數字化變電站同步問題及解決對策分析

晏創

（佛山市辰譽電力設計咨詢有限公司，廣東 佛山 528000）

1 數字化變電站相關技術介紹

電子式傳感器主要由可以連接到傳輸系統和能夠實現二次轉換器的一個或者是多個電流和電壓傳感器構成的，可以實現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備、傳感器和執行器，并且是較高性能的斷路器和控制設備，不但可以實現斷路器的基本功能，還可以實現監測和診斷等附加功能。數字化變電站的通信體系是以IEC61850為基礎進行的，將變電站的一二次設備劃作三層：站控層、間隔層、過程層。在這里過程層描述的是變電站內的變壓器、斷路器、隔離開關和輔助觸點，電流、電壓互感器等一次設備。而間隔層以斷路器的隔間進行的分組?？梢詫崿F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控主機和遠動通信機。GOOSE就是可以迅速的進行以太網多播報文傳輸，將變電站中智能設備LED之間傳統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絡信號，不但在邏輯節點之間通信商提升了速度，而且變得更加可靠。

2數字化變電站問題分析

2.1 關鍵技術的三網合一

在這里的三網就是SMV網、GOOSE網和IEEEI588同步網。所謂的三網合一就是把SMV、GOOSE信息和IEEE1588統一起來形成組網，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口可實現全部的接入。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。就采樣值方面三網合一的方案具有一些不足和不確定性，當采樣值在以太網中由IEC61850-9-2進行傳輸，不能確定延時，造成無法實現保護的功能。

2.2 組網情況下的網絡延遲分析

所謂的網絡傳輸延時就是將一幀報文由發送向接收時在網絡傳輸時消耗的所有時間。由以下四種原因影響：首先，存儲轉發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據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據幀轉發出去。被轉發的數據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交換機的內部。交換機制是靠復雜的硬件電路去實現存儲轉發引擎、VLAN等其它的功能。而由交換機制出現的延時可以用來實現這些邏輯功能。第三，在光纖鏈路上傳輸的數據位，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絡時，就會發現這種線路傳輸的延時。最后，SMV、GOOSE和IEEE1588數據幀如果由同一以太網中進行傳輸，一定會造成數據幀的碰撞，在去除數據幀碰撞的問題上，采用的方法是以太網交換機存儲轉發機制的隊列結合。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的是實際網絡的通信工況。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絡上通信時全部的信息源，尤其是一定要了解由何種設備傳輸數據幀的大小、優先級和傳送的時間及效率。但是由于網絡負載十分輕的時候，我們就不研究數據幀排隊的影響。讓我們在研究網絡結構、VLAN和優先級的設計時，可以增加變電站的實時性，這樣有助于變電站的發展。

2.3 同步原理的分析

在進行同步原理分析時，先將網絡中的主時鐘作為參照，然后就開始算出主、從時鐘之間差距，并且根據網絡傳輸延遲來糾正從時鐘。主時鐘的經典是算法BMC算法，再由每個PTP端口所給的質量信息，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，這樣再根據自身接收和發送消息的時間，就能夠算出從時鐘與主時鐘的差距和網絡的延遲時間。

3 數字化變電站和9-2采值解決方案

3.1 數字化變電站解決方案

3.1.1 單一變電站解決方案

IEC61850把數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了網絡化。但是由于數字化變電站的類型很多，出現的網絡拓撲結構和保護測控設備的配置大不相同。而以太網的基本結構可分為總線型、星型、環型三種。我們在研究單一變電站解決方案時，可以將站控層、間隔層、過程層在拓撲結構上使用總線型、星型以及環型。

3.1.2 多變電站解決方案

對于多數的變電站來說，我們現在一個區域內設置一個對時主站，之后開始實現區域內的時鐘同步。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 傳統秒脈沖同步方式下的解決方案

首先采用虛擬采樣的技術，就合并單元在秒脈沖上升沿到來時出現的采樣值，將序號記作0，逐次增加。與此同時，保護裝置出現的虛擬采樣中斷，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采樣中斷時計數器值加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網絡同步方式下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。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一的時間戳。而同步算法依據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過線性插值換算成基準點的時刻。

結語

本文就電子式互感器的廣泛使用以和以IEC61850為基礎來實現標準的數字化變電站建設所造成了大量同步問題進行了分析，從而找出了數字化變電站在傳統同步方式上的缺點，進一步的研究了IEEE1588PTP網絡同步方式的理論和有關的知識，總結了一些以IEEE1588為基礎的數字化變電站同步解決方案，進一步地優化數字化變電站同步方式。

[l]高翔.數字化變電站應用技術[M].北京：中國電力出版社：2008.

[2]曹津平，李偉，秦應力等.數字化變電站過程層的通信技術[J].電力系統保護與控制.2008.

[3]范建忠，馬千里.GOOSE通信與應用[J].電力系統自動化，2007.

[4]灰智蘭，李智.精確時鐘同步協議最佳土時鐘算法[J].電力自動化設備.2009.