区域电网同步数据采集与传输技术探讨

摘 要： 旨在探讨分散智能电子设备之间高密度同步采样和低延时固定路径实时数据同步传输方法，构建了由区域应用设备、区域数据交换和通信管理装置、变电站数据合并转发装置及智能电子设备组成的级联式同步以太网。区域数据交换装置为全网提供定时和同步参考，并负责自身与各级数据合并装置之间端到端的延迟测量，数据合并装置及智能电子设备在本地恢复的同步脉冲触发下完成数据采集和同步回传。测试和运行结果表明，该系统能够实现全局同步采样和过程层数据实时传输，保证了区域保护控制系统的稳定运行。

关键词： 同步采样； 同步以太网； 区域数据测量； 区域保护

中图分类号： TN915.1?34； TP873+.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）20?0158?05

Discussion on synchronous data acquisition and transmission technology

of regional power grid

PANG Jiyao

（Nanjing Paneng Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210032， China）

Abstract： To discuss high?density synchronous acquisition and real?time data synchronous transmission method of fixed path with low latency among scattered intelligent electronic devices （IED）， a cascading synchronous Ethernet consisting of regional application equipment， regional data exchange and communication management device， data merging and transmission device of substation， and IED was constructed. Regional data exchange device provides timing and synchronous reference for the entire network， and is responsible for end?to?end delay measurement between itself and data merging devices at all levels. Data acquisition and synchronous return are accomplished by data merging device and IED under synchronous pulse trigger recovered in local area. Testing and application results show that this system can achieve global synchronous sampling and real?time data transmission in process level， and ensure the stable operation of the regional protection control system.

Keywords： synchronous sampling； synchronous Ethernet； regional data measurement； regional protection

0 引 言

现有的广域测量系统是以同步相量测量技术为基础，主要面向大跨度电网，虽然具有异地高精度和同步相量测量能力，但总体来说动态数据记录密度不高（100 f/s左右）[1]，数据更新时间慢[2?3]，为20～50 ms。而目前的传送网更关注带宽利用率，使广域传送的数据量、实时性和确定性很难提高。相比而言，区域电网中相关联的变电站或电气场之间物理距离不远，有可能为区域保护构建单独的继电保护专网，而基于专网的区域同步数据采集和低延时传输将极大地提高系统动态性能，并为区域电网保护提供更多策略选择[4?6]。

1 问题的提出

与常规智能站不同，区域电网数据采集系统主要面临以下几个问题：

（1） 系统内智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）在空间上分属不同的变电站，如何实现站间稳定同步[7]；

（2） 同步源的周期扰动和各IED节点参考时钟的漂移，导致系统级的同步抖动较大；

（3） 来自不同的变电站数据源到达区域应用主机的路径延时各不相同，如何快速获得统一时间断面的采样值数据；

（4） 系统的采样密度密度问题，合适的采样密度能够为区域电网的保护、测量、动态数据记录提供一体化数据平台；

（5） 如何保证多业务共网时采样数据固定路径低时延传送问题等。

此处以阳煤集团所属28个变电站为例，给出一种有源级联式采集系统，由顶层提供全网定时参考和路径延迟测量，并逐级完成系统同步及同步脉冲恢复。各变电站的IED在同步脉冲触发下完成数据采集，硬件保证采样值每个间隔都能同步回传。系统中级联转发设备采用电路交换、延迟补偿、硬件优先级划分等手段保证多业务共网时采样值数据固定时延传送，本文就系统结构、关键设备和技术、运行维护等方面进行了探讨。

2 系统设计endprint

采集系统结构如图1所示，由系统层的区域应用业务主机和时间服务器、区域数据交换和通信管理装置（SWITCH），位于变电站的站域数据合并和转发装置（Merging Unit，MU）与过程层的IED组成。系统中应用业务主机主要负责如区域保护、安全稳控、故障数据记录等系统级功能。SWITCH负责收集来各级MU的采样值数据并向应用主机提供整合后的过程量；MU负责本变电站IED数据收集和级联变电站数据转发；IED则负责过程量采集和传输以及执行来自区域主机或站域主机的控制命令。时间服务器经SWITCH的IRIG?B接口接入，为各级设备提供绝对时间和同步参考。

图1 系统体系结构图

2.1 区域数据交换装置

区域数据交换装置（SWITCH）以FPGA为核心，负责各级MU的采样值数据整合和主机控制命令分解及链路管理功能，如图2所示。

图2中来自级联端口的采样值数据经硬件解码和缓冲后进入采样值缓冲池，在同步信号ASYN的触发下由硬件根据上行转发表生成采样值报文经应用接口提交到业务主机。主机下行命令由控制报文交换模块根据下行转发表进行目标寻径，然后经下行复用器进入级联端口发送；而下行分组复用器由硬件保证优先转发控制报文，仅在空闲时转发来自通用业务报文。MCU软件负责转发表的维护、同步恢复和各级联MU的运行维护。在本地秒脉冲的触发下，MCU周期性向下行各端口广播注册许可报文，通过接收下级MU的注册请求报文完成SWITCH到各级MU的链路延迟测量。

图2 SWITCH体系结构图

2.2 站域数据合并装置和转发优化

站域数据合并装置和转发（MU）以FPGA为核心，通过改进现有直通转发策略，取消目标地址解析，改用电路交换和FIFO缓冲的技术，可进一步低数据转发延迟，结构如图3所示。

图3 MU体系结构图

图3中下行数据分成两路：一路经过多通道的FIFO缓冲后直接送往其下行接口；另一路进入MAC控制器成帧后送MCU和下行解复用器进行解包，随后解复用器按一定规则将控制报文选送至目标IED所连接端口。对本地收集至各IED的过程量，由上行复用器进行数据压缩和打包，一路送本地MCU（MCU根据配置决定该报文是否转发至本地应用业务接口），另一路送上行MAC控制器的实时优先级接口（LV1）。来自下级级联端口和本地应用接口的非实时业务数据经MCU缓冲后被送到上行MAC控制器的LV0队列，由上行MAC控制器择机发送。

在图3所示MU中上行的多路选择器在本地时隙控制器的控制下，按预先设定的时隙顺序选择发送本级直采数据或下级MU的数据。时隙控制器则由同步恢复模块控制，在本级MU没有和SWITCH同步前，时隙控制器不会选择转发下级MU数据以及本级直采数据包。

2.3 系统参考时钟优化

就图1来说，若各分散设备采用本地晶体作为定时参考，其频偏和漂移会导致系统失步和同步抖动风险增加，为此进行改进。

首先顶层SWITCH采用高稳定度的OCXO作为工作时钟、定时参考及网络物理层发送参考时钟；其次处于中间级联位置的MU则利用以太网物理层从上行级联端口（图3中RX0端口）恢复出的接收时钟作为本地网络物理层发送时钟和本地定时参考；最后，过程层IED则从MU下行数据链路中恢复出接收时钟，同时使用该时钟作为本地定时和发送参考。如此，系统定时直接或间接地同步于顶层高稳定度的温补晶体OCXO，系统级的同步和定时的稳定性得到保证，同步抖动也大大减小。

2.4 网络传送规则及优化

为简化实现和延长传送距离，系统硬件上采用层次式有源级联，逻辑上基于多点控制协议（MPCP）[8]进行改进，兼容电路交换和存储转发，按顶层SWITCH的下行级联口划分网络冲突域和单独的同步域（如图1所示），同一个冲突域中上行信道为共享信道，下行信道为广播信道，位于同一个冲突域中的各级MU进行独立链路测距和同步。现有结构的解决方案中，在各节点延迟测量没有结束之前上行报文存在冲突，这里结合本系统特点对传送规则进行如下改进：

（1） 链路测距等管理报文采用存储转发方式逐级上行；

（2） 各级MU在它与SWITCH间端到端链路测距完成且获得授权后才可传送采样值；

（3） 各级MU采样值报文必须在系统管理员规定的窗口中发送；

（4） 若SWITCH重启则清除所有MU注册授权标记和链路延迟数据，并依据配置表向各端口发送注册许可帧，进行新一轮的延迟测量；

（5） 若MU启动后则关闭本级电路转发并等待来自SWITCH的注册许可报文，根据需要发送注册请求帧并按注册许可报文中授权标记判断本节点是否注册成功；

（6） 注册成功的MU将记忆注册许可报文中的本节点路径延迟，随后完成初始化并开放电路转发功能；

SWITCH特定下行口级联的所有MU测距完成则认为该支路初始化完成，通过改进的转发管理策略，本系统很好地解决了上行冲突问题。

3 链路延迟测量

本文对目前延迟测量方法进行改进[8?9]，由硬件标记时间戳，并在MU应答的注册请求报文中增加许可报文发送时间和请求报文每一跳驻留时间修正字段，来提高延迟测量精度。

图4中SWITCH在[T1]时刻发送注册许可报文，MU在[T2]时刻接收到该报文并在[T3]时刻发回注册请求报文（其驻留时间修正字段为0），该报文在[T4]时刻到达SWTICH。其中[δt]为电路转发延迟固定为4个网络时钟，[MUi]和[MUi+1]为负责转发的中间MU，而[ΔTi]和[ΔTi+1]为中间级MU的软件转发延迟。故SWITCH可按下式计算它和对应MU之间路径延迟[Tmu_delay]：

[Tmu_delay=T4-T1-iΔTi-T3-T22] （1）

式（1）隐式地包含各级电路转发延迟[δt]，其中[iΔTi]为中间级联的MU的软件驻留时间的总和，由硬件按下面方法自动计算。

图4 端到端延迟测量示意图

当注册请求报文到达转发MU的网端口时由软件读取报文到达时间[Trcv]和报文中携带的修正时间字段[Tpkt_correct]，然后将差值[Trcv-Tpkt_correct]写入发送描述符，该报文离开时硬件采用发送时间[Txmit]和发送描述符的时间之差作为新的修正时间[Tnew_pkt_correct]，即：

[Tnew_pkt_correct=Tpkt_correct+（Txmit-Trcv）] （2）

最后，MU的注册请求报文最终到达SWITCH时，其报文中修正时间字段则为中间各级MU的软件驻留时间之和。实现时，SWITCH需要对同一个MU进行多次测量，并取平滑后的结果做最终的链路延迟，该延迟随后通过注册许可报文发布给相应的MU。

4 同步恢复

图1中，系统以SWITCH的下行级联端口为独立同步域，自上而下逐级同步。SWITCH通过跟踪IRIG?B信号，恢复出本地秒脉冲（PPS）准时沿并在PPS准时沿记录本地时间戳[Tsw_pps]和触发包含[Tsw_pps]注册许可报文（见图4），MU可推断出本地PPS准时沿位置为[9]：[Tmu_pps=Tsw_pps+（T2-T1）]。设第[i]次测量为[Tmu_pps_i=][Tsw_pps_i+（T2_i-T1_i）]，则MU侧获得一个随时间线性增长序列[Tmu_pps_i]，序列的增量即为MU本地观测到的秒脉冲的宽度，取该序列最新的N+1个测量值的增量并取平均作为MU的秒脉冲宽度，MU可估计出下一秒准时沿时间为：

[Tmu_pps_i+1=Tsw_pps_i+Tmu_pps_width] （3）

[Tmu_pps_width=1Ni=0N-1（Tmu_pps_i+1-Tmu_pps_i）] （4）

接着MU通过一个具有输出比较功能的定时器来比较本地时间戳定时器和新的秒脉冲的预测值，当二者一致时输出本地秒脉冲，通过类似的方法实现IED和MU之间的定时器同步。最后，各级MU和IED以本地秒脉冲为参考点，产生间隔为[Ts]的采样脉冲ASYN，过程层IED在脉冲ASYN触发下启动数据采集，并向MU回传上一采样间隔的采样值。

如第2.3节所述，由于系统各级设备的同步定时器基于同一个参考时钟，加之本地自守时模块的作用，一旦系统进入同步状态，会在较长的时间内处于低抖动的同步保持状态。

5 同步数据传输和延迟补偿

MU将本变电站的采样值数据进行汇聚，压缩打包后在下一个采样间隔中等待触发传送。为补偿链路延迟，MU通过数字锁相环产生超前采样脉冲ASYN时间为[Tmu_delay]的发送触发信号MU_TX_SYN，由该信号触发产生本地传输节拍，使本地数据上行到达SWITCH时链路延迟恰好被补偿完。

如图5所示，MU的传输节拍被划分为实时窗口[Tw]和普通窗口[Tp]，并且硬件保证普通业务只在窗口[Tp]传输。其中实时窗口[Tw]用来传送上行采样值，又被还分为若干时隙，由系统静态分配各级MU的逻辑地址、时隙宽度和时隙位置。在传送窗口[Tw]内，只有在当前时隙与MU被授权的时隙一致时才可以插入传送本地采样值数据（如图5中时隙[T5]，对应逻辑地址为5的MU授权发包时隙），其他时隙按配置依次向上转发来自各个下行口的实时数据。通过静态时隙规划，不仅使采样值每个采样间隔都能得到传输且延时固定，还大大简化了系统设计复杂度。

图5 数据分组传送示意图

位于区域控制中心的SWITCH则在系统级采样脉冲的触发下收集来自下行端口的过程层数据，生成系统一个时间断面数据，并按照配置向各应用主机提交。

6 路径规划及运维

区域应用业务集成和数据共享及过程层业务数据相对稳定是系统重要特征，系统配置和维护工具正是基于此优化设计完成的。工具以各变电站的IED所采集的过程层数据和控制对象构建资源库，根据应用主机数据要求采用自顶向下的建模顺序，先确定整个应用对各变电站的数据要求，再为各MU确定本级实时时隙宽度、时隙位置和逻辑地址、实时数据查找表等，MU根据查找表对来自所辖IED的采样数据进行带宽压缩和打包汇聚后上网传送。SWITCH则将区域数据汇总在一个缓冲池中，由配置工具根据应用主机的功能和数据模型文件编制上行转发表，指导SWITCH以IED为单位为不同应用端口重组过程层采样数据。

此外，配置工具以SWITCH下行端口为一个独立控制域，规划应用主机面向IED的控制报文的传送路径，并生成下行路径查找表，以便SWITCH正确转发应用主机的下行业务数据。对应的MU也包含一个由配置工具生成的下行控制命令映射表，以便MU能够正确转发应用主机的控制命令道特定IED。

如前所述，在SWITCH和MU的软件中均设计一个TCP服务端，维护数据通过SWITCH的管理端口以普通分组模式可以到达系统中任何一个MU，系统工具以此实现包括配置管理、运行工况和固件升级等远程运维。

7 系统测试

在测试阶段，综合利用不同长度的光纤和网络延迟器模拟分布在不同变电站的IED，记录系统中不同位置IED所测同一电流量的相位差，并结合示波器观测对应IED的ADC启动信号。图6为同步信号（ASYN）测试示意图，CH4为顶层SWITCH的ASYN信号，CH3某层次MU恢复的ASYN信号，CH1和CH2为不同IED中ADC启动信号。

图6 同步信号测量波形图

通过相差分析和启动波形测量表明，系统能够很好地实现全网高密度精准同步采样（同步精度<100 ns，抖动<200 ns）。进一步利用保护动作延时和开关量变位测试证实系统级传送延时优于1 ms，整个系统级的延时满足设计要求。

8 结 语

本文所述数据采集系统中区域数据交换设备和站域数据合并设备的实时业务部分均由FPGA硬件实现，区域保护主机采用高性能服务器和硬实时系统构建，采用同步传送方式，能够实现固定路径低延时传送，可实现全网高密度精准同步采样，非常适合用作区域同步数据业务平台，对比现有的广域数据测量系统，该系统创新点体现如下：

（1） 将分散装置定时参考同步到顶层SWITCH，可不依赖外部时钟源实现系统同步；

（2） 通过源端延迟补偿保证各分散装置的采样数据在同一时间断面到达系统层；

（3） 通过时分复用和实时路径规划技术保证采样值和控制命令传输时延固定可预测；

（4） 实时业务和非实时业务独立交换路径，保证了注册管理报文的无冲突传输；

（5） 采用电路交换和硬件多路并行转发技术减少传送延迟和传输抖动。

该系统已在阳煤集团通过现场验收并成功投运，目前系统数据采集正常，运行良好，所涉及的相关技术已申报国家知识产权局的专利[10]。

参考文献

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[10] 庞吉耀.一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法：中国，CN104135359A[P].2014?11?05.