基于延時記錄的數(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）

基于延時記錄的數(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。點對點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)字化站可維護性降低。提出利用具有延時記錄功能的交換機實現(xiàn)采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆桨?，通過采樣報文直連與網(wǎng)絡(luò)傳輸比對、網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)變化、網(wǎng)絡(luò)流量干擾等方法驗證該方案，對采樣值網(wǎng)絡(luò)延時性能、交換機延時記錄精度等特性進行測試，在三級級聯(lián)且網(wǎng)絡(luò)基本滿負荷運行的情況下，報文最大延時小于1ms，若選擇千兆級聯(lián)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)延時小于500 μs，網(wǎng)絡(luò)延時精度小于250ns，完全滿足IEC 61850標準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具備了與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相當?shù)膶崟r性，并通過延時插值同步算法、解決采樣報文Reserved字段沖突等改進措施提高了方案的可靠性，使其在智能電網(wǎng)和數(shù)字化變電站的實際應(yīng)用中具有更好的應(yīng)用前景。

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

0 引言

IEC 61850通過數(shù)字化通信實現(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。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推薦的標準組網(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現(xiàn)跨間隔的采樣同步，二次設(shè)備無法實現(xiàn)差動運算，導(dǎo)致光纖差動保護退出運行，變電站降級運行。盡管可通過通信冗余措施增強其可靠性，但標準組網(wǎng)傳輸方案對同步源的過分依賴，在總體上降低了數(shù)字化變電站運行的可靠性。

點對點采樣值傳輸方案雖然解決了同步源依賴問題，但點對點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，無法準確記錄、監(jiān)視過程層通信報文，降低了數(shù)字化變電站的可維護性。

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

1 基于交換機延時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)了基于交換機延時記錄的過程層數(shù)字化采樣傳輸，實現(xiàn)不依賴同步源的跨間隔采樣同步計算新方案。

新方案通過特殊網(wǎng)絡(luò)交換機統(tǒng)計每幀采樣值報文在交換網(wǎng)絡(luò)的延遲時間并記錄到采樣值報文的Reserved字段［2］，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時可追溯。根據(jù)采樣值到達智能電子設(shè)備（IED）的精確時間、相應(yīng)的互感器額定延時和交換網(wǎng)絡(luò)總延時，還原出原始采樣時刻，最終實現(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，同時通過網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)實現(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、可維護性高的優(yōu)點。由于該方案對硬件提出了更高要求，在不同組網(wǎng)級聯(lián)下交換機延時標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，其可靠性和實用性有待進一步測試和工程驗證。

2 網(wǎng)絡(luò)延時統(tǒng)計與記錄

新方案的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)MU組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)拓撲結(jié)構(gòu)。單間隔設(shè)備在本間隔交換機內(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)拓撲結(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)交換機的延時記錄，通過高精度時間測量硬件，如現(xiàn)場編程門列陣（FPGA），對報文在交換網(wǎng)絡(luò)的延時進行精確統(tǒng)計并記錄到采樣報文中，實現(xiàn)過程如下。

（1）單一交換機能夠精確記錄下每幀采樣報文進入交換機某一端口和離開交換機另一端口的時間，分別記為tin和tout，則采樣值在交換機內(nèi)的交換延時為ts＝tout-tin；通過FPGA等硬件將采樣值在交換機內(nèi)的交換延時ts以累加的方式記錄到采樣報文的Reserved字段中，并立即將采樣報文發(fā)送出交換機端口。交換機統(tǒng)計和記錄延時的過程如圖2所示。

圖2 交換機統(tǒng)計并記錄延時

（2）在多級交換機級聯(lián)的組網(wǎng)方案中，采樣報文從MU發(fā)出，經(jīng)過n個交換機最終到達IED所經(jīng)歷的延遲時間為

式中：tsi和tfi分別為采樣報文在交換機和光纖中的傳輸時間。

信號在光纖中的傳輸時間，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，其延遲時間tfi可忽略不計。由此，交換網(wǎng)絡(luò)的總延遲時間可標記為

n個交換機的多級網(wǎng)絡(luò)傳輸延時tnd會被累計記錄到采樣報文的Reserved字段，采樣報文經(jīng)過多級網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r統(tǒng)計與記錄如圖3所示［2］。

3 交換機延時特性驗證

基于交換機延時記錄的過程層數(shù)字化采樣傳輸方案對交換機的性能提出了更高的要求，對此交換機的延時性能、延時精度等做了進一步的測試（測試組網(wǎng)方案如圖4所示），測試要點主要有4方面。

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

圖3 多級網(wǎng)絡(luò)傳輸延時統(tǒng)計與記錄

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、多臺交換機兩級級聯(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)；另一路采樣報文通過光纖直接鏈接到IED。

（3）IED分別記錄2路采樣報文的到達時間，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。

在試驗中，被測試MU的采樣率為4 000點／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。為模擬實際網(wǎng)絡(luò)最大負載情況下的網(wǎng)絡(luò)報文延時特性，試驗對測試網(wǎng)絡(luò)加入了大流量的組播背景流量，并進行進一步測試。

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

3.1 網(wǎng)絡(luò)延時性能測試

根據(jù)測試方案，分別進行無網(wǎng)絡(luò)流量干擾和注入網(wǎng)絡(luò)流量干擾，對交換機網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲性能進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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)的延遲時間與交換機的級聯(lián)個數(shù)基本成正比關(guān)系。在千兆級聯(lián)的情況下，延遲時間與交換機級聯(lián)個數(shù)基本呈線性關(guān)系。

表1 交換機網(wǎng)絡(luò)延時測試 μs

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

3.2 網(wǎng)絡(luò)延時精度測試

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

本文以tptp-tnet-tnd的方法統(tǒng)計交換機記錄的網(wǎng)絡(luò)延時tnd的精度，同時統(tǒng)計在交換網(wǎng)絡(luò)注入風暴流量時其網(wǎng)絡(luò)延時的精度，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，其記錄延遲時標的平均精度與IEEE 1588—2008［4］同步精度相當，滿足智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機單級時傳輸精度小于±200 ns［5］的要求。

由表2還可以看出，時標精度與級聯(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，其時標的精度就會以每級100 ns的精度誤差下降。在實際運行中，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，該方案下的時間精度誤差最大不超過250 ns，完全滿足IEC 61850-9-2—2004標準對過程層采樣同步精度小于1μs要求［6-7］。

3.3 驗證結(jié)論

經(jīng)過測試驗證，基于交換機延時記錄的不依賴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)基本滿負荷運行的情況下，報文的最大延遲時間小于1ms。若選擇千兆級聯(lián)進行組網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)延時小于500μs，其網(wǎng)絡(luò)延時統(tǒng)計誤差不超過250 ns。在網(wǎng)絡(luò)延時性能上與常規(guī)組網(wǎng)方案基本相當，在時間精度上雖比點對點方案略差，但完全滿足數(shù)字化變電站采樣同步的需求。

4 方案的改進與完善

根據(jù)試驗結(jié)果，實際工程實施中可以通過一些技術(shù)手段進一步提高系統(tǒng)的整體性能，并能夠適應(yīng)未來標準發(fā)展的需求。

4.1 優(yōu)先傳輸機制與延時插值

基于交換機延時記錄的采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸方案可不依賴于MU同步，實現(xiàn)跨間隔采樣同步計算，采樣報文的傳輸應(yīng)明確啟用IEEE 802.1Q協(xié)議中的優(yōu)先級傳輸機制，將采樣報文的優(yōu)先級設(shè)置為最高，并以千兆網(wǎng)絡(luò)進行網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)組網(wǎng)，以此進一步提高采樣傳輸?shù)膶崟r性與保護動作的快速性。

為避免二次設(shè)備在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時異常的情況下采樣同步失效，保證同步時所有MU的采樣值報文通過網(wǎng)絡(luò)傳輸都能到達IED，在采樣報文還原前，IED需增加1個相對固定的延時，以進一步提高采樣同步計算的可靠性。

以Max（tg）和Max（tnd）分別標記所接收MU中的最大互感器延時和最大網(wǎng)絡(luò)傳輸延時。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

基于交換機延時記錄的采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，將網(wǎng)絡(luò)延時記錄到了IEC 61850-9-2—2004報文的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)容用來標識網(wǎng)絡(luò)傳輸安全性的內(nèi)容［8-9］，使方案在報文字段上與IEC 61850-9-2—2011（Edition 2.0）定義存在沖突。

在后續(xù)實施中，參考IEC 61850-9-2—2011（Edition 2.0）中引用的PRP／HSR［10］的實施方案，即在標準采樣報文中創(chuàng)建一個擴展的能存放該延時數(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

基于交換機延時記錄的過程層數(shù)字化采樣網(wǎng)絡(luò)傳輸，以交換機記錄網(wǎng)絡(luò)傳輸延時為基礎(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)字化變電站運行數(shù)據(jù)的可維護性。

經(jīng)測試驗證，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，犧牲了一些保護動作時間，但網(wǎng)絡(luò)延時性能與常規(guī)組網(wǎng)方案相當，時間精度完全滿足數(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)議傳輸和延時同步插值計算措施可進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.數(shù)字化變電站過程層采樣值時間同步性分析及應(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)項目管理師（高級），工學碩士，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