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智能变电站过程层IEC 61588协议同步技术应用研究

2018-03-30 10:18:13
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
导读

本文介绍了IEC 61588精确时间协议在智能变电站过程层的网络布局及设计方式,通过智能变电站过程层设备时间同步性能的试验数据,分析了IEC 61588协议在智能变电站过程层设备中的应用效果。IEC 61588精确时间协议的时间同步机理和硬件设计方案,分析了IEC 61588精确时间协议相对于IRIG-B码及其它时间同步信号的优势。介绍了智能变电站过程层设备时间同步性能试验过程发现的典型问题,总结了IEC 61588精确时间协议在智能变电站过程层应用的不足和潜在风险。

陈光华1,贺春1,王朋飞1,银庆伟1,郑蓬1,张道农2

1.许昌开普检测技术有限公司;2.华北电力设计院有限公司

摘 要:本文介绍了IEC 61588精确时间协议在智能变电站过程层的网络布局及设计方式,通过智能变电站过程层设备时间同步性能的试验数据,分析了IEC 61588协议在智能变电站过程层设备中的应用效果。IEC 61588精确时间协议的时间同步机理和硬件设计方案,分析了IEC 61588精确时间协议相对于IRIG-B码及其它时间同步信号的优势。介绍了智能变电站过程层设备时间同步性能试验过程发现的典型问题,总结了IEC 61588精确时间协议在智能变电站过程层应用的不足和潜在风险。

1 引言

目前,随着合并单元、智能终端、合智集成装置等过程层产品的推广应用,智能变电站过程层和间隔层实现了数据的网络化传输,智能变电站数据网络化传输的趋势越来越明显。根据间隔层设备对数据的性能需求,智能变电站内传输的数字报文类型可分为保护与控制相关报文及测量与计量相关报文两类[1]。为减小数据转换和传输误差,间隔层用于保护控制和计量的采样值报文要求同步精度小于1μs[2]。

IEC 61850-9-2 SV报文基于以太网进行传输,能同时满足保护、测量与计量的需求,是目前合并单元与间隔层设备之间采样值数据传输的主流方案。然而,合并单元在进行数据的合并和转换时,需要对数据进行高精度的同步处理,尤其是在跨间隔传输和共享数据时,支持IEC 61850-9-2协议的设备必须解决过程层采样同步的问题。

目前,可以在过程层应用的时间同步的方式包括:PPS、IRIG-B码。它们能够实现亚微秒级的时间同步,但无法在以太网上实现,不符合智能变电站网络化传输的发展方向,且接线繁杂,浪费资源。NTP/SNTP协议虽是基于网络的对时方式,但只能实现毫秒级的对时精度,无法在过程层应用。因此,面对高对时精度网络化传输的需求,必须采用更加可靠的对时方式。

IEC 61588精确时间协议(简称:IEC 61588协议)[3]是一种高精度网络时间同步协议,能够达到纳秒级时间同步精度,符合过程层设备数字化网络传输和高精度时间同步的要求。目前,该协议已经在通信领域得到了应用,效果良好。

2 IEC 61588协议在过程层的应用情况

目前,电力用户正在逐步推广IEC 61588协议在智能变电站中的应用和尝试,标准化机构也在国际IEC 61588标准的基础上,制定了符合中国电力行业应用需求的IEC 61588电力行业技术标准[4]。

一些新建的智能变电站已经要求为间隔层和过程层设备提供对时信号的主时钟具备PTP信号输出能力,为下一步实现过程层甚至是间隔层的1588网络对时做准备。还有一些新建智能变电站已经实现了GOOSE、SV、IEC 61588三网合一。某些智能变电站甚至采用IEC 61588协议实现了对整个变电站站控层、间隔层和过程层三个层次的对时[5]。

智能变电站IEC 61588时间同步系统的网络结构以支持PTP信号对时的交换机为基础骨架,具体的网络拓扑如图3所示。

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在IEC 61588时间同步系统网络中,各被对时设备相当于从时钟,交换机相当于透明时钟。目前,1588主时钟一般采用Peer to Peer模式,在这种模式下,交换机的作用是中转同步报文、减少链路非对称性误差并将同步报文的驻留时间传输给从时钟,从而保证对时精度。

3 IEC 61588协议在过程层的应用效果

IEC 61588协议在智能变电站过程层中的应用主要体现在利用PTP报文为合并单元与智能终端提供对时信号。目前的PTP报文为电信号和光信号两种输出方式,从应用现状来看,光信号输出模式将成为未来的主流模式。

2012年以来,国家电网公司组织了多轮次的合并单元与智能终端设备入网专业检测。在专业检测中,测试机构对时间同步相关的项目进行了检测并获得了数据,可以对IEC 61588协议在过程层设备中的应用效果进行分析。

3.1 合并单元的对时精度

合并单元的对时精度是合并单元同步互感器的采样值并保证其采样准确度、采样同步精度与合并单元间同步性的基础。

利用时间测试仪对合并单元的对时精度进行测试[6],测试系统结构如图2所示。

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试验中,虽然不同装置的数据差别较大,但对时精度均在1μs以内,符合标准要求,具体试验数据见表1。

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3.2 合并单元的采样同步准确度

按照标准要求,合并单元输出SV报文中各数字通道之间的采样同步误差应不大于10μs(工频50Hz时相当于0.018°)。

合并单元采样同步准确度的测试方案如图3所示。被测合并单元接收IEC 61588时间同步信号,利用合并单元测试仪接收合并单元输出的数字报文并计算各数字通道彼此间的相角差。

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具体的试验数据见表2,所选三种类型合并单元输出SV报文各数字通道之间的相角差均小于0.018°。

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3.3 智能终端的对时精度

智能终端的对时精度主要反映在开关量和GOOSE开入的事件时标精度,标准要求小于1ms。

试验时,利用继电保护测试仪通过时间触发为智能终端在整分时刻提供硬开入和GOOSE开入,通过记录仪接收和解析智能终端发送的GOOSE报文,查看其中的事件时标,与开入时标对比,计算误差。

试验结果表明,厂家装置的对时精度满足标准要求(不大于1ms),具体试验数据见表3。

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3.4 智能终端的SOE分辨率

智能终端的SOE分辨率分为两种:硬开入的SOE分辨率和GOOSE开入的SOE分辨率。

试验时,选择智能终端的多个硬开入和GOOSE接口,利用继电保护测试仪输出硬开入或GOOSE信号给智能终端,不同硬开入或GOOSE信号之间施加的时间间隔固定(标准要求为1ms),在装置输出的GOOSE报文中查看开入洗好的变位时标。

试验结果表明,厂家装置硬开入和GOOSE开入的SOE分辨率满足标准要求,具体试验数据见表4和表5。

4 IEC 61588协议在过程层的应用优势

IEC 61588协议的特别之处在于实现了硬件和软件部分与协议的分离,运行时对处理器的要求很低[7]。

IRIG-B对时存在着两个弊端:

一是,必须增加额外的通信线路(电缆、光纤),而且在电缆、光纤距离不等的情况下会带来对时的差异(在纳秒级精度级别,该误差不能轻易忽略)。

二是,IRIG-B对时为单向对时,接收端无法对时间的精度进行判断,而发送端也无法获知接收端是否接收及精度如何。

采用IEC 61588协议对时,只需要将对时设备与IEC 61588工业交换机用少量的光缆连接,通过IEC 61588工业交换机实现对时网络的全覆盖,即可实现全站对时系统的时钟同步,由于工业以太网对时接线简单,占用资源达到了最小化,而且采用了独特的网络延迟请求算法,将网络延时误差消除到最小。因此,能够保证对时系统内部各个节点的时钟同步[8]。此外,IEC 61588标准所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步,使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信,从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。由于高精度的同步工作,使得以太网技术所固有的数据传输时间波动降低到可以接受的,不影响控制精度的范围。由于过程层总线负载大,同步误差要求控制在1μs,因此,过程层同步标准采用IEC 61588标准是非常合适的。

5 IEC 61588协议在过程层的应用不足

5.1 设备间互操作差

在测试及部分应用IEC 61588协议的智能变电站系统联调时,发现以下现象:

(1)某些厂家装置有效接收1588主时钟对时信号但对时不成功。分析发现该类装置在计算链路延迟时只支持端对端模式(end-to-end),与1588主时钟提供的点对点模式(peer-to-peer)不兼容,导致对时过程无法有效完成。

(2)某些厂家的装置有效接收1588主时钟对时信号并对时成功,但对时精度不达标,误差达到几十秒。分析发现该类装置在解析1588主时钟发送的Sync报文时忽略了闰秒信息,对时计算出错。此外,从时钟和透明时钟对于主时钟单/双步属性的支持及透明时钟单/双步属性对主时钟报文转发的影响也容易导致主、从时钟设备间对时失败。当现场存在多个厂家的时钟设备时,这种现象更容易出现。

5.2 透明时钟性能差

在智能变电站IEC 61588时间同步网络中,透明时钟是主从时钟之间的纽带和桥梁,其计算驻留时间的准确性和稳定性直接影响着对时精度的效果。

在测试时,对透明时钟的驻留时间进行监视,发现在网络环境变差或者交换机负荷增加时,驻留时间会出现较大变动甚至会出现大值,导致被授时设备的时间出现跃变。还发现,当透明时钟处于边界时钟模式时,如果GPS设备与透明时钟的频率不一致,透明时钟会出现假同步现象,将错误的时间信息传递给过程层设备,导致过程层设备的相位准确度,采样同步准确度等出现较大偏差。

5.3 网络状况影响大

IEC 61588作为一种网络对时协议,其稳定性是建立在网络稳定的基础上的。一旦发生网络风暴且导致IEC 61588协议失去作用,变电站的正常运行将受到影响。而过程层设备的对时精度受到影响,线路保护到差动保护均可能出现误动和误跳,导致整个变电站限于混乱当中。此外,当网络风暴影响到过程层设备的正常运行时,IEC 61588协议也会失去对时功效。在某智能变电站系统联调中,利用网络测试仪通过交换机对合并单元加载流量,当网络流量加载到40%时,某厂家的合并单元出现死机现象,这时IEC 61588对时也就失去了功用。

5.4 信息安全存在隐患

目前,信息安全越来越引起电力用户的重视。世界范围内,信息安全导致的变电站停电事故屡有发生,影响恶劣。

IEC 61588作为一种网络对时协议,容易成为黑客攻击的对象,通过植入病毒使IEC 61588时间同步失效,进而使过程层设备处于失步状态,采样值输出同步性受影响,导致保护装置动作,引起停电事故。

6 总结

IEC 61588协议能通过以太网实现远程节点的精确同步,不仅可以有效解决过程层采样值同步问题,还可有效保证合并单元与其它设备之间的同步性,满足IEC 61850的采样值同步要求。通过在智能变电站各设备中设置IEC 61588同步时钟可实现同步时钟的区域“自治化”[9],为变电站数字化仿真闭环测试提供有力支持。

在实际应用中,IEC 61588协议也暴露了一些不足,其互操作性还不够好,网络波动带来的影响也需要进一步验证。应该秉持“用其所长,补其所短”的原则,一方面通过试点工程试验,稳步推进其应用广度和深度;另一方面通过试验和研究不断弥补不足,使其逐渐完善。

宝鸡市西高电气科技有限公司.jpg

大连华亿电力电器有限公司.jpg

参考文献

[1] 庄玉飞,黄琦,井实.基于GPS和IEEE-1588协议的时钟同步装置的研制[J].电力系统保护与控制,2011,39(13):111-115.

[2] 王立辉,许扬.数字化变电站过程层采样值时间同步性分析及应用[J].电力自动化设备,2010.

[3] GB/T25931-2010网络测量和控制系统的精确时钟同步协议.

[4] DL/T 1100.2-2013电力系统的时间同步系统第2部分:基于局域网的精确时间同步.

[5] 陈光华,贺春,张道农.IEEE 1588精确时钟同步协议在智能变电站过程层采样同步技术中的应用研究[J].中国电机工程学会年会,2013.

[6] Q/GDW11015-201模拟量输入式合并单元检测规范.

[7] Q/GDW11015-2013 Testing specification for Merging Unit with analogue input.

[8] 赵上林,胡敏强,窦晓波.基于IEC 61588的数字化变电站时钟同步技术研究[J].电网技术,2008,32(21):97~102.

[9] 樊陈,倪益民,沈健. IEC 61588在基于IEC 61850-9-2标准的合并单元中的应用[J]. 电力系统自动化,2011.

[10] 殷志良,刘万顺,杨奇逊,等.基IEC 61588实现变电站过程总线采样值同步新技术[J].电力系统自动化,2005,29(13):60-63.

作者简介

陈光华(1987- ),硕士,工程师,主要研究方向为智能变电站自动化系统、通信规约一致性及时间同步测试技术。

贺春(1973- ),高级工程师,IEC SMB SG3战略专家组成员,IEC TC57标委会委员,主要研究方向为智能电网、电力系统自动化、通信规约及规约测试。

王朋飞(1988- ),硕士,工程师,主要研究方向为智能变电站自动化系统、通信网络及时间同步测试技术。

银庆伟(1985- ),工程师,主要研究方向为智能变电站自动化系统、通信规约一致性测试技术。

郑蓬(1981- ),学士,工程师,主要研究方向为智能变电站自动化系统、通信网络及时间同步测试技术。

张道农(1961- ),教授级高级工程师/设计总工程师,全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会委员、全国时间频率计量委员会委员、中国电工技术学会理事、中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员、WAMS及时间同步工作组组长,中国电机工程学会高级会员,主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究以及大型工程项目的项目管理工作。

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