智能变电站混合采样同步技术研究

郭法安 易 婷

（广东电网有限责任公司中山供电局）

0 引言

随着电力系统一二次设备数字化程度的提升以及计算机网络通信技术的发展，传统变电站已逐渐被基于IEC61850标准的智能变电站替代。智能变电站的显著特点是能对一二次系统装备的软硬件功能进行解析，将交流采样插件、开入开出插件从传统的保护、测控及自动化设备硬件中解放独立出来，构成新的合并单元（Merging Unit，MU）及智能终端，以便于变电站过程层的信息订阅和发布。其中，MU作为新的交流量采集设备，将模拟量转化为IEC61850-9-2数字量发送于过程层网络，以供间隔层智能电子设备（Intelligent Electric Device，IED）订阅，不同的保护、测控、自动化装置依据自身的逻辑功能需求订阅相关采样值（Sampled Value，SV）虚端子［1］。

二次电缆为传统变电站交流电流、电压互感器的连续模拟量采集提供通道，常规保护、测控、自动化装置运用1200～2400Hz的频率进行采样保持，常使用频率跟踪算法获得相对固定的周期采样值。智能化变电站对采样值的获取方式一般分为三种： （1）模采（传统电缆模拟量采集）；（2）直采（点对点光纤采集）；（3）网采（经过程层交换机采集）。历经多年的运维经验积累，国家电网公司形成220kV变电站采用“保护直采直跳，测控网采”的技术方案；而南方电网公司最新的变电站设计标准采用“模采网跳”的技术方案，少数试点站采用“网采网跳”的技术方案。随着二次装备类型的迭代更新，智能变电站中有很多种采样设备以及采样方式，现场应用的互感器、MU及IED常常采购于不同厂家，各厂家对于采样同步的处理逻辑和方法不一，因此如何保证同一IED从不同MU、互感器接收到的采样数据保持同步性是一个必须要考虑的问题，尤其是在IED实现其功能而需要获取多间隔采样数据时，要保证逻辑输入的正确性。例如，母线差动保护、变压器差动保护、距离（阻抗）保护、功率测量、测控同期等。因此，为确保采样数据源的同步性及有效性，本文研究智能变电站在混合采样时的同步技术，即IED在同时接入模采、直采及网采数据源的情况下，如何保持数据同步性以适应现场工程实践混合采样同步技术要求。

1 智能变电站采样方式及传输延时

电子式互感器是新一代智能交流互感器，因其具有线性动态范围宽、无磁路饱和、绝缘要求较低等常规变电站没有的优势，在高压智能电网中得到了一定程度的推广应用。而在中低电压电网中，绝缘成本相对较低，电子式互感器的经济和技术优势作用不明显，况且其灵敏性和可靠性仍有待提升。相比之下，采用成熟稳定的常规电磁式电压互感器不失为一种更佳的选择。为应对磁路饱和等问题，保护装置软件算法已具有较强的抗磁饱和特性。因此，在中低电压智能电网中，更多地采用电磁式互感器进行模拟量采集，可以将模拟量直接传输给IED；亦可以由合并单元进行数字量采集分发，通过光纤实现数字化传输。第二种方案较好地兼具了光纤传输通信的抗干扰性和可靠性，又可减少交流二次回路电缆数量，节约成本。从实际应用看，目前智能变电站中的IED采样方式存在三种类型，如图1所示。

图1 智能变电站IED采样方式

1.1 模采方式传输延时

模采方式采用传统电缆进行模拟量采集，在IED发出采样中断信号时，其数据传输延时主要为采样保持器、A／D转换器的所需时间，将该延时记作tA。通常即使转换原理相同，但分辨率不同，会导致转换时间也不同，对于常见的逐位比较式A／D转换器，tA一般为几百微米。

在IED采样频率为1200Hz（采样间隔833μs）时，模采方式下真实时刻数据传输延时示意图如图2所示。

图2 模采方式下数据传输延时示意图

1.2 直采方式传输延时

直采方式采用点对点光纤采集，其数据传输延时tB主要由MU数据处理额定延时tB1、光纤通道延时tB2组成。其中，光纤通道延时tB2是指数据在光纤路径中传输的所需时间，光纤通道路径越长，该值越大；反之该值越小。当光纤通道路径长度达到几十公里时，光纤传输延时可通过乒乓法测定，而站内光纤通道较短，tB2一般可忽略不计。MU数据处理额定延时tB1主要由MU的算法处理耗时和数据在MU光模块中的传输耗时所构成，通常可达毫秒级，该延时是确定值且被记录到每帧报文的数据集中。SV报文抓包示例如图3所示，MU将自身数据处理额定延时tB1打到采样报文 （IEC61850-9-2）中的第1个Value值上，然后发送给下一个设备。间隔MU在接收到母线MU的SV报文后，在合并输出时会在母线电压已有的Value值基础上累加自身的数据处理额定延时。

图3 SV报文抓包示例

在IED采样频率为1200Hz（采样间隔833μs），MU采样频率为4000Hz（SV控制块发送间隔250μs）时，直采方式下真实时刻的数据传输延时示意图如图4所示。

图4 直采方式下数据传输延时示意图

1.3 网采方式传输延时

网采方式采用经过程层交换机采集，其数据传输延时tC主要由电子式互感器数据处理额定延时tC1、MU数据处理额定延时tC2、交换机数据处理动态延时tC3和光纤通道延时tC4组成。因站内光纤通道较短，tC4可忽略不计，电子式互感器数据处理额定延时tC1、MU数据处理额定延时tC2均打到采样报文（IEC61850-9-2）中的第1个Value值上，级联设备叠加该值，处理方法同前述。交换机数据处理动态延时tC3包括交换机数据包处理耗时tC31和数据包排队延时tC32。当前处理的数据包帧数越大，则处理耗时tC31越大，反之越小。而排队延时tC32与交换机缓存中的累计报文队列长度成正比，其机理是当交换机发生数据包传输冲突时，采取排队方式按优先级进行处理、转发，交换机的数据处理动态延时与交换机网络负载轻重紧密相关，不同时刻交换机缓存中的报文大小以及报文队列长度具有较大的间歇性与动态变化特征，对以上原因造成的交换机数据处理动态延时进行测定较为困难［2］。因此使用具有动态延时可测功能的交换机来实时计算每一帧SV报文的交换机数据处理动态延时tC3。

交换机延时可测功能具体来说是通过对SV报文在交换机数据传输中的输入、输出端口打时标戳的方式，从而计算SV报文途径交换机的输入时刻和输出时刻的差值，实现SV报文交换机数据处理动态延时tC3的精确计算，并将此延时写入SV报文中的保留字段中，如图3所示的Reserved字段。数据经过多级交换机转发，Reserved字段可叠加计算交换机数据处理浮动延时tC3。

在IED采样频率为1200Hz（采样间隔为833μs），MU采样频率为4000Hz（SV控制块发送间隔250μs）时，网采方式下真实时刻数据传输延时示意图如图5所示。

图5 网采方式下数据传输延时示意图

2 智能变电站混合采样同步技术

智能变电站存在上述不同的数据源接入方式，电磁式互感器模拟量采样和SV数字量采样并存的情况在现场应用时需加以考虑其同步性措施。例如，主变高压侧、中压侧、低压侧采用不同类型的电流互感器进行采样，主变各侧电流数据如何保持同步；变电站10kV开关柜线路保护所使用的电流采用电磁式CT或穿芯式CT，电压从母线合并单元处订阅，线路保护的电流、电压数据如何保持同步；在常规站改造为智能站的技改工程中，母线保护在过渡时期，部分间隔的电流回路仍采用电磁式CT采样，而整体间隔采用电子式CT，在合并单元接入时如何保证母线差流计算的准确性［3］。

2.1 插值重采样同步法

数据插值算法是智能变电站IED多间隔采样时保证数据同步性的一种基本数学方法，其前提条件是获知采样脉冲发出时刻和IED接收到的采样值真实时刻之间的差值。通过前文分析可知，模采、直采方式下数据传输延时固定不变，网采方式下数据传输延时可以测量计算。这样以来，IED可依据采样值的接收时刻减去数据传输延时而得到原始数据的真实采集时刻，从而实现在同一坐标系下不同采样输入的原始数据的同步采样。

数据插值算法在实际应用中需考虑如下问题：

（1）选择合适的插值脉冲时刻

插值算法首先需要确定一个统一的插值脉冲时刻，以便于将多种数据源的数据对齐到同一时刻上。本文采用指定插值时刻法，来实现各路数据的同步采样。

（2）选择合适的插值数值算法

一次插值、二次插值、三次样条插值是较为常用的插值数值算法。各种算法均有优缺点，一次插值可以满足大部分应用场合，而像主变保护这种需要采集高次谐波分量的IED，三次样条插值则更为精确。可以根据需要选择合适的插值数字算法，以满足精度和运算速度的要求［4］。

在IED采样频率为1200Hz（采样间隔为833μs），MU采样频率为4000Hz（SV 控制块发送间隔为250μs）时，多种采样方式混合输入下各通道数据的传输及再采样示意图如图6所示。

图6 混合输入时数据传输及再采样示意图

设模采、直采、网采的数据传输延时分别为tA、tB、tC，根据数据帧接收时刻，减去数据传输延时，可以得到数据帧对应的采样真实时刻。IED根据采样频率即可确定采样脉冲周期ts，再选择固定的插值脉冲时刻，用插值脉冲时刻分别对模采、直采、网采的数据进行测算，得到原始数据的采样真实时刻。该时刻极有可能不会恰好收到数据帧，这个时候可通过合适的数据插值算法获得所需采样值。通过上述原理，实现了IED多路混合输入数据在采样脉冲时刻的同步采样。

2.2 外部时钟同步法

外部时钟同步法的基本原理是MU处理后的上送采样值均被打上了样本计数器值，如图3所示的smp Cnt字段。smp Cnt值（范围在0～3999）专门用于对采样样本序列进行统计计数，当MU与全球定位系统（Global Positioning System，GPS）或北斗（Beidou Navigation Satellite System，BDS）时钟同步后，每出现一个精确的秒脉冲，将smp Cnt数值置为0，新的秒脉冲到来之前，smp Cnt按采样频率自行累计加1。

由于间隔层IED与过程层MU均接收站内统一的GPS／BDS的B码时钟源同步信号，因此MU与IED在理论上可采用外部时钟实现采样同步。MU采样按固定传输间隔（250μs）传输数据集，并在每帧报文上打上smp Cnt样本计数器值，用以准确地标识每帧报文的真实采集时间，smp Cnt为0表示该帧报文数据刚好在整秒时刻，smp Cnt为100表示该帧报文数据时间为当前时刻过了100个间隔（25ms），无论该帧报文在传输通道上经历多长延时，在IED接收后均能还原计算该帧报文数据采样的真实时刻。IED在接收到多种采样方式混合输入的数据后，将所有smp Cnt数值相同的数据放在同一时刻进行处理，即可完成数据同步采样。

2.3 两种方法的评价及应用

根据GB／T32901-2016《智能变电站继电保护通用技术条件》及相关反措要求，保护装置实现其保护功能不依赖外部对时系统。在基于外部时钟对时的网采智能站建设方案中，如果保护装置采样同步的正确性依赖外部时钟，同步时钟装置单一故障将导致单一或多个保护闭锁或差流异常，保护拒动、误动的潜在风险大［5］。因此保护装置采用插值重采样同步，而测控可采用外部时钟同步的技术方案。

运用前文所述的插值重采样同步法或外部时钟同步法，可实现智能站多路混合输入数据的同步采样。前者要求准确获取各路通道的采样延时，并记录在SV报文中的Value、Reserved两个参数中，对采样通道延时进行补充后可以对齐各路数据，从而实现同步重采样。后者严格要求使用基于同步时钟的等间隔采样脉冲，多路混合输入数据源参照同步脉冲，使用样本计数器来标识每个数据帧的序列，序列相同的视为同一采样时刻数据，从而获取同步采样值，而采样延时Value值和Reserved值则无需考虑。插值重采样同步法不依赖于外部时钟源，在安全性、可靠性上有较强的优势，一般应用于采样延时确定的保护装置，避免了因外部时钟源故障或丢失造成的保护误动或拒动；其缺点是引入了一定的误差，合理的选择插值时刻基准和插值数值算法可以将误差减少到可接受范围。而当网络传输无法确定采样延时时，可以考虑使用依赖于外部时钟源（GPS或BDS）的同步时钟法，数据同步计算简便高效，但在外部时钟源故障或丢失时，若装置守时能力不足则会严重影响数据采样精度。

3 结束语

为了适应智能变电站IED同时接入模采、直采、网采数据源等实际情况，本文对智能变电站混合采样同步技术进行了研究。在对智能变电站采样方式及传输延时进行分析后，提出了插值重采样同步法和外部时钟同步法两种可针对混合采样的同步方法，并对两种方法的优缺点进行了评价。本文所提的智能变电站混合采样同步技术在保护装置、测控装置等的IED改造领域有广阔的应用前景，并对有类似混合接入需求的合并单元设计具有一定的参考价值。