数字化变电站同步问题及解决对策分析

晏创

（佛山市辰誉电力设计咨询有限公司，广东 佛山 528000）

1 数字化变电站相关技术介绍

电子式传感器主要由可以连接到传输系统和能够实现二次转换器的一个或者是多个电流和电压传感器构成的，可以实现正比于被测量的电压和电流量的传输，完成测量仪器、仪表和继电保护或控制功能的装置。智能断路器装置就是可以配备电子设备、传感器和执行器，并且是较高性能的断路器和控制设备，不但可以实现断路器的基本功能，还可以实现监测和诊断等附加功能。数字化变电站的通信体系是以IEC61850为基础进行的，将变电站的一二次设备划作三层：站控层、间隔层、过程层。在这里过程层描述的是变电站内的变压器、断路器、隔离开关和辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。而间隔层以断路器的隔间进行的分组。可以实现测量、控制元件和继电保护元件等功能。最后的站控层是用来监控主机和远动通信机。GOOSE就是可以迅速的进行以太网多播报文传输，将变电站中智能设备LED之间传统的硬接线通信方式给取代，换言之，取代了原有再硬连线中使用的网络信号，不但在逻辑节点之间通信商提升了速度，而且变得更加可靠。

2数字化变电站问题分析

2.1 关键技术的三网合一

在这里的三网就是SMV网、GOOSE网和IEEEI588同步网。所谓的三网合一就是把SMV、GOOSE信息和IEEE1588统一起来形成组网，就是把这三种信息同步连接到过程层的交换机上，而测控保护装置用一个网口可实现全部的接入。因为GOOSE、录波等功能，就点对点的这个方案在实际中，必须装备大量的交换机，这样光缆的需求就会增加，不但成本升高，而且维护也十分困难，破坏了最初的信息共享。就采样值方面三网合一的方案具有一些不足和不确定性，当采样值在以太网中由IEC61850-9-2进行传输，不能确定延时，造成无法实现保护的功能。

2.2 组网情况下的网络延迟分析

所谓的网络传输延时就是将一帧报文由发送向接收时在网络传输时消耗的所有时间。由以下四种原因影响：首先，存储转发机制说明的是一个这样的实际工作：由交换机存储接到的数据开始一直到一帧接收完毕，在后在从对应的端口将交换机接收的数据帧转发出去。被转发的数据帧越多延长时间越长，速度越快延长时间越短。其次，交换机制存在于以太网交换机的内部。交换机制是靠复杂的硬件电路去实现存储转发引擎、VLAN等其它的功能。而由交换机制出现的延时可以用来实现这些逻辑功能。第三，在光纤链路上传输的数据位，其速度可以达到光速（3×108m/s）的 2／3。一旦进行长距离的通信网络时，就会发现这种线路传输的延时。最后，SMV、GOOSE和IEEE1588数据帧如果由同一以太网中进行传输，一定会造成数据帧的碰撞，在去除数据帧碰撞的问题上，采用的方法是以太网交换机存储转发机制的队列结合。由于队列能够给延时造成一些不确定性因素，而延时的大小主要依据的是实际网络的通信工况。我们很难算出精准的排队延时，在计算时，我们就应该全面的掌握在网络上通信时全部的信息源，尤其是一定要了解由何种设备传输数据帧的大小、优先级和传送的时间及效率。但是由于网络负载十分轻的时候，我们就不研究数据帧排队的影响。让我们在研究网络结构、VLAN和优先级的设计时，可以增加变电站的实时性，这样有助于变电站的发展。

2.3 同步原理的分析

在进行同步原理分析时，先将网络中的主时钟作为参照，然后就开始算出主、从时钟之间差距，并且根据网络传输延迟来纠正从时钟。主时钟的经典是算法BMC算法，再由每个PTP端口所给的质量信息，开始进行对比之后选择哪个适合做主时钟。在主时钟周期性的组播中，由于具有时间戳的信息，所以就应该向主时钟同步的传输从时钟的信息，这样再根据自身接收和发送消息的时间，就能够算出从时钟与主时钟的差距和网络的延迟时间。

3 数字化变电站和9-2采值解决方案

3.1 数字化变电站解决方案

3.1.1 单一变电站解决方案

IEC61850把数字化变电站划分成站控层、间隔层、过程层，信息可以进行交互并且实现了网络化。但是由于数字化变电站的类型很多，出现的网络拓扑结构和保护测控设备的配置大不相同。而以太网的基本结构可分为总线型、星型、环型三种。我们在研究单一变电站解决方案时，可以将站控层、间隔层、过程层在拓扑结构上使用总线型、星型以及环型。

3.1.2 多变电站解决方案

对于多数的变电站来说，我们现在一个区域内设置一个对时主站，之后开始实现区域内的时钟同步。而对时主站的最高级时钟进行冗余配置，在其他较近的变电站之间接入PZP透明时钟，实现中继器的功能，降低非对称性的影响。

3.29 -2采样值的同步解决方案

3.2.1 传统秒脉冲同步方式下的解决方案

首先采用虚拟采样的技术，就合并单元在秒脉冲上升沿到来时出现的采样值，将序号记作0，逐次增加。与此同时，保护装置出现的虚拟采样中断，将序号也记作0，之后，合并单元开始采样并且保护装置出现采样中断时计数器值加1，并开辟出相互对应的一个存储单元。最后，当合并单元的采样值进入到保护装置时，核对出现的采样序号，把采样值送入采样序号所对应的保护装置的存储单元里。

3.2.2 IEEE1588网络同步方式下9-2采样值的同步方法

将每一路信号的采样值采用拉格朗日线性插值法开始同步处理，不要多余的硬件，就采用对每一路采样值进行一定算法的软件，完成同步的任务。之后他们就会用同样的采样率开始自由的采样，由于每一路信号的9-2采样值报文具有高精度统一的时间戳。而同步算法依据的是保护装置的采样时刻或每一路信号的采样时刻，就会把剩余的信号经过线性插值换算成基准点的时刻。

结语

本文就电子式互感器的广泛使用以和以IEC61850为基础来实现标准的数字化变电站建设所造成了大量同步问题进行了分析，从而找出了数字化变电站在传统同步方式上的缺点，进一步的研究了IEEE1588PTP网络同步方式的理论和有关的知识，总结了一些以IEEE1588为基础的数字化变电站同步解决方案，进一步地优化数字化变电站同步方式。

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