智能變電站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸方案

1、 智能變電站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸方案方景輝(浙江嘉興電力局,浙江嘉興314033中圖分類號(hào):TN915.853文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號(hào):1005-7641(201106-0079-04Jun.10,20110引言國(guó)家電網(wǎng)公司智能變電站繼電保護(hù)設(shè)計(jì)原則推薦數(shù)字化變電站繼電保護(hù)采樣值傳輸采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案1,其要點(diǎn)是發(fā)送側(cè)保證延時(shí)確定(抖動(dòng)不超過(guò)10s 、接收側(cè)使用插值再采樣進(jìn)行同步。該方案總結(jié)了前2年國(guó)內(nèi)工程的實(shí)施情況,確保了在當(dāng)前技術(shù)水平下的繼電保護(hù)可靠性。但是在方案中并沒(méi)有明確點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸究竟是采用FT3還是9-2協(xié)議,把選擇的權(quán)利留給了工程。事實(shí)上在方案討論的會(huì)議上也有諸多代表提出了FT

2、3和9-2協(xié)議的選擇問(wèn)題,大家一致的意見(jiàn)是9-2更為先進(jìn)并能和未來(lái)兼容,但主要由于部分廠家的反對(duì)(已有基于FT3的產(chǎn)品,因此在最終標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有完全排斥FT3方案。為了更好地為數(shù)字化變電站工程服務(wù),以下將對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸模式下的9-2和FT3方案的技術(shù)要點(diǎn)作簡(jiǎn)要的對(duì)比分析。1IEC 60044-8/FT3標(biāo)準(zhǔn)通常所說(shuō)的FT3方案,是指IEC 60044-8電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸協(xié)議,其實(shí)質(zhì)是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖同步串行通信的專用協(xié)議,在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了從應(yīng)用層數(shù)據(jù)解釋、鏈路層幀格式到具體的物理層編碼的系列約定。之所以在電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行傳輸標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)具體規(guī)定,最主要的原因是

3、在當(dāng)時(shí)IEC 還沒(méi)有其他可供引用的采樣值通信協(xié)議,只能根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平參照IEC 60870-5遠(yuǎn)動(dòng)基礎(chǔ)通信協(xié)議的幀格式規(guī)定構(gòu)造出采樣值傳輸報(bào)文(所謂FT3實(shí)際上是指選用了IEC 60870-5-1當(dāng)中的FT3幀格式,后來(lái)成了約定俗成的簡(jiǎn)稱。該標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征包括:1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸,嚴(yán)格的延時(shí)穩(wěn)定要求,確保接收側(cè)可使用插值再采樣的同步算法;2波特率和幀格式固定,主要滿足單間隔80點(diǎn)/周波的電流電壓傳輸要求,無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)展手段;3傳輸通道固定,要傳輸雙AD 的數(shù)量,需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)充;4編碼較為簡(jiǎn)單,協(xié)議效率高,便于硬件實(shí)現(xiàn)(廠家一般采用FPGA 進(jìn)行編解碼,在較小的開(kāi)銷下即可實(shí)現(xiàn)編解碼和插值同

4、步。2IEC 61850-9-2采樣值標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為了構(gòu)建變電站統(tǒng)一通信體系,IEC 組織制定了IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)2,該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了變電站79··內(nèi)所有設(shè)備的信息交換環(huán)節(jié),也理所當(dāng)然地考慮了數(shù)字化變電站采樣值傳輸要求。其中的IEC 61850-9-1是簡(jiǎn)單地把IEC60044-8當(dāng)中規(guī)定的應(yīng)用層報(bào)文移植到統(tǒng)一的以太網(wǎng)上,而IEC 61850-9-2則依據(jù)IEC61850-7所規(guī)定的建模體系完整地進(jìn)行了協(xié)議映射,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道和類型的靈活配置且和標(biāo)準(zhǔn)的其他部分完全交融,因此被看作是“純粹的”IEC61850采樣值傳輸標(biāo)準(zhǔn)。目前IEC已投票收回IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn),確

5、定IEC61850-9-2是將來(lái)唯一的采樣值傳輸協(xié)議,互感器標(biāo)委會(huì)也已計(jì)劃修訂電子式互感器標(biāo)準(zhǔn),將取消原有的IEC60044-8/FT3協(xié)議,完全采納IEC61850-9-2規(guī)定。IEC61850-9-2的主要技術(shù)特征包括:1基于IEC61850建模體系,能使用SCL建模語(yǔ)言和MMS服務(wù)實(shí)現(xiàn)采樣值通道信息的自描述,更好地實(shí)現(xiàn)“源端配置、全網(wǎng)共享”;2傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集可靈活配置,可直接傳輸一次值和其他額外參數(shù),且通道組合靈活;3鏈路層基于以太網(wǎng)技術(shù),帶寬高、兼容性好,便于多廠家互操作和工程推廣;4標(biāo)準(zhǔn)本身為采樣值組網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì),未要求傳輸延時(shí)的確定性,故需要在源端(MU通過(guò)其他手段(秒脈沖或IEEE1

6、588等實(shí)現(xiàn)采樣同步;5采用了IEC61850的采樣值控制塊傳輸技術(shù),傳輸?shù)耐ǖ揽梢酝ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)集靈活定義,適宜傳輸雙AD的采用值。從以上特征可以看出,IEC61850采用了建模的思想,在傳輸數(shù)據(jù)前使用模型文件先規(guī)范了數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu),從而擺脫了一維點(diǎn)表的約束,可以傳輸較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類數(shù)據(jù)。同時(shí)由于模型是IEC61850定義的標(biāo)準(zhǔn)文件,廠家對(duì)模型的理解最終可以達(dá)到統(tǒng)一的地步,從而為互操作構(gòu)建了基礎(chǔ)?；ゲ僮鞯牧硗庖粋€(gè)基礎(chǔ)是編碼技術(shù), IEC61850中采用了ASN.1編碼技術(shù),這種技術(shù)在電力外的其他領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。在采樣報(bào)文發(fā)布時(shí),相同模型可以生產(chǎn)相同的編碼報(bào)文,從而為消除廠家各異性創(chuàng)造了條件?；ゲ僮?/p>

7、不僅包含報(bào)文的編碼規(guī)范化,還包括不同廠家間裝置配合的規(guī)范化。在處理發(fā)布/訂閱問(wèn)題時(shí),采樣值傳輸可以很好地借鑒GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event,通用面向?qū)ο笞冸娬臼录鬏數(shù)某墒旖?jīng)驗(yàn),采用SVIN虛端子和Input虛連線實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作的規(guī)范化。當(dāng)然,由于人員整體素質(zhì)無(wú)法短期飛躍,在現(xiàn)階段讓設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)直接操作模型比較困難。在模型中除了具備能夠發(fā)揮配置作用的模塊外,如虛端子、虛連線,還具備一些說(shuō)明性的文字模塊,此即自描述。廠家提供自描述和虛端子的對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)按照自描述進(jìn)行連線,此即虛端子圖。39-2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案的可行性從以上分析看,IEC6

8、1850-9-2標(biāo)準(zhǔn)無(wú)疑是將來(lái)智能變電站唯一的采樣值傳輸協(xié)議。但是,眾所周知,在此前的國(guó)內(nèi)數(shù)字化變電站工程中, IEC61850-9-2的應(yīng)用很少,且部分IEC61850-9-2工程在聯(lián)調(diào)和動(dòng)模試驗(yàn)中還暴露出了一些問(wèn)題,這充分反映出技術(shù)的發(fā)展需要一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。和FT3技術(shù)對(duì)比,9-2以太網(wǎng)報(bào)文的編解碼較為復(fù)雜,廠商實(shí)現(xiàn)難度較大,在數(shù)字化變電站系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)完善的初期,廠商和用戶都因?yàn)楣ぷ髁亢惋L(fēng)險(xiǎn)的原因傾向于選擇相對(duì)簡(jiǎn)單的FT3和9-1方案。IEC61850-9-2方案早先的設(shè)計(jì)難度主要在于CPU的網(wǎng)絡(luò)吞吐率和采樣值同步,中國(guó)電科院動(dòng)模試驗(yàn)中暴露的問(wèn)題實(shí)際上也主要集中于網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和IEEE158

9、8對(duì)時(shí)技術(shù)上(IEEE 1588v2于2008年下半年正式發(fā)布,交換機(jī)和時(shí)鐘源產(chǎn)品2009年才相繼推出。根據(jù)前期的工程和試驗(yàn)情況,針對(duì)當(dāng)前的裝置水平和智能變電站建設(shè)要求,為了確保繼電保護(hù)的可靠性,國(guó)調(diào)中心創(chuàng)造性地提出了9-2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方案。該方案吸收了FT3和9-2兩方面的優(yōu)點(diǎn),尤其規(guī)定了以太網(wǎng)采樣值發(fā)送的等間隔精度,因而可仿照FT3方案由接收側(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)插值再采樣同步,回避了合并器依賴外同步而現(xiàn)階段IEEE1588對(duì)時(shí)又不成熟的問(wèn)題,一舉成為現(xiàn)階段兼具先進(jìn)性、可實(shí)現(xiàn)性和可靠性的采樣值傳輸解決方案。除了具有9-2自身的建模和靈活性優(yōu)勢(shì)外,在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸情況下,使用9-2以太網(wǎng)編碼和FT3對(duì)比

10、具有以下的突出優(yōu)勢(shì):電力系統(tǒng)通信2011,32(224 80··1和未來(lái)技術(shù)兼容,易于平滑升級(jí)(在IEEE 1588和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟后,不需要重新采購(gòu)合并器和保護(hù)等設(shè)備,只需進(jìn)行軟件升級(jí)和棄用多余的網(wǎng)口;2不存在私有擴(kuò)展的互操作問(wèn)題,方便廠商互聯(lián)(使用FT3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案目前還沒(méi)有統(tǒng)一的通道和波特率擴(kuò)展,無(wú)法解決AD復(fù)采通道傳輸和多間隔合并等問(wèn)題。4FPGA以太網(wǎng)方案常規(guī)的以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用不強(qiáng)調(diào)傳輸延時(shí)的確定性,在引入優(yōu)先級(jí)交換技術(shù)之后,在流量不超載的情況下可以保證100s級(jí)實(shí)時(shí)性,這也是IEC61850GOOSE和采樣值采用現(xiàn)代以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)。但是,100s級(jí)的延時(shí)抖動(dòng)已經(jīng)不

11、能夠滿足采樣同步的要求,因此在IEC61850-9-1和IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)中都指出無(wú)法在接收側(cè)使用插值同步算法。為了解決以太網(wǎng)傳輸延時(shí)在10s 量級(jí)的隨機(jī)性抖動(dòng)問(wèn)題,首先必須不經(jīng)過(guò)交換機(jī)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)以消除路途中的不確定因素,其次要解決掉CPU系統(tǒng)本身發(fā)送的等間隔性。這也就是國(guó)家電網(wǎng)公司智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)細(xì)則中提出的2個(gè)要求:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、發(fā)送側(cè)抖動(dòng)不超過(guò)10s。目前電力系統(tǒng)應(yīng)用的很多裝置其核心器件都是由CPU構(gòu)成,CPU的類型較多,例如大家比較熟悉的MCS-51單片機(jī)。不同應(yīng)用功能可以使用不同檔次的CPU,但各類CPU均有一個(gè)共同特點(diǎn),那就是串行運(yùn)算。在1臺(tái)功能較為齊全的裝置中,

12、往往包含多個(gè)應(yīng)用功能模塊,以合并單元為例,它既要控制采樣、接收采樣值,還要發(fā)送采樣報(bào)文。如果需要保證采樣的同步性,必需以控制采樣為高優(yōu)先級(jí);如果需要保證采樣發(fā)送的等間隔性,必需以發(fā)送采樣為高優(yōu)先級(jí)。這些要求本身就是矛盾的。這樣就不難理解部分廠家的合并單元為什么會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)100s的發(fā)送延時(shí)抖動(dòng)。FPGA(Field-Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC, Application Specific Intergnated Circuits領(lǐng)域中的

13、一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái),就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變,所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。FPGA的基本特點(diǎn)主要有:1采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路,用戶不需要投片生產(chǎn),就能得到合用的芯片。2FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。3FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。4FPGA是ASIC電路中

14、設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。5FPGA采用高速CHMOS(High-speed CMOS,互補(bǔ)金屬氧化物工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容?？梢哉f(shuō),FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA的特點(diǎn)中最適合采樣值成熟的就是它的并行工作模式,這和CPU的串行處理模式是有本質(zhì)區(qū)別的。合并單元使用了FPGA后,采樣控制和數(shù)據(jù)發(fā)送可以同時(shí)進(jìn)行,具有各自獨(dú)立的步調(diào),相互間在芯片資源上完全不沖突。使用了FPGA 后,在保證合并單元同步控制條件下,數(shù)據(jù)的發(fā)送也可以達(dá)到很高的均勻性,例如10s或更高的指標(biāo)。在不采用FPGA的情況下,需要配置較高檔次的CP

15、U才有可能實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)。當(dāng)然FPGA也有缺點(diǎn),如其編程較為復(fù)雜。實(shí)際工程中的裝置往往是FPGA和CPU共同完成,由FPGA完成必需并行處理的功能。5結(jié)語(yǔ)智能變電站采用延時(shí)固定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸,減少了繼電保護(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和對(duì)時(shí)系統(tǒng)等中間環(huán)節(jié)的依賴,但是給具體實(shí)現(xiàn)會(huì)帶來(lái)一些困難。從技術(shù)先進(jìn)性角度來(lái)說(shuō),采用IEC61850-9-2協(xié)議比IEC60044-8/FT3協(xié)議具有自描述和互操作性方面的優(yōu)點(diǎn),因此將更有生命力。9-2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和FT3·智能通信·方景輝智能變電站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸方案81··點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相比,主要的劣勢(shì)在于廠商的實(shí)現(xiàn)難度。由于編解碼開(kāi)銷較大和基于固定延時(shí)

16、插值的需求,目前多數(shù)廠商選擇較大規(guī)模的FPGA 來(lái)解決采樣值發(fā)送問(wèn)題,因而增加了一定的軟硬件成本。目前中國(guó)智能變電站主流廠家都已經(jīng)使用大規(guī)模FPGA 實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)9-2采樣值通信,中國(guó)電科院已組織完成基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)9-2方案的智能變電站動(dòng)模試驗(yàn),因此在今后的工程中選用9-2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣值傳輸完全沒(méi)有問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1Q /GDW Z 441-2010.智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范S.2010.Q/GDW Z 441-2010.Technical Specifications of Pro -tection for Smart SubstationS.2010.2DL/T 860.變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)S.

17、2010.DL/T 860.Communication networks and systems in substationsJ.2010.(ZL 方景輝(1981,男,陜西西安人,工程師,從事變電二次設(shè)計(jì)及數(shù)字化變電站、智能變電站設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究。(收稿日期:2011-02-12;修回日期:2011-04-01Transmission Scheme of Point -to -point Sampled Value in Smart SubstationsFANG Jing -hui(Zhejiang Jiaxing Electric Power Bureau,Jiaxing 314033

18、,ChinaAbstract:This paper compares and analyses two transmission scheme of point -to -point sampled value in smart substations,suggests that IEC 61850-9-2Agreement is better than IEC 60044-8/FT3Agreement because of the advantage of self -de -scription and interoperability,and points out that the best solution is to improve system integration and reliability by us -ing FPGA -based Ethernet communication technology at process level.The feasibility of 9-2point -to -point sampled value transmission scheme in future project is