朱明

（国电南京自动化股份有限公司，南京 210032）

基于延时记录的数字化采样传输新方案

朱明

（国电南京自动化股份有限公司，南京 210032）

IEC 61850传统组网方式存在同步源依赖，可靠性低。点对点传输方案虽解决了同步依赖问题，但过程层数据不能共享，数字化站可维护性降低。提出利用具有延时记录功能的交换机实现采样网络传输的方案，通过采样报文直连与网络传输比对、网络级联变化、网络流量干扰等方法验证该方案，对采样值网络延时性能、交换机延时记录精度等特性进行测试，在三级级联且网络基本满负荷运行的情况下，报文最大延时小于1ms，若选择千兆级联组网，网络延时小于500 μs，网络延时精度小于250ns，完全满足IEC 61850标准对过程层采样同步精度小于1μs的要求，该方案在解决跨间隔采样对同步源的依赖问题的同时具备了与传统组网方案相当的实时性，并通过延时插值同步算法、解决采样报文Reserved字段冲突等改进措施提高了方案的可靠性，使其在智能电网和数字化变电站的实际应用中具有更好的应用前景。

IEC 61850；网络延时；延时精度；过程层；采样同步

0 引言

IEC 61850通过数字化通信实现过程层数字采样，取代了传统过程层使用大量电缆传输采样数据的方式，具有二次接线简单、测量精度高、数据可共享等优点。随着数字化变电站的推广，过程层数字化采样得到了越来越广泛的应用［1］。

IEC 61850推荐的标准组网传输方案完全依赖于采样同步网络，一旦丢失同步信号将无法实现跨间隔的采样同步，二次设备无法实现差动运算，导致光纤差动保护退出运行，变电站降级运行。尽管可通过通信冗余措施增强其可靠性，但标准组网传输方案对同步源的过分依赖，在总体上降低了数字化变电站运行的可靠性。

点对点采样值传输方案虽然解决了同步源依赖问题，但点对点的光纤接线方式要求二次设备提供更多的光口，不仅增加了成本，导致二次接线复杂，还损失了数据共享优势，无法准确记录、监视过程层通信报文，降低了数字化变电站的可维护性。

因此，提高采样同步的可靠性、简化工程实施过程、提高数字化站可维护性，成为数字化采样工程最关注的核心问题。

1 基于交换机延时记录的采样传输新方案

为解决组网方案下跨间隔采样依赖合并单元（MU）同步的问题，出现了基于交换机延时记录的过程层数字化采样传输，实现不依赖同步源的跨间隔采样同步计算新方案。

新方案通过特殊网络交换机统计每帧采样值报文在交换网络的延迟时间并记录到采样值报文的Reserved字段［2］，实现网络延时可追溯。根据采样值到达智能电子设备（IED）的精确时间、相应的互感器额定延时和交换网络总延时，还原出原始采样时刻，最终实现不依赖同步源的跨间隔采样值同步。

新方案从原理上能解决目前跨间隔采样值组网带来的同步依赖问题，同时通过网络交换技术实现采样值传输，具有网络传输所具有的数据共享、接线简单、可维护性高的优点。由于该方案对硬件提出了更高要求，在不同组网级联下交换机延时标记是否能满足精度和动作要求，能否承受网络流量干扰，其可靠性和实用性有待进一步测试和工程验证。

2 网络延时统计与记录

新方案的网络拓扑结构与传统MU组网的网络拓扑结构相同，均采用了目前常见的两级级联的星形网络拓扑结构。单间隔设备在本间隔交换机内传输数据，跨间隔设备采用级联的方式传输数据，其网络拓扑结构如图1所示。

图1 不依赖MU同步的网络传输方案

网络交换机的延时记录，通过高精度时间测量硬件，如现场编程门列阵（FPGA），对报文在交换网络的延时进行精确统计并记录到采样报文中，实现过程如下。

（1）单一交换机能够精确记录下每帧采样报文进入交换机某一端口和离开交换机另一端口的时间，分别记为tin和tout，则采样值在交换机内的交换延时为ts＝tout-tin；通过FPGA等硬件将采样值在交换机内的交换延时ts以累加的方式记录到采样报文的Reserved字段中，并立即将采样报文发送出交换机端口。交换机统计和记录延时的过程如图2所示。

图2 交换机统计并记录延时

（2）在多级交换机级联的组网方案中，采样报文从MU发出，经过n个交换机最终到达IED所经历的延迟时间为

式中：tsi和tfi分别为采样报文在交换机和光纤中的传输时间。

信号在光纤中的传输时间，取决于链路的物理特性和传播距离。若传输距离为D，光速为c，传输介质修正系数为k（同轴电缆中k约为0.65），传播延时可表示为D／（kc）［3］，考虑光信号具有极高的传输速率，在光纤传输距离比较短的情况下，其延迟时间tfi可忽略不计。由此，交换网络的总延迟时间可标记为

n个交换机的多级网络传输延时tnd会被累计记录到采样报文的Reserved字段，采样报文经过多级网络传输的延时统计与记录如图3所示［2］。

3 交换机延时特性验证

基于交换机延时记录的过程层数字化采样传输方案对交换机的性能提出了更高的要求，对此交换机的延时性能、延时精度等做了进一步的测试（测试组网方案如图4所示），测试要点主要有4方面。

（1）MU1同时发送出2帧标志为最高网络优先级的采样报文，且由硬件保证发送的绝对同步性。

图3 多级网络传输延时统计与记录

图4 网络传输方案性能测试

（2）其中一路采样报文经过网络传输到IED。组网方案分为单台交换机、多台交换机两级级联和三级级联组网。级联网络又分为百兆级联与千兆级联；另一路采样报文通过光纤直接链接到IED。

（3）IED分别记录2路采样报文的到达时间，以此对比交换网络传输性能。

（4）通过网络设备向交换机注入组播干扰流量，再次对比交换网络传输稳定性。

在试验中，被测试MU的采样率为4 000点／s，包含24通道采样数据，其网络平均流量为8.03 Mb／s左右。为模拟实际网络最大负载情况下的网络报文延时特性，试验对测试网络加入了大流量的组播背景流量，并进行进一步测试。

考虑百兆交换机的最大交换能力，实际加入网络的背景流量为90Mb／s，即试验网络的运行流量为98.03Mb／s，基本接近百兆交换机的交换极限。为更加接近实际网络的运行情况，干扰流量以平均分配的方式注入每一级交换机中。以三级级联为例，每级交换机注入30Mb／s流量。

3.1 网络延时性能测试

根据测试方案，分别进行无网络流量干扰和注入网络流量干扰，对交换机网络传输延迟性能进行数据统计，测试数据见表1。

由表1可知，在没有网络流量干扰的情况下，百兆级联交换网络的延迟时间与交换机的级联个数基本成正比关系。在千兆级联的情况下，延迟时间与交换机级联个数基本呈线性关系。

表1 交换机网络延时测试 μs

加入干扰流量后交换机的最大延迟时间呈现大幅增加；千兆级联的交换网络延迟时间大大低于百兆网络级联的延迟时间。但即使在三级百兆级联的情况下，其最大延迟时间也远远小于1ms。

3.2 网络延时精度测试

根据测试方案，通过直连光纤到达IED的采样报文达到时间记作tptp，通过网络到达的采样报文时间记作tnet。假定IED对接收到的采样报文记录时间非常准确，且忽略光纤传输延时，则采样报文的发送时间tsend与直连、组网接收采样报文时间的关系为

本文以tptp-tnet-tnd的方法统计交换机记录的网络延时tnd的精度，同时统计在交换网络注入风暴流量时其网络延时的精度，测试数据见表2。

由表2可以看出，在不大于3级级联的情况下，其记录延迟时标的平均精度与IEEE 1588—2008［4］同步精度相当，满足智能变电站网络交换机单级时传输精度小于±200 ns［5］的要求。

由表2还可以看出，时标精度与级联的级数成反比，且与级联方式无关，级联数越多，其时标的精度就会以每级100 ns的精度误差下降。在实际运行中，数字化、智能化变电站过程层网络级联一般不会超过3级，该方案下的时间精度误差最大不超过250 ns，完全满足IEC 61850-9-2—2004标准对过程层采样同步精度小于1μs要求［6-7］。

3.3 验证结论

经过测试验证，基于交换机延时记录的不依赖MU同步的采样值网络传输方案，在只考虑三级级联且网络基本满负荷运行的情况下，报文的最大延迟时间小于1ms。若选择千兆级联进行组网，其网络延时小于500μs，其网络延时统计误差不超过250 ns。在网络延时性能上与常规组网方案基本相当，在时间精度上虽比点对点方案略差，但完全满足数字化变电站采样同步的需求。

4 方案的改进与完善

根据试验结果，实际工程实施中可以通过一些技术手段进一步提高系统的整体性能，并能够适应未来标准发展的需求。

4.1 优先传输机制与延时插值

基于交换机延时记录的采样网络传输方案可不依赖于MU同步，实现跨间隔采样同步计算，采样报文的传输应明确启用IEEE 802.1Q协议中的优先级传输机制，将采样报文的优先级设置为最高，并以千兆网络进行网络级联组网，以此进一步提高采样传输的实时性与保护动作的快速性。

为避免二次设备在出现网络延时异常的情况下采样同步失效，保证同步时所有MU的采样值报文通过网络传输都能到达IED，在采样报文还原前，IED需增加1个相对固定的延时，以进一步提高采样同步计算的可靠性。

以Max（tg）和Max（tnd）分别标记所接收MU中的最大互感器延时和最大网络传输延时。其中，Max（tg）受MU性能影响，Max（tnd）受网络传输特性的影响。插值的固定延时应不小于以Max（tg）+ Max（tnd），且插值固定延迟的设定越接近该理论数值，保护动作的快速性越能得到保证。

4.2 Reserved字段冲突解决

基于交换机延时记录的采样网络传输方案，将网络延时记录到了IEC 61850-9-2—2004报文的Reserved字段。随着数字化工程应用的推广，IEC 61850-9-2—2011的Edition 2.0版本被广泛解读。其中，新增了对Reserved字段部分内容用来标识网络传输安全性的内容［8-9］，使方案在报文字段上与IEC 61850-9-2—2011（Edition 2.0）定义存在冲突。

在后续实施中，参考IEC 61850-9-2—2011（Edition 2.0）中引用的PRP／HSR［10］的实施方案，即在标准采样报文中创建一个扩展的能存放该延时数据的特定字段，避免使用Reserved字段带来的冲突问题。

5 结论

基于交换机延时记录的过程层数字化采样网络传输，以交换机记录网络传输延时为基础，依赖互感器具有固定采样延迟特性，通过插值的方式解决了不依赖MU同步的跨间隔采样值同步。该方案通过组网简化了二次接线，过程层采样报文可以通过网络记录仪、网络分析仪等设备记录原始采样信息，为事故追忆和分析提供可靠的第三方监视信息，兼顾了数字化变电站运行数据的可维护性。

经测试验证，相比传统组网传输方案，该方案虽然有一定的网络延时，牺牲了一些保护动作时间，但网络延时性能与常规组网方案相当，时间精度完全满足数字化变电站采样同步的需求。最高优先级的虚拟局域网（Vlan）协议传输和延时同步插值计算措施可进一步提高方案的可靠性，若能够避免与IEC 61850—2004字段占用冲突，在智能电网和数字化变电站的实际应用中将具有很好的应用前景。

［1］高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］朱明，瞿萍.一种不依赖MU同步的采样值网络传输方案［J］.电气技术，2014（11）：62-65.

［3］黄灿，肖驰夫.智能变电站中采样值传输延时的处理［J］.电网技术，2011（1）：5-10.

［4］IEEE 1588—2008 IEEE standard for a precision clock synchronization protocal for networked measurement and control systems［S］.

［5］Q／GDW 429—2010智能变电站网络交换机技术规范［S］.

［6］IEC 61850—2004 Communication networks and system in substation—part9-2：Specific communication servicemapping（SCSM）sampled values over ISO／IEC 8802-3［S］.

［7］王立辉，许扬.数字化变电站过程层采样值时间同步性分析及应用［J］.电力自动化设备，2010（8）：37-40.

［8］IEC／TS 62351—2007 Power systemsmanagement and associated information exchange-Data and communications security Part6：Security for IEC 61850［S］.

［9］IEC／TC57 IEC 61850—2011 Communication networks and system in substation Part9-2：Specific communication servicemapping（SCSM）sampled values over ISO／IEC 8802-3.Edition 2.0［S］.

［10］IEC 62439—2012 Industrial communication networks-High availability automation networks Part 3：Parallel redundancy protocol（PRP）and high-availability seam less redundancy（HSR）［S］.

（本文责编：弋洋）

TM 769

A

1674-1951（2015）08-0022-04

朱明（1978—），女，江苏海门人，工程师，信息系统项目管理师（高级），工学硕士，从事电力系统自动化和热工自控方面的工作（E-mail：ming-zhu＠sac-china.com）。

2015-01-13；

2015-07-15