数字化变电站过程层采样值时间同步性分析及应用

1、数字化变电站过程层采样值时间同步性分析及应用王立辉1,2,许扬1,2,陆于平1,袁宇波2,孙健2(1.东南大学电气工程学院,江苏南京210096;2.江苏省电力试验研究院,江苏南京210036摘要:提出由合并单元(MU 发出统一的采样同步脉冲至同一间隔中的电子式电流/电压互感器,在电子式电流/电压互感器信号处理系统中对本地时钟信号进行分频或倍频处理后与采样同步信号锁相,发送A /D 采样时序,确保同一间隔中所有电子式电流/电压互感器采样值时间同步。设计了基于IEEE1588的多基准源时间同步方案,并对站与站之间、站内终端设备之间、电子式电流/电压互感器中A /D 采样信号同步特性以及网络交流流

2、量对时间同步的影响等进行了测试和评估;要求在变电站内配置时间综合测量仪,对同步性能在线监测。关键词:数字化变电站;合并单元;时间同步;同步误差;对时协议中图分类号:TP 764文献标识码:A文章编号:1006-6047(201008-0037-04收稿日期:2010-02-11;修回日期:2010-05-04基金项目:中国博士后科学基金资助项目(20100471357 电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol.30No .8Aug.2010第30卷第8期2010年8月0引言过程层电流/电压采样值数字化传输简化了微机保护装置,是数字化变电站区别于

3、传统变电站的重要特征之一1-2。根据数字化变电站间隔层设备对电流/电压数据报文信息的性能需求,变电站报文分为保护与控制相关报文、测量与电能计量报文。为了避免幅值和相位产生误差(例如,三相电压/电流的相角不是120°,引起保护装置误动作,间隔层用于保护控制的P3等级采样值数据报文和用于计量的T5等级采样值数据报文要求同步精度小于1s ,就目前的变电站设备性能而言,上述指标要求已成为数字化变电站过程总线通信的难点3,需要结合采样值数字化传输相关的电子式电流/电压互感器ECT /EVT (Electric Current Transducer and Electric Voltage Tr

4、ansducer 采样时序、合并单元MU (Merging Unit 数据同步传输、时标基准源等应用情况,研究合适的解决方案。MU 在过程层与间隔层之间起到了关键的桥梁作用。ECT /EVT 将所测量的线路电流/电压信息送入MU ,MU 按照标准格式(IEC60044-7/8采用曼彻斯特编码格式,IEC618509-1及IEC618509-2采用以太网编码格式对多路电流及电压采样值信息进行打包,并按照数据帧格式发送至间隔层的测控、保护、计量等设备。MU 兼容了电流/电压数据处理功能、数据同步功能、信息交互功能。IEC60044-7/8最高传输速率2.5Mbit /s ,对应每周期最大采样96点

5、,难以满足计量的需求;而IEC618509-1/2采用以太网技术,传输速率可达百兆/千兆每秒,同时满足保护和计量的需求,成为采样值数据传输的主流方案4-7。随着处理器、通信等相关技术的发展,IEC 已经开始考虑由IEC618509-2替代IEC 618509-1,作为采样值数字化传输的唯一标准。本文结合数字化变电站的工程应用,分析IEC618509-2通信标准情况下的数字化变电站采样值数据同步误差因素,并探讨实用的设计方案及测试方法。1时间同步系统结构ECT /EVT 采样值信息在数字化变电站共享,为了避免幅值与相位的误差,母线保护设备、变压器保护设备要求同一间隔ECT /EVT 采样值数据之

6、间保证时间同步,不同间隔ECT /EVT 采样值数据之间也要保证时间同步;线路保护设备要求不同变电站之间采样数据保持时间同步。数字化变电站时间同步系统主要由ECT /EVT 信号处理中A /D 采样时序和时标参考基准源组成,并且IEC61850没有给出数字化变电站采样值同步的具体实现方法。目前,A /D 采样时序普遍采用的是时钟分频/倍频技术,时标参考系统普遍采用的是GPS (Global Positioning Sys -tem 、IEEE1588对时技术。工程应用中所遇到的主要问题是时间同步系统长期稳定性差及各厂家对ECT /EVT 、MU 等环节的处理方式不一致,导致采样数据时序不同步。

7、1.1过程层采样时序由MU 发出统一的采样同步脉冲至同一间隔中的ECT /EVT ,在ECT /EVT 信号处理系统中对本地时钟信号进行分频、倍频处理后与采样同步脉冲信号锁相8,发送A /D 采样时序,确保同一间隔中所有ECT /EVT 采样值同步。MU 同步采样结构如图1所示,所对应的12路ECT /EVT 均以MU 采样同步脉冲信号为基准保持同步采样。第30卷电力自动化设备 1.2系统时标参考源为确保站内间隔之间、站与站之间所有采样脉冲同步,所有MU 发送至ECT /EVT 的基准信号应保持绝对同步,必须引入系统时标参考源作为MU 的时钟基准参考。目前,同步时钟参考信号可以选择GPS 、北

8、斗、原子钟或者IEEE1588精密时钟源。MU 收到外部基准时钟信号后,经过处理,即刻发送至ECT /EVT ,形成A /D 转换芯片的同步转换脉冲。2时间同步误差分析整个时间同步系统的流程可以描述如下:来自外部基准源的时标信号经MU 同步模块送入ECT /EVT 信号处理单元,在FPGA 或EPLD 内与本地晶振时钟的分频输出完成鉴相、锁相功能,并输出同相时钟,同相时钟经过分频之后形成采样脉冲送入A /D 转换芯片。由系统时钟流程可以看出,时标参考源、本地晶振、时序处理3个环节均存在误差因素。时间同步系统结构如图2所示。2.1时标参考源误差2.1.1GPS 误差GPS 发送频率为1Hz 的秒

9、脉冲至MU 同步模块作为时标信号,在ECT /EVT 中以该时标信号为基准,对本地晶振输出进行分频、鉴相、锁相等操作。在实际使用时,受天气、电磁环境、接收机可靠性、政治等方面的影响,GPS 信号存在丢帧、受干扰等异常情况时,必须考虑兼容设计。如果晶振精度比较高,GPS 时钟故障短时间不会影响系统同步,考虑到晶振的漂移、抖动等因素,长时间运行必然会导致采样值失步9。鉴于GPS 同步信号故障情况的兼容设计,建议MU 具备产生本地同步基准信号的功能。考虑到高频晶振存在抖动、漂移大、间歇振荡、可靠性低等不稳定因素,建议采用低频率且高可靠性晶振,并在ECT /EVT 信号处理中加入故障判别、故障报告功能

10、。考虑到GPS 受军事、政治等因素的影响,可考虑接收国产北斗卫星发送的协调世界时(UTC 信号。2.1.2IEEE1588误差随着芯片技术及高速以太网数据通信技术的发展,IEC618509-2将IEEE1588精密时钟同步校时协议引入数字化变电站的对时应用中10。IEEE 1588基于TCP /IP 的网络协议,采用分布式网络多播报文传送技术的对时方式11,为抑制分布式系统中各设备之间的时钟误差提供了有效途径。该协议根据系统各节点的时钟精度及时间可溯源性,采用最佳时钟算法选择区域内的主时钟,并以主时钟为基准,在包括时间标记的网络数据报文中计算各节点设备与主时钟的时间偏移量及传输延迟,并及时反馈

11、调节各节点设备的时间,保证分散节点设备上独立运行的时钟与主时钟同步对时10,对时精度可达亚微秒,即0.1s 且具有更高的可靠性。为了确保系统所选的主时钟为最佳时钟,可综合运用数据集比较算法、状态决策算法,根据本地时钟特性的参数及时钟级别,选出网络中最优时钟。IEEE1588协议算法的前提是传输时间路径对称,即假设同步报文收到的延迟与延迟请求报文发送的延迟相同,主、从节点之间的双向传输时间延迟恒定且对称2,12-13。实际应用中,以太网交换机的路由算法、网络风暴、网络堵塞等因素均会导致传输时间延迟既不恒定又不对称。为解决传输时间路径非对称问题,文献2介绍了边界时钟方法:交换机的边界时钟视为从时钟

12、,而对于交换网络中其他节点设备,交换机是它们的主时钟源,边界时钟的从属时钟与所外接主时钟保持同步,边界时钟的主时钟同步其所在子网的其他从属时钟,当时钟同步报文经过边界时钟的主、从端口时,通过在物理层加盖时间戳信息,可使主、从端口时钟校准。由于边界时钟将节点与交换机的时钟抖动相隔离,从而最大程度地减少了传输延迟抖动。数字化变电站过程层网络与站控层网络均采用IEEE1588进行高精度对时之后,可以满足单个变电站中母线差动保护、变压器差动保护的采样值同步需求。考虑到线路保护对不同变电站之间的同步带来的误差,需要引入GPS 根时钟,作为整个网络系统的对时基准参考源,确保各个MU 之间发送的A /D 转

13、换时序保持高精度同步,解决MU 之间的同步问题。2.2晶振误差ECT /EVT 信号处理单元以晶振时钟信号触发源为基准进行分频、触发、锁相等时序处理。晶振受温度、振动、电磁干扰、电源噪声、器件老化等因素的影响,输出时钟存在频率准确度误差、高频随机抖动误差和低频漂移误差,晶振输出误差导致A /D 采样脉冲出现延时或者超前等失步情况。另外,IEEE 1588对时链路中的根时钟和边界时钟作为对时系统的上中游环节,其晶振频率的稳定度也将直接影响整个系统的对时精度13。必须在优选晶振芯片基础上,在晶振温度控制、器件布局、信号布线、特性阻抗匹配、电源噪声、滤MU 同步模块本地晶振分频同步信号时标信号分频A

14、 /D 同步采样信号信号处理鉴相锁相图2时间同步系统结构Fig.2Structure of synchronization system图1过程层同步采样结构Fig.1Structure of synchronized process layer sampling合并单元(MU 同步信号ECT /EVT传感头A /D信号处理系统ECT /EVT传感头A /D信号处理系统同步信号王立辉,等:数字化变电站过程层采样值时间同步性分析及应用第8期 波处理等方面进行优化设计,确保获得稳定、纯净的时钟信号。2.3时序处理误差ECT /EVT 同步采样频率由每周期(T 采样点数决定,IEC618509-1规

15、定最大采样率为200点每周期,IEC618509-2规定最大采样率为256点每周期,分别对应的采样频率为10kHz 、12.8kHz ,并且规定采样值同步误差小于1s 。 为了确保采样时序、采样间隔的一致性,所有时序单元都必须在给定的周期内正常工作,秒脉冲频率f 1hz 、采样脉冲频率f A /D 、晶振时钟频率f osc 需满足整数倍关系:f osc =M f A /D =N f 1hz ,M 、N 均为整数,以避免采样间隔非整数倍晶振周期带来的截断误差;另外,在器件选型及信号处理方式方面也需考虑一致性,以避免电平触发沿、器件时延、脉冲宽度引起时序偏差。3时间同步系统设计数字化变电站时间同步

16、系统如图3所示(图中,1588即为IEEE1588,该时间同步系统兼容了站内及站站之间的同步性能,实现了基于IEEE1588网络时间同步的GPS /北斗/SDH 多源授时统一时间同步系统的应用。变电站站内时标管理系统可以接收GPS 秒脉冲、北斗时统信号以及上级调度通过SDH 通道传送的时钟同步信号,并且可以设置优先级别,从而确保时标系统的可靠性;过程层MU 以及间隔层测控设备、保护设备、计量设备均通过支持IEEE 1588的千兆以太网交换机进行对时;MU 与ECT /EVT 之间仍进行串行同步采样,将来ECT /EVT 接口升级为支持IEC618509-2标准的以太网接口,可以不通过MU 直接

17、与交换机对接,采样值直接上送交换网14;变电站与变电站之间通过SDH 链路与上级调度一级主时钟同步,同步精度优于1s ,确保变电站之间的时间同步。 在变电站内可配置时间综合测量仪,可对各种时间接口及终端设备的同步性能进行在线实时监测和维护,有效管理时间同步系统,保证同步性能的稳定可靠。4对时试验基于IEEE1588的数字化变电站网络对时系统建立之后,需要全面对时间同步系统的性能进行测试评估。结合工程应用,主要进行如下7项试验。a.站间同步。东北地区某A 站与某B 站之间主从节点通过SDH 通信线路进行IEEE1588时间同步,测试结果如图4所示(图中,t e 为同步误差时间;下同,站与站之间I

18、EEE1588同步精度测试结果优于500ns 。b.时钟同步模块的时间精度。利用便携式原子时钟测试仪通过以太网直接接收时钟同步装置的IEEE1588时钟报文,在时钟同步系统处于卫星接收的正常状态下,测量网络对时模块输出与GPS 、北斗授时之间的误差,分析IEEE1588的授时精度。c.终端设备的对时精度。对于MU 、测控装置、保护装置、计量装置等网络终端对时设备的对时精度指标,要求装置至少能输出一路脉冲形式的时间同步信号,当网络化二次终端设备正常接收IEEE 1588网络对时后,利用原子时钟测试仪检测和记录该输出脉冲的时间精度,验证网络化二次终端设备接收IEEE1588网络对时的有效性、准确性

19、及可靠性。图5为2个MU 之间的时间同步误差曲线,时间同步精度误差均值为35.7ns ,方差为6.1ns 。d.网络流量对时间同步的影响。IEEE1588采用网络方式传输并校正时间,尽管其结合了硬件的时标获取方式,减少了软件干预的不定因素,但其算法中均需要有一段时间来适应网络稳定,并且其典型算法的前提是假设网络双向的通行时间是对称的,而实际网络传输情况会随网络通信流量的波动有很大的变化14-15,因此,IEEE1588网络对时的精度和稳定性受网络运行的动态变化的影响程度还需要实验来验证。验证该问题最直接的方法就是搭建实际运行的网络环境,并尽可能地将所有预期设备接入网数字化变电站一级主时钟SDH

20、其他站时标管理单元1588测控系统1588保护系统1588计量系统北斗千兆以太网交换机合并单元1588合并单元1588GPSECT /EVTECT /EVT 同步信号同步信号图3数字化变电站时间同步系统结构Fig.3Structure of synchronization system in digital substation100500t e /n s2000t /s 图5站内合并单元之间时钟同步测试结果Fig.5Test result of clock synchronization betweenmerging units within substation40006000800010

21、0005000-500t e /n s20406080100t /min图4站间时钟同步测试结果Fig.4Test result of clock synchronizationbetween substations 络,增大网络通信负荷,按方案要求配置相应的时钟主钟和被对时设备,并进行正常对时。为了造成网络通信负荷的随机波动,还可额外接入计算机作为模拟的网络化二次设备,并进行相互间的不定包长、不定数据流量的随机通信。测试网络在不同流量情况下的IEEE1588对时精度,根据试验数据评估网络流量对IEEE1588对时精度的影响。e.A/D采样信号同步。通过多路示波器或者逻辑分析仪测试MU与MU之

22、间时标信号的同步性,以及ECT与ECT、EVT与EVT、ECT与EVT之间采样脉冲信号的同步性。f.时标基准故障对系统同步的影响。将时标管理单元输出的时间基准信号中断,检测MU、测控装置、保护装置、计量装置等网络终端对时设备的时间同步性,以及ECT与ECT、EVT与EVT、ECT与EVT 间采样脉冲信号的同步性。恢复时标管理单元输出的时间基准,再次检测上述故障情况的时间同步性。该项试验用以考核时钟基准源故障对系统中时间同步的影响,验证系统在时标基准中断及恢复情况下的时间同步性。g.边界时钟对时间同步的影响。通过设置或取消具有边界时钟的网络交换机,进行精度测量,根据试验数据分析评估设置或取消具有

23、边界时钟的网络交换机情况下,IEEE1588对时精度的变化情况。5结论电子式互感器、IEC61850标准、IEEE1588精密时钟协议等新技术促进了数字化变电站的发展16,变电站内测控、保护、计量等装置相关信号处理及数据处理系统对过程层电子式互感器的采样值时间同步性提出了更高要求。电子式互感器的采样值是测控、保护、计量等装置的数据源头,过程层采样值必须同步才能保证数据的实时性、有效性。同一个MU 对应的电子式互感器数据不同步将导致三相电压/电流出现相角偏差,引起保护装置误动、电能计量失准等故障;不同MU之间数据不同步,将导致MU数据不能实现全站共享。在设计数字化变电站时间同步系统时,既要考虑站

24、内时间同步,又要考虑站间时间同步。本文对数字化变电站过程层采样数据时间同步相关的时标参考源、晶振、时序处理等环节的误差特性进行了分析,针对每一环节的误差因素,提出抑制同步误差的解决方法;从站内及站间的时间同步特性考虑,设计了数字化变电站全网基于IEEE1588的多基准参考源时间同步系统;结合数字化变电站工程应用,探讨了多种对时实验方法。参考文献:1殷志良,刘万顺,杨奇逊.基于IEEE1588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.YIN Zhiliang,LIU Wanshun,YANG Qixun.A new IEEE1588 based te

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27、:Specific Communication Service Mapping(SC-SM-sampled values over serial unidirectional multidrop point to point linkS.S.l.:IEC,2003.6IEC.IEC61850-9-2Communication networks and systems insubstations,part9-2:Specific Communication Service Mapping(SC-SM-sampled values over ISO/IEC8802-3S.S.l.:IEC,2003

28、.7郑新才,施鲁宁,杨光,等.IEC61850标准下采样值传输规范9-1、9-2的对比和分析J.电力系统保护与控制,2008,36(18:47-50.ZHENG Xincai,SHI Luning,YANG Guang,et al.Comparison and analysis of sampled value transmission specification9-1and 9-2in IEC61850standardJ.Power System Protection and Con-trol,2008,36(18:47-50.8雷霆,李斌,黄太贵.220kV变电站GPS时间同步系统实现技术

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34、tion:a smart solutionto connect the primary equipment to the substation automation systemC5th Power Systems Computation Conference.Liege, Belgium:s.n.,2005:1-6.(下转第44页continued on page44 13马星河,赵军营,汪旭东,等.矩阵变换器电流控制策略J .电力自动化设备,2009,29(2:56-58.MA Xinghe ,ZHAO Junying ,WANG Xudong ,et al.Current control

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37、erter J .Power Electronics ,2003,37(2:69-71.(责任编辑:柏英武作者简介:郑连清(1964-,男,浙江金华人,教授,博士,研究方向为电力电子技术与应用(E-mail :lqzheng64 ;赵永涛(1981-,男,河北邢台人,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动;刘琦(1984-,男,重庆人,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。Control of high -frequency link matrix inverter based on topology decouplingZHENG Lianqing ,ZHAO Yongtao ,LIU

38、 Qi(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment &System Security and New Technology ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China Abstract :A control strategy based on topology decoupling is proposed for the complicated topology frame of high -frequency link matrix inverter.According to

39、 the polarity of voltage produced by high -frequency inverter ,the topology of single -phase to three -phase AC matrix converter is decoupled into two conventional three -phase voltage source inverters.The control strategies of conventional voltage source inverters are thus applied to the control of

40、 matrix converter.Compared with the AC /DC /AC equivalent model with matrix converter and the optimized control algorithm ,the topology decoupling control strategy is based on the matrix converter topology itself ,easy to realize and simple to analyze.To facilitate the theoretical analysis ,the conc

41、ept of “bi -directional bridge arm ”is presented.The simulation with Saber software and the experiments on prototype show that the proposed control strategy generates high -quality output voltage waveforms ,which verifies its correctness.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (50907076.Key words :high frequency link ;matrix converter ;bi -directional bridge arm ;decoupling ;SPWM ;inverter !(上接第40页continued from page 40Synchronized sampling of process layer in digital substationWANG Lihui 1,2,XU Yang 1,2,LU Yuping 1,YUAN Yubo 2,SUN Jian 2(1.School of E