基于通信物理層信號的智能終端實時響應(yīng)檢測方法

陳 宏，舒 欣

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

智能終端[1]是智能變電站二次系統(tǒng)與現(xiàn)場開關(guān)設(shè)備的智能接口。為了二次系統(tǒng)保護、控制實時性以及故障監(jiān)控與分析處置正確性，一般要求智能終端對時精度1 ms、SOE分辨率2 ms、動作時間不大于7 ms[2]。

目前，國內(nèi)針對智能終端的SOE指標檢測較為成熟，但針對現(xiàn)場信號與通信端口GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）之間的實時響應(yīng)，則多以規(guī)約一致性、數(shù)據(jù)報文獲取等間接測試或估算方式為主，而通信物理層相關(guān)IEEE802.3[3]信號響應(yīng)特性、報文物理一致性等研究偏弱。

本文基于變電站時間同步信號應(yīng)用，以及二次系統(tǒng)標注一次設(shè)備暫態(tài)時刻的數(shù)據(jù)采集信息（簡稱時標數(shù)據(jù)）實時性分析。根據(jù)數(shù)字信號處理理論[4]的離散時間系統(tǒng)原理，綜合智能終端實時響應(yīng)、通信物理層數(shù)據(jù)信號的物理性，結(jié)合GOOSE時標數(shù)據(jù)信息/信號響應(yīng)SOE信號的物理一致性，基于物理層探討智能終端檢測方法。

1 時間同步與時標數(shù)據(jù)

變電站時間同步設(shè)備[5]，可依據(jù)衛(wèi)星信號或主站端授時信號為時鐘源（參見圖1），可以IRIG-B或網(wǎng)絡(luò)IEC61588[6-7]統(tǒng)一站內(nèi)IED時鐘，用于實現(xiàn)標注一次設(shè)備暫態(tài)與動態(tài)測量數(shù)據(jù)的時間值。

圖 1 智能變電站二次設(shè)備時間同步Fig.1 Substation IED time synchronization

圖1示意了一種智能變電站二次設(shè)備時間同步信號應(yīng)用結(jié)構(gòu)。其中的站控層網(wǎng)絡(luò)，基于TCP/IP交互方式通信，數(shù)據(jù)傳輸遲延一般為秒級；一般采用制造報文規(guī)范（Manufacturing Message Specification，MMS）傳輸數(shù)據(jù)信息，主要服務(wù)于人機監(jiān)控、故障診斷、IED工作方式切換。

圖1的過程層網(wǎng)絡(luò)，基于介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）的非握手傳輸機制，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遲延一般為亞毫秒級；可傳輸合并單元交流采樣值（Sampled Value，SV）、智能終端GOOSE等帶時標的數(shù)據(jù)采集信息，主要服務(wù)于IED之間的實時傳輸與聯(lián)動響應(yīng)。

若以智能終端由現(xiàn)場開關(guān)量輸入至GOOSE輸出為例，則GOOSE[8]幀的數(shù)據(jù)采集、時間標記信息，主要包括變位事件時間、開關(guān)狀態(tài)、報文輸出時間。其中的時間值之差可理解為事件信號轉(zhuǎn)換響應(yīng)時間。

因此，GOOSE是實時信息，GOOSE時標數(shù)據(jù)與智能終端轉(zhuǎn)換響應(yīng)特性相關(guān)，可反映開關(guān)設(shè)備的暫態(tài)狀態(tài)、暫態(tài)時間。

2 開關(guān)變位GOOSE信號實時響應(yīng)

根據(jù)數(shù)字信號處理理論，可將智能終端由輸入至輸出的轉(zhuǎn)換，視為具有線性、移不變性、因果性、穩(wěn)定性的離散時間系統(tǒng)，即可視為GOOSE與開關(guān)變位[9]（或斷路器變位）之間的信號響應(yīng)。

圖2以開關(guān)量輸入至GOOSE輸出為例，示意了一種智能終端開關(guān)變位轉(zhuǎn)換硬件回路[10]，并采用PTP（即IEC61588）實現(xiàn)時鐘同步。

圖2中，開關(guān)量變位至GOOSE輸出的總體轉(zhuǎn)換遲延時間為Δt，其中，CPU數(shù)字濾波并生成開關(guān)變位數(shù)據(jù)包，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、物理收發(fā)器輸出GOOSE信號。

圖3結(jié)合圖2，基于時間參量和開關(guān)變位事件，示意了智能終端由開關(guān)事件DI(t)輸入至數(shù)據(jù)信號GOOSE(t)輸出的轉(zhuǎn)換響應(yīng)時序。結(jié)合前述GOOSE時標數(shù)據(jù)主要內(nèi)容，GOOSE(t)信號包含以下信息。

圖 2 開關(guān)變位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Breaker action event

圖 3 開關(guān)變位轉(zhuǎn)換信號時序Fig.3 Event signal conversion timing of breaker

變位時刻時間值T1，描述變位事件SOE的發(fā)生時刻；開關(guān)位狀態(tài)Bit，可視同DI(t)開入狀態(tài)轉(zhuǎn)換輸出的狀態(tài)響應(yīng)數(shù)字信號Bit(t)；數(shù)據(jù)輸出時間值T2，可用于描述變位事件的GOOSE首出[8]信號輸出時刻。

即若GOOSE時標數(shù)據(jù)的T1、T2信息描述與GOOSE(t)信號響應(yīng)一致，則理想狀態(tài)下，圖2和3中智能終端信號轉(zhuǎn)換可為DI(t)=GOOSE(t+Δt)，其中Δt=T2-T1。

結(jié)合圖1，間隔層IED可由過程層網(wǎng)絡(luò)接入GOOSE時標數(shù)據(jù)（參見圖1）信息。若GOOSE信息描述與智能終端信號實時轉(zhuǎn)換的物理響應(yīng)特性一致，則，間隔層IED可直接關(guān)聯(lián)圖3所示的Bit與時間T1，形成變位事件SOE測控時標數(shù)據(jù)上傳。至此，依據(jù)智能終端的數(shù)字信號實時響應(yīng)物理性分析，可認為數(shù)字信號本質(zhì)上應(yīng)是攜帶了GOOSE時標數(shù)據(jù)信息的光/電信號。

3 通信物理層數(shù)字信號

變電站IED多采用100M以太網(wǎng)通信。其中，數(shù)據(jù)信息格式，一般遵循IEC61850、IEEE1588規(guī)范的MMS、SV、GOOSE、PTP方式；數(shù)據(jù)傳輸媒介，多基于IEEE802.3的CSMA/CD（載波偵聽多路訪問與沖突檢測）機制，遵循其規(guī)則、介質(zhì)、接口，由光/電信號傳輸數(shù)據(jù)信息，即時標數(shù)據(jù)依賴光或電信號攜帶并傳輸。

例如，參見圖2，智能終端CPU生成包含T1、Bit、T2的GOOSE時標數(shù)據(jù)包，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器形成基于MAC通信的時標數(shù)據(jù)幀MGoose，并由物理介質(zhì)無關(guān)接口MII傳送至物理收發(fā)器PHY進行信號編碼與轉(zhuǎn)換，再經(jīng)介質(zhì)相關(guān)接口MDI輸出GOOSE(t)時標數(shù)據(jù)信號。

根據(jù)IEEE802.3并結(jié)合OSI（開放系統(tǒng)互聯(lián)）結(jié)構(gòu)模型，圖3的MII、PHY、MDI組成部分，對應(yīng)OSI模型的物理層（見圖4）。

結(jié)合圖2和4，以網(wǎng)絡(luò)控制器生成的MAC數(shù)據(jù)幀SVn至端口光電信號發(fā)送為例，數(shù)字信號GOOSE(t)的主要形成過程如下：

圖 4 OSI與IEEE802.3模型Fig.4 OSI&IEEE802.3 model

圖 5 MDI介質(zhì)端口信號示意Fig.5 MDI port signal

網(wǎng)絡(luò)控制器的協(xié)調(diào)子層RS與MII接口，主要將MAC數(shù)據(jù)幀以半字節(jié)4B方式傳輸至PHY，并可判斷通信狀態(tài)；PHY的物理編碼子層PCS，為避免多0連續(xù)通信失步、均衡通信能量，按4B/5B規(guī)則將半字節(jié)轉(zhuǎn)換為5B編碼并擾碼，具有并串數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和沖突檢測功能；PHY的物理連接子層PMA，可將串行信號轉(zhuǎn)換為NRZI編碼數(shù)據(jù)流，并具有鏈接狀態(tài)判斷和載波偵聽的功能；PHY的物理介質(zhì)相關(guān)子層PMD，可進行數(shù)據(jù)流三基態(tài)電平MLT-3編碼；介質(zhì)相關(guān)接口MDI，數(shù)據(jù)信號的最終輸出接口，電/光信號為100Base-TX/FX接口。

其中，當PHY無數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)時，由PCS生成連續(xù)IDLE（5B數(shù)據(jù)為“11111”）空閑編碼流，即如圖5所示，有效數(shù)據(jù)信號GOOSE嵌入在IDLE信號中傳輸。

4 智能終端實時響應(yīng)檢測

4.1 實時響應(yīng)檢測模型

圖6示意了一種檢測智能終端輸入、輸出端口信號實時響應(yīng)的模型。其中，智能終端測試儀（簡稱測試儀）可與衛(wèi)星時間同步，并可基于時鐘信號、數(shù)字信號進行端口信號響應(yīng)校準。

圖6中智能終端通信端口TX1/RX1與測試儀TX2/RX2端口連接，開關(guān)量輸出DO連接至輸入DI端，并且連接至測試儀的開關(guān)量輸入端di。

圖 6 實時響應(yīng)檢測模型Fig.6 Real time response detection model

測試儀仿真與智能終端GOOSE通信，在指定時刻由TX2發(fā)出DO開出的GOOSE指令信號，并可經(jīng)RX2捕獲響應(yīng)DI事件的TX1端口GOOSE信號，且可顯示TX2、RX2、di端口的指定信號時間值。

4.2 開關(guān)事件響應(yīng)檢測與驗證

以SOE事件實時響應(yīng)為例，結(jié)合圖3智能終端開關(guān)變位轉(zhuǎn)換實時響應(yīng)分析，圖7示意了一種GOOSE時標數(shù)據(jù)信號的檢測方法，可用于比對圖6測試儀的GOOSE時標數(shù)據(jù)檢測能力。圖7的信號響應(yīng)時序如圖8所示。

圖 7 事件響應(yīng)檢測與驗證模型Fig.7 The event response signal for test and validate

圖 8 事件信號響應(yīng)時序Fig.8 Event response signal timing

圖7中，采用SOE信號源（簡稱信號源）發(fā)出時間可知的開關(guān)量信號；時標網(wǎng)絡(luò)信號分析儀（簡稱分析儀）可時間同步，可依據(jù)預(yù)設(shè)定的幀信息捕獲指定的GOOSE信號，并同時發(fā)送TTL脈沖指向該信號，且可顯示RX2端口收到該信號時刻的時間值；智能終端的TX1/RX1光口，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器與分析儀的TX2/RX2電口通信。

結(jié)合圖7和8，光電轉(zhuǎn)換器的電光和光電轉(zhuǎn)換遲延時間總和，一般小于100 ns[11]，故δt1的影響可忽略。分析儀由RX2端口完整接收指定GOOSE信號、判斷信息至TTL脈沖輸出的實測遲延δt2＜5 μs。

表1為針對某型號智能終端，采用圖7模型GOOSE時標數(shù)據(jù)的實時響應(yīng)檢測結(jié)果。其中，信號源準確度0.1 ms并指定某整秒過T1′時刻輸出DO，T2′為分析儀顯示的GOOSE信號完整接收時刻的時間值，T1為GOOSE攜帶的SOE時間值，Δt為示波器相對時間檢測值（t2-t1）。

表1 GOOSE時標數(shù)據(jù)實時響應(yīng)檢測值Tab.1 DI/DO detection

結(jié)合圖7和8，表1中，T1≈T1′；依據(jù)智能終端輸出信號響應(yīng)時間值T2′和轉(zhuǎn)換遲延時間Δt，也可得到相應(yīng)SOE事件發(fā)生的實際時刻T1≈T2′-Δt。

5 結(jié)語

基于IEC61850的GOOSE信息，本質(zhì)上是描述智能終端信號轉(zhuǎn)換過程的一種應(yīng)用層通信接口語言，可由IEEE802.3物理信號攜帶傳輸，但其不是物理過程本身。

智能終端時間同步，應(yīng)體現(xiàn)為GOOSE時標數(shù)據(jù)與其物理媒介信號實時響應(yīng)特性一致，即應(yīng)體現(xiàn)開關(guān)設(shè)備暫態(tài)、標注時間參量的物理正確性。同理，智能終端動作實時性應(yīng)為開出信號對相應(yīng)GOOSE信號的實時響應(yīng)。

智能終端檢測既應(yīng)重視時間同步系統(tǒng)及時鐘信號傳遞，更應(yīng)重視數(shù)據(jù)的一次設(shè)備對象性；宜重視智能終端的端口暫態(tài)、實時響應(yīng)、時間信號應(yīng)用等三者的物理性，重視承載數(shù)據(jù)信息的物理媒介，重視語言描述與物理現(xiàn)象的一致性。

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