智能變電站點對點采樣值傳輸方案

1、 智能變電站點對點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:TN915.853文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:1005-7641(201106-0079-04第32卷第224期電力系統(tǒng)通信Vol.32No.2242011年6月10日Telecommunications for Electric Power SystemJun.10,20110引言國家電網(wǎng)公司智能變電站繼電保護(hù)設(shè)計原則推薦數(shù)字化變電站繼電保護(hù)采樣值傳輸采用光纖點對點傳輸方案1,其要點是發(fā)送側(cè)保證延時確定(抖動不超過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年國內(nèi)工程的實施情況,確保了在當(dāng)前技術(shù)水

2、平下的繼電保護(hù)可靠性。但是在方案中并沒有明確點對點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。事實上在方案討論的會議上也有諸多代表提出了FT3和9-2協(xié)議的選擇問題,大家一致的意見是9-2更為先進(jìn)并能和未來兼容,但主要由于部分廠家的反對(已有基于FT3的產(chǎn)品,因此在最終標(biāo)準(zhǔn)中并沒有完全排斥FT3方案。為了更好地為數(shù)字化變電站工程服務(wù),以下將對點對點采樣值傳輸模式下的9-2和FT3方案的技術(shù)要點作簡要的對比分析。1IEC 60044-8/FT3標(biāo)準(zhǔn)通常所說的FT3方案,是指IEC 60044-8電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一種點對點采樣值傳輸協(xié)議,其實質(zhì)是基于點對點光纖同步

3、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,最主要的原因是在當(dāng)時IEC 還沒有其他可供引用的采樣值通信協(xié)議,只能根據(jù)當(dāng)時的技術(shù)水平參照IEC 60870-5遠(yuǎn)動基礎(chǔ)通信協(xié)議的幀格式規(guī)定構(gòu)造出采樣值傳輸報文(所謂FT3實際上是指選用了IEC 60870-5-1當(dāng)中的FT3幀格式,后來成了約定俗成的簡稱。該標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征包括:1點對點傳輸,嚴(yán)格的延時穩(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/周波的電流電壓傳輸要求,無標(biāo)準(zhǔn)化的擴展手段;3傳輸通

4、道固定,要傳輸雙AD 的數(shù)量,需要對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴充;4編碼較為簡單,協(xié)議效率高,便于硬件實現(xiàn)(廠家一般采用FPGA 進(jìn)行編解碼,在較小的開銷下即可實現(xiàn)編解碼和插值同步。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是簡單地把IEC60044-8當(dāng)中規(guī)定的應(yīng)用層報文移植到統(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

5、實現(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),確定IEC61850-9-2是將來唯一的采樣值傳輸協(xié)議,互感器標(biāo)委會也已計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建模語言和MMS服務(wù)實現(xiàn)采樣值通道信息的自描述,更好地實現(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

6、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,未要求傳輸延時的確定性,故需要在源端(MU通過其他手段(秒脈沖或IEEE1588等實現(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^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)。同時由于模型是IEC61850定義的標(biāo)準(zhǔn)文件,廠家對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)。互操作的另外一個基礎(chǔ)是編碼技術(shù), IEC6

7、1850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。在采樣報文發(fā)布時,相同模型可以生產(chǎn)相同的編碼報文,從而為消除廠家各異性創(chuàng)造了條件。互操作不僅包含報文的編碼規(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/訂閱問題時,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,采用SVIN虛端子和Input虛連線實現(xiàn)設(shè)計工作的規(guī)范化。當(dāng)然,由于人員整體素質(zhì)無法短期飛躍,在現(xiàn)階段讓設(shè)計環(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

8、具備一些說明性的文字模塊,此即自描述。廠家提供自描述和虛端子的對應(yīng)關(guān)系,設(shè)計環(huán)節(jié)按照自描述進(jìn)行連線,此即虛端子圖。39-2點對點方案的可行性從以上分析看,IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)無疑是將來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)和動模試驗中還暴露出了一些問題,這充分反映出技術(shù)的發(fā)展需要一個漸進(jìn)的過程。和FT3技術(shù)對比,9-2以太網(wǎng)報文的編解碼較為復(fù)雜,廠商實現(xiàn)難度較大,在數(shù)字化變電站系列產(chǎn)品開發(fā)完善的初期,廠商和用戶都因為工作量和風(fēng)險的原因傾向于選擇相對簡單的FT3和9-1

9、方案。IEC61850-9-2方案早先的設(shè)計難度主要在于CPU的網(wǎng)絡(luò)吞吐率和采樣值同步,中國電科院動模試驗中暴露的問題實際上也主要集中于網(wǎng)絡(luò)交換機和IEEE1588對時技術(shù)上(IEEE 1588v2于2008年下半年正式發(fā)布,交換機和時鐘源產(chǎn)品2009年才相繼推出。根據(jù)前期的工程和試驗情況,針對當(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,國調(diào)中心創(chuàng)造性地提出了9-2點對點傳輸方案。該方案吸收了FT3和9-2兩方面的優(yōu)點,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對時又不成熟的

10、問題,一舉成為現(xiàn)階段兼具先進(jìn)性、可實現(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)勢外,在點對點傳輸情況下,使用9-2以太網(wǎng)編碼和FT3對比具有以下的突出優(yōu)勢:電力系統(tǒng)通信2011,32(224 80··1和未來技術(shù)兼容,易于平滑升級(在IEEE 1588和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟后,不需要重新采購合并器和保護(hù)等設(shè)備,只需進(jìn)行軟件升級和棄用多余的網(wǎng)口;2不存在私有擴展的互操作問題,方便廠商互聯(lián)(使用FT3點對點方案目前還沒有統(tǒng)一的通道和波特率擴展,無法解決AD復(fù)采通道傳輸和多間隔合并等問題。4FPGA以太網(wǎng)方案常規(guī)的以太網(wǎng)交換機應(yīng)用不強調(diào)傳輸延時的確定性,在引入優(yōu)

11、先級交換技術(shù)之后,在流量不超載的情況下可以保證100s級實時性,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級的延時抖動已經(jīng)不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)傳輸延時在10s 量級的隨機性抖動問題,首先必須不經(jīng)過交換機采用點對點技術(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個要求:點對點傳輸、發(fā)送側(cè)抖動不超過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

12、的類型較多,例如大家比較熟悉的MCS-51單片機。不同應(yīng)用功能可以使用不同檔次的CPU,但各類CPU均有一個共同特點,那就是串行運算。在1臺功能較為齊全的裝置中,往往包含多個應(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;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。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出現(xiàn)長達(dá)100s的發(fā)送延時抖動。FPGA(Field-Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列的出現(xiàn)很好地解決了這個問題。它是在PAL、GAL、CPLD

13、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。系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程邏輯陣列內(nèi)部的邏輯塊連接起來,就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變,所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。FPGA的基本特點主要有:1采用FPGA設(shè)計ASIC電路,用

14、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電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。5FPGA采用高速CHMOS(High-speed CMOS,互補金屬氧化物工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容?？梢哉f,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)送可以同時進(jìn)行,具有各自獨立的步調(diào),相互間在芯片資源上完全不

15、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CPU才有可能實現(xiàn)這一指標(biāo)。當(dāng)然FPGA也有缺點,如其編程較為復(fù)雜。實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)語智能變電站采用延時固定的點對點采樣值傳輸,減少了繼電保護(hù)對網(wǎng)絡(luò)和對時系統(tǒng)等中間環(huán)節(jié)的依賴,但是給具體實現(xiàn)會帶來一些困難。從技術(shù)先進(jìn)性角度來說,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,因此將更有生命力。9-2點對點和FT3

16、3;智能通信·方景輝智能變電站點對點采樣值傳輸方案81··點對點相比,主要的劣勢在于廠商的實現(xiàn)難度。由于編解碼開銷較大和基于固定延時插值的需求,目前多數(shù)廠商選擇較大規(guī)模的FPGA 來解決采樣值發(fā)送問題,因而增加了一定的軟硬件成本。目前中國智能變電站主流廠家都已經(jīng)使用大規(guī)模FPGA 實現(xiàn)了點對點9-2采樣值通信,中國電科院已組織完成基于點對點9-2方案的智能變電站動模試驗,因此在今后的工程中選用9-2點對點采樣值傳輸完全沒有問題。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

17、 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.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)計及數(shù)字化變電站、智能變電站設(shè)計及關(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 Smar

18、t SubstationsFANG Jing -hui(Zhejiang Jiaxing Electric Power Bureau,Jiaxing 314033,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

19、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 pr