具有业务感知能力的智能变电站交换机技术白皮书

具有业务感知能力的智能变电站交换机？——技术白皮书广州思唯奇电力科技有限公司目录1继电保护的采样同步.......................................................................................................31.1继电保护端的采样同步............................................................................................31.2MU端的采样同步....................................................................................................41.3基于GPS的采样同步法...........................................................................................51.4MU与保护协作同步................................................................................................71.5交换机功能在采样同步中的需求分析....................................................................91.6交换机延时测量功能..............................................................................................101.7总结..........................................................................................................................172网络拓扑自动识别.........................................................................................................192.1ISIS协议报文分类..................................................................................................192.2ISIS协议工作原理..................................................................................................212.3ISIS应用分析..........................................................................................................222.4报文多路径转发......................................................................................................233流量控制技术.................................................................................................................273.1令牌桶流量控制......................................................................................................273.2动态缓存分配..........................................................................................................293.3多级子队列..............................................................................................................291智能变电站继电保护的采样同步继电保护的采样同步问题在分布信号处理过程中尤为突出，如输电线的纵联差动保护，母线差动保护等。它们所比较的是来自线路各端或不同线路的电流值，但是这些电流信号的采样是分开进行的，为了保证保护算法的正确性，保护必须比较同一时刻的电流值。因此，交流信号采样的同步处理对于输电线的纵联保护，母线差动保护等的可靠性非常重要。IEC61850规定用于输电线间隔的保护与控制功能的采样最高同步精度需达到1μs。根据实现采样同步的位置不同，可以将传统微机保护采样同步的方式分为三类，第一类是在保护的算法端实现同步，如采样数据修正法；第二类是在保护的采样端实现同步，如采样时刻调整法，GPS对时同步法；第三类是在保护的采样端进行时间同步，在保护算法端进行采样值补偿实现同步，如时钟校正法。智能变电站引入网络实现数据的传输与共享，相对于传统微机保护，二次交流信号的采样功能从继电保护设备分离开来，由合并单元（MU）独立负责，继电保护设备只处理数字信号。因此，在采样的同步方式上也与传统继电保护不尽相同。同样根据实现采样同步的位置不同，智能变电站中的采样同步方法也可以分为三类。第一类是在保护端实现采样同步，如采样数据修正法，这一类方法的核心在于通过记录采样值到达的时刻并获取采样值在网络中的延时来对接收到的采样值进行补偿。第二类是在MU端实现采样同步，如采样时刻调整法和GPS对时同步法，这一类方法的核心在于选择一个时间基准，通过使各MU和统一基准校准，实现各MU的采样脉冲同步。第三类是在MU端进行时间同步，在保护端进行补偿的同步方式，即MU和保护装置协作实现同步，如基于IEEE1588协议的时钟校正法。1.1继电保护端的采样同步以线路纵联差动保护为例来阐述采样数据修正法的基本思路。本端MU1本端PR对端MU2Δt1t1t2t2-t1=Δt2=Δt1+Td采样点图1-1采样数据修正法原理如图1-1所示，线路两端的MU都在各自本端的采样时刻开始向本端和对端的继电保护装置发送各端对应本次采样时刻的电流采样值，图1-1中只显示了本端的保护装置。由于线路两端的MU采样脉冲并不同步，因此，其发送采样值的时刻相差Δt1。假设本端的采样值在t1时刻到达保护装置，对端的采样值在t2时刻到达保护装置，Δt2为采样值到达保护装置的时刻差。212Δttt（1-1）由于链路存在延时，则如图1所示dTtt12ΔΔ（1-2）其中，Td表示对端采样值和本端采样值到达保护装置的时间差。若通过某种技术手段获取Td，则可通过式（1-3）获得MU1和MU2的采样时刻差Δt1。dTtt21ΔΔ（1-3）若Δt1＞0说明对端落后于本端，若Δt1＜0说明本端落后于对端。将对端的采样值根据Δt1进行修正，经过修正处理后就可以进行差动保护的计算。这种采样同步方法允许各MU独立采样，由保护装置来对采样进行同步化修正，因此加大了保护装置的数据处理延时，不利于提高保护的速动性。同时该方法需要一种能够计算采样值传输延时的技术手段支撑。1.2MU端的采样同步1)采样时刻调整法采样时刻调整法需要选择一个MU的采样时刻作为基准，以线路纵联差动保护为例，选择本端MU的采样时刻为基准，对端MU通过与本段MU交互报文来实现采样时刻的一致性。调整原理如图1-2所示。本端MU对端MUΔtTdTrMiSiSR图1-2采样时刻调整法原理本端和对端以采样间隔Ts进行采样，本端MU在采样时刻Mi向对端MU发送调整报文，SR为对端MU收到该报文的时刻，Si为SR之前的某一个采样时刻，Tr为两者之间的时间长度，Td为调整报文在传输过程中的延时，则本端MU和对端MU的采样时刻差为rdTTtΔ（1-4）若Δt＞0说明对端落后于本端，若Δt＜0说明本端落后于对端。根据采样时刻差，将对端MU的下次采样间隔Tk调整为Tk=Ts-Δt。为了保证调整的稳定性，显然，采样时刻的调整不可能一次到位，应该按照上述的方法多次调整，直到每次Δt1的计算结果足够小且趋于稳定。利用本方法，可以降低保护装置的数据处理负担，由于采样时刻的晶振一般稳定性较好，精度高，采样时刻的调整完成后，在正常情况下采样的同步能够保持较长时间。但是此种方法比较适用于点对点的传输模式，对于组网传输模式，虽然各MU的采样时刻相同，但可能由于网络延时或传输链路的改变导致继电保护接收到的采样值乱序的情况，易引起继电保护误动。1.3基于GPS的采样同步法基于GPS的采样同步方案采用专用的GPS接收机来接收GPS卫星发送的时间信息。通过对接收到的信息进行解码、运算和处理后，可以从中获取到两种信息：（1）秒脉冲信息号1pps。该脉冲信号的上升沿与UTC（国际标准时间）的同步误差不超过1μs；（2）通过串口通信口输出的与1PPS对应的UTC时间编码，如图1-3所示。GPS接收机采样时钟1PPSRS-232时间码采样脉冲图1-3基于GPS的采样同步法接受GPS对时的MU的采样脉冲每秒钟被1PPS信号同步一次，同时MU的采样时钟由高稳晶振构成，能产生满足采样频率要求的采样脉冲信号。如此就能保证各MU的采样脉冲信号的上升沿之间是同步的，误差不会超过2μs。同时MU还会与UTC时间进行对时，用作采样值的时间标签。在进行差动保护算法时，只要对齐采样值的时间标签即可。B码是一种能够利用GPS信号实现对MU精确对时的技术手段。IRIG时间编码序列是由美国国防部下属的靶场仪器组（IRIG）提出的并被普遍应用的时间信息传输系统。该时码序列分为G,A,B,E,H,D共六种编码格式，应用最广泛的是IRIG-B格式，简称B码。GPS接收机接收卫星时间信号,可以每秒输出一次IRIG-B直流电平码序列,B码以RS422/485接口输出。智能变电站各MU和IED设备可以挂在统一的对时总线上，如图1-4所示，各设备内安装的B码解码器，通过B码解码器，接收1PPS脉冲和时间BCD码完成对时工作，对时精度可达到微秒级。GPS接收机B码MU1MUn……IED1IEDn……对时总线图1-4B码对时示意图基于GPS对时的同步法的优点非常明显，就是不需要测量采样在传输过程中的延时。但是对时同步法依赖于GPS接收器等重要对时设备，若设备出现问题，则会直接影响到采样的对时，可靠性上值得注意。1.4MU与保护协作同步IEEE1588精密时钟同步协议让测量以及用于实施网络通信、本地计算和分布式对象的控制系统的时钟精确同步成为可能。时钟之间的通信是通过通信网络进行的。协议在系统中设立了时钟之间的主从关系。所有的时钟都要最终从主时钟的时间上派生出它们自己的时间。将IEEE1588协议应用于MU的时钟校正，首先就需要通过最优时钟算法推选出时钟最为准确的MU作为时钟校正的基准，称该MU的时钟为主时钟，以其为基准进行时钟校正的其中MU的时钟称之为从时钟。推选出主时钟后，主时钟向从时钟发送sync报文，并记录发送的时间t1，从时钟收到sync报文之后记录时间t2，在主时钟发送sync报文后，紧跟着发送follow-up报文，里面记录了t1。然后从时钟发起delay-request报文，记录发送时间t3，当主时钟收到的时候记录时间t4，并将t4通过delay-response发送给从时钟。如此，从时钟便获知了t1，t2，t3，t4四个时刻信息。如图1-5所示。主时钟从时钟t