基于通信物理層信號(hào)的智能終端實(shí)時(shí)響應(yīng)檢測(cè)方法

陳 宏，舒 欣

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

智能終端[1]是智能變電站二次系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能接口。為了二次系統(tǒng)保護(hù)、控制實(shí)時(shí)性以及故障監(jiān)控與分析處置正確性，一般要求智能終端對(duì)時(shí)精度1 ms、SOE分辨率2 ms、動(dòng)作時(shí)間不大于7 ms[2]。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)智能終端的SOE指標(biāo)檢測(cè)較為成熟，但針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與通信端口GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）之間的實(shí)時(shí)響應(yīng)，則多以規(guī)約一致性、數(shù)據(jù)報(bào)文獲取等間接測(cè)試或估算方式為主，而通信物理層相關(guān)IEEE802.3[3]信號(hào)響應(yīng)特性、報(bào)文物理一致性等研究偏弱。

本文基于變電站時(shí)間同步信號(hào)應(yīng)用，以及二次系統(tǒng)標(biāo)注一次設(shè)備暫態(tài)時(shí)刻的數(shù)據(jù)采集信息（簡(jiǎn)稱時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)）實(shí)時(shí)性分析。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理理論[4]的離散時(shí)間系統(tǒng)原理，綜合智能終端實(shí)時(shí)響應(yīng)、通信物理層數(shù)據(jù)信號(hào)的物理性，結(jié)合GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)信息/信號(hào)響應(yīng)SOE信號(hào)的物理一致性，基于物理層探討智能終端檢測(cè)方法。

1 時(shí)間同步與時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)

變電站時(shí)間同步設(shè)備[5]，可依據(jù)衛(wèi)星信號(hào)或主站端授時(shí)信號(hào)為時(shí)鐘源（參見(jiàn)圖1），可以IRIG-B或網(wǎng)絡(luò)IEC61588[6-7]統(tǒng)一站內(nèi)IED時(shí)鐘，用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)注一次設(shè)備暫態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間值。

圖 1 智能變電站二次設(shè)備時(shí)間同步Fig.1 Substation IED time synchronization

圖1示意了一種智能變電站二次設(shè)備時(shí)間同步信號(hào)應(yīng)用結(jié)構(gòu)。其中的站控層網(wǎng)絡(luò)，基于TCP/IP交互方式通信，數(shù)據(jù)傳輸遲延一般為秒級(jí)；一般采用制造報(bào)文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）傳輸數(shù)據(jù)信息，主要服務(wù)于人機(jī)監(jiān)控、故障診斷、IED工作方式切換。

圖1的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，基于介質(zhì)訪問(wèn)控制（Media Access Control，MAC）的非握手傳輸機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遲延一般為亞毫秒級(jí)；可傳輸合并單元交流采樣值（Sampled Value，SV）、智能終端GOOSE等帶時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)采集信息，主要服務(wù)于IED之間的實(shí)時(shí)傳輸與聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。

若以智能終端由現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量輸入至GOOSE輸出為例，則GOOSE[8]幀的數(shù)據(jù)采集、時(shí)間標(biāo)記信息，主要包括變位事件時(shí)間、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、報(bào)文輸出時(shí)間。其中的時(shí)間值之差可理解為事件信號(hào)轉(zhuǎn)換響應(yīng)時(shí)間。

因此，GOOSE是實(shí)時(shí)信息，GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)與智能終端轉(zhuǎn)換響應(yīng)特性相關(guān)，可反映開(kāi)關(guān)設(shè)備的暫態(tài)狀態(tài)、暫態(tài)時(shí)間。

2 開(kāi)關(guān)變位GOOSE信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)

根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理理論，可將智能終端由輸入至輸出的轉(zhuǎn)換，視為具有線性、移不變性、因果性、穩(wěn)定性的離散時(shí)間系統(tǒng)，即可視為GOOSE與開(kāi)關(guān)變位[9]（或斷路器變位）之間的信號(hào)響應(yīng)。

圖2以開(kāi)關(guān)量輸入至GOOSE輸出為例，示意了一種智能終端開(kāi)關(guān)變位轉(zhuǎn)換硬件回路[10]，并采用PTP（即IEC61588）實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。

圖2中，開(kāi)關(guān)量變位至GOOSE輸出的總體轉(zhuǎn)換遲延時(shí)間為Δt，其中，CPU數(shù)字濾波并生成開(kāi)關(guān)變位數(shù)據(jù)包，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、物理收發(fā)器輸出GOOSE信號(hào)。

圖3結(jié)合圖2，基于時(shí)間參量和開(kāi)關(guān)變位事件，示意了智能終端由開(kāi)關(guān)事件DI(t)輸入至數(shù)據(jù)信號(hào)GOOSE(t)輸出的轉(zhuǎn)換響應(yīng)時(shí)序。結(jié)合前述GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)主要內(nèi)容，GOOSE(t)信號(hào)包含以下信息。

圖 2 開(kāi)關(guān)變位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Breaker action event

圖 3 開(kāi)關(guān)變位轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)序Fig.3 Event signal conversion timing of breaker

變位時(shí)刻時(shí)間值T1，描述變位事件SOE的發(fā)生時(shí)刻；開(kāi)關(guān)位狀態(tài)Bit，可視同DI(t)開(kāi)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換輸出的狀態(tài)響應(yīng)數(shù)字信號(hào)Bit(t)；數(shù)據(jù)輸出時(shí)間值T2，可用于描述變位事件的GOOSE首出[8]信號(hào)輸出時(shí)刻。

即若GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)的T1、T2信息描述與GOOSE(t)信號(hào)響應(yīng)一致，則理想狀態(tài)下，圖2和3中智能終端信號(hào)轉(zhuǎn)換可為DI(t)=GOOSE(t+Δt)，其中Δt=T2-T1。

結(jié)合圖1，間隔層IED可由過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)接入GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)（參見(jiàn)圖1）信息。若GOOSE信息描述與智能終端信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的物理響應(yīng)特性一致，則，間隔層IED可直接關(guān)聯(lián)圖3所示的Bit與時(shí)間T1，形成變位事件SOE測(cè)控時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)上傳。至此，依據(jù)智能終端的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)物理性分析，可認(rèn)為數(shù)字信號(hào)本質(zhì)上應(yīng)是攜帶了GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)信息的光/電信號(hào)。

3 通信物理層數(shù)字信號(hào)

變電站IED多采用100M以太網(wǎng)通信。其中，數(shù)據(jù)信息格式，一般遵循IEC61850、IEEE1588規(guī)范的MMS、SV、GOOSE、PTP方式；數(shù)據(jù)傳輸媒介，多基于IEEE802.3的CSMA/CD（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)與沖突檢測(cè)）機(jī)制，遵循其規(guī)則、介質(zhì)、接口，由光/電信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)信息，即時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)依賴光或電信號(hào)攜帶并傳輸。

例如，參見(jiàn)圖2，智能終端CPU生成包含T1、Bit、T2的GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)包，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器形成基于MAC通信的時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)幀MGoose，并由物理介質(zhì)無(wú)關(guān)接口MII傳送至物理收發(fā)器PHY進(jìn)行信號(hào)編碼與轉(zhuǎn)換，再經(jīng)介質(zhì)相關(guān)接口MDI輸出GOOSE(t)時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)信號(hào)。

根據(jù)IEEE802.3并結(jié)合OSI（開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)）結(jié)構(gòu)模型，圖3的MII、PHY、MDI組成部分，對(duì)應(yīng)OSI模型的物理層（見(jiàn)圖4）。

結(jié)合圖2和4，以網(wǎng)絡(luò)控制器生成的MAC數(shù)據(jù)幀SVn至端口光電信號(hào)發(fā)送為例，數(shù)字信號(hào)GOOSE(t)的主要形成過(guò)程如下：

圖 4 OSI與IEEE802.3模型Fig.4 OSI&IEEE802.3 model

圖 5 MDI介質(zhì)端口信號(hào)示意Fig.5 MDI port signal

網(wǎng)絡(luò)控制器的協(xié)調(diào)子層RS與MII接口，主要將MAC數(shù)據(jù)幀以半字節(jié)4B方式傳輸至PHY，并可判斷通信狀態(tài)；PHY的物理編碼子層PCS，為避免多0連續(xù)通信失步、均衡通信能量，按4B/5B規(guī)則將半字節(jié)轉(zhuǎn)換為5B編碼并擾碼，具有并串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和沖突檢測(cè)功能；PHY的物理連接子層PMA，可將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為NRZI編碼數(shù)據(jù)流，并具有鏈接狀態(tài)判斷和載波偵聽(tīng)的功能；PHY的物理介質(zhì)相關(guān)子層PMD，可進(jìn)行數(shù)據(jù)流三基態(tài)電平MLT-3編碼；介質(zhì)相關(guān)接口MDI，數(shù)據(jù)信號(hào)的最終輸出接口，電/光信號(hào)為100Base-TX/FX接口。

其中，當(dāng)PHY無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)時(shí)，由PCS生成連續(xù)IDLE（5B數(shù)據(jù)為“11111”）空閑編碼流，即如圖5所示，有效數(shù)據(jù)信號(hào)GOOSE嵌入在IDLE信號(hào)中傳輸。

4 智能終端實(shí)時(shí)響應(yīng)檢測(cè)

4.1 實(shí)時(shí)響應(yīng)檢測(cè)模型

圖6示意了一種檢測(cè)智能終端輸入、輸出端口信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)的模型。其中，智能終端測(cè)試儀（簡(jiǎn)稱測(cè)試儀）可與衛(wèi)星時(shí)間同步，并可基于時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行端口信號(hào)響應(yīng)校準(zhǔn)。

圖6中智能終端通信端口TX1/RX1與測(cè)試儀TX2/RX2端口連接，開(kāi)關(guān)量輸出DO連接至輸入DI端，并且連接至測(cè)試儀的開(kāi)關(guān)量輸入端di。

圖 6 實(shí)時(shí)響應(yīng)檢測(cè)模型Fig.6 Real time response detection model

測(cè)試儀仿真與智能終端GOOSE通信，在指定時(shí)刻由TX2發(fā)出DO開(kāi)出的GOOSE指令信號(hào)，并可經(jīng)RX2捕獲響應(yīng)DI事件的TX1端口GOOSE信號(hào)，且可顯示TX2、RX2、di端口的指定信號(hào)時(shí)間值。

4.2 開(kāi)關(guān)事件響應(yīng)檢測(cè)與驗(yàn)證

以SOE事件實(shí)時(shí)響應(yīng)為例，結(jié)合圖3智能終端開(kāi)關(guān)變位轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)響應(yīng)分析，圖7示意了一種GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)信號(hào)的檢測(cè)方法，可用于比對(duì)圖6測(cè)試儀的GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)檢測(cè)能力。圖7的信號(hào)響應(yīng)時(shí)序如圖8所示。

圖 7 事件響應(yīng)檢測(cè)與驗(yàn)證模型Fig.7 The event response signal for test and validate

圖 8 事件信號(hào)響應(yīng)時(shí)序Fig.8 Event response signal timing

圖7中，采用SOE信號(hào)源（簡(jiǎn)稱信號(hào)源）發(fā)出時(shí)間可知的開(kāi)關(guān)量信號(hào)；時(shí)標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)分析儀（簡(jiǎn)稱分析儀）可時(shí)間同步，可依據(jù)預(yù)設(shè)定的幀信息捕獲指定的GOOSE信號(hào)，并同時(shí)發(fā)送TTL脈沖指向該信號(hào)，且可顯示RX2端口收到該信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間值；智能終端的TX1/RX1光口，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器與分析儀的TX2/RX2電口通信。

結(jié)合圖7和8，光電轉(zhuǎn)換器的電光和光電轉(zhuǎn)換遲延時(shí)間總和，一般小于100 ns[11]，故δt1的影響可忽略。分析儀由RX2端口完整接收指定GOOSE信號(hào)、判斷信息至TTL脈沖輸出的實(shí)測(cè)遲延δt2＜5 μs。

表1為針對(duì)某型號(hào)智能終端，采用圖7模型GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果。其中，信號(hào)源準(zhǔn)確度0.1 ms并指定某整秒過(guò)T1′時(shí)刻輸出DO，T2′為分析儀顯示的GOOSE信號(hào)完整接收時(shí)刻的時(shí)間值，T1為GOOSE攜帶的SOE時(shí)間值，Δt為示波器相對(duì)時(shí)間檢測(cè)值（t2-t1）。

表1 GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)檢測(cè)值Tab.1 DI/DO detection

結(jié)合圖7和8，表1中，T1≈T1′；依據(jù)智能終端輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間值T2′和轉(zhuǎn)換遲延時(shí)間Δt，也可得到相應(yīng)SOE事件發(fā)生的實(shí)際時(shí)刻T1≈T2′-Δt。

5 結(jié)語(yǔ)

基于IEC61850的GOOSE信息，本質(zhì)上是描述智能終端信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程的一種應(yīng)用層通信接口語(yǔ)言，可由IEEE802.3物理信號(hào)攜帶傳輸，但其不是物理過(guò)程本身。

智能終端時(shí)間同步，應(yīng)體現(xiàn)為GOOSE時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)與其物理媒介信號(hào)實(shí)時(shí)響應(yīng)特性一致，即應(yīng)體現(xiàn)開(kāi)關(guān)設(shè)備暫態(tài)、標(biāo)注時(shí)間參量的物理正確性。同理，智能終端動(dòng)作實(shí)時(shí)性應(yīng)為開(kāi)出信號(hào)對(duì)相應(yīng)GOOSE信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

智能終端檢測(cè)既應(yīng)重視時(shí)間同步系統(tǒng)及時(shí)鐘信號(hào)傳遞，更應(yīng)重視數(shù)據(jù)的一次設(shè)備對(duì)象性；宜重視智能終端的端口暫態(tài)、實(shí)時(shí)響應(yīng)、時(shí)間信號(hào)應(yīng)用等三者的物理性，重視承載數(shù)據(jù)信息的物理媒介，重視語(yǔ)言描述與物理現(xiàn)象的一致性。

[參考文獻(xiàn)]（References）

[1]Q/GDW428智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2010.Q/GDW428 Technical specification for intelligent terminal of Intelligent substation[S].Beijing:China State Grid Corp,2010.

[2]Q/GDW441智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2010.Q/GDW441 Technical specification for intelligent substation relay protection [S].Beijing:China State Grid Corp,2010.

[3]IEEE Std 802.3-2008,Carrier sense multiple access with Collision Detection(CSMA/CD)Access Method and Physical Layer Specifications[S].

[4]胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].3版.北京:清華大學(xué)出版社,2013.Hu Guangshu.Theory,algorithm and implementation of digital signal processing[M].3 ed.Beijing:Tsing?hua University Press,2013.

[5]于躍海,張道農(nóng),胡永輝.電力系統(tǒng)時(shí)間同步方案[J],電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008(7):82-86.Yu Yuehai,Zhang Daonong,Hu Yonghui.Time syn?chronizing system for power system[J].Automation of Electric Power Systems,2008(7):82-86.

[6]IEC 61588,Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System[S].2009.

[7]高磊,袁宇波,宋亮亮.智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)間體系研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2012(3):116-119.Gao Lei,Yuan Yubo,Song Liangliang.Time system of intelligent substation monitoring systems[J].Electric Power Automation Equipment,2012(3):116-119.

[8]IEC 61850-8-1 Communication networks and system in substation：Part 8-1 Specific communication ser?vice mapping(SCSM)-Mapping to MMS(ISO/IEC 9506 Part 1 and Part 2)[S].2004.

[8]徐育福.1 100 kV GIS用斷路器合閘電阻工作原理及其預(yù)投入時(shí)間測(cè)試[J].湖北電力,2015(4):51-55.Xu Yufu.The working principle and pre-switching time testing technology of circuit breaker closing resistor for 1 100 kV SF6GIS[J].Hubei Electric Power,2015(4):51-55.

[9]王賓,黃磊,曹潤(rùn)彬.智能變電站126 kV智能終端設(shè)計(jì)與測(cè)試方案研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014(1):119-125.Wang Bin,Huang Lei,Cao Runbin.Design and test of 126 kV intelligent terminal in smart substation[J].Power System Protection and Control,2014(1):119-125.

[10]張曉華,牛元立,何剛.電子式互感器采樣系統(tǒng)固有延時(shí)測(cè)試研究[J].電測(cè)與儀表,2011(7):42-45.Zhang Xiaohua,Niu Yuanli,He Gang.Study on inherent delay test of electronic transformers sam?pling system[J].Electrical Measurement&Instru?mentation,2011(7):42-45.