智能变电站网络通信技术

智能变电站网络通信技术内容摘要：

， 以便及时检测断线 ， 或在接收到其他交换机传来的网络拓扑改变报文时即时改变端口状态。 在 RSTP 中 ， 交换机必须首先检测到网络断线 ， 然后再逐级发送网络配置报文 ， 直到所有交换机都作出相应改变才能实现完全的网络自愈 ， 无法满足零自愈时 间要求。 D 组网对时技术 在目前可利用的时钟基准源中， GPS 有其独具的优越性，是最佳的候选同步时钟源。 其输出的秒脉冲统计误差为 1μ s，且没有累积误差，能够满足许多应用领域对同步时钟的要求。 变电站接收 GPS 发出的标准时秒脉冲信号（ Pulse per Second， PPS），在每个秒脉冲信号到来后，通过专门的电缆向全站所有 IED 发送同步脉冲。 各个 IED在接收到同步脉冲后，通过软件解码出系统的同步计时点，并通过该值校正装置自身的计时时钟。 这种方案能实现同时与多个 IED对时，并且简单易行。 但是，变电站数字化的 发展趋势使得站内二次硬接线被串行通信线所取代。 GPS 脉冲直接对时系统已表现出了一定的局限性。 针对变电站这种一体化的通信网络和更高的同步精度要求，IEC61850引入了简单网络时间协议（ Simple Network Time Protocol，SNTP）。 SNTP是网络时间协议 (Network Time Protocol， NTP)的简化，应用于简单网络中。 作为使用最为普遍的国际互联网时间传输协议，SNTP 的应用已较为成熟，在一定的网络结构下， SNTP 的对时精度可在大多数情况下保持在 1 ms 以内。 但是 实现 25μ s 的对时精度还是很困难。 而 IEC61850 标准对 IED 最高等级的同步精度要求达到177。 1μ s。 IEEE1588 是应用于工业控制和测量领域的具有亚微秒级同步功能的精确时钟同步协议（ Precise Time Protocol, PTP）。 一个 IEEE1588精确时钟系统包括普通时钟（仅有一个 PTP 端口）、透明时钟和边界时钟（具有多个 PTP 端口），系统的每个节点均被认为是一个时钟，通过以太网将整个系统的时钟相连。 系统中的时钟工作在主时钟（ Master Clock）、从时钟（ Slave Clock）和无源时钟（ Passive Clock）三种状态。 系统中的源时钟称为超主时钟（ Grandmaster Clock）。 具体的时钟状态则是由最佳主时钟（ Best Master Clock， BMC）算法所确定。 E 采样值同步要求 ECT、 EVT 采样值信息在数字化变电站共享 ， 为了避免幅值与相位的误差 ， 母线保护设备 、 变压器保护设备要求同一间隔 ECT、 EVT 采样值数据之间保证时间同步 ， 不同间隔 ECT、 EVT 采样值数据之间也要保证时间同步。 线路保护设备要求不同变电站之间采样数据保持时间同步 ， 数字化变电站时 间同步系统主要由 ECT、 EVT 信号处理中 A/D 采样时序和时标参考基准源组成 ， 并且 IEC61850 没有给出数字化变电站采样值同步的具体实现方法。 目前 A/D 采样时序普遍采用的是时钟分频 、 倍频技术 ， 时标参考系统普遍采用的是 GPS Global Positioning System， IEEE1588对时技术。 工程应用中所遇到的主要问题是时间同步系统长期稳定性差及各厂家对 ECT、 EVT、 MU 等环节的处理方式不一致 ， 导致采样数据时序不同步。 a 过程层采样时序 由 MU 发出统一的采样同步脉冲至同一间隔中的 ECT、 EVT，在 ECT、 EVT 信号处理系统中对本地时钟信号进行分频 、 倍频处理后与采样同步脉冲信号锁相。 发送 A/D 采样时序 ， 确保同一间隔中所有 ECT、 EVT 采样值同步。 MU 同步采样结构如 下 图所示。 所对应的 12 路 ECT、 EVT 均以 MU 采样同步脉冲信号为基准保持同步采样。 过程层同步采样结构 为确保站内间隔之间 、 站与站之间所有采样脉冲同步 ， 所有 MU 发送至 ECT、 EVT 的基准信号应保持绝对同步 ， 必须引入系统时标参考源作为 MU 的时钟基准参考。 目前 ， 同步时钟参考信号可以选择GPS、 北斗 、 原子钟或者 IEEE1588 精密时钟源。 MU 收到外部基准时钟信号后 ， 经过处理 、 即刻发送至 ECT、 EVT 形成 A/D转换芯片的同步转换脉冲。 整个时间同步系统的流程可以描述如下 ： 来自外部基准源的时标信号经 MU 同步模块送入 ECT、 EVT 信号处理单元 ， 在 FPGA 或 EPLD内与本地晶振时钟的分频输出完成鉴相 、 锁相功能 ， 并输出同相时钟 ， 同相时钟经过分频之后形成采样脉冲送入 A/D 转换芯片。 由系统时钟流程可以看出 ， 时标参考源 、 本地晶振 、 时序处理 3 个环节均存在误差因素 ， 时间同步系统结构如 下图 所示。 时间同步系统结构 为确保站内间 隔之间 、 站与站之间所有采样脉冲同步 ， 所有 MU 发送至 ECT、 EVT 的基准信号应保持绝对同步 ， 必须引入系统时标参考源作为 MU 的时钟基准参考。 目前 ， 同步时钟参考信号可以选择GPS、 北斗 、 原子钟或者 IEEE1588 精密时钟源。 MU 收到外部基准时钟信号后 ， 经过处理 、 即刻发送至 ECT、 EVT 形成 A/D转换芯片的同步转换脉冲。 b 时标参考源误差 GPS 发送频率为 1 Hz 的秒脉冲至 MU 同步模块作为时标信号 ， 在 ECT、 EVT 中以该时标信号为基准 ， 对本地晶振输出进行分频 、鉴相 、 锁相等操作 ， 在实际使用时 ， 受天气 、 电磁环境 、 接收机可靠性 、 政治等方面的影响 ， GPS 信号存在丢帧 ， 受干扰等异常情况时 ，必须考虑兼容设计。 如果晶振精度比较高 ， GPS 时钟故障短时间不会影响系统同步 ， 考虑到晶振的漂移 、 抖动等因素 ， 长时间运行必然会导致采样值失步。 鉴于 GPS 同步信号故障情况的兼容设计 ， 建议 MU 具备产生本地同步基准信号的功能 ， 考虑到高频晶振存在抖动 、 漂移大 、 间歇振荡 、 可靠性低等不稳定因素 ， 建议采用低频率且高可靠性晶振 ， 并在ECT、 EVT 信号处理中加入故障判别 、 故障报告功能。 考虑到 GPS 受军事 、 政治等因素的影响 ， 可考虑接收国产北斗 卫星发送的协调世界时 UTC 信号。 随着芯片技术及高速以太网数据通信技术的发展 ， IEC6185092 将 IEEE1588 精密时钟同步校时协议引入数字化变电站的对时应用中 ， IEEE1588基于 TCP/IP 的网络协议 ， 采用分布式网络多播报文传送技术的对时方式 ， 为抑制分布式系统中各设备之间的时钟误差提供了有效途径。 该协议根据系统各节点的时钟精度及时间可溯源性 ， 采用最佳时钟算法选择区域内的主时钟 ， 并以主时钟为基准 ， 在包括时间标记的网络数据报文中计算各节点设备与主时钟的时间偏移量及传输延迟 ， 并及时反馈调节各节点设备 的时间 ， 保证分散节点设备上独立运行的时钟与主时钟同步对时 ， 对时精度可达亚微秒 ， 且具有更高的可靠性。 为了确保系统所选的主时钟为最佳时钟 ， 可综合运用数据集比较算法 、 状态决策算法 ， 根据本地时钟特性的参数及时钟级别 ， 选出网络中最优时钟。 IEEE1588 协议算法的前提是传输时间路径对称 ， 即假设同步报文收到的延迟与延迟请求报文发送的延迟相同 ， 主 、 从节点之间的双向传输时间延迟恒定且对称。 实际应用中 ， 以太网交换机的路由算法 、 网络风暴 、 网络堵塞等因素均会导致传输时间延迟既不恒定又不对称 ， 为解决传输时间路径非对称问题 ， 介绍 了边界时钟方法。 交换机的边界时钟视为从时钟 ，而对于交换网络中其他节点设备 ， 交换机是它们的主时钟源。 边界时钟的从属时钟与所外接主时钟保持同步 ， 边界时钟的主时钟同步其所在子网的其他从属时钟。 当时钟同步报文经过边界时钟的主 、 从端口时 ， 通过在物理层加盖时间戳信息 ， 可使主 、 从端口时钟校准。 由于边界时钟将节点与交换机的时钟抖动相隔离 ， 从而最大程度地减少了传输延迟抖动。 数字化变电站过程层网络与站控层网络均采用 IEEE1588进行高精度对时之后 ， 可以满足单个变电站中母线差动保护 、 变压器差动保。