基于通信物理层信号的智能终端实时响应检测方法

陈 宏，舒 欣

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

智能终端[1]是智能变电站二次系统与现场开关设备的智能接口。为了二次系统保护、控制实时性以及故障监控与分析处置正确性，一般要求智能终端对时精度1 ms、SOE分辨率2 ms、动作时间不大于7 ms[2]。

目前，国内针对智能终端的SOE指标检测较为成熟，但针对现场信号与通信端口GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）之间的实时响应，则多以规约一致性、数据报文获取等间接测试或估算方式为主，而通信物理层相关IEEE802.3[3]信号响应特性、报文物理一致性等研究偏弱。

本文基于变电站时间同步信号应用，以及二次系统标注一次设备暂态时刻的数据采集信息（简称时标数据）实时性分析。根据数字信号处理理论[4]的离散时间系统原理，综合智能终端实时响应、通信物理层数据信号的物理性，结合GOOSE时标数据信息/信号响应SOE信号的物理一致性，基于物理层探讨智能终端检测方法。

1 时间同步与时标数据

变电站时间同步设备[5]，可依据卫星信号或主站端授时信号为时钟源（参见图1），可以IRIG-B或网络IEC61588[6-7]统一站内IED时钟，用于实现标注一次设备暂态与动态测量数据的时间值。

图 1 智能变电站二次设备时间同步Fig.1 Substation IED time synchronization

图1示意了一种智能变电站二次设备时间同步信号应用结构。其中的站控层网络，基于TCP/IP交互方式通信，数据传输迟延一般为秒级；一般采用制造报文规范（Manufacturing Message Specification，MMS）传输数据信息，主要服务于人机监控、故障诊断、IED工作方式切换。

图1的过程层网络，基于介质访问控制（Media Access Control，MAC）的非握手传输机制，网络数据迟延一般为亚毫秒级；可传输合并单元交流采样值（Sampled Value，SV）、智能终端GOOSE等带时标的数据采集信息，主要服务于IED之间的实时传输与联动响应。

若以智能终端由现场开关量输入至GOOSE输出为例，则GOOSE[8]帧的数据采集、时间标记信息，主要包括变位事件时间、开关状态、报文输出时间。其中的时间值之差可理解为事件信号转换响应时间。

因此，GOOSE是实时信息，GOOSE时标数据与智能终端转换响应特性相关，可反映开关设备的暂态状态、暂态时间。

2 开关变位GOOSE信号实时响应

根据数字信号处理理论，可将智能终端由输入至输出的转换，视为具有线性、移不变性、因果性、稳定性的离散时间系统，即可视为GOOSE与开关变位[9]（或断路器变位）之间的信号响应。

图2以开关量输入至GOOSE输出为例，示意了一种智能终端开关变位转换硬件回路[10]，并采用PTP（即IEC61588）实现时钟同步。

图2中，开关量变位至GOOSE输出的总体转换迟延时间为Δt，其中，CPU数字滤波并生成开关变位数据包，经网络控制器、物理收发器输出GOOSE信号。

图3结合图2，基于时间参量和开关变位事件，示意了智能终端由开关事件DI(t)输入至数据信号GOOSE(t)输出的转换响应时序。结合前述GOOSE时标数据主要内容，GOOSE(t)信号包含以下信息。

图 2 开关变位转换结构示意Fig.2 Breaker action event

图 3 开关变位转换信号时序Fig.3 Event signal conversion timing of breaker

变位时刻时间值T1，描述变位事件SOE的发生时刻；开关位状态Bit，可视同DI(t)开入状态转换输出的状态响应数字信号Bit(t)；数据输出时间值T2，可用于描述变位事件的GOOSE首出[8]信号输出时刻。

即若GOOSE时标数据的T1、T2信息描述与GOOSE(t)信号响应一致，则理想状态下，图2和3中智能终端信号转换可为DI(t)=GOOSE(t+Δt)，其中Δt=T2-T1。

结合图1，间隔层IED可由过程层网络接入GOOSE时标数据（参见图1）信息。若GOOSE信息描述与智能终端信号实时转换的物理响应特性一致，则，间隔层IED可直接关联图3所示的Bit与时间T1，形成变位事件SOE测控时标数据上传。至此，依据智能终端的数字信号实时响应物理性分析，可认为数字信号本质上应是携带了GOOSE时标数据信息的光/电信号。

3 通信物理层数字信号

变电站IED多采用100M以太网通信。其中，数据信息格式，一般遵循IEC61850、IEEE1588规范的MMS、SV、GOOSE、PTP方式；数据传输媒介，多基于IEEE802.3的CSMA/CD（载波侦听多路访问与冲突检测）机制，遵循其规则、介质、接口，由光/电信号传输数据信息，即时标数据依赖光或电信号携带并传输。

例如，参见图2，智能终端CPU生成包含T1、Bit、T2的GOOSE时标数据包，经网络控制器形成基于MAC通信的时标数据帧MGoose，并由物理介质无关接口MII传送至物理收发器PHY进行信号编码与转换，再经介质相关接口MDI输出GOOSE(t)时标数据信号。

根据IEEE802.3并结合OSI（开放系统互联）结构模型，图3的MII、PHY、MDI组成部分，对应OSI模型的物理层（见图4）。

结合图2和4，以网络控制器生成的MAC数据帧SVn至端口光电信号发送为例，数字信号GOOSE(t)的主要形成过程如下：

图 4 OSI与IEEE802.3模型Fig.4 OSI&IEEE802.3 model

图 5 MDI介质端口信号示意Fig.5 MDI port signal

网络控制器的协调子层RS与MII接口，主要将MAC数据帧以半字节4B方式传输至PHY，并可判断通信状态；PHY的物理编码子层PCS，为避免多0连续通信失步、均衡通信能量，按4B/5B规则将半字节转换为5B编码并扰码，具有并串数据转换和冲突检测功能；PHY的物理连接子层PMA，可将串行信号转换为NRZI编码数据流，并具有链接状态判断和载波侦听的功能；PHY的物理介质相关子层PMD，可进行数据流三基态电平MLT-3编码；介质相关接口MDI，数据信号的最终输出接口，电/光信号为100Base-TX/FX接口。

其中，当PHY无数据发送任务时，由PCS生成连续IDLE（5B数据为“11111”）空闲编码流，即如图5所示，有效数据信号GOOSE嵌入在IDLE信号中传输。

4 智能终端实时响应检测

4.1 实时响应检测模型

图6示意了一种检测智能终端输入、输出端口信号实时响应的模型。其中，智能终端测试仪（简称测试仪）可与卫星时间同步，并可基于时钟信号、数字信号进行端口信号响应校准。

图6中智能终端通信端口TX1/RX1与测试仪TX2/RX2端口连接，开关量输出DO连接至输入DI端，并且连接至测试仪的开关量输入端di。

图 6 实时响应检测模型Fig.6 Real time response detection model

测试仪仿真与智能终端GOOSE通信，在指定时刻由TX2发出DO开出的GOOSE指令信号，并可经RX2捕获响应DI事件的TX1端口GOOSE信号，且可显示TX2、RX2、di端口的指定信号时间值。

4.2 开关事件响应检测与验证

以SOE事件实时响应为例，结合图3智能终端开关变位转换实时响应分析，图7示意了一种GOOSE时标数据信号的检测方法，可用于比对图6测试仪的GOOSE时标数据检测能力。图7的信号响应时序如图8所示。

图 7 事件响应检测与验证模型Fig.7 The event response signal for test and validate

图 8 事件信号响应时序Fig.8 Event response signal timing

图7中，采用SOE信号源（简称信号源）发出时间可知的开关量信号；时标网络信号分析仪（简称分析仪）可时间同步，可依据预设定的帧信息捕获指定的GOOSE信号，并同时发送TTL脉冲指向该信号，且可显示RX2端口收到该信号时刻的时间值；智能终端的TX1/RX1光口，经光电转换器与分析仪的TX2/RX2电口通信。

结合图7和8，光电转换器的电光和光电转换迟延时间总和，一般小于100 ns[11]，故δt1的影响可忽略。分析仪由RX2端口完整接收指定GOOSE信号、判断信息至TTL脉冲输出的实测迟延δt2＜5 μs。

表1为针对某型号智能终端，采用图7模型GOOSE时标数据的实时响应检测结果。其中，信号源准确度0.1 ms并指定某整秒过T1′时刻输出DO，T2′为分析仪显示的GOOSE信号完整接收时刻的时间值，T1为GOOSE携带的SOE时间值，Δt为示波器相对时间检测值（t2-t1）。

表1 GOOSE时标数据实时响应检测值Tab.1 DI/DO detection

结合图7和8，表1中，T1≈T1′；依据智能终端输出信号响应时间值T2′和转换迟延时间Δt，也可得到相应SOE事件发生的实际时刻T1≈T2′-Δt。

5 结语

基于IEC61850的GOOSE信息，本质上是描述智能终端信号转换过程的一种应用层通信接口语言，可由IEEE802.3物理信号携带传输，但其不是物理过程本身。

智能终端时间同步，应体现为GOOSE时标数据与其物理媒介信号实时响应特性一致，即应体现开关设备暂态、标注时间参量的物理正确性。同理，智能终端动作实时性应为开出信号对相应GOOSE信号的实时响应。

智能终端检测既应重视时间同步系统及时钟信号传递，更应重视数据的一次设备对象性；宜重视智能终端的端口暂态、实时响应、时间信号应用等三者的物理性，重视承载数据信息的物理媒介，重视语言描述与物理现象的一致性。

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