基于多種信號的動態記錄裝置數據同步設計

周曉娟，王永剛，竇中山，王興安，卓懷忠

（許繼電氣股份有限公司，許昌 461000）

智能變電站是智能電網的基礎，是連接發電與用電的樞紐，是關系到整個電網安全、可靠運行的重要環節。隨著智能電網的迅速發展以及電網結構復雜度的增加，電力系統中發生的各種故障也相應地更加復雜和難以診斷[1-2]。當電力系統發生故障及振蕩時，電力系統動態記錄裝置（故障錄波裝置）通過內部判據啟動后，開始自動準確地記錄故障前和故障過程中的電壓、電流、頻率等各種電氣量的變化情況。電網錄波數據不僅是分析電力系統運行行為以及不同設備動作行為的基礎，也是驗證事前、掌握事中、評價事后各種動態過程的基礎[3-5]，及時檢測到所發生的故障，有選擇地將故障元件從電力系統中快速、自動地切除，使其損壞程度減至最低，并保證最大限度地迅速恢復故障部分的正常運行，盡快自動恢復停電部分的供電。

常規錄波裝置以硬接線采集模擬量信號，電纜傳輸特性決定了采樣回路傳輸延遲可忽略不計，裝置可直接對這些信號進行同步采集和處理。但是智能變電站中，智能錄波裝置采用光纖以太網口接收來自合并單元或交換機的SV報文采樣值數據和GOOSE報文數據，由于組網形式和傳輸回路長度不同，網絡傳輸方式不可避免地帶來傳輸延遲和時序不確定等因素[6-7]，同時智能設備處理數據時延不同，這樣最終導致采集數據不是自然同步，為了更真實地反映設備運行情況，必須對采樣數據進行同步處理[8-10]。

為此必須重新開發適用于智能變電站多種采樣信號的故障錄波數據處理方法。在此，提出基于智能變電站的故障錄波數據同步方法，適用于SV組網模式和點對點模式。

1 智能變電站錄波數據同步方案

1.1 SV組網模式

SV組網模式是錄波裝置采集的SV數據通過站內的多臺SV交換機傳送，采樣值傳送過程依賴于外部時鐘，合并單元必須提供時標對齊的數據，一旦時鐘丟失或異常，將會導致數據處理異常。SV組網模式的數據同步過程如圖1所示。

圖1 SV組網模式同步方案Fig.1 Synchronization scheme of SV networking mode

數據同步的關鍵就是確定同步序號，數據緩存模塊把各鏈路的同步序號和對應數據緩存到同步數據緩存區中，當錄波裝置所接入的所有鏈路的同一同步序號的數據收齊后，輸出已同步數據給后續的判據計算和存儲用。

1.2 SV點對點模式

SV點對點模式是錄波裝置采集的SV數據直接通過各間隔合并單元傳送，采樣值傳送過程無中間環節，不依賴交換機，采樣同步過程不依賴于外部時鐘。由于此種模式下合并單元無需接入對時，因此要通過計算的方法得到各個鏈路在同一時刻（即同一個同步序號）的數據，同時也要考慮每個鏈路的額定延時。SV點對點模式的數據同步過程如圖2所示。

圖2 SV點對點模式同步方案Fig.2 Synchronization scheme of SV point-to-point mode

在圖2中，首先對報文類型進行分類，如果是SV報文，無需考慮報文中的同步標識，只要前后兩幀的序號連續，則根據連續兩幀數據用插值方法計算出本地同步序號對應的數據，所提方案采用的插值算法是分段線性插值算法。由于SV鏈路沒有嚴格同步，則本地同步序號計算依賴于裝置的時鐘晶振，時間久了也會產生累積誤差，因此需要有一定機制處理累積誤差。如果是GOOSE報文，則直接根據本地時間折算出同步序號，與SV報文同步序號對齊即可。

1.3 同步數據緩存

智能變電站錄波數據同步方案的同步數據緩存區如圖3所示，示例了裝置支持的所有采集通道的1個序號數據在緩存區存放格式。經挑選的SV錄波通道最大支持192路，經挑選的GOOSE錄波通道最大支持512路，可滿足現有最新的相關標準要求，也可根據具體要求靈活擴容。

圖3 數據緩存區Fig.3 Data buffer

2 設計方案

為同時滿足國網公司電力系統動態記錄裝置技術規范和南方電網智能錄波器技術規范中所規定的數字量輸入、混合信號輸入、模擬量輸入3種型號規格的動態記錄裝置多種信號輸入的要求，進一步提出通過自定義協議轉換方法，將前端多種類型信號轉換為數字量信號，采用同一成熟可靠的數據同步解決，可靈活應用于智能變電站、新一代智能變電站和常規變電站。

2.1 數字量輸入同步方案

通過SV和GOOSE通信報文采集模擬量和開關量信號的為數字量輸入，電力系統動態記錄裝置技術規范中規定還應具有不少于4路直流電源電壓采集回路。因此數字量輸入錄波裝置需滿足上述信息量的采集。該裝置的同步方案如圖4所示。

圖4 數字量輸入同步方案Fig.4 Digital input ynchronization scheme

在圖4中，直流采集板將采集的直流通道信息通過內部自定義協議轉換為1組固定的SV信息傳送至數據同步模塊進行處理。

所提方案采用的自定義協議將采集到的直流信息轉為地址固定為0xFF00的1組SV鏈路，通道個數為4個，頻率4000 Hz（與SV鏈路保持一致），同步標識置成“同步”。轉換后，此特殊鏈路將與直接接入的數字量采集鏈路采用1.1所述同步方案，支持SV組網模式和SV點對點模式。經過轉換就省去了數字量和直流模擬量的再次同步，大大降低了同步模塊的繁瑣度。

2.2 混合信號輸入同步方案

將通過電纜直接采集的模擬量信號和通過GOOSE通信報文采集的開關量信號作為混合信號輸入，其中不少于4路的直流電源電壓包含在模擬量信號采集板中，還可具有32路常規開關量采集的選配功能。因此混合信號量輸入錄波裝置需滿足上述信息量的采集。該裝置的同步方案如圖5所示。

圖中，模擬量采集板和選配的開關量采集板將采集的模擬量通道信息和開關量通道信息，通過內部自定義協議轉換為固定的SV信息和GOOSE信息，再傳送至數據采集模塊進行處理。

圖5 混合信號輸入同步方案Fig.5 Synchronization scheme of analog and digital input

其中，所提方案應用的錄波裝置最大支持4塊模擬量采集板采集，每塊板可接入24路模擬量通道，共96路。通過自定義協議將4塊模擬量采集板轉為 4組 SV，地址固定為 0xFF01—0xFF04，每組 SV的通道個數為24，頻率可設置（最大支持10000 Hz），同步標識置成“同步”。SV工作模式固定為“組網”。

所提方案應用的錄波裝置亦可選配1塊開關量板，支持32路開關量通道。通過自定義協議，將采集到的開關量信息轉為固定地址為0xEF01的1組GOOSE，條目數為32，類型為“單點”。

模擬量和選配開關量統一轉換為SV和GOOSE，與直接接入的網采GOOSE采用1.1所述同步方案，即可完成錄波數據的同步處理。

2.3 模擬量輸入同步方案

把通過電纜直接采集的模擬量和開關量信號作為模擬量輸入，電力系統動態記錄裝置技術規范中要求模擬量輸入錄波裝置應能接入不少于64路模擬量量信號和160路開關量信號，因此模擬量輸入錄波裝置需滿足上述信息量的采集。該裝置的同步方案如圖6所示。

在圖6中，模擬量采集板和開關量采集板將采集的模擬量通道信息和開關量通道信息，通過內部自定義協議轉換為固定的SV信息和GOOSE信息，再傳送至數據采集模塊進行處理。

其中，方案所應用的錄波裝置最大支持4塊模擬量板，每塊板可接入24路模擬量通道，共96路。通過自定義協議將4塊模擬量采集板轉為4組SV，地址固定為0xFF01—0xFF04，每組SV的通道個數為24，頻率可設置（最大支持10000 Hz），SV的同步標識置成“同步”。SV同步模式可固定為“組網”。

圖6 模擬量輸入同步方案Fig.6 Analog input synchronization scheme

方案所應用的錄波裝置最大支持6塊開關量板，每塊板可接入32路開關量通道，共192路。通過自定義協議將采集到的開關量信息轉為6組GOOSE，地址固定為0xEF01—0xEF06，每組GOOSE的條目數為32，類型為“單點”。

模擬量和開關量都轉換為SV和GOOSE，采用1.1所述同步方案，即可完成錄波數據的同步處理。

智能變電站IEC61850工程通用應用模型[11]中，要求GOOSE的APPID范圍為0x0000—0x3FFF，SV的APPID范圍為0x4000—0x7FFF。所提方案中自定義的APPID從EF01開始，完全不會與實際工程中的APPID發生沖突。

3 方案應用

在此提出的適用于多種信號輸入的錄波數據同步實現方案，已通過了國家電網公司2016年數字量輸入動態記錄裝置專業檢測、國家電網公司2017年模擬量輸入動態記錄裝置專業檢測，已實現批量現場供貨。

4 結語

準確并可靠地記錄多個合并單元和智能終端的通信報文，并真實反映設備運行情況，必須對采樣數據進行同步，提出了適用于SV組網模式和點對點模式的智能變電站錄波數據同步方法。為同時滿足動態記錄裝置技術規范和智能錄波器技術規范中多種采樣信號模式的輸入需求，通過自定義協議方式對前端信號的輸入進行內部轉換，將網絡采樣模式和電纜采樣模式的混合采樣最終統一為網絡采集模式。基于同一平臺及數據處理機制，不僅大大減輕了功能實現人員和測試人員的工作量，更重要的是提高了新產品的質量保證，由于可靠性高、同一性強，對于后期的需求升級和功能完善都具有繼承性和可追溯性，真正實現了電力系統動態記錄裝置多種型號的軟硬件平臺最大化重復利用。