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1、具有业务感知能力的智能变电站交换机？技术白皮书广州思唯奇电力科技有限公司目录1继电保护的采样同步21.1继电保护端的采样同步21.2MU端的采样同步31.3基于GPS的采样同步法41.4MU与保护协作同步61.5交换机功能在采样同步中的需求分析81.6交换机延时测量功能91.7总结162网络拓扑自动识别182.1ISIS协议报文分类182.2ISIS协议工作原理202.3ISIS应用分析212.4报文多路径转发223流量控制技术263.1令牌桶流量控制263.2动态缓存分配283.3多级子队列281 智能变电站继电保护的采样同步继电保护的采样同步问题在分布信号处理过程中尤为突出，如输电线的纵联
2、差动保护，母线差动保护等。它们所比较的是来自线路各端或不同线路的电流值，但是这些电流信号的采样是分开进行的，为了保证保护算法的正确性，保护必须比较同一时刻的电流值。因此，交流信号采样的同步处理对于输电线的纵联保护，母线差动保护等的可靠性非常重要。IEC 61850规定用于输电线间隔的保护与控制功能的采样最高同步精度需达到1s。根据实现采样同步的位置不同，可以将传统微机保护采样同步的方式分为三类，第一类是在保护的算法端实现同步，如采样数据修正法；第二类是在保护的采样端实现同步，如采样时刻调整法，GPS对时同步法；第三类是在保护的采样端进行时间同步，在保护算法端进行采样值补偿实现同步，如时钟校正法
3、。智能变电站引入网络实现数据的传输与共享，相对于传统微机保护，二次交流信号的采样功能从继电保护设备分离开来，由合并单元（MU）独立负责，继电保护设备只处理数字信号。因此，在采样的同步方式上也与传统继电保护不尽相同。同样根据实现采样同步的位置不同，智能变电站中的采样同步方法也可以分为三类。第一类是在保护端实现采样同步，如采样数据修正法，这一类方法的核心在于通过记录采样值到达的时刻并获取采样值在网络中的延时来对接收到的采样值进行补偿。第二类是在MU端实现采样同步，如采样时刻调整法和GPS对时同步法，这一类方法的核心在于选择一个时间基准，通过使各MU和统一基准校准，实现各MU的采样脉冲同步。第三类是
4、在MU端进行时间同步，在保护端进行补偿的同步方式，即MU和保护装置协作实现同步，如基于IEEE 1588协议的时钟校正法。1.1 继电保护端的采样同步 以线路纵联差动保护为例来阐述采样数据修正法的基本思路。图1-1 采样数据修正法原理如图1-1所示，线路两端的MU都在各自本端的采样时刻开始向本端和对端的继电保护装置发送各端对应本次采样时刻的电流采样值，图1-1中只显示了本端的保护装置。由于线路两端的MU采样脉冲并不同步，因此，其发送采样值的时刻相差t1。假设本端的采样值在t1时刻到达保护装置，对端的采样值在t2时刻到达保护装置，t2为采样值到达保护装置的时刻差。 （1-1）由于链路存在延时，则
5、如图1所示 （1-2）其中，Td表示对端采样值和本端采样值到达保护装置的时间差。若通过某种技术手段获取Td，则可通过式（1-3）获得MU1和MU2的采样时刻差t1。 （1-3）若t10说明对端落后于本端，若t10说明本端落后于对端。将对端的采样值根据t1进行修正，经过修正处理后就可以进行差动保护的计算。这种采样同步方法允许各MU独立采样，由保护装置来对采样进行同步化修正，因此加大了保护装置的数据处理延时，不利于提高保护的速动性。同时该方法需要一种能够计算采样值传输延时的技术手段支撑。1.2 MU端的采样同步1) 采样时刻调整法 采样时刻调整法需要选择一个MU的采样时刻作为基准，以线路纵联差动保
6、护为例，选择本端MU的采样时刻为基准，对端MU通过与本段MU交互报文来实现采样时刻的一致性。调整原理如图1-2所示。图1-2 采样时刻调整法原理本端和对端以采样间隔Ts进行采样，本端MU在采样时刻Mi向对端MU发送调整报文，SR为对端MU收到该报文的时刻，Si为SR之前的某一个采样时刻，Tr为两者之间的时间长度，Td为调整报文在传输过程中的延时，则本端MU和对端MU的采样时刻差为 （1-4）若t0说明对端落后于本端，若t0说明本端落后于对端。根据采样时刻差，将对端MU的下次采样间隔Tk调整为Tk=Ts-t。为了保证调整的稳定性，显然，采样时刻的调整不可能一次到位，应该按照上述的方法多次调整，直
7、到每次t1的计算结果足够小且趋于稳定。利用本方法，可以降低保护装置的数据处理负担，由于采样时刻的晶振一般稳定性较好，精度高，采样时刻的调整完成后，在正常情况下采样的同步能够保持较长时间。但是此种方法比较适用于点对点的传输模式，对于组网传输模式，虽然各MU的采样时刻相同，但可能由于网络延时或传输链路的改变导致继电保护接收到的采样值乱序的情况，易引起继电保护误动。1.3 基于GPS的采样同步法基于GPS的采样同步方案采用专用的GPS接收机来接收GPS卫星发送的时间信息。通过对接收到的信息进行解码、运算和处理后，可以从中获取到两种信息：（1）秒脉冲信息号1pps。该脉冲信号的上升沿与UTC（国际标准
8、时间）的同步误差不超过1s；（2）通过串口通信口输出的与1PPS对应的UTC时间编码，如图1-3所示。图1-3 基于GPS的采样同步法接受GPS对时的MU的采样脉冲每秒钟被1PPS信号同步一次，同时MU的采样时钟由高稳晶振构成，能产生满足采样频率要求的采样脉冲信号。如此就能保证各MU的采样脉冲信号的上升沿之间是同步的，误差不会超过2s。同时MU还会与UTC时间进行对时，用作采样值的时间标签。在进行差动保护算法时，只要对齐采样值的时间标签即可。B码是一种能够利用GPS信号实现对MU精确对时的技术手段。 IRIG时间编码序列是由美国国防部下属的靶场仪器组（IRIG）提出的并被普遍应用的时间信息传输
9、系统。该时码序列分为 G, A, B, E, H, D 共六种编码格式， 应用最广泛的是IRIG-B格式，简称B码。GPS接收机接收卫星时间信号, 可以每秒输出一次IRIG-B直流电平码序列, B码以 RS422/485接口输出。智能变电站各MU和IED设备可以挂在统一的对时总线上，如图1-4所示，各设备内安装的B码解码器，通过B码解码器，接收 1PPS 脉冲和时间 BCD 码完成对时工作，对时精度可达到微秒级。图1-4 B码对时示意图基于GPS对时的同步法的优点非常明显，就是不需要测量采样在传输过程中的延时。但是对时同步法依赖于GPS接收器等重要对时设备，若设备出现问题，则会直接影响到采样的
10、对时，可靠性上值得注意。1.4 MU与保护协作同步IEEE 1588精密时钟同步协议让测量以及用于实施网络通信、本地计算和分布式对象的控制系统的时钟精确同步成为可能。时钟之间的通信是通过通信网络进行的。协议在系统中设立了时钟之间的主从关系。所有的时钟都要最终从主时钟的时间上派生出它们自己的时间。将IEEE 1588协议应用于MU的时钟校正，首先就需要通过最优时钟算法推选出时钟最为准确的MU作为时钟校正的基准，称该MU的时钟为主时钟，以其为基准进行时钟校正的其中MU的时钟称之为从时钟。推选出主时钟后，主时钟向从时钟发送sync报文，并记录发送的时间t1，从时钟收到sync报文之后记录时间t2，在
11、主时钟发送sync报文后，紧跟着发送follow-up报文，里面记录了t1。然后从时钟发起delay-request报文，记录发送时间t3，当主时钟收到的时候记录时间t4，并将t4通过delay-response发送给从时钟。如此，从时钟便获知了t1，t2，t3，t4四个时刻信息。如图1-5所示。图1-5 1588同步原理想要将从时钟向主时钟校正，最重要的就是知道它与主时钟的时间差值。设主时钟的时间为tm，从时钟的时间为ts，则时间差offset为 （1-5）由图1-4可知， （1-6） （1-7）D1和D2分别为对时报文在上行下行的传输延时。1588v1假设D1=D2，这样，可以通过式（1-
12、8）计算出offset。 （1-8）根据offset，从时钟就可以向主时钟校正。上述各报文发送的频率可以选择2的n次幂的任意一个频率进行规定的，最小为1s，因此，主从时钟的校正频率也可选择2的n次幂的任意一个频率。但是实际情况并非如此，在采用点对点传输模式时可以保证对时报文上下行的延时相同，但是如果采用组网传输模式，对时报文在往返传输过程中的延时与网络实时状态有关，很难保证上下行延时相等。为解决上述问题，IEEE 1588定义并应用了边界时钟和透明时钟的概念。1） 基于边界时钟的时钟校正原理所谓的边界时钟就是指它对上一级的主时钟来说是从时钟，而对于下一级从时钟而言则充当主时钟。在采用组网传输模
13、式下边界时钟由交换机充当，如图1-6所示。图1-6 边界时钟同步示意图与主时钟直接相连的交换机与主时钟是一对主从时钟关系，它们之间发送同步报文校准时间，在两者之间的报文传输可以保证D1=D2。通过多级交换机时间校正使得各MU之间同步。但采用边界时钟有一个较大的缺点，就是虽然每一对主从时钟之间的对时较精准，但是却并不是100%准确的，在多级交换机级联的情况下就会将误差累计，最终造成不被允许的对时误差。透明时钟的提出就是为了解决边界时钟的这一缺点。2） 基于透明时钟的时钟校正原理透明时钟的对时原理如图1-7所示。透明时钟通过对进出交换机的对时报文打时间戳的方式计算出报文在交换机中的延时，然后写入对
14、时报文的修正域CF里面，每经过一个次交换机都会进行一次修正，则： （1-9） （1-10）由于线路上的上下行延时D1=D2，且CF1和CF2已知，所以就可以通过式（1-8）计算得出offset。图1-7 透明时钟同步示意图当各MU之间的之间同步之后，可以分别进行采样，在发出的采样值报文中带上时钟标签。保护装置在进行保护算法前，根据采样的时间标签进行修正计算，即可保证保护算法的正确性。采用基于IEEE 1588协议的采样同步法，虽然可以以其中的一台MU作为时间基准，但在工程实际当中通常设置独立的主时钟，主时钟与GPS信号进行对时，进而同步各MU。 1.5 交换机功能在采样同步中的需求分析智能变电站的采样同步方法多种多样，但是究其核心，无外乎就是采取手段获取并消除MU之间的采样时刻差t。智能变电站中，合并单元到保护装置的采样值传输方式可采用点对点传输模式或组网传输模式。当过程层采用点对点传输模式时，合并单元输出的数字量采样值通过光纤直接发送至保护装置，报文在光纤上的传输延时为传输线
