區域電網同步數據采集與傳輸技術探討

摘 要： 旨在探討分散智能電子設備之間高密度同步采樣和低延時固定路徑實時數據同步傳輸方法，構建了由區域應用設備、區域數據交換和通信管理裝置、變電站數據合并轉發裝置及智能電子設備組成的級聯式同步以太網。區域數據交換裝置為全網提供定時和同步參考，并負責自身與各級數據合并裝置之間端到端的延遲測量，數據合并裝置及智能電子設備在本地恢復的同步脈沖觸發下完成數據采集和同步回傳。測試和運行結果表明，該系統能夠實現全局同步采樣和過程層數據實時傳輸，保證了區域保護控制系統的穩定運行。

關鍵詞： 同步采樣； 同步以太網； 區域數據測量； 區域保護

中圖分類號： TN915.1?34； TP873+.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0158?05

Discussion on synchronous data acquisition and transmission technology

of regional power grid

PANG Jiyao

（Nanjing Paneng Electric Power Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210032， China）

Abstract： To discuss high?density synchronous acquisition and real?time data synchronous transmission method of fixed path with low latency among scattered intelligent electronic devices （IED）， a cascading synchronous Ethernet consisting of regional application equipment， regional data exchange and communication management device， data merging and transmission device of substation， and IED was constructed. Regional data exchange device provides timing and synchronous reference for the entire network， and is responsible for end?to?end delay measurement between itself and data merging devices at all levels. Data acquisition and synchronous return are accomplished by data merging device and IED under synchronous pulse trigger recovered in local area. Testing and application results show that this system can achieve global synchronous sampling and real?time data transmission in process level， and ensure the stable operation of the regional protection control system.

Keywords： synchronous sampling； synchronous Ethernet； regional data measurement； regional protection

0 引 言

現有的廣域測量系統是以同步相量測量技術為基礎，主要面向大跨度電網，雖然具有異地高精度和同步相量測量能力，但總體來說動態數據記錄密度不高（100 f/s左右）[1]，數據更新時間慢[2?3]，為20～50 ms。而目前的傳送網更關注帶寬利用率，使廣域傳送的數據量、實時性和確定性很難提高。相比而言，區域電網中相關聯的變電站或電氣場之間物理距離不遠，有可能為區域保護構建單獨的繼電保護專網，而基于專網的區域同步數據采集和低延時傳輸將極大地提高系統動態性能，并為區域電網保護提供更多策略選擇[4?6]。

1 問題的提出

與常規智能站不同，區域電網數據采集系統主要面臨以下幾個問題：

（1） 系統內智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）在空間上分屬不同的變電站，如何實現站間穩定同步[7]；

（2） 同步源的周期擾動和各IED節點參考時鐘的漂移，導致系統級的同步抖動較大；

（3） 來自不同的變電站數據源到達區域應用主機的路徑延時各不相同，如何快速獲得統一時間斷面的采樣值數據；

（4） 系統的采樣密度密度問題，合適的采樣密度能夠為區域電網的保護、測量、動態數據記錄提供一體化數據平臺；

（5） 如何保證多業務共網時采樣數據固定路徑低時延傳送問題等。

此處以陽煤集團所屬28個變電站為例，給出一種有源級聯式采集系統，由頂層提供全網定時參考和路徑延遲測量，并逐級完成系統同步及同步脈沖恢復。各變電站的IED在同步脈沖觸發下完成數據采集，硬件保證采樣值每個間隔都能同步回傳。系統中級聯轉發設備采用電路交換、延遲補償、硬件優先級劃分等手段保證多業務共網時采樣值數據固定時延傳送，本文就系統結構、關鍵設備和技術、運行維護等方面進行了探討。

2 系統設計endprint

采集系統結構如圖1所示，由系統層的區域應用業務主機和時間服務器、區域數據交換和通信管理裝置（SWITCH），位于變電站的站域數據合并和轉發裝置（Merging Unit，MU）與過程層的IED組成。系統中應用業務主機主要負責如區域保護、安全穩控、故障數據記錄等系統級功能。SWITCH負責收集來各級MU的采樣值數據并向應用主機提供整合后的過程量；MU負責本變電站IED數據收集和級聯變電站數據轉發；IED則負責過程量采集和傳輸以及執行來自區域主機或站域主機的控制命令。時間服務器經SWITCH的IRIG?B接口接入，為各級設備提供絕對時間和同步參考。

圖1 系統體系結構圖

2.1 區域數據交換裝置

區域數據交換裝置（SWITCH）以FPGA為核心，負責各級MU的采樣值數據整合和主機控制命令分解及鏈路管理功能，如圖2所示。

圖2中來自級聯端口的采樣值數據經硬件解碼和緩沖后進入采樣值緩沖池，在同步信號ASYN的觸發下由硬件根據上行轉發表生成采樣值報文經應用接口提交到業務主機。主機下行命令由控制報文交換模塊根據下行轉發表進行目標尋徑，然后經下行復用器進入級聯端口發送；而下行分組復用器由硬件保證優先轉發控制報文，僅在空閑時轉發來自通用業務報文。MCU軟件負責轉發表的維護、同步恢復和各級聯MU的運行維護。在本地秒脈沖的觸發下，MCU周期性向下行各端口廣播注冊許可報文，通過接收下級MU的注冊請求報文完成SWITCH到各級MU的鏈路延遲測量。

圖2 SWITCH體系結構圖

2.2 站域數據合并裝置和轉發優化

站域數據合并裝置和轉發（MU）以FPGA為核心，通過改進現有直通轉發策略，取消目標地址解析，改用電路交換和FIFO緩沖的技術，可進一步低數據轉發延遲，結構如圖3所示。

圖3 MU體系結構圖

圖3中下行數據分成兩路：一路經過多通道的FIFO緩沖后直接送往其下行接口；另一路進入MAC控制器成幀后送MCU和下行解復用器進行解包，隨后解復用器按一定規則將控制報文選送至目標IED所連接端口。對本地收集至各IED的過程量，由上行復用器進行數據壓縮和打包，一路送本地MCU（MCU根據配置決定該報文是否轉發至本地應用業務接口），另一路送上行MAC控制器的實時優先級接口（LV1）。來自下級級聯端口和本地應用接口的非實時業務數據經MCU緩沖后被送到上行MAC控制器的LV0隊列，由上行MAC控制器擇機發送。

在圖3所示MU中上行的多路選擇器在本地時隙控制器的控制下，按預先設定的時隙順序選擇發送本級直采數據或下級MU的數據。時隙控制器則由同步恢復模塊控制，在本級MU沒有和SWITCH同步前，時隙控制器不會選擇轉發下級MU數據以及本級直采數據包。

2.3 系統參考時鐘優化

就圖1來說，若各分散設備采用本地晶體作為定時參考，其頻偏和漂移會導致系統失步和同步抖動風險增加，為此進行改進。

首先頂層SWITCH采用高穩定度的OCXO作為工作時鐘、定時參考及網絡物理層發送參考時鐘；其次處于中間級聯位置的MU則利用以太網物理層從上行級聯端口（圖3中RX0端口）恢復出的接收時鐘作為本地網絡物理層發送時鐘和本地定時參考；最后，過程層IED則從MU下行數據鏈路中恢復出接收時鐘，同時使用該時鐘作為本地定時和發送參考。如此，系統定時直接或間接地同步于頂層高穩定度的溫補晶體OCXO，系統級的同步和定時的穩定性得到保證，同步抖動也大大減小。

2.4 網絡傳送規則及優化

為簡化實現和延長傳送距離，系統硬件上采用層次式有源級聯，邏輯上基于多點控制協議（MPCP）[8]進行改進，兼容電路交換和存儲轉發，按頂層SWITCH的下行級聯口劃分網絡沖突域和單獨的同步域（如圖1所示），同一個沖突域中上行信道為共享信道，下行信道為廣播信道，位于同一個沖突域中的各級MU進行獨立鏈路測距和同步。現有結構的解決方案中，在各節點延遲測量沒有結束之前上行報文存在沖突，這里結合本系統特點對傳送規則進行如下改進：

（1） 鏈路測距等管理報文采用存儲轉發方式逐級上行；

（2） 各級MU在它與SWITCH間端到端鏈路測距完成且獲得授權后才可傳送采樣值；

（3） 各級MU采樣值報文必須在系統管理員規定的窗口中發送；

（4） 若SWITCH重啟則清除所有MU注冊授權標記和鏈路延遲數據，并依據配置表向各端口發送注冊許可幀，進行新一輪的延遲測量；

（5） 若MU啟動后則關閉本級電路轉發并等待來自SWITCH的注冊許可報文，根據需要發送注冊請求幀并按注冊許可報文中授權標記判斷本節點是否注冊成功；

（6） 注冊成功的MU將記憶注冊許可報文中的本節點路徑延遲，隨后完成初始化并開放電路轉發功能；

SWITCH特定下行口級聯的所有MU測距完成則認為該支路初始化完成，通過改進的轉發管理策略，本系統很好地解決了上行沖突問題。

3 鏈路延遲測量

本文對目前延遲測量方法進行改進[8?9]，由硬件標記時間戳，并在MU應答的注冊請求報文中增加許可報文發送時間和請求報文每一跳駐留時間修正字段，來提高延遲測量精度。

圖4中SWITCH在[T1]時刻發送注冊許可報文，MU在[T2]時刻接收到該報文并在[T3]時刻發回注冊請求報文（其駐留時間修正字段為0），該報文在[T4]時刻到達SWTICH。其中[δt]為電路轉發延遲固定為4個網絡時鐘，[MUi]和[MUi+1]為負責轉發的中間MU，而[ΔTi]和[ΔTi+1]為中間級MU的軟件轉發延遲。故SWITCH可按下式計算它和對應MU之間路徑延遲[Tmu_delay]：

[Tmu_delay=T4-T1-iΔTi-T3-T22] （1）

式（1）隱式地包含各級電路轉發延遲[δt]，其中[iΔTi]為中間級聯的MU的軟件駐留時間的總和，由硬件按下面方法自動計算。

圖4 端到端延遲測量示意圖

當注冊請求報文到達轉發MU的網端口時由軟件讀取報文到達時間[Trcv]和報文中攜帶的修正時間字段[Tpkt_correct]，然后將差值[Trcv-Tpkt_correct]寫入發送描述符，該報文離開時硬件采用發送時間[Txmit]和發送描述符的時間之差作為新的修正時間[Tnew_pkt_correct]，即：

[Tnew_pkt_correct=Tpkt_correct+（Txmit-Trcv）] （2）

最后，MU的注冊請求報文最終到達SWITCH時，其報文中修正時間字段則為中間各級MU的軟件駐留時間之和。實現時，SWITCH需要對同一個MU進行多次測量，并取平滑后的結果做最終的鏈路延遲，該延遲隨后通過注冊許可報文發布給相應的MU。

4 同步恢復

圖1中，系統以SWITCH的下行級聯端口為獨立同步域，自上而下逐級同步。SWITCH通過跟蹤IRIG?B信號，恢復出本地秒脈沖（PPS）準時沿并在PPS準時沿記錄本地時間戳[Tsw_pps]和觸發包含[Tsw_pps]注冊許可報文（見圖4），MU可推斷出本地PPS準時沿位置為[9]：[Tmu_pps=Tsw_pps+（T2-T1）]。設第[i]次測量為[Tmu_pps_i=][Tsw_pps_i+（T2_i-T1_i）]，則MU側獲得一個隨時間線性增長序列[Tmu_pps_i]，序列的增量即為MU本地觀測到的秒脈沖的寬度，取該序列最新的N+1個測量值的增量并取平均作為MU的秒脈沖寬度，MU可估計出下一秒準時沿時間為：

[Tmu_pps_i+1=Tsw_pps_i+Tmu_pps_width] （3）

[Tmu_pps_width=1Ni=0N-1（Tmu_pps_i+1-Tmu_pps_i）] （4）

接著MU通過一個具有輸出比較功能的定時器來比較本地時間戳定時器和新的秒脈沖的預測值，當二者一致時輸出本地秒脈沖，通過類似的方法實現IED和MU之間的定時器同步。最后，各級MU和IED以本地秒脈沖為參考點，產生間隔為[Ts]的采樣脈沖ASYN，過程層IED在脈沖ASYN觸發下啟動數據采集，并向MU回傳上一采樣間隔的采樣值。

如第2.3節所述，由于系統各級設備的同步定時器基于同一個參考時鐘，加之本地自守時模塊的作用，一旦系統進入同步狀態，會在較長的時間內處于低抖動的同步保持狀態。

5 同步數據傳輸和延遲補償

MU將本變電站的采樣值數據進行匯聚，壓縮打包后在下一個采樣間隔中等待觸發傳送。為補償鏈路延遲，MU通過數字鎖相環產生超前采樣脈沖ASYN時間為[Tmu_delay]的發送觸發信號MU_TX_SYN，由該信號觸發產生本地傳輸節拍，使本地數據上行到達SWITCH時鏈路延遲恰好被補償完。

如圖5所示，MU的傳輸節拍被劃分為實時窗口[Tw]和普通窗口[Tp]，并且硬件保證普通業務只在窗口[Tp]傳輸。其中實時窗口[Tw]用來傳送上行采樣值，又被還分為若干時隙，由系統靜態分配各級MU的邏輯地址、時隙寬度和時隙位置。在傳送窗口[Tw]內，只有在當前時隙與MU被授權的時隙一致時才可以插入傳送本地采樣值數據（如圖5中時隙[T5]，對應邏輯地址為5的MU授權發包時隙），其他時隙按配置依次向上轉發來自各個下行口的實時數據。通過靜態時隙規劃，不僅使采樣值每個采樣間隔都能得到傳輸且延時固定，還大大簡化了系統設計復雜度。

圖5 數據分組傳送示意圖

位于區域控制中心的SWITCH則在系統級采樣脈沖的觸發下收集來自下行端口的過程層數據，生成系統一個時間斷面數據，并按照配置向各應用主機提交。

6 路徑規劃及運維

區域應用業務集成和數據共享及過程層業務數據相對穩定是系統重要特征，系統配置和維護工具正是基于此優化設計完成的。工具以各變電站的IED所采集的過程層數據和控制對象構建資源庫，根據應用主機數據要求采用自頂向下的建模順序，先確定整個應用對各變電站的數據要求，再為各MU確定本級實時時隙寬度、時隙位置和邏輯地址、實時數據查找表等，MU根據查找表對來自所轄IED的采樣數據進行帶寬壓縮和打包匯聚后上網傳送。SWITCH則將區域數據匯總在一個緩沖池中，由配置工具根據應用主機的功能和數據模型文件編制上行轉發表，指導SWITCH以IED為單位為不同應用端口重組過程層采樣數據。

此外，配置工具以SWITCH下行端口為一個獨立控制域，規劃應用主機面向IED的控制報文的傳送路徑，并生成下行路徑查找表，以便SWITCH正確轉發應用主機的下行業務數據。對應的MU也包含一個由配置工具生成的下行控制命令映射表，以便MU能夠正確轉發應用主機的控制命令道特定IED。

如前所述，在SWITCH和MU的軟件中均設計一個TCP服務端，維護數據通過SWITCH的管理端口以普通分組模式可以到達系統中任何一個MU，系統工具以此實現包括配置管理、運行工況和固件升級等遠程運維。

7 系統測試

在測試階段，綜合利用不同長度的光纖和網絡延遲器模擬分布在不同變電站的IED，記錄系統中不同位置IED所測同一電流量的相位差，并結合示波器觀測對應IED的ADC啟動信號。圖6為同步信號（ASYN）測試示意圖，CH4為頂層SWITCH的ASYN信號，CH3某層次MU恢復的ASYN信號，CH1和CH2為不同IED中ADC啟動信號。

圖6 同步信號測量波形圖

通過相差分析和啟動波形測量表明，系統能夠很好地實現全網高密度精準同步采樣（同步精度<100 ns，抖動<200 ns）。進一步利用保護動作延時和開關量變位測試證實系統級傳送延時優于1 ms，整個系統級的延時滿足設計要求。

8 結 語

本文所述數據采集系統中區域數據交換設備和站域數據合并設備的實時業務部分均由FPGA硬件實現，區域保護主機采用高性能服務器和硬實時系統構建，采用同步傳送方式，能夠實現固定路徑低延時傳送，可實現全網高密度精準同步采樣，非常適合用作區域同步數據業務平臺，對比現有的廣域數據測量系統，該系統創新點體現如下：

（1） 將分散裝置定時參考同步到頂層SWITCH，可不依賴外部時鐘源實現系統同步；

（2） 通過源端延遲補償保證各分散裝置的采樣數據在同一時間斷面到達系統層；

（3） 通過時分復用和實時路徑規劃技術保證采樣值和控制命令傳輸時延固定可預測；

（4） 實時業務和非實時業務獨立交換路徑，保證了注冊管理報文的無沖突傳輸；

（5） 采用電路交換和硬件多路并行轉發技術減少傳送延遲和傳輸抖動。

該系統已在陽煤集團通過現場驗收并成功投運，目前系統數據采集正常，運行良好，所涉及的相關技術已申報國家知識產權局的專利[10]。

參考文獻

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