专利名称：交互式采样值传输系统及其采样值传输方法
技术领域：
本发明涉及一种基于IEC61588和GOOSE的交互式采样值传输系统及其采样值传 输方法，属于电力系统自动化技术领域。
背景技术：
随着IEC61850标准的推广和电子式互感器的应用，基于采样值的智能电子设备 已经逐步应用于各类数字化变电站或智能变电站。变电站过程层的电子互感器向合并单元 (MU)输出反映电流、电压的数字量信号，合并单元发送固定采样间隔的交流电气量采样值 数据至位于间隔层的智能电子设备(IED)。采样值的数字化通信方式有利于信息共享，整个 变电站的信息容量得到大幅度的提升。但采样值的数字化传输也带来一些新的问题，不同 的合并单元输出的采样值如何同步就是其中之一。IEC 61850针对不同应用的同步时钟报文定义了 5个等级，采样值报文(测量、 计量用)的同步要求最高，为lus，但对于采样值如何同步，IEC 61850并未给出具体的实 现方法。目前比较流行的方法是基于外部时钟源的硬接线同步如秒脉冲或^IG-B码和 IEC61588的网络同步两种方案。但这种方案依赖外部时钟源，不利于变电站的安全、可靠运 行。国家电网公司企业标准-Q/GDW383-2009《智能变电站技术导则》和国家电网公司企业 标准-Q/GDW441-2010《智能变电站继电保护实施规范》都明确要求继电保护装置应不依赖 于外部对时系统实现其保护功能。《智能变电站继电保护实施规范》采用了采样和传输延时补偿的方案，即MU输出相 应电子式互感器整体的采样响应延时，同时规定采样值的传输延时小于10us，采样值发送 间隔离散值小于10us。间隔层的保护装置接收到采样值后，可以根据接收瞬时时刻，利用采 样和传输延时等信息，倒推出采样的实际时刻，然后再通过重采样等数学算法抽取出需要 的采样值。这样保护装置可以不依赖外部对时系统实现保护功能。但该方法要求采样值接 收电路具有硬件打时标的功能，而且同步的精度不高，目前只有10us，如果采样值传输路径 中有交换机等设备，延时将难以保证，因此不利于数据共享。以上两种方案合并单元发出的采样值数据的采样频率是固定的，采样值并不一定 是间隔层IED需要的采样时刻的数据，IED接收到采样值后还要进行重采样等数据处理。本发明公开了一种基于IEC61588(IEEE1588)精确对时协议和GOOSE协议的交 互式采样值传输机制，采样值的同步可以不依赖于外部对时系统，采样值的同步精度优于 IOOns,并且间隔层IED可以根据自己的应用向合并单元定制各自需要的采样值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种交互式采样值传输机制，采样值的同步可 以不依赖于外部对时系统，采样值的同步精度高，并且间隔层IED可以根据自己的应用需 求向合并单元定制各自需要的采样值。为解决上述技术问题，本发明提供一种交互式采样值传输系统，包括各间隔层IED和过程层的合并单元，其特征在于每个合并单元具有一个或多个采样值控制块(SMVCB)， 并分别为每个采样值控制块定义一个从时钟，各从时钟互不相关，每个从时钟与间隔层IED 的主时钟相通信，每个间隔层IED定义一个GOOSE控制块(GOCB)，内部包括是否采样、采样 起始时刻、采样点个数、采样间隔信息，所述GOOSE控制块通过GOOSE报文向合并单元发送 信息，间隔层的不同的IED与合并单元不同的采样值控制块进行关联，接收其采样值。前述的交互式采样值传输系统，其特征在于所述主时钟为IEC61588主时钟，各 从时钟为IEC61588从时钟。前述的交互式采样值传输系统，其特征在于所述主时钟为IEEE1588主时钟，各 从时钟为IEEE1588从时钟。一种交互式采样值传输方法，其特征在于包括以下步骤1)各间隔层IED实现IEC61588或IEEE1588主时钟功能；2)过程层的合并单元具有一个或多个采样值控制块(SMVCB)，并分别为每个采样 值控制块定义一个IEC61588或IEEE1588从时钟，各从时钟互不相关；3)间隔层的不同的智能IED作为采样值服务的客户端与合并单元不同的采样值 控制块进行关联，接收其采样值；4)各间隔层IED通过IEC61588或IEEE1588精确对时协议对一个或多个合并单元 有关的采样值控制块进行时钟同步，各间隔层IED的时钟可以和外部时钟同步也可以是自 己的私有时钟；5)合并单元收到IED的对时信号后，并不是将自己装置的时间调整为IED的时间， 而是将各采样值控制块的从时钟和各IED的主时钟进行同步；6)间隔层IED定义一个GOOSE控制块(GOCB)，内部包含是否采样、采样起始时刻、 采样点个数、采样间隔等信息，通过GOOSE报文向合并单元发送；7)合并单元定义相应的GOOSE报文输入，并通过IEC61850配置和相应的间隔层I ED的GOOSE控制块进行关联；8)合并单元收到对应客户端的采样值控制信息后，按IED要求的时刻对电子式互 感器进行采样控制，并获取采样值；9)合并单元通过采样值控制块将采样值通过IEC61850-9-2协议进行发送。本发明所达到的有益效果本发明公布的交互式采样值传输机制没有增加过程层和间隔层间的信号线，变电 站的保护、测控等应用可以不依赖外部对时，采样的同步精度理论上和I EC61588的对时精 度相同，可以非常容易的达到百纳秒级。间隔层IED收到采样值后不需要进行重采样等算 法，减少了 CPU的计算负荷，提高了测量值的精度。
图1是本发明中的一个间隔层IED和一个合并单元之间通信示意图。图2是IEC61588同步原理示意。图3是本发明中的验证系统结构框图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作具体的介绍。1.基本原理采样值传输机制如图1所示，图1示意了一个间隔层IED和一个合并单元之间通 信示意图。实际运行时，一个间隔层IED可以接收多个合并单元的采样值数据，一个合并单 元也可以通过不同的采样值控制块向多个间隔层IED输出采样值。过程层的合并单元作为采样值服务器一般具有一个或多个采样值控制块 (SMVCB)，间隔层的不同的智能IED作为采样值服务的客户端可以通过配置和合并单元不 同的采样值控制块进行关联，接收其采样值。各间隔层IED实现IEC61588主时钟功能，同时合并单元分别为每个采样值控制块 定义一个IEC61588从时钟，各从时钟互不相关。各间隔层IED通过IEC61588精确对时协议 对一个或多个合并单元进行时钟同步。该时钟并不一定是外部时钟，可以是间隔层IED自 己的私有时钟。合并单元收到IED的对时信号后，并不是将自己装置的时间调整为IED的 时间，而是将各采样值控制块的从时钟和各IED的主时钟进行同步。间隔层I ED定义一个GOOSE控制块(GOCB)，内部包含是否采样、采样起始时刻、采 样点个数、采样间隔等信息，通过GOOSE报文向合并单元发送。考虑到通道传输延时，GOOSE 报文一般在采样起始时刻前的3 10毫秒开始发送。合并单元定义相应的输入，并通过 IEC61850配置和相应的间隔层IED的GOOSE控制块进行关联。合并单元收到对应客户端的 采样值控制信息后，按IED要求的时刻对电子式互感器进行采样控制，并获取采样值。合并单元通过采样值控制块将采样值通过IEC61850-9-2协议进行发送。合并单元也可以通过秒脉冲、IRIG-B码或IEC61588协议和变电站的系统时钟(如 GPS)进行时钟同步，但该时钟只影响其装置时间，并不影响其采样值控制块对应的从时钟。 其采样时刻完全按各IED要求的时刻进行，采样时刻参照的是各采样值控制块的IEC61588 从时钟。即，其采样不依赖于外部时钟。传统的间隔层IED —般具有自己独立的采样回路，并可以通过硬件电路控制采样 时刻。采用本发明，合并单元采样值控制块对应的从时钟和对应的间隔层IED同步，采样时 刻、采样间隔仍然由IED控制，可以认为是将IED的采样回路下放给各合并单元。目前的合并单元一般采用固定的采样频率控制电子式互感器进行交流采样，同一 合并单元不同的采样值控制块输出的采样值的采样频率是固定。本发明中合并单元各采样 值控制块输出的采样值是客户端要求的采样时刻的采样值，采样频率可以各不相同的。客 户端可以根据自己的需要定制采样值。本发明没有增加过程层和间隔层间的信号线，完全是在IEC61850标准框架下进 行。变电站的保护、测控等应用可以不依赖外部对时，采样的同步精度理论上和IEC61588 的对时精度相同，可以非常容易的达到百纳秒级。间隔层IED收到采样值后不需要进行重 采样等算法，减少了 CPU的计算负荷，提高了测量值的精度。2.基于IEC61588对时协议的同步IEC61588标准定义了一种应用于网络化测量和控制系统的精确时钟同步协议，通 常称为!decision Time Protocol (PTP)，该协议适用于任何满足多点通信的分布式控制系 统。IEC61588对时原理如图2所示。
在进行时钟同步时，首先由主时钟以多播形式周期性发出时间同步报文(简称为 Sync)。对时从终端设备(如合并单元装置)接收到上述的时间同步报文后，准确记录下接 收时间。主时钟在同步报文后发出一个跟随报文(FolloW_Up)，该报文含有一个时间戳，该 时间戳准确地记录了同步报文发出的真实时间。如图2所示，主时钟在tl时，发出同步报 文。从时钟在本侧时间t2接收到该报文。如果主从时钟之间存在时间偏差为Offset，同步 报文的传输延时为Delay。则Vt1 = Delay+Offset (1)从终端在接收到同步报文后，向主时钟发出一个延迟请求报文(Delay_Req)。从终 端会准确记录延迟请求报文的发出时间t3，接收方(主时钟)会准确记录接收时间t4，并发 回包含准确接收时间t4的延迟响应报文(Delay_ReSp)。假设网络传输延时基本不变，则t4-t3 = Delay-Offset (2)利用(1)、⑵式可以计算出主从时钟之间Delay和Offset Delay = ((1^-1^) + (1:4-1:3))/2 (3)Offset =((、-、)-(、_、))/2 (4)从时钟获得时间偏差Offset后，即可以修正自己的时间，使时钟和主时钟同步。使用该协议进行对时，系统不需要专门的对时总线，装置不需要专门的对时接口， 装置并不需要很多资源就可以达到100ns级的同步精度。本采样值传输机制中，间隔层IED作为IEC61588的主时钟，而合并单元为每个采 样值控制块分别定义一个从时钟，即一个合并单元可以具有多个从时钟。各从时钟各不相 关，独自运行。目前支持1588的物理芯片往往不支持多时钟功能，只支持单一时钟，可以采 用FPGA技术，设计多1588从时钟模块，并做到各从时钟独立运行。根据需要，间隔层IED也可以通过秒脉冲、IRIG-B码或IEC61588协议和变电站的 系统时钟(如GPS)进行时钟同步。此时装置一方面是变电站系统时钟的从时钟，同时也 是对应合并单元采样值控制块对应从时钟的主时钟。根据需要，IED可以将二者同步，如 同步相量测量装置(PMU)，PMU根据系统时钟控制对应的合并单元进行采样，此时IED如同 IEC61588系统中的边界时钟。IED也可以让二者独立运行，即IED的装置时钟和变电站系 统时钟同步，而其作为合并单元主钟的时钟独立运行，不依赖外部对时。这样可以满足继电 保护等功能的应用需求。合并单元也可以通过秒脉冲、IRIG-B码或IEC61588协议和变电站的系统时钟(如 GPS)进行时钟同步。但该时钟只影响其装置时间，并不影响其采样值控制块对应的从时钟。 其采样时刻完全按各IED要求的时刻进行，采样时刻参照的是各相应IED的时钟。3. G00SE 控制每个合并单元具有一个或多个采样值控制块，各控制块分别对应一个IEC61588 从时钟。IEC61850标准对G00SE的传输延时有明确的规定，一般小于:3ms，间隔层IED采用 G00SE协议对合并单元的采样进行控制可以保证其实时性。间隔层IED定义一个G00SE控制块(GOCB)，内部包含如表1所示信息。合并单元 为每个采样值控制块分别定义G00SE输入，和不同的间隔层IED的G00SE输出进行关联。各 采样值控制块按照其G00SE输入的参数，控制采样模块进行采样。表1.间隔层IED采样控制的G00SE控制块包含基本信息
序号名称类型描述1SvEnaBoolean采样使能，即是否启动采样2SmpStartTimeUTC采样启动时间3SmpNumInteger 32总的采样点个数3SmpIntvalInteger 32采样间隔，单位为纳秒5StartSeqNumInteger 32初始采样点的序列号参数SvEna是控制合并单元对应的采样值控制块是否进行采样值输出。参数 SmpStartTime是控制采样值控制块初始采样时间，采用UTC时间格式，其精度达到一个纳 秒。该时间并不参照变电站的系统时间，而是参照各采样值控制块对应的从时钟，也就是 间隔层IED的时间。SmpNum是一共进行多少次采样，合并单元输出的采样值个数由该参数 控制。Smphtval是控制采样间隔，当SmpNum大于1时，合并单元根据SmpMartTime和 SmpIntval计算各采样时刻。MartSeqNum是初始采样点的序列号。间隔层IED通过GOOSE控制块进行采样控制时，可以改变以上参数控制合并 单元进行连续采样。可以在第一个GOOSE控制报文中设置序列号为1，SmpStartTime 为tl ；第二个GOOSE报文中，设置序列号为1+SmpNum，并将SmpMartTime设为
tl+SmpNumXSmpIntval ；......；如此可以实现合并单元连续采样并连续发送采样值。IED
在控制合并单元连续采样时，考虑到通道传输延时，可以在采样起始时刻前的3 10毫秒， 向合并单元发送GOOSE报文。间隔层IED也可以要求对应的合并单元进行变频率采样。例如，如果IED需要合 并单元进行每周波80点的频率跟踪采样。当系统频率是50Hz时，输出的Smphtval是 250000。当系统频率变位50. 50时，输出的SmpIntVal是247525。如果IED需要多个MU同步采样完成某种功能，如母线差动。IED可以通过自己的 主时钟同步多个相关MU的采样值控制块对应的从时钟，并通过GOOSE报文控制不同的合并 单元的采样值控制块同时采样。4.采样MU的采样频率、采样时刻完全由应用采样值的间隔层IED控制。MU—般有其内部 晶振，MU可以将其晶振频率和各采样值控制块的时钟进行关联，计算出采样时刻，并对电子 式互感器进行采样控制。MU —般通过通信等方式控制电子式互感器进行采样，MU和ECT/ EVT的通信波特率已经普遍达到10M，目前A/D转换芯片的速度已经达到Ius数量级。随着 技术不断的发展通信速度和A/D转换速度都将进一步加快。合并单元的采样控制模块可以 在不同采样值控制块要求的时刻控制电子式互感器进行采样。如果不同控制块要求的采样 时刻非常接近，无法进行分别采样，也可以在精度范围内进行插值处理。5.通信链路本文介绍的采样值传输机制并不改变IEC61850标准对过程层通信链路的要求，合并单元和间隔层IED可以是点对点通信，也可以是组网通信。组网通信时要求网络交换 机支持1588透明时钟功能，并且支持多1588主钟并列运行功能。6.实现示例我们应用两个测控装置和两个合并单元对该机制进行了验证。系统的结构框图如 图3所示，两台合并单元通过点对点通信方式和两台测控装置进行通信，四台装置都不进 行外部对时，如果采用支持多1588主时钟的交换机，合并单元可以通过交换机和测控装置 进行通信。测控装置A、B都支持IEC61588主时钟功能，其中装置A采用固定的4kHz采样频率 进行采样，装置B采用每周波64点的频率跟踪采样，也就是采样频率随着信号的频率变化 而变化。示例中合并单元A、B支持两个采样值控制块并采用FPGA技术支持两个IEC61588 从时钟功能。合并单元A为电压MU，即其只输出电压量采样值。合并单元B为电流MU，即 其只输出电流量采样值。采用该机制，两个合并单元能够同时根据不同的装置要求进行同 步采样，输出的采样值同步精度小于lus。测控装置根据来自不同合并单元的电压、电流采 样值信号计算的功率精度优于0.2%，这证明来自不同合并单元的电压、电流信号的同步性 满足了测控装置的要求。IEC61850虽然对过程层的采样值的同步提出了较高的要求，但对于采样值如何同 步，并未给出具体的实现方法。目前智能变电站和数字化变电站普遍采用的方法是基于外 部时钟源的方案严重依赖外部对时，不满足继电保护等功能的要求，不利于变电站的安全、 可靠运行。采样和传输延时补偿的方案同步精度不满足测控、计量等对采样值同步性有较 高要求的功能需求，而且其对采样值传输路径延时有较高要求，一般只适用于采样值点对 点传输。而且以上两种方案的采样值的采样时刻、采样频率都由合并单元控制，间隔层IED 被动接受，收到数据后需要进行重采样等数字处理。采用本发明介绍的机制，间隔层IED可以不依赖外部对时，对合并单元的采样进 行控制，做到定制采样值，做到频率跟踪采样。可以控制多台合并单元同步采样，做到了“谁 应用，随同步”。上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得 的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种交互式采样值传输系统，包括各间隔层IED和过程层的合并单元，其特征在 于每个合并单元具有一个或多个采样值控制块，并分别为每个采样值控制块定义一个从 时钟，各从时钟互不相关，每个从时钟与间隔层IED的主时钟相通信，每个间隔层IED定义 一个GOOSE控制块，内部包括是否采样、采样起始时刻、采样点个数、采样间隔信息，所述 GOOSE控制块通过GOOSE报文向合并单元发送信息，间隔层的不同的IED与合并单元不同的 采样值控制块进行关联，接收其采样值。
2.根据权利要求1所述的交互式采样值传输系统，其特征在于所述主时钟为 IEC61588主时钟，各从时钟为IEC61588从时钟。
3.根据权利要求1所述的交互式采样值传输系统，其特征在于所述主时钟为 IEEE1588主时钟，各从时钟为IEEE1588从时钟。
4.一种交互式采样值传输方法，其特征在于包括以下步骤1)各间隔层IED实现IEC61588或IEEE1588主时钟功能；2)过程层的合并单元具有一个或多个采样值控制块，并分别为每个采样值控制块定义 一个IEC61588或IEEE1588从时钟，各从时钟互不相关；3)间隔层的不同的智能IED作为采样值服务的客户端与合并单元不同的采样值控制 块进行关联，接收其采样值；4)各间隔层IED通过IEC61588或IEEE1588精确对时协议对一个或多个合并单元有关 的采样值控制块进行时钟同步，各间隔层IED的时钟和外部时钟同步或是自己的私有时 钟；5)合并单元收到IED的对时信号后，将各采样值控制块的从时钟和各IED的主时钟进 行同步；6)间隔层IED定义一个GOOSE控制块，内部包含是否采样、采样起始时刻、采样点个数、 采样间隔信息，通过GOOSE报文向合并单元发送；7)合并单元定义相应的GOOSE报文输入，并通过IEC61850配置和相应的间隔层IED的 GOOSE控制块进行关联；8)合并单元收到对应客户端的采样值控制信息后，按IED要求的时刻对电子式互感器 进行采样控制，并获取采样值；9)合并单元通过采样值控制块将采样值通过IEC61850-9-2协议进行发送。
全文摘要
本发明公开了一种交互式采样值传输系统及其采样值传输方法，包括各间隔层IED和过程层的合并单元，其特征在于每个合并单元具有一个或多个采样值控制块，并分别为每个采样值控制块定义一个从时钟，各从时钟互不相关，每个从时钟与间隔层IED的主时钟相通信，每个间隔层IED定义一个GOOSE控制块，内部包括是否采样、采样起始时刻、采样点个数、采样间隔等信息，所述GOOSE控制块通过GOOSE报文向合并单元发送信息，合并单元收到对应IED的采样值控制信息后，按其要求的时刻对电子式互感器进行采样控制，获取采样值，间隔层的不同的IED与合并单元不同的采样值控制块进行关联，接收其采样值。本发明没有增加过程层和间隔层间的信号线，变电站的保护、测控等应用可以不依赖外部对时，采样的同步精度可达到百纳秒级。
文档编号H02J13/00GK102130504SQ20111005455
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者仇新宏, 周斌, 沈健, 赵安国, 黄国方 申请人:国电南瑞科技股份有限公司