn)

采用采樣值組網(wǎng)傳輸方式時(shí)采樣值數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)資源能方便地共享，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)；同時(shí)，保護(hù)測(cè)控裝置、合并單元等設(shè)備接口數(shù)量較少，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，配置更加方便靈活，且合并單元額定延遲較點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案易于確定。系統(tǒng)擴(kuò)建時(shí)，新設(shè)備能方便地接入已有系統(tǒng)中，基本不影響已運(yùn)行的設(shè)備，系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)成本較低。

然而，該組網(wǎng)方式下合并單元、保護(hù)測(cè)控裝置等設(shè)備必須依賴(lài)全站的時(shí)鐘同步系統(tǒng)。借助時(shí)鐘同步系統(tǒng)和采樣值報(bào)文中的采樣計(jì)數(shù)器，就可以得到相對(duì)于秒脈沖的原始數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻；由于保護(hù)裝置與時(shí)鐘系統(tǒng)也同步，保護(hù)裝置的采樣數(shù)據(jù)目標(biāo)時(shí)刻也會(huì)轉(zhuǎn)換為相對(duì)于秒脈沖的時(shí)刻，然后再進(jìn)行差值計(jì)算。然而，一旦同步系統(tǒng)故障，會(huì)造成站內(nèi)設(shè)備失去同步而無(wú)法正常工作，裝置采樣易發(fā)生異常，將影響系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。即使實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)在同步系統(tǒng)中設(shè)置雙時(shí)鐘源，一旦當(dāng)前時(shí)鐘故障，切換到另一個(gè)時(shí)鐘源時(shí)，可能短時(shí)間存在部分裝置運(yùn)行在時(shí)鐘1、另一部分裝置運(yùn)行在時(shí)鐘2上的現(xiàn)象，而此刻單個(gè)保護(hù)/測(cè)控裝置無(wú)法發(fā)現(xiàn)同步存在的問(wèn)題，極易造成測(cè)量不正確、保護(hù)誤動(dòng)等。此外，采用組網(wǎng)方式時(shí)，合并單元總是在同一時(shí)刻向交換機(jī)發(fā)出大量數(shù)據(jù)，交換機(jī)的瞬時(shí)流量巨大，因此很可能存在網(wǎng)絡(luò)沖突，對(duì)交換機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

2 智能變電站過(guò)程層采樣值組網(wǎng)分布式同步技術(shù)

2.1 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于傳統(tǒng)的采樣值組網(wǎng)方案，當(dāng)同步系統(tǒng)故障時(shí)將影響整站的運(yùn)行，因此消除對(duì)全局同步系統(tǒng)的依賴(lài)成為解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。本文提出一種基于分布式同步的采樣值組網(wǎng)方式，原理如圖1所示。

圖1 采樣值組網(wǎng)分布式同步技術(shù)原理Fig.1 Principle of distributed synchronization technology for SV network

由圖1可見(jiàn)，與需要全局外同步系統(tǒng)的采樣值組網(wǎng)傳輸方案相比，本文方案中，合并單元、保護(hù)測(cè)控裝置等設(shè)備均不需要接入全局外同步信號(hào)，各自自由運(yùn)行。但對(duì)于各相關(guān)設(shè)備的工作方式和功能，有了新的要求，具體的設(shè)計(jì)思路如下。

每個(gè)采樣值輸出設(shè)備（如合并單元）內(nèi)具有一個(gè)按本地晶振頻率自由運(yùn)行的高穩(wěn)定度IEEE 1588主時(shí)鐘，它固定運(yùn)行在IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)所述的MASTER狀態(tài)，自由運(yùn)行在某內(nèi)部時(shí)鐘上，無(wú)需接受外同步，也不需參與IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的最佳時(shí)鐘選擇邏輯。

保護(hù)測(cè)控裝置根據(jù)合并器的個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)IEEE 1588從時(shí)鐘，每個(gè)IEEE 1588從時(shí)鐘對(duì)應(yīng)于1個(gè)合并器，跟蹤對(duì)應(yīng)合并器的IEEE1588主時(shí)鐘。從時(shí)鐘在跟蹤主時(shí)鐘時(shí)，根據(jù)鐘差判斷時(shí)鐘鎖定（誤差＜200 ns），只有當(dāng)跟蹤鎖定時(shí)才認(rèn)為計(jì)算的采樣值有效。

采樣值輸出設(shè)備根據(jù)配置內(nèi)容（報(bào)文類(lèi)型/通道定義）按照主時(shí)鐘的秒等分周期間隔輸出采樣值報(bào)文。

過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)支持透明時(shí)鐘協(xié)議，并支持虛擬局域網(wǎng)、注冊(cè)組播協(xié)議功能。

采樣值接收設(shè)備如保護(hù)測(cè)控裝置接收來(lái)自多個(gè)采樣值輸出設(shè)備的采樣值數(shù)據(jù)，自動(dòng)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)從時(shí)鐘，各從時(shí)鐘分別固定跟蹤相應(yīng)間隔的主時(shí)鐘，各從時(shí)鐘時(shí)間僅與所對(duì)應(yīng)主時(shí)鐘時(shí)間有關(guān)。

在保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部設(shè)有一個(gè)全局的內(nèi)部采樣脈沖，利用各從時(shí)鐘之間的相對(duì)時(shí)差及通道固定延遲，折算出對(duì)應(yīng)的等分同步脈沖序號(hào)，采用逐點(diǎn)可移動(dòng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)窗，利用回溯插值算法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)未經(jīng)外同步的采樣值輸出設(shè)備的采樣數(shù)據(jù)在一個(gè)采樣值接收設(shè)備內(nèi)的同步。

圖2所示為回溯插值算法示意圖。圖中，TB為回溯的固定時(shí)間常數(shù)，需要根據(jù)交換路徑可能的最大延遲時(shí)間確定，以保證回溯時(shí)刻能夠接收到采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，回溯后運(yùn)用插值方法可得到定時(shí)采樣脈沖時(shí)刻的精確采樣值；TD為采樣脈沖回溯TB后與等分同步脈沖點(diǎn)x（n－2）的時(shí)間間隔；Tpoint為兩采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，即等分同步脈沖周期；x（n）為等分同步脈沖序號(hào)n對(duì)應(yīng)的采樣值數(shù)據(jù)。y（k）表達(dá)式為：

圖2 采樣值回溯插值原理圖Fig.2 Schematic diagram of SV backtracking interpolation

2.2 方案特點(diǎn)

與常規(guī)的采樣值組網(wǎng)方式相比，采用分布式同步的采樣值組網(wǎng)傳輸方式具有如下優(yōu)勢(shì)。

a.所提方案由于使用的是從時(shí)鐘的秒脈沖，所以并不關(guān)心從時(shí)鐘的確切時(shí)間，因此主時(shí)鐘也不需要與實(shí)際時(shí)間同步。

b.避免了獨(dú)立的全局外同步系統(tǒng)的使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故障點(diǎn)減少，運(yùn)行可靠性高；由于時(shí)鐘分布在合并器中，不存在互相切換的問(wèn)題，因此單個(gè)合并器的故障不會(huì)影響無(wú)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系的設(shè)備。

c.采樣值數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)資源能方便地共享，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

d.分布式的同步系統(tǒng)中，各合并器等分同步脈沖間是隨機(jī)的，雖然時(shí)鐘間相互漂移會(huì)有短時(shí)間的沖突，但發(fā)生多個(gè)合并器數(shù)據(jù)在交換機(jī)上沖突的概率很小。因此交換機(jī)負(fù)載相對(duì)較均衡，運(yùn)行穩(wěn)定性提高。

e.在系統(tǒng)擴(kuò)建時(shí)，新的二次設(shè)備能方便地接入已有系統(tǒng)中，基本不影響已運(yùn)行的設(shè)備，系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)成本較低。

f.分布式同步采樣值組網(wǎng)傳輸系統(tǒng)與現(xiàn)有的采樣值點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及現(xiàn)有組網(wǎng)方案相兼容，具有良好的規(guī)范性；由于分布式的采樣值組網(wǎng)同步系統(tǒng)僅要求現(xiàn)有合并器增加IEEE 1588功能，不影響原來(lái)已有的功能，所以不存在兼容性問(wèn)題。

3 采樣值組網(wǎng)分布式同步方案的工程應(yīng)用

3.1 變電站概況

本文研究成果已成功應(yīng)用于蘇州110 kV沈巷變。該站有3臺(tái)變壓器，下文將以該站為例說(shuō)明分布式同步采樣值組網(wǎng)技術(shù)在智能變電站現(xiàn)場(chǎng)的工程應(yīng)用。

3.2 工程應(yīng)用方案

110 kV沈巷變電站分布式同步采樣值組網(wǎng)傳輸試點(diǎn)工程建設(shè)典型方案遵循國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q /GDW383—2009《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》[15]、Q/GDW441—2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[16]中的設(shè)備配置、信號(hào)交互、就地化實(shí)施等原則，以電力系統(tǒng)安全、變電站設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行為基本目標(biāo)，制定全站智能化方案如圖3所示。

全站以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)3層架構(gòu)，以站控層網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸全站信號(hào)，采用常規(guī)電流互感器/電壓互感器加合并單元實(shí)現(xiàn)采集就地?cái)?shù)字化，采用智能單元實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化控制。

110 kV沈巷變主變保護(hù)、測(cè)控裝置為雙重化配置，考慮分布式同步采樣值組網(wǎng)技術(shù)試點(diǎn)工程的功能要求，綜合分析各種網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性，網(wǎng)絡(luò)配置方案如下。

a.變電站內(nèi)信號(hào)傳輸主要以網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)，其中站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備間的通信，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)采用采樣值與GOOSE共網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)采樣值數(shù)據(jù)和GOOSE信號(hào)如開(kāi)關(guān)信號(hào)、遙控、跳閘等命令的傳輸。

b.站控層網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)用于監(jiān)控系統(tǒng)與保護(hù)、測(cè)控裝置間通信，采用單星型以太網(wǎng)組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為IEC61850－8部分的MMS，涉及主要的IEC 61850各個(gè)ACSI服務(wù)，如數(shù)據(jù)變位上傳、測(cè)量量上傳、定值修改、報(bào)告、連接等服務(wù)。

c.過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)（采樣值與GOOSE共網(wǎng)）。采樣值網(wǎng)絡(luò)主要用于保護(hù)、測(cè)控裝置與合并單元間通信，采用分布式同步采樣值組網(wǎng)傳輸技術(shù)。合并單元按間隔布置，接入常規(guī)電流互感器/電壓互感器信號(hào)。

d.GOOSE網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)主要用于保護(hù)測(cè)控裝置、開(kāi)關(guān)智能單元間進(jìn)行開(kāi)關(guān)量輸入，控制輸出信號(hào)的傳輸，同時(shí)也用于測(cè)控、保護(hù)各裝置間聯(lián)閉鎖信息的傳輸。為滿(mǎn)足低周低壓減載等慢速保護(hù)控制的需要，在站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)GOOSE功能，由低周低壓減載裝置以GOOSE跳閘報(bào)文發(fā)送至各10 kV線(xiàn)路保護(hù)裝置，由各裝置接收跳閘命令，并根據(jù)對(duì)應(yīng)線(xiàn)路的選控要求，實(shí)現(xiàn)跳閘出口。

e.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配置。10 kV側(cè)每2段配置1臺(tái)站控層交換機(jī)，共配置2臺(tái)，與控制室內(nèi)的保護(hù)測(cè)控裝置一起，分別連接至控制室通信屏的2臺(tái)站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，站控層交換機(jī)組單星型網(wǎng)絡(luò)。

f.過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)按1號(hào)主變間隔、2號(hào)主變間隔、3號(hào)主變間隔分開(kāi)配置，每個(gè)主變間隔配置2臺(tái)在相應(yīng)主變保護(hù)測(cè)控屏內(nèi)。交換機(jī)之間無(wú)聯(lián)系，每臺(tái)交換機(jī)為一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的分布式同步采樣值組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用效果，現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)對(duì)跨間隔保護(hù)即主變差動(dòng)后備一體化保護(hù)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。本文以1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)為例進(jìn)行說(shuō)明。

1號(hào)主變的A、B套差動(dòng)后備保護(hù)裝置分別通過(guò)分布式同步采樣值組網(wǎng)交換機(jī)同時(shí)接收來(lái)自主變高壓側(cè)合并單元以及主變低壓側(cè)合并單元的采樣值數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主變保護(hù)GOOSE跳閘命令發(fā)送控制。同步采樣值組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組成如圖4所示。

圖3 110 kV沈巷變?nèi)局悄芑桨窮ig.3 Overall intellectualization scheme of 110 kV Shenxiang substation

圖4 1號(hào)主變分布式同步采樣值組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 SV network with distributed synchronization for main transformer no.1

對(duì)主變保護(hù)裝置帶負(fù)荷測(cè)試，裝置投入運(yùn)行后的手動(dòng)錄波波形數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 1號(hào)主變差動(dòng)后備保護(hù)裝置手動(dòng)錄波圖Fig.5 Manually recorded waveforms of differential backup protection for main transformer no.1

圖5中所示波形表明基于分布式同步的采樣值組網(wǎng)技術(shù)能夠滿(mǎn)足工程實(shí)用要求，保護(hù)波形無(wú)畸變。三相差流幅值均為0.032 A，表明分布式同步的采樣值組網(wǎng)技術(shù)同步性能良好。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行主變分布式同步采樣值組網(wǎng)傳輸差動(dòng)保護(hù)測(cè)試，此時(shí)主變高壓進(jìn)線(xiàn)側(cè)無(wú)電壓互感器，主變高壓側(cè)和低壓側(cè)電流互感器變比分別為600A/5A和3 000A/5A，相位以高壓側(cè)A相電流為基準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果如下。

a.主變高壓側(cè)數(shù)據(jù)。由于主變高壓進(jìn)線(xiàn)側(cè)無(wú)電壓互感器，所以主變高壓側(cè)三相電壓缺??；三相保護(hù)電流幅值分別為0.690 A、0.697 A、0.688 A，三相保護(hù)電流相位分別為 0°、－120.3°、119.3°。

b.主變低壓側(cè)數(shù)據(jù)。主變低壓側(cè)三相電壓幅值分別為 60.147 V、60.165 V、60.265 V，三相電壓相位分別為 26.3°、－93.7°、146.5°；三相保護(hù)電流幅值分別為1.549 A、1.548 A、1.532 A，三相保護(hù)電流相位分別為 －150.3°、89.0°、－30.4°。

c.三相制動(dòng)電流幅值均為1.025 A，三相差動(dòng)電流幅值均為0.032 A，差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于25 ms。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)一步證明了所提技術(shù)方案能保證采樣值的同步性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于分布式同步的采樣值組網(wǎng)傳輸技術(shù)，進(jìn)行了基于分布式同步采樣值組網(wǎng)的變電站智能化方案和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并首次在工程中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。工程應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明該技術(shù)方案性能穩(wěn)定，系統(tǒng)功能技術(shù)指標(biāo)優(yōu)異。基于分布式同步的采樣值組網(wǎng)技術(shù)滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》[15]和《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[16]等標(biāo)準(zhǔn)的要求，解決了傳統(tǒng)采樣值組網(wǎng)依賴(lài)外同步系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)負(fù)載巨大的問(wèn)題，適用于110 kV及以下變電站的智能化工程改造及新建項(xiàng)目。