基于通信物理層信號的智能終端實時響應檢測方法

陳 宏，舒 欣

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

智能終端[1]是智能變電站二次系統與現場開關設備的智能接口。為了二次系統保護、控制實時性以及故障監控與分析處置正確性，一般要求智能終端對時精度1 ms、SOE分辨率2 ms、動作時間不大于7 ms[2]。

目前，國內針對智能終端的SOE指標檢測較為成熟，但針對現場信號與通信端口GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）之間的實時響應，則多以規約一致性、數據報文獲取等間接測試或估算方式為主，而通信物理層相關IEEE802.3[3]信號響應特性、報文物理一致性等研究偏弱。

本文基于變電站時間同步信號應用，以及二次系統標注一次設備暫態時刻的數據采集信息（簡稱時標數據）實時性分析。根據數字信號處理理論[4]的離散時間系統原理，綜合智能終端實時響應、通信物理層數據信號的物理性，結合GOOSE時標數據信息/信號響應SOE信號的物理一致性，基于物理層探討智能終端檢測方法。

1 時間同步與時標數據

變電站時間同步設備[5]，可依據衛星信號或主站端授時信號為時鐘源（參見圖1），可以IRIG-B或網絡IEC61588[6-7]統一站內IED時鐘，用于實現標注一次設備暫態與動態測量數據的時間值。

圖 1 智能變電站二次設備時間同步Fig.1 Substation IED time synchronization

圖1示意了一種智能變電站二次設備時間同步信號應用結構。其中的站控層網絡，基于TCP/IP交互方式通信，數據傳輸遲延一般為秒級；一般采用制造報文規范（Manufacturing Message Specification，MMS）傳輸數據信息，主要服務于人機監控、故障診斷、IED工作方式切換。

圖1的過程層網絡，基于介質訪問控制（Media Access Control，MAC）的非握手傳輸機制，網絡數據遲延一般為亞毫秒級；可傳輸合并單元交流采樣值（Sampled Value，SV）、智能終端GOOSE等帶時標的數據采集信息，主要服務于IED之間的實時傳輸與聯動響應。

若以智能終端由現場開關量輸入至GOOSE輸出為例，則GOOSE[8]幀的數據采集、時間標記信息，主要包括變位事件時間、開關狀態、報文輸出時間。其中的時間值之差可理解為事件信號轉換響應時間。

因此，GOOSE是實時信息，GOOSE時標數據與智能終端轉換響應特性相關，可反映開關設備的暫態狀態、暫態時間。

2 開關變位GOOSE信號實時響應

根據數字信號處理理論，可將智能終端由輸入至輸出的轉換，視為具有線性、移不變性、因果性、穩定性的離散時間系統，即可視為GOOSE與開關變位[9]（或斷路器變位）之間的信號響應。

圖2以開關量輸入至GOOSE輸出為例，示意了一種智能終端開關變位轉換硬件回路[10]，并采用PTP（即IEC61588）實現時鐘同步。

圖2中，開關量變位至GOOSE輸出的總體轉換遲延時間為Δt，其中，CPU數字濾波并生成開關變位數據包，經網絡控制器、物理收發器輸出GOOSE信號。

圖3結合圖2，基于時間參量和開關變位事件，示意了智能終端由開關事件DI(t)輸入至數據信號GOOSE(t)輸出的轉換響應時序。結合前述GOOSE時標數據主要內容，GOOSE(t)信號包含以下信息。

圖 2 開關變位轉換結構示意Fig.2 Breaker action event

圖 3 開關變位轉換信號時序Fig.3 Event signal conversion timing of breaker

變位時刻時間值T1，描述變位事件SOE的發生時刻；開關位狀態Bit，可視同DI(t)開入狀態轉換輸出的狀態響應數字信號Bit(t)；數據輸出時間值T2，可用于描述變位事件的GOOSE首出[8]信號輸出時刻。

即若GOOSE時標數據的T1、T2信息描述與GOOSE(t)信號響應一致，則理想狀態下，圖2和3中智能終端信號轉換可為DI(t)=GOOSE(t+Δt)，其中Δt=T2-T1。

結合圖1，間隔層IED可由過程層網絡接入GOOSE時標數據（參見圖1）信息。若GOOSE信息描述與智能終端信號實時轉換的物理響應特性一致，則，間隔層IED可直接關聯圖3所示的Bit與時間T1，形成變位事件SOE測控時標數據上傳。至此，依據智能終端的數字信號實時響應物理性分析，可認為數字信號本質上應是攜帶了GOOSE時標數據信息的光/電信號。

3 通信物理層數字信號

變電站IED多采用100M以太網通信。其中，數據信息格式，一般遵循IEC61850、IEEE1588規范的MMS、SV、GOOSE、PTP方式；數據傳輸媒介，多基于IEEE802.3的CSMA/CD（載波偵聽多路訪問與沖突檢測）機制，遵循其規則、介質、接口，由光/電信號傳輸數據信息，即時標數據依賴光或電信號攜帶并傳輸。

例如，參見圖2，智能終端CPU生成包含T1、Bit、T2的GOOSE時標數據包，經網絡控制器形成基于MAC通信的時標數據幀MGoose，并由物理介質無關接口MII傳送至物理收發器PHY進行信號編碼與轉換，再經介質相關接口MDI輸出GOOSE(t)時標數據信號。

根據IEEE802.3并結合OSI（開放系統互聯）結構模型，圖3的MII、PHY、MDI組成部分，對應OSI模型的物理層（見圖4）。

結合圖2和4，以網絡控制器生成的MAC數據幀SVn至端口光電信號發送為例，數字信號GOOSE(t)的主要形成過程如下：

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

圖 5 MDI介質端口信號示意Fig.5 MDI port signal

網絡控制器的協調子層RS與MII接口，主要將MAC數據幀以半字節4B方式傳輸至PHY，并可判斷通信狀態；PHY的物理編碼子層PCS，為避免多0連續通信失步、均衡通信能量，按4B/5B規則將半字節轉換為5B編碼并擾碼，具有并串數據轉換和沖突檢測功能；PHY的物理連接子層PMA，可將串行信號轉換為NRZI編碼數據流，并具有鏈接狀態判斷和載波偵聽的功能；PHY的物理介質相關子層PMD，可進行數據流三基態電平MLT-3編碼；介質相關接口MDI，數據信號的最終輸出接口，電/光信號為100Base-TX/FX接口。

其中，當PHY無數據發送任務時，由PCS生成連續IDLE（5B數據為“11111”）空閑編碼流，即如圖5所示，有效數據信號GOOSE嵌入在IDLE信號中傳輸。

4 智能終端實時響應檢測

4.1 實時響應檢測模型

圖6示意了一種檢測智能終端輸入、輸出端口信號實時響應的模型。其中，智能終端測試儀（簡稱測試儀）可與衛星時間同步，并可基于時鐘信號、數字信號進行端口信號響應校準。

圖6中智能終端通信端口TX1/RX1與測試儀TX2/RX2端口連接，開關量輸出DO連接至輸入DI端，并且連接至測試儀的開關量輸入端di。

圖 6 實時響應檢測模型Fig.6 Real time response detection model

測試儀仿真與智能終端GOOSE通信，在指定時刻由TX2發出DO開出的GOOSE指令信號，并可經RX2捕獲響應DI事件的TX1端口GOOSE信號，且可顯示TX2、RX2、di端口的指定信號時間值。

4.2 開關事件響應檢測與驗證

以SOE事件實時響應為例，結合圖3智能終端開關變位轉換實時響應分析，圖7示意了一種GOOSE時標數據信號的檢測方法，可用于比對圖6測試儀的GOOSE時標數據檢測能力。圖7的信號響應時序如圖8所示。

圖 7 事件響應檢測與驗證模型Fig.7 The event response signal for test and validate

圖 8 事件信號響應時序Fig.8 Event response signal timing

圖7中，采用SOE信號源（簡稱信號源）發出時間可知的開關量信號；時標網絡信號分析儀（簡稱分析儀）可時間同步，可依據預設定的幀信息捕獲指定的GOOSE信號，并同時發送TTL脈沖指向該信號，且可顯示RX2端口收到該信號時刻的時間值；智能終端的TX1/RX1光口，經光電轉換器與分析儀的TX2/RX2電口通信。

結合圖7和8，光電轉換器的電光和光電轉換遲延時間總和，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、判斷信息至TTL脈沖輸出的實測遲延δt2＜5 μs。

表1為針對某型號智能終端，采用圖7模型GOOSE時標數據的實時響應檢測結果。其中，信號源準確度0.1 ms并指定某整秒過T1′時刻輸出DO，T2′為分析儀顯示的GOOSE信號完整接收時刻的時間值，T1為GOOSE攜帶的SOE時間值，Δt為示波器相對時間檢測值（t2-t1）。

表1 GOOSE時標數據實時響應檢測值Tab.1 DI/DO detection

結合圖7和8，表1中，T1≈T1′；依據智能終端輸出信號響應時間值T2′和轉換遲延時間Δt，也可得到相應SOE事件發生的實際時刻T1≈T2′-Δt。

5 結語

基于IEC61850的GOOSE信息，本質上是描述智能終端信號轉換過程的一種應用層通信接口語言，可由IEEE802.3物理信號攜帶傳輸，但其不是物理過程本身。

智能終端時間同步，應體現為GOOSE時標數據與其物理媒介信號實時響應特性一致，即應體現開關設備暫態、標注時間參量的物理正確性。同理，智能終端動作實時性應為開出信號對相應GOOSE信號的實時響應。

智能終端檢測既應重視時間同步系統及時鐘信號傳遞，更應重視數據的一次設備對象性；宜重視智能終端的端口暫態、實時響應、時間信號應用等三者的物理性，重視承載數據信息的物理媒介，重視語言描述與物理現象的一致性。

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