數字化變電站中合并單元的研究現狀

康 健,夏玉林

(1.福州大學電氣工程與自動化學院,福州 350108;2.唐山學院專科教育部,河北唐山 063020)

數字化變電站中合并單元的研究現狀

康 健1,夏玉林2

(1.福州大學電氣工程與自動化學院,福州 350108;2.唐山學院專科教育部,河北唐山 063020)

介紹了數字變電站合并單元使用中的關鍵技術。首先對比分析了 GPS,SN TP,IEEE1588時間同步方法的特點,對目前實際采用的電子式互感器與合并單元之間的數字接口方案進行歸納總結,然后分別進行了基于IEC 618502921和IEC 618502922的合并單元的功能模塊分析,最后綜述了合并單元的性能測試方案。

數字化變電站;合并單元;IEC61850;IEC 6004427/8;接口

0 引言

按照IEC 61850的標準,變電站內智能設備從邏輯和功能上分為3層:變電站層、間隔層和過程層。過程層的典型設備有智能操作箱和合并單元,主要完成開關量和模擬量的采集以及控制命令的發送等與一次設備相關的功能。合并單元是由IEC 6004428為規范電子式互感器的數字化輸出而首次定義的,且在 IEC 61850中也引用了這一概念。IEC 61850規定了合并單元輸入電壓與電流的采樣數據,以及輸出應按照以太網的方式向外發送數據,并且還規定了 IEC 618502921和IEC 618502922兩種數據的幀格式。IEC 61850-921特定通信服務映射(SCSM)通過單向多路點對點串行通信鏈路來傳輸采樣值,IEC 618502922特定通信服務映射通過ISO/IEC 880223來傳輸采樣值。兩者的主要差別在于IEC 618502921通過獨立的鏈路來單向傳輸采樣值,采樣值的報文不存在發生碰撞等不確定因素,而 IEC 618502922中所規范的過程總線已是網絡的概念,它能更加徹底地實施變電站過程總線的數字化,它要求將合并單元裝置、數字化測控、保護裝置包含于同一個交換式以太網上,這就對網絡交換機及合并單元裝置、數字化測控、保護裝置的網絡性能提出了很高的要求。針對 IEC 618502921和 IEC 618502922的規定,我國也頒布了相應的電力行業標準,分別是DL/T860. 91和DL/T860.92。

按照IEC 60044的意圖,電子式互感器和合并單元是緊密聯系在一起的,應該由同一個廠家提供。但在實際應用中,合并單元多由二次設備廠家提供,且一個合并單元可能連接多個廠家的電子式互感器。然而,目前還沒有一個標準在電子式互感器和合并單元的信息交換方面給出規定。這給電子式互感器和合并單元之間的互聯造成了不確定性,增加了雙方的工作量。本文就合并單元所涉及的關鍵性問題進行考察,即簡要述評時間同步、合并單元與電子式互感器的信息交換、合并單元與間隔層設備的通信,以及合并單元的性能測試方面的研究現狀。

1 時間同步

同步采樣對電力系統保護、電力系統穩定分析等具有非常重要的意義。IEC 6004428提供了2種時間同步的方法:插值法和同步時鐘法,而IEC 6185029只支持時鐘同步法。文獻[1]指出,目前在我國電力系統中廣泛應用的同步時鐘技術是采用全球定位系統(GPS)作為同步時鐘源,而且在目前可利用的時鐘基準源中,GPS有其獨具的優越性,其輸出的秒脈沖統計誤差為1μs,且沒有累積誤差,能夠滿足許多應用領域對同步時鐘的要求。但輸入外部 GPS信號,需要新增一根對時光纜或電纜,由此增加了硬件上的復雜性,而且一旦失去外部GPS信號,將面臨采樣失步的危險。IEC 61850引入了簡單網絡時間協議(SNTP)。SNTP是網絡時間協議(NTP)的簡化,應用于簡單網絡中。作為使用最為普遍的國際互聯網時間傳輸協議,SNTP的應用已較為成熟,在一定的網絡結構下, SNTP的對時精度可在大多數情況下保持在1 ms以內,但是1 ms的對時精度現在已不能滿足要求,這是因為對于穩態工頻電氣量,其額定頻率為50 Hz,周期為20 ms,1 ms對應的電角度誤差為18度,這個誤差不能滿足測量的要求。

文獻[1]和[2]中提出,IEEE 1588是2002年底發布的用于自動化系統中的高精度網絡時鐘同步協議,能夠達到亞微秒級同步精度。協議定義的各種類型同步報文均是基于UDP/IP協議發送的,因此尤其適合于在以太網上實現,是一種精度很高且可以利用現成的以太網作為校時通道的校時方法。一個IEEE 1588精確時鐘系統包括普通時鐘、透明時鐘和邊界時鐘,系統的每個節點均被認為是一個時鐘,通過以太網將整個系統的時鐘相連。系統中的時鐘工作在主時鐘、從時鐘和無源時鐘3種狀態。具體的時鐘狀態則是由最優化的時鐘算法所確定的。

但文獻[3]指出,由于IEEE 1588適用于相對本地化、網絡化的系統,因此對于站站之間同步應用(如線路差動保護)和絕對時間戳應用(如同步相量測量),仍需 GPS信號支持,但是不必要求每個相關IED都外接 GPS。因為只要保證一個根時鐘能與 GPS同步,理論上站內所有 IED都可借助IEEE 1588時鐘實現絕對同步。此外,需注意的是,網絡同步的硬件設計中,要求智能傳感器、交換機及保護、測量等設備都必須支持IEEE 1588協議,但目前電力行業制造商所推出的產品中支持此協議的并不多。

2 合并單元與電子式互感器的信息交換

為了采樣點的準確定時以及能夠進行密集采樣,電子式互感器與合并單元之間宜通過光纖收發器實現光纖連接,采樣數據由特定編碼組成高速信息幀,以一個統一的幀格式進行高速傳輸。

文獻[4]指出,合并單元和電子式互感器之間可以遵從UART方式進行通信。鏈路層幀格式為:起始符(2字節)+數據(4字節)+狀態(1字節)+幀校驗(1字節),合計8字節,幀校驗采用簡單的8位CRC校驗,采用UART異步串行通信方式。異步傳輸是一個字符接一個字符傳輸,一個字符的信息由起始位、數據位、奇偶校驗位和停止位組成。每一個字符的傳送靠起始位來同步,用下降沿通知收方傳輸開始,緊跟著起始位之后的是數據位,傳輸時低位在前、高位在后,字符本身由5～8位數據位組成。接收端檢測并確認起始位后,接收8位數據位。數據位后面是奇偶校驗位,最后是停止位,停止位標志一個字符的結束,并為下一個字符的開始傳送做準備,停止位后面是不定長度的空閑位。文獻[5]采用典型的11位(1個起始位、8位數據、1個奇偶校驗位和1個停止位),起始位為“0”,停止位為“1”。當采樣率為每周波采樣200點時,由于工頻為50 Hz,通信帶寬要求為(8+ 3)位/字節×8字節×200點×50 Hz=0.88 M bit/s,所以采用-M bit/s的傳輸波特率完全能夠滿足數據傳送的速度。

目前合并單元與電子式互感器的接口,有些采用國際電工委員會制定的電子式互感器標準 IEC 6004427/8來實現的。文獻[5]介紹了基于IEC 6004428標準的電子式電流互感器與合并單元的接口方案。電子式電流互感器完成電流數據的采集后,按照IEC 6004428規約的要求對數據組幀編碼,加入電流、電壓、延遲以及狀態碼等。在鏈路層將數據加上幀頭、CRC校驗碼完成組幀,然后在物理層進行曼徹斯特編碼傳輸,以保證實時性和準確性。幀格式采用FT3,此格式起始符為2個字節,然后是用戶數據1、校驗碼1、用戶數據2、校驗碼2、用戶數據3、校驗碼3。曼徹斯特編碼后的數據經過光纖收發器后通過光纖高速傳輸到合并單元。曼徹斯特編碼是一種自同步編碼方式,包括數據信息和時鐘信息。在曼徹斯特編碼中,每一位的中間都有一跳變,位中間的跳變既作時鐘信號,又作數據信號;從高到低跳變表示“1”,從低到高跳變表示“0”。曼徹斯特編碼將時鐘和數據包含在數據流中,在傳輸代碼信息的同時,也將時鐘同步信號一起傳輸到對方,每位編碼中有一跳變,不存在直流分量,因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個碼元都被調成兩個電平,所以數據傳輸速率只有調制速率的1/2。

合并單元與電子式互感器之間也可以利用現成的以太網PHY芯片實現百兆光纖通信,采用IEEE 802.9a等與以太網一致的4B/5B編碼規則[6],該編碼方案具有效率高和容易實現的特點。該編碼將發送的數據流以每4 bit為一個組,然后按照4B/5B編碼規則將其轉換成相應的5 bit碼。5 bit碼共有32種組合,但只采用其中的24種,16種對應4 bit碼的16種,8種用作控制碼,以表示幀的開始和結束、光纖線路的狀態(靜止、空閑、暫停)等。

3 合并單元與間隔層的通信

3.1 基于IEC 618502921的合并單元

3.1.1 FPGA與ARM技術組合方案

文獻[7]給出了輸入為模擬信號情況下的合并單元的實現方案。該方案是基于三星公司推出的 ARM 9處理器S3C2410提出的,以S3C2410為主控芯片,設備啟動后,獲取站內的初始化信息,然后啟動數據采樣模塊;數據采集模塊由一塊FPGA和兩塊A/D轉換芯片組成,FPGA根據ARM發送來的采樣頻率和采樣精度來控制兩塊A/D芯片,將電流/電壓互感器的信號進行轉換,然后進行處理。

文獻[8]中合并單元主要由兩個控制運算芯片組成,選用Atmel公司的A T91RM 9200 ARM和Altera公司的Cy-clone2代FPGA。合并單元的設計可以兼顧模擬輸入信號和數字輸入信號,模擬輸入信號經過濾波和A/D轉換后送到ARM,而數字輸入信號為了抗干擾等原因,通過光電轉換,將數字光信號送入合并單元,到達合并單元之后,通過電光轉換,轉換為電信號,由FPGA實現CRC校驗、數字濾波,最后送入ARM,由ARM將數據按照IEC 61850的格式組成以太幀然后發送。

3.1.2 FPGA與DSP技術組合

文獻[9]設計的合并單元裝置硬件采用 FPGA加DSP技術實現。設計中把它細劃分為3個主要功能模塊:數據接收模塊、數據處理模塊和數據輸出模塊,另外還有一個同步采樣脈沖系列發生模塊。數據接收模塊利用FPGA,通過用戶編程實現對合并單元接收的多路串行數字信號進行有效性校驗,并將其轉換成并行信號,同時可利用FPGA編程產生同步采樣脈沖。數據處理模塊,即DSP通過定時方式讀取各路并行數據,其定時工作原理為:在同步有效采樣脈沖前沿時刻啟動計數器開始計時,定時間隔大小保證 n路(n≤12)串行數據完成串并轉換,且存入各自相互獨立的數據緩沖區并保持穩定,此時DSP從數據接收模塊數據緩沖區依次讀取轉換后的各路并行數據;DSP對數據進行相應處理后給數據包打上正確的包號,然后將各路有效數據按 IEC 618502921協議規定的數據幀格式組幀后寫入數據輸出以太網通信模塊發送至緩沖區,并啟動數據發送命令。數據輸出模塊針對每幀數據自動產生報頭和幀校驗碼,最終將數據通過以太網發送給間隔層的二次測量、保護等設備。

3.2 基于IEC 618502922的合并單元

采用IEC 618502921標準發送的數據是點對點通信,各個合并單元之間的數據不能共享,并沒有真正體現出電子式互感器的優勢,也不能真正體現 IEC 61850標準過程層總線通信的優勢。而IEC 618502922,它強調未來變電站自動化系統的開放性、互操作性以及可擴展性,可實現間隔層設備和站級設備對過程層信息的共享。但是由于IEC 618502922部分所定義的標準相當靈活,所以實現起來有一定難度。為此,IEC委員會專門出版了針對 IEC 618502922的Light Edi-tion(簡稱922LE),對 IEC 618502922的應用提供指導,并對一些參數進行固化。

文獻[10]給出了基于IEC 618502922的合并單元的研制樣機。根據IEC 618502922規定,合并單元需要將各路采集信息封裝為以太網多播幀格式發送至網絡。二次設備單元必須加入相應的多播地址或VLAN才能接收到所訂閱的網絡報文。其中采樣測量值(SMV)和跳閘命令(GOOSE)是過程總線最為重要的數據,對實時性要求非常高。SMV與GOOSE的不同在于它的傳輸量大而且是周期性的。為了區分過程層SMV報文與其他實時性不強的報文傳輸引入了優先級的概念。SMV報文需要打上最高優先級標簽,以使交換機能優先轉發它,確保它的實時性。SMV按多播幀的格式發至網絡,在傳統的交換機上,則是以廣播方式發送的。當網絡中存在大量的多播數據時,由多播幀引起的廣播數據會消耗大量的帶寬,會引起“廣播風暴”。在實際應用中,如果采用網管型工業以太網交換機將不存在上述問題,因為它提供了IGM P Snooping服務,允許網絡主機加入或離開多個多播組,防止了多播幀被發往那些未請求這些幀的主機。另一種方法是采用VLAN技術根據繼電保護和控制域劃分虛擬子網,將不同業務功能的節點群進行安全隔離,以避免“廣播風暴”的發生。

當前國外如ABB,AREVA,SIEM ENS等廠家均推出了基于IEC 618502922標準的合并單元。國內廠家如南瑞[11]、許繼[12]、上海思源弘瑞等目前也已推出了基于該標準的合并單元產品。其中南瑞、許繼提供的是數字化變電站的整體解決方案,而上海思源弘瑞則分別提供了過程層、間隔層、站控層的產品。合并單元屬于過程層產品,可采集傳統CT/ PT、電子式互感器的數據,采樣數據發送可同時支持 IEC 618502922,IEC 618502921,IEC 6004428,裝置可通過以太網實現IEEE 1588對時,無需額外的對時信號光纖,對時精度可達到1μs,如果間隔層設備不支持IEEE 1588,也可以采用IRIG2B碼或秒脈沖對時。

4 合并單元性能測試

文獻[9]給出了合并單元以太網通信功能測試。數字采樣值分別接入合并單元裝置定義的A,B,C數據接收通道,在模擬現場額定一次電流400A的電磁環境下,通過Sniffer協議分析軟件對合并單元以太網輸出幀的內容準確性進行分析驗證,并重點校對了協議中所描述的狀態字內容變化及其報警功能。

文獻[10]則給出了合并單元的綜合測試方案。將合并單元接入標準輸入源(OM ICRON),通過比較輸入信號與工控機上所接收到的采樣值數據可以算得采樣精度;為了精確測量傳輸延遲,由GPS秒脈沖觸發,采用CPU晶振定時,每秒發送一次采樣數據,當工控機接收到合并單元1整秒時刻的報文時,立即讀取當前的微秒數,即為延遲時間。為了進一步分析以太網對采樣值傳輸的影響,還可加入負載測試,通過引入不同的網絡負載觀察采樣值信號的延遲情況。

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(責任編校:李秀榮)

Present Research of Merging Unit in Digital Substation

KANGJian1,XIA Yu-lin2
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2.Division of Junior Education,Tangshan College,Tangshan 063020,China)

Merging unit is an important interface between electronic transducers and protection and measure equipments of the bay level of substation.The paper firstly compares the characteristics of GPS,SN TP and IEEE1588 time synchronization methods are compared,then summarizes digital interface program between the practically applied electronic mutual inductors and merging unit and analyses the functional modules based on IEC618502921and IEC618502922,and finally sum s up the performance testing programs of merging units.

digital substation;merging unit;IEC61850;IEC 6004427/8;interface

TM 45

A

1672-349X(2010)06-0038-03

2010-09-09

康健(1974-),女,講師,博士,主要從事電能質量和電力系統繼電保護方面的教學與研究。