康 健,夏玉林

(1.福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108;2.唐山学院专科教育部,河北唐山 063020)

数字化变电站中合并单元的研究现状

康 健1,夏玉林2

(1.福州大学电气工程与自动化学院,福州 350108;2.唐山学院专科教育部,河北唐山 063020)

介绍了数字变电站合并单元使用中的关键技术。首先对比分析了 GPS,SN TP,IEEE1588时间同步方法的特点,对目前实际采用的电子式互感器与合并单元之间的数字接口方案进行归纳总结,然后分别进行了基于IEC 618502921和IEC 618502922的合并单元的功能模块分析,最后综述了合并单元的性能测试方案。

数字化变电站;合并单元;IEC61850;IEC 6004427/8;接口

0 引言

按照IEC 61850的标准,变电站内智能设备从逻辑和功能上分为3层:变电站层、间隔层和过程层。过程层的典型设备有智能操作箱和合并单元,主要完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送等与一次设备相关的功能。合并单元是由IEC 6004428为规范电子式互感器的数字化输出而首次定义的,且在 IEC 61850中也引用了这一概念。IEC 61850规定了合并单元输入电压与电流的采样数据,以及输出应按照以太网的方式向外发送数据,并且还规定了 IEC 618502921和IEC 618502922两种数据的帧格式。IEC 61850-921特定通信服务映射(SCSM)通过单向多路点对点串行通信链路来传输采样值,IEC 618502922特定通信服务映射通过ISO/IEC 880223来传输采样值。两者的主要差别在于IEC 618502921通过独立的链路来单向传输采样值,采样值的报文不存在发生碰撞等不确定因素,而 IEC 618502922中所规范的过程总线已是网络的概念,它能更加彻底地实施变电站过程总线的数字化,它要求将合并单元装置、数字化测控、保护装置包含于同一个交换式以太网上,这就对网络交换机及合并单元装置、数字化测控、保护装置的网络性能提出了很高的要求。针对 IEC 618502921和 IEC 618502922的规定,我国也颁布了相应的电力行业标准,分别是DL/T860. 91和DL/T860.92。

按照IEC 60044的意图,电子式互感器和合并单元是紧密联系在一起的,应该由同一个厂家提供。但在实际应用中,合并单元多由二次设备厂家提供,且一个合并单元可能连接多个厂家的电子式互感器。然而,目前还没有一个标准在电子式互感器和合并单元的信息交换方面给出规定。这给电子式互感器和合并单元之间的互联造成了不确定性,增加了双方的工作量。本文就合并单元所涉及的关键性问题进行考察,即简要述评时间同步、合并单元与电子式互感器的信息交换、合并单元与间隔层设备的通信,以及合并单元的性能测试方面的研究现状。

1 时间同步

同步采样对电力系统保护、电力系统稳定分析等具有非常重要的意义。IEC 6004428提供了2种时间同步的方法:插值法和同步时钟法,而IEC 6185029只支持时钟同步法。文献[1]指出,目前在我国电力系统中广泛应用的同步时钟技术是采用全球定位系统(GPS)作为同步时钟源,而且在目前可利用的时钟基准源中,GPS有其独具的优越性,其输出的秒脉冲统计误差为1μs,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。但输入外部 GPS信号,需要新增一根对时光缆或电缆,由此增加了硬件上的复杂性,而且一旦失去外部GPS信号,将面临采样失步的危险。IEC 61850引入了简单网络时间协议(SNTP)。SNTP是网络时间协议(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1 ms的对时精度现在已不能满足要求,这是因为对于稳态工频电气量,其额定频率为50 Hz,周期为20 ms,1 ms对应的电角度误差为18度,这个误差不能满足测量的要求。

文献[1]和[2]中提出,IEEE 1588是2002年底发布的用于自动化系统中的高精度网络时钟同步协议,能够达到亚微秒级同步精度。协议定义的各种类型同步报文均是基于UDP/IP协议发送的,因此尤其适合于在以太网上实现,是一种精度很高且可以利用现成的以太网作为校时通道的校时方法。一个IEEE 1588精确时钟系统包括普通时钟、透明时钟和边界时钟,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、从时钟和无源时钟3种状态。具体的时钟状态则是由最优化的时钟算法所确定的。

但文献[3]指出,由于IEEE 1588适用于相对本地化、网络化的系统,因此对于站站之间同步应用(如线路差动保护)和绝对时间戳应用(如同步相量测量),仍需 GPS信号支持,但是不必要求每个相关IED都外接 GPS。因为只要保证一个根时钟能与 GPS同步,理论上站内所有 IED都可借助IEEE 1588时钟实现绝对同步。此外,需注意的是,网络同步的硬件设计中,要求智能传感器、交换机及保护、测量等设备都必须支持IEEE 1588协议,但目前电力行业制造商所推出的产品中支持此协议的并不多。

2 合并单元与电子式互感器的信息交换

为了采样点的准确定时以及能够进行密集采样,电子式互感器与合并单元之间宜通过光纤收发器实现光纤连接,采样数据由特定编码组成高速信息帧,以一个统一的帧格式进行高速传输。

文献[4]指出,合并单元和电子式互感器之间可以遵从UART方式进行通信。链路层帧格式为:起始符(2字节)+数据(4字节)+状态(1字节)+帧校验(1字节),合计8字节,帧校验采用简单的8位CRC校验,采用UART异步串行通信方式。异步传输是一个字符接一个字符传输,一个字符的信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成。每一个字符的传送靠起始位来同步,用下降沿通知收方传输开始,紧跟着起始位之后的是数据位,传输时低位在前、高位在后,字符本身由5～8位数据位组成。接收端检测并确认起始位后,接收8位数据位。数据位后面是奇偶校验位,最后是停止位,停止位标志一个字符的结束,并为下一个字符的开始传送做准备,停止位后面是不定长度的空闲位。文献[5]采用典型的11位(1个起始位、8位数据、1个奇偶校验位和1个停止位),起始位为“0”,停止位为“1”。当采样率为每周波采样200点时,由于工频为50 Hz,通信带宽要求为(8+ 3)位/字节×8字节×200点×50 Hz=0.88 M bit/s,所以采用-M bit/s的传输波特率完全能够满足数据传送的速度。

目前合并单元与电子式互感器的接口,有些采用国际电工委员会制定的电子式互感器标准 IEC 6004427/8来实现的。文献[5]介绍了基于IEC 6004428标准的电子式电流互感器与合并单元的接口方案。电子式电流互感器完成电流数据的采集后,按照IEC 6004428规约的要求对数据组帧编码,加入电流、电压、延迟以及状态码等。在链路层将数据加上帧头、CRC校验码完成组帧,然后在物理层进行曼彻斯特编码传输,以保证实时性和准确性。帧格式采用FT3,此格式起始符为2个字节,然后是用户数据1、校验码1、用户数据2、校验码2、用户数据3、校验码3。曼彻斯特编码后的数据经过光纤收发器后通过光纤高速传输到合并单元。曼彻斯特编码是一种自同步编码方式,包括数据信息和时钟信息。在曼彻斯特编码中,每一位的中间都有一跳变,位中间的跳变既作时钟信号,又作数据信号;从高到低跳变表示“1”,从低到高跳变表示“0”。曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中,在传输代码信息的同时,也将时钟同步信号一起传输到对方,每位编码中有一跳变,不存在直流分量,因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

合并单元与电子式互感器之间也可以利用现成的以太网PHY芯片实现百兆光纤通信,采用IEEE 802.9a等与以太网一致的4B/5B编码规则[6],该编码方案具有效率高和容易实现的特点。该编码将发送的数据流以每4 bit为一个组,然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5 bit码。5 bit码共有32种组合,但只采用其中的24种,16种对应4 bit码的16种,8种用作控制码,以表示帧的开始和结束、光纤线路的状态(静止、空闲、暂停)等。

3 合并单元与间隔层的通信

3.1 基于IEC 618502921的合并单元

3.1.1 FPGA与ARM技术组合方案

文献[7]给出了输入为模拟信号情况下的合并单元的实现方案。该方案是基于三星公司推出的 ARM 9处理器S3C2410提出的,以S3C2410为主控芯片,设备启动后,获取站内的初始化信息,然后启动数据采样模块;数据采集模块由一块FPGA和两块A/D转换芯片组成,FPGA根据ARM发送来的采样频率和采样精度来控制两块A/D芯片,将电流/电压互感器的信号进行转换,然后进行处理。

文献[8]中合并单元主要由两个控制运算芯片组成,选用Atmel公司的A T91RM 9200 ARM和Altera公司的Cy-clone2代FPGA。合并单元的设计可以兼顾模拟输入信号和数字输入信号,模拟输入信号经过滤波和A/D转换后送到ARM,而数字输入信号为了抗干扰等原因,通过光电转换,将数字光信号送入合并单元,到达合并单元之后,通过电光转换,转换为电信号,由FPGA实现CRC校验、数字滤波,最后送入ARM,由ARM将数据按照IEC 61850的格式组成以太帧然后发送。

3.1.2 FPGA与DSP技术组合

文献[9]设计的合并单元装置硬件采用 FPGA加DSP技术实现。设计中把它细划分为3个主要功能模块:数据接收模块、数据处理模块和数据输出模块,另外还有一个同步采样脉冲系列发生模块。数据接收模块利用FPGA,通过用户编程实现对合并单元接收的多路串行数字信号进行有效性校验,并将其转换成并行信号,同时可利用FPGA编程产生同步采样脉冲。数据处理模块,即DSP通过定时方式读取各路并行数据,其定时工作原理为:在同步有效采样脉冲前沿时刻启动计数器开始计时,定时间隔大小保证 n路(n≤12)串行数据完成串并转换,且存入各自相互独立的数据缓冲区并保持稳定,此时DSP从数据接收模块数据缓冲区依次读取转换后的各路并行数据;DSP对数据进行相应处理后给数据包打上正确的包号,然后将各路有效数据按 IEC 618502921协议规定的数据帧格式组帧后写入数据输出以太网通信模块发送至缓冲区,并启动数据发送命令。数据输出模块针对每帧数据自动产生报头和帧校验码,最终将数据通过以太网发送给间隔层的二次测量、保护等设备。

3.2 基于IEC 618502922的合并单元

采用IEC 618502921标准发送的数据是点对点通信,各个合并单元之间的数据不能共享,并没有真正体现出电子式互感器的优势,也不能真正体现 IEC 61850标准过程层总线通信的优势。而IEC 618502922,它强调未来变电站自动化系统的开放性、互操作性以及可扩展性,可实现间隔层设备和站级设备对过程层信息的共享。但是由于IEC 618502922部分所定义的标准相当灵活,所以实现起来有一定难度。为此,IEC委员会专门出版了针对 IEC 618502922的Light Edi-tion(简称922LE),对 IEC 618502922的应用提供指导,并对一些参数进行固化。

文献[10]给出了基于IEC 618502922的合并单元的研制样机。根据IEC 618502922规定,合并单元需要将各路采集信息封装为以太网多播帧格式发送至网络。二次设备单元必须加入相应的多播地址或VLAN才能接收到所订阅的网络报文。其中采样测量值(SMV)和跳闸命令(GOOSE)是过程总线最为重要的数据,对实时性要求非常高。SMV与GOOSE的不同在于它的传输量大而且是周期性的。为了区分过程层SMV报文与其他实时性不强的报文传输引入了优先级的概念。SMV报文需要打上最高优先级标签,以使交换机能优先转发它,确保它的实时性。SMV按多播帧的格式发至网络,在传统的交换机上,则是以广播方式发送的。当网络中存在大量的多播数据时,由多播帧引起的广播数据会消耗大量的带宽,会引起“广播风暴”。在实际应用中,如果采用网管型工业以太网交换机将不存在上述问题,因为它提供了IGM P Snooping服务,允许网络主机加入或离开多个多播组,防止了多播帧被发往那些未请求这些帧的主机。另一种方法是采用VLAN技术根据继电保护和控制域划分虚拟子网,将不同业务功能的节点群进行安全隔离,以避免“广播风暴”的发生。

当前国外如ABB,AREVA,SIEM ENS等厂家均推出了基于IEC 618502922标准的合并单元。国内厂家如南瑞[11]、许继[12]、上海思源弘瑞等目前也已推出了基于该标准的合并单元产品。其中南瑞、许继提供的是数字化变电站的整体解决方案,而上海思源弘瑞则分别提供了过程层、间隔层、站控层的产品。合并单元属于过程层产品,可采集传统CT/ PT、电子式互感器的数据,采样数据发送可同时支持 IEC 618502922,IEC 618502921,IEC 6004428,装置可通过以太网实现IEEE 1588对时,无需额外的对时信号光纤,对时精度可达到1μs,如果间隔层设备不支持IEEE 1588,也可以采用IRIG2B码或秒脉冲对时。

4 合并单元性能测试

文献[9]给出了合并单元以太网通信功能测试。数字采样值分别接入合并单元装置定义的A,B,C数据接收通道,在模拟现场额定一次电流400A的电磁环境下,通过Sniffer协议分析软件对合并单元以太网输出帧的内容准确性进行分析验证,并重点校对了协议中所描述的状态字内容变化及其报警功能。

文献[10]则给出了合并单元的综合测试方案。将合并单元接入标准输入源(OM ICRON),通过比较输入信号与工控机上所接收到的采样值数据可以算得采样精度;为了精确测量传输延迟,由GPS秒脉冲触发,采用CPU晶振定时,每秒发送一次采样数据,当工控机接收到合并单元1整秒时刻的报文时,立即读取当前的微秒数,即为延迟时间。为了进一步分析以太网对采样值传输的影响,还可加入负载测试,通过引入不同的网络负载观察采样值信号的延迟情况。

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(责任编校:李秀荣)

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,讲师,博士,主要从事电能质量和电力系统继电保护方面的教学与研究。