智能變電站網絡通信技術(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ， 以便及時檢測斷線 ， 或在接收到其他交換機傳來的網絡拓撲改變報文時即時改變端口狀態。 在 RSTP 中 ， 交換機必須首先檢測到網絡斷線 ， 然后再逐級發送網絡配置報文 ， 直到所有交換機都作出相應改變才能實現完全的網絡自愈 ， 無法滿足零自愈時 間要求。 D 組網對時技術 在目前可利用的時鐘基準源中， GPS 有其獨具的優越性，是最佳的候選同步時鐘源。其輸出的秒脈沖統計誤差為 1μ s，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。變電站接收 GPS 發出的標準時秒脈沖信號（ Pulse per Second， PPS），在每個秒脈沖信號到來后，通過專門的電纜向全站所有 IED 發送同步脈沖。各個 IED在接收到同步脈沖后，通過軟件解碼出系統的同步計時點，并通過該值校正裝置自身的計時時鐘。這種方案能實現同時與多個 IED對時，并且簡單易行。但是，變電站數字化的 發展趨勢使得站內二次硬接線被串行通信線所取代 。 GPS 脈沖直接對時系統已表現出了一定的局限性 。 針對變電站這種一體化的通信網絡和更高的同步精度要求，IEC61850引入了簡單網絡時間協議（ Simple Network Time Protocol，SNTP）。 SNTP是網絡時間協議 (Network Time Protocol， 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 實現 25μ s 的對時精度還是很困難。而 IEC61850 標準對 IED 最高等級的同步精度要求達到177。 1μ s。 IEEE1588 是應用于工業控制和測量領域的具有亞微秒級同步功能的精確時鐘同步協議（ Precise Time Protocol, PTP）。一個 IEEE1588精確時鐘系統包括普通時鐘（僅有一個 PTP 端口）、透明時鐘和邊界時鐘（具有多個 PTP 端口），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（ Master Clock）、從時鐘（ Slave Clock）和無源時鐘（ Passive Clock）三種狀態。系統中的源時鐘稱為超主時鐘（ Grandmaster Clock）。具體的時鐘狀態則是由最佳主時鐘（ Best Master Clock， BMC）算法所確定 。 E 采樣值同步要求 ECT、 EVT 采樣值信息在數字化變電站共享 ， 為了避免幅值與相位的誤差 ， 母線保護設備 、 變壓器保護設備要求同一間隔 ECT、 EVT 采樣值數據之間保證時間同步 ， 不同間隔 ECT、 EVT 采樣值數據之間也要保證時間同步 。 線路保護設備要求不同變電站之間采樣數據保持時間同步 ， 數字化變電站時 間同步系統主要由 ECT、 EVT 信號處理中 A/D 采樣時序和時標參考基準源組成 ， 并且 IEC61850 沒有給出數字化變電站采樣值同步的具體實現方法 。 目前 A/D 采樣時序普遍采用的是時鐘分頻 、 倍頻技術 ， 時標參考系統普遍采用的是 GPS Global Positioning System， IEEE1588對時技術 。 工程應用中所遇到的主要問題是時間同步系統長期穩定性差及各廠家對 ECT、 EVT、 MU 等環節的處理方式不一致 ， 導致采樣數據時序不同步 。 a 過程層采樣時序 由 MU 發出統一的采樣同步脈沖至同一間隔中的 ECT、 EVT，在 ECT、 EVT 信號處理系統中對本地時鐘信號進行分頻 、 倍頻處理后與采樣同步脈沖信號鎖相 。 發送 A/D 采樣時序 ， 確保同一間隔中所有 ECT、 EVT 采樣值同步 。 MU 同步采樣結構如 下 圖所示 。 所對應的 12 路 ECT、 EVT 均以 MU 采樣同步脈沖信號為基準保持同步采樣 。 過程層同步采樣結構 為確保站內間隔之間 、 站與站之間所有采樣脈沖同步 ， 所有 MU 發送至 ECT、 EVT 的基準信號應保持絕對同步 ， 必須引入系統時標參考源作為 MU 的時鐘基準參考 。 目前 ， 同步時鐘參考信號可以選擇GPS、 北斗 、 原子鐘或者 IEEE1588 精密時鐘源 。 MU 收到外部基準時鐘信號后 ， 經過處理 、 即刻發送至 ECT、 EVT 形成 A/D轉換芯片的同步轉換脈沖 。 整個時間同步系統的流程可以描述如下 ： 來自外部基準源的時標信號經 MU 同步模塊送入 ECT、 EVT 信號處理單元 ， 在 FPGA 或 EPLD內與本地晶振時鐘的分頻輸出完成鑒相 、 鎖相功能 ， 并輸出同相時鐘 ， 同相時鐘經過分頻之后形成采樣脈沖送入 A/D 轉換芯片 。由系統時鐘流程可以看出 ， 時標參考源 、 本地晶振 、 時序處理 3 個環節均存在誤差因素 ， 時間同步系統結構如 下圖 所示 。 時間同步系統結構 為確保站內間 隔之間 、 站與站之間所有采樣脈沖同步 ， 所有 MU 發送至 ECT、 EVT 的基準信號應保持絕對同步 ， 必須引入系統時標參考源作為 MU 的時鐘基準參考 。 目前 ， 同步時鐘參考信號可以選擇GPS、 北斗 、 原子鐘或者 IEEE1588 精密時鐘源 。 MU 收到外部基準時鐘信號后 ， 經過處理 、 即刻發送至 ECT、 EVT 形成 A/D轉換芯片的同步轉換脈沖 。 b 時標參考源誤差 GPS 發送頻率為 1 Hz 的秒脈沖至 MU 同步模塊作為時標信號 ， 在 ECT、 EVT 中以該時標信號為基準 ， 對本地晶振輸出進行分頻 、鑒相 、 鎖相等操作 ， 在實際使用時 ， 受天氣 、 電磁環境 、 接收機可靠性 、 政治等方面的影響 ， GPS 信號存在丟幀 ， 受干擾等異常情況時 ，必須考慮兼容設計 。 如果晶振精度比較高 ， GPS 時鐘故障短時間不會影響系統同步 ， 考慮到晶振的漂移 、 抖動等因素 ， 長時間運行必然會導致采樣值失步 。 鑒于 GPS 同步信號故障情況的兼容設計 ， 建議 MU 具備產生本地同步基準信號的功能 ， 考慮到高頻晶振存在抖動 、 漂移大 、 間歇振蕩 、 可靠性低等不穩定因素 ， 建議采用低頻率且高可靠性晶振 ， 并在ECT、 EVT 信號處理中加入故障判別 、 故障報告功能 。 考慮到 GPS 受軍事 、 政治等因素的影響 ， 可考慮接收國產北斗 衛星發送的協調世界時 UTC 信號 。 隨著芯片技術及高速以太網數據通信技術的發展 ， IEC6185092 將 IEEE1588 精密時鐘同步校時協議引入數字化變電站的對時應用中 ， IEEE1588基于 TCP/IP 的網絡協議 ， 采用分布式網絡多播報文傳送技術的對時方式 ， 為抑制分布式系統中各設備之間的時鐘誤差提供了有效途徑 。 該協議根據系統各節點的時鐘精度及時間可溯源性 ， 采用最佳時鐘算法選擇區域內的主時鐘 ， 并以主時鐘為基準 ， 在包括時間標記的網絡數據報文中計算各節點設備與主時鐘的時間偏移量及傳輸延遲 ， 并及時反饋調節各節點設備 的時間 ， 保證分散節點設備上獨立運行的時鐘與主時鐘同步對時 ， 對時精度可達亞微秒 ， 且具有更高的可靠性 。 為了確保系統所選的主時鐘為最佳時鐘 ， 可綜合運用數據集比較算法 、 狀態決策算法 ， 根據本地時鐘特性的參數及時鐘級別 ， 選出網絡中最優時鐘 。 IEEE1588 協議算法的前提是傳輸時間路徑對稱 ， 即假設同步報文收到的延遲與延遲請求報文發送的延遲相同 ， 主 、 從節點之間的雙向傳輸時間延遲恒定且對稱 。 實際應用中 ， 以太網交換機的路由算法 、 網絡風暴 、 網絡堵塞等因素均會導致傳輸時間延遲既不恒定又不對稱 ， 為解決傳輸時間路徑非對稱問題 ， 介紹 了邊界時鐘方法 。 交換機的邊界時鐘視為從時鐘 ，而對于交換網絡中其他節點設備 ， 交換機是它們的主時鐘源 。 邊界時鐘的從屬時鐘與所外接主時鐘保持同步 ， 邊界時鐘的主時鐘同步其所在子網的其他從屬時鐘 。 當時鐘同步報文經過邊界時鐘的主 、 從端口時 ， 通過在物理層加蓋時間戳信息 ， 可使主 、 從端口時鐘校準 。 由于邊界時鐘將節點與交換機的時鐘抖動相隔離 ， 從而最大程度地減少了傳輸延遲抖動 。 數字化變電站過程層網絡與站控層網絡均采用 IEEE1588進行高精度對時之后 ， 可以滿足單個變電站中母線差動保護 、 變壓器差動保