数字化变电站过程总线通信关键技术研究

殷志良 左文启
（上海电力公司超高压输变电公司，上海 200063） 来源:www.tede.cn

　　摘　要：过程总线通信是数字化变电站区别于现有变电站自动化系统的一个重要方面。本文指出过程总线这一新概念提出的主要前提条件，并针对过程总线通信的实现，分析了采样值报文传输所遵循的不同标准、采样同步、跳闸命令实时和可靠传输等关键问题。
　　关键词：数字化变电站　IEC 61850　合并单元　同步

　　当前，数字化变电站已成为变电站自动化领域的研究热点。虽然对这种新型变电站尚无严格定义，但一般认为：数字化变电站是电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备在IEC 61850通信协议基础上分层构建，能够实现智能电子设备间信息共享和互操作的现代化变电站。

　　IEC61850按照变电站自动化系统所要实现的监视、控制和继电保护三大功能，提出了信息分层的概念，无论从逻辑上还是物理概念上，都将数字化变电站的通信体系分为3层，即变电站层、间隔层和过程层[1]。按照标准的发展观点，变电站各个层次之间的联系都将建立在串行通信的基础上，其中过程层与间隔层之间的串行通信又称为过程总线通信。过程层和过程总线通信的提出，是IEC 61850对过去变电站通信协议体系（如UCA2.0）的重大突破之一，也是数字化变电站区别于当前变电站自动化系统的重要特征之一。

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　　过程总线上数据通信种类较多，且这些数据流在不同运行方式下有不同的传输响应速度和优先级要求，采样值和保护跳闸命令是其中最为重要的两类信息。研究过程总线上这两类信息的实时、可靠传输具有重要意义[2]。

1 过程总线通信实现的前提

　　过程总线新概念的提出与高压设备新技术的发展及其要求是密不可分的。

1.1 电子式电流/电压互感器

　　常规的电磁式互感器由于存在饱和、铁磁谐振过电压、绝缘结构复杂等缺点，已越来越难以适应电力系统的发展。在此背景下，电力系统的科研工作者进行了电子式互感器的研究，并在最近几年取得重大进展。按照电子式互感器处于高压的部分是否需要电源，一般分为无源型和有源型两种。无源型电子式互感器包括基于法拉第效应磁光变换原理和普拉克效应电光变换原理，其实用化需解决双折射和光学材料温度稳定性问题。有源型电子式互感器包括无铁心的空心线圈电流互感器、电阻分压和阻容分压的电压互感器等。

　　电子式互感器和保护、测控等设备一般来自于多个生产厂商，故设备之间数字化接口通信的标准化十分重要，它是电子式互感器应用于变电站自动化系统中亟待解决的重要问题。

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1.2 智能化断路器

　　高压断路器二次技术的发展趋势是用微机、电力电子技术和新型传感器建立新的断路器二次系统，开发新型智能断路器。其主要特点如由微机控制、电力电子组成的执行单元，可按电压波形控制跳、合闸角度，精确控制跳、合闸过程的时间；新型传感器与微机相配合，独立采集运行数据，可早期检测设备缺陷进行故障预报；采用传感器技术对高压设备的运行状态进行记录、分类和评估，为设备维护、维修提供决策[3]。监测信息量最大化、判定方式多样化、综合监控手段和专家人工智能方法等可使故障的判定更加准确和及时。采用网络连接技术，整体信息共享，在开关与开关、开关与间隔层、变电站层的设备之间建立标准化的通信网络，是改善和提高故障诊断和状态监测性能的重要途径之一。

1.3 组合式开关设备

　　与封闭式组合电器GIS相比，紧凑型组合式开关设备可大大节省占地面积和费用。近几年，国外一些大公司均已推出此类产品，具有代表性的是ABB公司推出的插接式开关系统（PASS，Plug And Switch System）。PASS最为突出的特点的是在一次设备中采用了智能传感器和微处理器设备，它将一个间隔的全部设备，如断路器、隔离开关、接地开关、电流/电压互感器等都集成在一个内充SF6气体的金属罩壳内。所有一次的信息量通过信息接口（PISA，Process Interface for Sensors and Actuators）与外部二次设备相连。虽然PASS具有很多优点，但由于其PISA采用了变电站自动化中未被广泛接受的协议---IEC 61375(MVB)，与其他厂家的保护、监控设备接口存在规约转换问题[4]，这很大程度上限制了PASS的推广。解决此问题的有效方法是使PISA遵循IEC 61850的过程总线通信。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

2 过程总线通信的关键问题分析

　　采样值和保护跳闸命令是过程总线通信中最为重要的两类报文，过程总线通信实现的关键，从根本上而言，还是解决这两类报文传输所面临的特殊问题。

2.1 采样值报文传输

　　2.1.1 报文内容及相关标准

　　为规范电子式互感器的数字化输出，IEC60044-8首次定义了合并单元，如图1所示。合并单元的主要功能是同步采集多路电子式互感器输出的数字信号，并按照规定格式发送给保护、测控设备。

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图1 合并单元定义

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　　在IEC60044-8中，合并单元所传输的采样值报文内容主要包括12路电流、电压信息，以及反映采样值是否有效的状态信息、同步信息和设备维修信息等。

　　"合并单元"这一概念在IEC61850中引用，并在该标准的第9部分以逻辑设备（logic device）的形式出现。但是IEC61850并未完全照搬，最大区别是：IEC60044-8规范采样值报文传输遵循IEC60870-5-1的FT3格式，链接服务类型为S1:SEND/NO REPLY(发送/不回答)，而IEC61850则采用了以太网。实际上，IEC61850起初推出的口号是"同一网络、同一世界"，其中同一网络即指以太网。考虑到站内设备的互操作性，建议遵循IEC61850实现采样值传输，但这并不意味摒弃IEC60044-8，因为后者还规范了传感头、电子式互感器输出及测试等。

　　此外，值得注意的是：IEC61850规范了两种采样值传输映射实现方式，分别在标准的9-1和9-2中定义[1]。两者的根本区别在于是否支持与采样值控制块相关的三个服务，由于9-2在映射的完备性和灵活性方面均优于9-1，遵循9-2实现采样值传输是发展趋势。

　　2.1.2 采样同步

　　对于采样值同步的实现，IEC60044-8提供了两种方法：插值法和同步时钟法，而IEC61850-9-1只支持时钟同步法。 来源:http://www.tede.cn

　　图2中，合并单元收到外部同步时钟输入信号1（以下简称信号1）后，给各路A/D发送同步转换信号2（以下简称信号2）[5]。通常全站的合并单元共享信号1，由于其频率是1HZ，不能满足保护测量的采样要求，需进行倍频等处理以产生信号2。信号2的频率应考虑实际要求，例如对于距离保护，一般要求一次电流/电压每周波24点采样，即采样率为1200点每秒，故同步转换信号的频率是1200HZ，其帧格式及传输速率可自定义。

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图2 遵循IEC61850的合并单元同步 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

　　采样值同步包含两方面内容：对于同一合并单元，它应使其对应的各路A/D能够同步转换；对于不同合并单元，应使它们所发的同步信号2可以同步。后者对于各种差动保护尤其重要。由此，可以确认采样值同步主要包括以下三个功能：（1）快速、准确、可靠的识别信号1；（2）给各路A/D发送高精度信号2；（3）异常情况处理[5]。
　
　　图3是通过光纤传输的信号1波形，此同步信号可由GPS接收机输出的秒脉冲产生，也可由其它精确的主时钟产生。 来源:输配电设备网

图3 合并单元同步时钟输入波形

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　　采样值同步的同步手段不能单一，以免因唯一的同步源（信号1）丢失而导致保护退出运行。因此，应该考虑2种以上的同步源，当一种同步源丢失时能自动切换到另外的同步源。

　　图2中采样值同步方法的有效性在一般情况下依赖于所接收到的秒脉冲信号正确可靠，而此信号的获取是通过单独的硬接线方式实现的（如与GPS接收机的输出连接），取消这种硬接线方式而借助于以太网通信技术实现采样值的高精度同步，具有重要意义[6]。2002年底发布的IEEE1588是用于测量和自动化系统中的高精度网络时钟同步协议，能够达到亚微秒级同步精度。基于IEEE1588实现过程总线采样值同步具有良好应用前景[6]。

2.2 跳闸命令的传输

　　针对变电站自动化功能的分布式实现，IEC61850定义了面向通用对象的变电站事件（GOOSE）模型。标准规定了间隔闭锁和跳闸信号传输均通过GOOSE报文传输实现。

　　2.2.1 GOOSE报文传输的实时性

　　跳闸命令传输的快速性对系统稳定是大有益处的，IEC61850-5规定GOOSE报文传输延迟不得超过4ms。

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图4 GOOSE报文传输的协议堆栈

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为实现GOOSE报文的实时传输，必须对协议堆栈传输进行优化，与其它报文（如事件记录、报告等）传输映射实现不同，GOOSE报文的映射实现不经TCP/IP协议，而仅仅只用了国际标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）中的4层，即由应用层传输表示层（ASN.1编码）后，直接映射到底层（数据链路层和物理层），如图4所示。在数据链路层中，为了提高报文传输速度，采用了IEC802.1Q，在数据中增加了优先级内容。

　　为保证跳闸命令传输的实时性，实际应用中应注意以下几点：

　　（1）构建过程总线通信网络时，必须采用支持优先级和虚拟局域网（VLAN）功能的交换机。考虑到过程层设备所处的恶劣电磁环境，交换机应是工业级的。

　　（2）除了保护跳闸命令传送采用GOOSE报文外，开关位置信号、一次设备状态信号也同样采用GOOSE报文。因此在应用IEEE802.1Q时，应对这些报文采用不同的优先级，否则如果将所有GOOSE报文的优先级都定义为最高，等于没有了优先级。一般地，将保护跳闸命令和闭锁命令设为最高级，而遥控分合闸、断路器位置信号等设为次高级，普通级则授予刀闸位置信号和一次设备状态信号[6]。

　2.2.2 GOOSE报文传输的可靠性

　　由于GOOSE报文不经TCP/IP协议，必须采取其它措施加强其可靠性。一个重要策略是重发机制。如图5所示，虽然GOOSE报文传输是触发机制，但出于可靠性考虑，即使外部状态不再变化，也应重发，只是重发间隔逐渐拉长。 来源:www.tede.cn

T0: 稳定状态下报文重发（长时间内无事件发生） （T0）:由于事件发生导致时间间隔变短
T1:事件发生后最短的重发时间间隔 T2,T3: 重发直到再次回到稳定状态
图5 GOOSE报文传输时间 来源:http://www.tede.cn

　　此外，还需注意以下几点以加强报文传输的可靠性：

　　（1）报文中应携带"报文存活时间"（TAL-Time Allowed to Live）和数据品质等参数。如果接收端在2×TAL时间内未收到任何报文（网络中两个连续帧丢失），此时接收端认为后续报文均是错误的。

　　（2）精心设计网络结构。无论星形网或环形网，都可传输GOOSE报文，且星形网传输会快速些，然而从网络可靠性而言，环形网效果更好。实际应用中，应根据GOOSE的具体应用情况（如需要交换哪些数据，涉及到哪些IED、数据通信量多大等），进行网络结构的选择和VLAN的划分[7]。

3 结语

　　随着过程层一次设备的智能化、数字化和集成化，采用数据和信息的集中采集模式，并基于IEC 61850建设过程层通讯网络，实现过程总线上数据统一传送，不同功能信息共享，这已经成为可能。

　　本文针对过程总线上采样值和跳闸命令这两类最为重要的信息，对采样同步、跳闸命令实时和可靠传输等关键问题进行了较深入分析，望能为过程总线通信的实用化作出一些贡献。

参考文献

　　[1] IEC 61850 Communication networks and system in substations. 2005. 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息
　　[2] 殷志良，基于IEC 61850的变电站过程总线通信的研究，华北电力大学博士学位论文，2005
　　[3] 林莘，现代高压电器技术，机械工业出版社，2002，10
　　[4] 孔伟彬，采用ABB公司的PASS一次设备与国产二次设备的接口问题，继电器，2001，29(19),59-62
　　[5] 殷志良 刘万顺 杨奇逊 秦应力，一种遵循IEC 61850标准的合并单元同步的实现方法，电力系统自动化，2004,28(11),57-61
　　[6] 殷志良 刘万顺 杨奇逊 秦应力，基于IEEE1588实现变电站国产总线通信采样值同步技术，电力系统自动化，2005,29(13),60-63
　　[6] 徐成斌 孙一民，数字化变电站过程层GOOSE通信方案, 电力系统自动化，2007,31(19),91-94.
　　[7] 范剑忠 马千里，GOOSE通信与应用，电力系统自动化，2007,31(19),85-89