智能变电站点对点采样值传输方案

1、 智能变电站点对点采样值传输方案方景辉(浙江嘉兴电力局,浙江嘉兴314033中图分类号:TN915.853文献标志码:B文章编号:1005-7641(201106-0079-04第32卷第224期电力系统通信Vol.32No.2242011年6月10日Telecommunications for Electric Power SystemJun.10,20110引言国家电网公司智能变电站继电保护设计原则推荐数字化变电站继电保护采样值传输采用光纤点对点传输方案1,其要点是发送侧保证延时确定(抖动不超过10s 、接收侧使用插值再采样进行同步。该方案总结了前2年国内工程的实施情况,确保了在当前技术水

2、平下的继电保护可靠性。但是在方案中并没有明确点对点采样值传输究竟是采用FT3还是9-2协议,把选择的权利留给了工程。事实上在方案讨论的会议上也有诸多代表提出了FT3和9-2协议的选择问题,大家一致的意见是9-2更为先进并能和未来兼容,但主要由于部分厂家的反对(已有基于FT3的产品,因此在最终标准中并没有完全排斥FT3方案。为了更好地为数字化变电站工程服务,以下将对点对点采样值传输模式下的9-2和FT3方案的技术要点作简要的对比分析。1IEC 60044-8/FT3标准通常所说的FT3方案,是指IEC 60044-8电子式电流互感器标准中规定的一种点对点采样值传输协议,其实质是基于点对点光纤同步

3、串行通信的专用协议,在标准中规定了从应用层数据解释、链路层帧格式到具体的物理层编码的系列约定。之所以在电子式互感器标准中进行传输标准的详细具体规定,最主要的原因是在当时IEC 还没有其他可供引用的采样值通信协议,只能根据当时的技术水平参照IEC 60870-5远动基础通信协议的帧格式规定构造出采样值传输报文(所谓FT3实际上是指选用了IEC 60870-5-1当中的FT3帧格式,后来成了约定俗成的简称。该标准的主要技术特征包括:1点对点传输,严格的延时稳定要求,确保接收侧可使用插值再采样的同步算法;2波特率和帧格式固定,主要满足单间隔80点/周波的电流电压传输要求,无标准化的扩展手段;3传输通

4、道固定,要传输双AD 的数量,需要对标准进行扩充;4编码较为简单,协议效率高,便于硬件实现(厂家一般采用FPGA 进行编解码,在较小的开销下即可实现编解码和插值同步。2IEC 61850-9-2采样值标准协议为了构建变电站统一通信体系,IEC 组织制定了IEC 61850通信标准2,该标准涵盖了变电站79··内所有设备的信息交换环节,也理所当然地考虑了数字化变电站采样值传输要求。其中的IEC 61850-9-1是简单地把IEC60044-8当中规定的应用层报文移植到统一的以太网上,而IEC 61850-9-2则依据IEC61850-7所规定的建模体系完整地进行了协议映射,可

5、实现数据通道和类型的灵活配置且和标准的其他部分完全交融,因此被看作是“纯粹的”IEC61850采样值传输标准。目前IEC已投票收回IEC61850-9-1标准,确定IEC61850-9-2是将来唯一的采样值传输协议,互感器标委会也已计划修订电子式互感器标准,将取消原有的IEC60044-8/FT3协议,完全采纳IEC61850-9-2规定。IEC61850-9-2的主要技术特征包括:1基于IEC61850建模体系,能使用SCL建模语言和MMS服务实现采样值通道信息的自描述,更好地实现“源端配置、全网共享”;2传输的数据集可灵活配置,可直接传输一次值和其他额外参数,且通道组合灵活;3链路层基于以

6、太网技术,带宽高、兼容性好,便于多厂家互操作和工程推广;4标准本身为采样值组网应用设计,未要求传输延时的确定性,故需要在源端(MU通过其他手段(秒脉冲或IEEE1588等实现采样同步;5采用了IEC61850的采样值控制块传输技术,传输的通道可以通过数据集灵活定义,适宜传输双AD的采用值。从以上特征可以看出,IEC61850采用了建模的思想,在传输数据前使用模型文件先规范了数据的组织结构,从而摆脱了一维点表的约束,可以传输较为复杂的结构类数据。同时由于模型是IEC61850定义的标准文件,厂家对模型的理解最终可以达到统一的地步,从而为互操作构建了基础。互操作的另外一个基础是编码技术, IEC6

7、1850中采用了ASN.1编码技术,这种技术在电力外的其他领域已广泛应用。在采样报文发布时,相同模型可以生产相同的编码报文,从而为消除厂家各异性创造了条件。互操作不仅包含报文的编码规范化,还包括不同厂家间装置配合的规范化。在处理发布/订阅问题时,采样值传输可以很好地借鉴GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event,通用面向对象变电站事件传输的成熟经验,采用SVIN虚端子和Input虚连线实现设计工作的规范化。当然,由于人员整体素质无法短期飞跃,在现阶段让设计环节直接操作模型比较困难。在模型中除了具备能够发挥配置作用的模块外,如虚端子、虚连线,还

8、具备一些说明性的文字模块,此即自描述。厂家提供自描述和虚端子的对应关系,设计环节按照自描述进行连线,此即虚端子图。39-2点对点方案的可行性从以上分析看,IEC61850-9-2标准无疑是将来智能变电站唯一的采样值传输协议。但是,众所周知,在此前的国内数字化变电站工程中, IEC61850-9-2的应用很少,且部分IEC61850-9-2工程在联调和动模试验中还暴露出了一些问题,这充分反映出技术的发展需要一个渐进的过程。和FT3技术对比,9-2以太网报文的编解码较为复杂,厂商实现难度较大,在数字化变电站系列产品开发完善的初期,厂商和用户都因为工作量和风险的原因倾向于选择相对简单的FT3和9-1

9、方案。IEC61850-9-2方案早先的设计难度主要在于CPU的网络吞吐率和采样值同步,中国电科院动模试验中暴露的问题实际上也主要集中于网络交换机和IEEE1588对时技术上(IEEE 1588v2于2008年下半年正式发布,交换机和时钟源产品2009年才相继推出。根据前期的工程和试验情况,针对当前的装置水平和智能变电站建设要求,为了确保继电保护的可靠性,国调中心创造性地提出了9-2点对点传输方案。该方案吸收了FT3和9-2两方面的优点,尤其规定了以太网采样值发送的等间隔精度,因而可仿照FT3方案由接收侧的FPGA实现插值再采样同步,回避了合并器依赖外同步而现阶段IEEE1588对时又不成熟的

10、问题,一举成为现阶段兼具先进性、可实现性和可靠性的采样值传输解决方案。除了具有9-2自身的建模和灵活性优势外,在点对点传输情况下,使用9-2以太网编码和FT3对比具有以下的突出优势:电力系统通信2011,32(224 80··1和未来技术兼容,易于平滑升级(在IEEE 1588和网络技术成熟后,不需要重新采购合并器和保护等设备,只需进行软件升级和弃用多余的网口;2不存在私有扩展的互操作问题,方便厂商互联(使用FT3点对点方案目前还没有统一的通道和波特率扩展,无法解决AD复采通道传输和多间隔合并等问题。4FPGA以太网方案常规的以太网交换机应用不强调传输延时的确定性,在引入优

11、先级交换技术之后,在流量不超载的情况下可以保证100s级实时性,这也是IEC61850GOOSE和采样值采用现代以太网技术的基础。但是,100s级的延时抖动已经不能够满足采样同步的要求,因此在IEC61850-9-1和IEC61850-9-2标准中都指出无法在接收侧使用插值同步算法。为了解决以太网传输延时在10s 量级的随机性抖动问题,首先必须不经过交换机采用点对点技术以消除路途中的不确定因素,其次要解决掉CPU系统本身发送的等间隔性。这也就是国家电网公司智能变电站继电保护技术细则中提出的2个要求:点对点传输、发送侧抖动不超过10s。目前电力系统应用的很多装置其核心器件都是由CPU构成,CPU

12、的类型较多,例如大家比较熟悉的MCS-51单片机。不同应用功能可以使用不同档次的CPU,但各类CPU均有一个共同特点,那就是串行运算。在1台功能较为齐全的装置中,往往包含多个应用功能模块,以合并单元为例,它既要控制采样、接收采样值,还要发送采样报文。如果需要保证采样的同步性,必需以控制采样为高优先级;如果需要保证采样发送的等间隔性,必需以发送采样为高优先级。这些要求本身就是矛盾的。这样就不难理解部分厂家的合并单元为什么会出现长达100s的发送延时抖动。FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列的出现很好地解决了这个问题。它是在PAL、GAL、CPLD

13、等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC, Application Specific Intergnated Circuits领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑阵列内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA的基本特点主要有:1采用FPGA设计ASIC电路,用

14、户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。2FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5FPGA采用高速CHMOS(High-speed CMOS,互补金属氧化物工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA的特点中最适合采样值成熟的就是它的并行工作模式,这和CPU的串行处理模式是有本质区别的。合并单元使用了FPGA后,采样控制和数据发送可以同时进行,具有各自独立的步调,相互间在芯片资源上完全不

15、冲突。使用了FPGA 后,在保证合并单元同步控制条件下,数据的发送也可以达到很高的均匀性,例如10s或更高的指标。在不采用FPGA的情况下,需要配置较高档次的CPU才有可能实现这一指标。当然FPGA也有缺点,如其编程较为复杂。实际工程中的装置往往是FPGA和CPU共同完成,由FPGA完成必需并行处理的功能。5结语智能变电站采用延时固定的点对点采样值传输,减少了继电保护对网络和对时系统等中间环节的依赖,但是给具体实现会带来一些困难。从技术先进性角度来说,采用IEC61850-9-2协议比IEC60044-8/FT3协议具有自描述和互操作性方面的优点,因此将更有生命力。9-2点对点和FT3

16、3;智能通信·方景辉智能变电站点对点采样值传输方案81··点对点相比,主要的劣势在于厂商的实现难度。由于编解码开销较大和基于固定延时插值的需求,目前多数厂商选择较大规模的FPGA 来解决采样值发送问题,因而增加了一定的软硬件成本。目前中国智能变电站主流厂家都已经使用大规模FPGA 实现了点对点9-2采样值通信,中国电科院已组织完成基于点对点9-2方案的智能变电站动模试验,因此在今后的工程中选用9-2点对点采样值传输完全没有问题。参考文献1Q /GDW Z 441-2010.智能变电站继电保护技术规范S.2010.Q/GDW Z 441-2010.Technical

17、 Specifications of Pro -tection for Smart SubstationS.2010.2DL/T 860.变电站通信网络和系统S.2010.DL/T 860.Communication networks and systems in substationsJ.2010.(ZL 方景辉(1981,男,陕西西安人,工程师,从事变电二次设计及数字化变电站、智能变电站设计及关键技术研究。(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