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智能变电站相关技术介绍


智能变电站相关技术介绍

2010年5月 武汉

主要内容
1 2 智能变电站的优势 电子式互感器/合并单元 智能终端 IEC 61850标准 时钟同步

3
4 5

1 智能变电站的优势

智能变电站是智能电网的重要内容
发电 输电


变电领域的发展重点 是智能变电站
变电

调度

智能 电网
用电 配电

智能变电站对智能电 网的建设将起到先驱 作用

1 智能变电站的优势
变电站层
计算机监控系统 计算机监控系统

103规约

网络

网络

IEC 61850-8

间隔层

微机保护/微机测控

微机保护/微机测控

电缆

网络

IEC 61850-9

过程层

电磁式互感器
一次设备

新型电子式互感器 数字化一次设备

变电站综合自动化

智能变电站

1 智能变电站的优势
? 光纤代替电缆,设计安装调试都变得简单

?
? ?

模拟量输入回路和开关量输入输出回路都被通
信网络所取代,二次设备硬件系统大为简化 统一的信息模型,避免了规约转换,信息可以 充分共享 可观测性和可控性增强,产生新型应用:如状 态监测、站域保护控制

1 智能变电站的优势
电缆
交 流 输 入 模 件 A / D 变 换 微 计 算 机 开 入 开 出 模 件

电缆

人机对话模件 端子箱

继电保护

1 智能变电站的优势
高速以太网通信

微 计 算 机 交 流 输 入 模 件 A / D 变 换

人机对话模件 合并单元

智 能 终 端

继电保护
一次设备的数字化改变了继电保护设备的结构

1 智能变电站的优势
1)新装置、新设备
电子式互感器、合并单元 智能终端、交换机等
监控主机
MMS

2)新标准
IEC 61850标准、IEEE 1588
SV 合并 单元 GOOSE 智能 终端

3)新体系结构
继电保护系统、通信网络结构

4)新功能与新应用

1 智能变电站的优势 智能变电站的本质特征
电子式互感器/合并单元

? 过程设备的数字化
智能终端 IEC 61850标准

? 信息传输的网络化
网络通信技术

主要内容
1 2 智能变电站的优势 电子式互感器/合并单元 智能终端 IEC 61850标准 时钟同步

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4 5

2.1 电子式互感器/合并单元
传统电磁式互感器的缺点
? 绝缘问题:绝缘困难,含油有爆炸危险,造价高 ? 测量准确问题:含铁芯,具有非线性特性,存在饱和问题, 不能反映系统故障时非周期性分量;频带响应特性较差, 频带窄

? 信号输出问题:模拟电信号(1A/5A,100V/57.7V)
? 运行安全问题:电压互感器不能短路,电流互感器不能开 路,电压互感器存在铁磁谐振问题

2 电子式互感器/合并单元
? 电子式电流互感器(各种名称)
铁心线圈低功率电流互感器(有源) 罗可夫斯基空心线圈电流互感器(有源) 光学电流互感器(无源)
名称 铁心线圈低功率 电流互感器 电磁感应原理 (互感) 强电/弱电 罗可夫斯基空心 线圈电流互感器 电磁感应原理 (自感) 强电/弱电 光学电流互感器

传感原理
信号变换

磁旋光效应原理
强电/光信号

2 电子式互感器/合并单元
铁心线圈低功率电流互感器
B 电流-电压转换器 高阻 R VS Rb

铁芯线圈

电流I

? VS 与被测电流 I 成正比

Vs ? Rsh

Np Ns

I

2 电子式互感器/合并单元

I sr ?
传统电磁式电流互感器

Np

I pr I/I变换 Ns

具备低功率输 入接口的设备

Vsr ? Rsh

Np Ns

I pr I/V变换

铁心线圈低功率电流互感器

对电磁式电流互感器的改进

2 电子式互感器/合并单元
罗可夫斯基空心线圈电流互感器
B

线圈感应电压
空心线圈

被测电流

d? dI e(t ) ? ? ? ?k ( ) dt dt
电流 I

e(t )

? 空心线圈的感应电压与被测电流的导 数成正比( Rogowski,1912年)

2 电子式互感器/合并单元
光学电流互感器
普通光 起偏器 偏振光 Faraday旋光角?? 电流

磁光材料

出射光

检偏器
磁场 B

入射光

? ? V ? H ? dl ? VN L I
l

法拉第磁旋光效应 (1846年)

旋转角?与电流I成正比关系

2 电子式互感器/合并单元

I

空心线圈 (或铁心线圈)

磁光玻璃

I
高压侧

高压侧 低电压信号需 要就地数字化

A/D、积分器 等需要供电!

光纤

光纤

低压侧

低压侧

有源型电流互感器

无源型电流互感器

2 电子式互感器/合并单元
有源电子式互感器的供电方式
功电方式 CT供电 电容分压供电 激光供电 组合供电 供电原理 利用特殊CT从母线上感应电压,经 整流、滤波、稳压后供电 利用电容分压,经整流、滤波、稳 压后供电 主要缺点 散热(大电流) 死区(小电流) 电气隔离

低压侧通过光纤传输光能,由光电 能量有限/ 池将光能专为电能(最大功率1W) 成本/寿命 CT供能(或电容分压供电) +激光供电 供能系统复杂 切换问题

2 电子式互感器/合并单元
光学电流互感器存在的问题
温度对精度的影响

LED发光二极管老化

? ? V ? H ? dl ? VN L I
l

V =V (T,?)

该比例系数(维尔德常数)是温度和光源工作波长的函数 光源工作波长是温度和驱动电流的函数 对策: 信号处理技术(自适应补偿) 保证驱动电流恒定

2 电子式互感器/合并单元
? 电子式电压互感器 分压型电压互感器(有源)

R1

R2

Usr

电阻分压

电容分压

阻容分压

与常规电容式电压互感器原理相同,输出电压不超过±5V

2 电子式互感器/合并单元
光学电压互感器(无源) Pockels效应(1893年)

线偏振光通过有电场作用的Pockels晶体时,折射成两束 线偏振光,两者相位差正比与被测电压

2 电子式互感器/合并单元
合并单元
3Io Ia,Ib,Ic(保护)

ECT EVT 其他MU

SV报文

Ia,Ib,Ic(测量)

Ua,Ub,Uc,3Uo

合并单元 MU

IEC 60044-8 IEC 61850-9-2

母线电压

点对点或 交换式以太网 电流电压信号同步 报文处理和发送

保护 测控 计量 录波

主要功能: 多路电流电压信号的采集与处理

2 电子式互感器/合并单元
一次导线 空芯线圈 采集模块 绝缘子

有源电子式电流互感器

光纤 C相 B相 激光供电 数据处理 A相 保护 测控 计量

一次场

主控室或保护小室

2 电子式互感器/合并单元
光纤电流 传感器 一次导线 绝缘子

无源电子式电流互感器

C相 光纤 B相 合 并 单 元 保护 测控 计量

光纤耦合器 光纤偏振器 光纤调制器

光源驱动 信号解调 A相

一次场

主控室或保护小室

2 电子式互感器/合并单元

计量线圈

A/D
CPU

A/D

PWR 电源

光纤至 合并单元1

A/D A/D

CPU PWR 电源

光纤至 合并单元2

保护线圈1,2

线圈、A/D、采集模块和合并单元的双重化配置

2 电子式互感器/合并单元 小结
? 传感原理的变化:变压器原理 VS 光学原理等

? 有源:强电/弱电变换,高压侧需要电源
? 无源:电/光变换,高压侧无需电源

? 电子式互感器的配置:线路EVT可按三相配置
? 合并单元的作用:采集、同步、共享

? 合并单元的配置:基本按照互感器组配置,例外

2 电子式互感器/合并单元
电子式互感器与传统电磁式互感器的比较
比较项目 传统电磁式互感器 电子式互感器

绝缘
测量 信号输出 运行安全

复杂、造价高
有磁饱和、频带窄 精度与二次回路负载有关 模拟量 CT不能开路,VT不能短路, VT易产生铁磁谐振

简单、造价低
无磁饱和、频带宽 二次回路负载不受限制 数字量、可共享 无此类问题

主要内容
1 2 智能变电站的优势 电子式互感器/合并单元 智能终端 IEC 61850标准 时钟同步

3
4 5

3 智能终端
智能终端的主要功能
一次设备的数字接口: 1)接收保护动作信息/ 分合闸信号/控制信号 接收各种对一次设备 的操作命令 2)上传开关刀闸位置信号
GOOSE 点对点 智能终端 硬接点

GOOSE 网

3 智能终端
智能终端应具备的附加功能 ? 智能控制功能
–系统故障时快速开断,其它情况低速开断,提高寿命
–选相分闸:各相在各自的电流过零点依次分闸,提高开 断能力 –集成检同期和自动重合闸功能(试探—?自适应)

? 状态监视与状态检修
–跳闸回路的完好性,弹簧储能,气体压力,线圈监视等 –状态评估/故障预报/检修计划

主要内容
1 2 智能变电站的优势 电子式互感器/合并单元 智能终端 IEC 61850标准 时钟同步

3
4 5

4 IEC 61850标准
IEC 61850标准的内容框架 信息模型
物理设备 逻辑设备 5 逻辑节点 数据对象 数据属性 建模方法 7-1 7-4

信息服务模型
面向变电站层的通信 MMS报文 8-1

7-2

面向过程层的通信 SV报文 9-1/9-2

模板
7-3 公共数据类

GOOSE报文 8-1

设备与系统的描述

6

4 IEC 61850标准
IEC 61850模型与103模型
103模型: 点表形式,按照索引号进 行访问 IEC 61850模型: 面向对象的分层模型,按 照分层对象名称进行访问

R

O(x1,y1)

列表表示圆上每 一个点的坐标

给出圆心坐标和 半径,方程表示

4 IEC 61850标准
数据单元 类型 类型标识
可变结构限定词
<29>: 传送带标志的状态变位 <1>: 自发(突发)

传送原因 公共地址

信息体 标识符

功能类型

<178>: 线路保护 <78>: 距离保护I段出口

信息序号
信息元素集 信息体时标

256个语义

<79>: 距离保护II段出口 <80>: 距离保护III段出口

103模型:线性模型

4 IEC 61850标准
DA

数据属性

general phsA phsB phsC Str Op

是否动作(总) A相是否动作 B相是否动作 C相是否动作 保护启动 保护动作

1 1 0 0

DO

数据对象 逻辑节点

LN
LD PHD

接地距离I段:PDIS1 接地距离II段:PDIS2 接地距离III段:PDIS3

逻辑设备 公用/保护/测量/控制/录波 物理设备 实际的保护装置

分层模型

4 IEC 61850标准
IEC 61850的模型框架
公共LD:装置告警/装置自检信息 保护LD:保护启动/保护动作/定值/压板信息 测量LD:交流量/直流量 控制及开入LD:断路器/刀闸/变压器分接头 录波LD:录波信息

物理设备 PHD 逻辑设备 LD

逻辑节点类 LN
模板 数据对象类 DO 数据属性 DA

92个

500多个

29个

公共数据类 CDC

4 IEC 61850标准
逻辑节点组 系统逻辑节点(System Logical Node) 继电保护功能(Protection Function) 组代号 L P

继电保护相关功能(Protection Related Function)
监视控制(Supervisory Control) 通用引用(Generic Reference) 接口和存档(Interfacing and Archiving) 自动控制(Automatic Control) 计量和测量(Metering and Measurement) 开关(Switchgear)

R
C G I A M X

仪用变压器(Instrument Transformer)
电力变压器(Power Transformer) 未来电力系统设备(Future Power System Equipment)

T
Y Z

4 IEC 61850标准
距离保护逻辑节点模板:PDIS(1/2)
数据对象名
Str Op PoRch PhStr GndStr DirMod PctRch Ofs pctOfs RisLod AngLod

ACD:方向保护激活 ACT:保护激活 ASG:模拟定值 ING:整数状态定值

CDC类型
ACD ACT ASG ASG ASG ING ASG ASG ASG ASG ASG 启动 动作

说明

M/O
M M O O O O O O O O

欧姆圆直径 相启动值 对地启动值 方向模式 范围百分比 偏移 偏移百分比 负荷区域电阻范围 负荷区域角度

O

4 IEC 61850标准
距离保护逻辑节点模板:PDIS(2/2)
数据对象名
TmDlMod
OpDlTmms

CDC类型
SPG ING

说明
动作时间延迟模式 动作时间延迟

M/O
O O

PhDlMod
PhDlTmms GndDlMod GndDlTmms X1

SPG
ING SPG ING ASG

相间故障动作延时模式
相间故障动作时间延时 单相故障动作时间延时模式 单相故障动作时间延时 线路正序阻抗

O
O O O O

LinAng
K0Fact K0FactAng RsDlTmms

ASG
ASG ASG ING

线路阻抗角
零序补偿系数K0 零序补偿系数角 复归延时

O
O O O

SPG:单点状态定值

ING:整数状态定值

ASG:模拟定值

4 IEC 61850标准
IEC 61850模型扩展原则
LN、DO和CDC都可以扩展 扩展应遵循国网公司标准 《IEC61850国际标准工程化实施技术规范》
逻辑设备 LD 物理设备 PHD

《IEC61850工程应用模型》
模板

逻辑节点类 LN

数据对象类 DO 公共数据类 CDC 数据属性 DA

IEC 61850模型体系结构

4 IEC 61850标准
PDIS逻辑节点模板
数据对象名
Str
Op

实际工程中的PDIS逻辑节点
数据对象名 CDC类型 强制性数据对象 必须包含
Str
Op GndStr PoRch

M/O
M M

GndStr
PoRch Ofs

O
O O

GndDlMod
GndDlTmms X1 LinAng K0Fact K0FactAng ……

O
O O O O O O

选择需要利用的 可选性数据对象

Ofs K0Fact K0FactAng

距离Ⅱ段永跳投入 距离Ⅲ段永跳投入

SedBlkRec TrdBlkRec

SPG SPG

PDIS模板中未提供的 数据对象按规则扩展

4 IEC 61850标准
模板
搭建装置的 信息模型

模型仓库
逻辑节点 数据对象 数据属性

“拷贝”

实例

4 IEC 61850标准
IEC 61850标准的内容框架 信息模型
物理设备 逻辑设备 5 逻辑节点 数据对象 数据属性 建模方法 7-1 7-4

信息服务模型
面向变电站层的通信 MMS报文 8

7-2

面向过程层的通信 SV报文 GOOSE报文 9-1/9-2 8 6

模板
7-3 公共数据类

设备与系统的描述

4 IEC 61850标准
三类服务模型:MMS、GOOSE和SV
监控主机

1)保护与监控主机
保护动作信息/异常告警信息 定值信息/录波信息等 MMS
MMS

2)保护与智能终端
状态信息(GOOSE) 开关量

SV 合并 单元

GOOSE 智能 终端

3)保护与合并单元
采样值信息(SV) 模拟量

4 IEC 61850标准

MMS服务模型 定值组控制块模型 报告控制块 日志控制块模型 控制模型 文件传输模型 ……
定值的读/写/切换

保护动作信号上传当地监控
事件顺序记录的检索 分合闸控制,变压器抽头控制 录波数据文件的传输

4 IEC 61850标准
GOOSE报文的格式
参数名
DatSet AppID GoCBRef

参数类型
ObjectReference VISIBLE STRING 65 ObjectReference

值/值域/解释
数据集的路径 应用标识 GOOSE控制块路径

T
StNum SqNum Test ConfRev NdsCom GOOSEData[1~n]

EntryTime
INT32U INT32U BOOLEAN INT32U BOOLEAN

时标
状态号(事件计数器) 序列号(报文计数器) 测试标识位 配置版本号 需要重新配置 数据集成员1~n

4 IEC 61850标准
数据集的概念
GndPDIS1 Op 逻辑 节点 GndPDIS2 Op GndPDIS3 Op 数据对象 general PhsA PhsB PhsC general PhsA PhsB PhsC general PhsA PhsB PhsC 数据属性 GndPDIS1.Op.general GndPDIS1.Op.PhsA GndPDIS1.Op.PhsB GndPDIS1.Op.PhsC GndPDIS2.Op.general

1
1 0 0 0 0 0 0

GndPDIS2.Op.PhsA GndPDIS2.Op.PhsB GndPDIS2.Op.PhsC
GndPDIS3.Op.general GndPDIS3.Op.PhsA GndPDIS3.Op.PhsB GndPDIS3.Op.PhsC

0 0 0 0
接地距离保护 I段动作跳A相

数据属性的集合

4 IEC 61850标准
保 护 程 序
负责刷新数据集中数据的值
置1:表示动作 置0:表示返回

GndPDIS1.Op.general GndPDIS1.Op.PhsA GndPDIS1.Op.PhsB GndPDIS1.Op.PhsC ……

数据集

通 信 程 序

监视数据集中数据值的变化
一旦发生变化就认为产生一个事件 以特殊的重传机制发送GOOSE报文

4 IEC 61850标准
GOOSE传输机制:变时间间隔重复传输
事件计数器C1 报文计数器C2

C1=8 C2=10

C1=9 C2=0

保护动作

C1=9 C2=5

事件发生时以较短的间隔连续传输(1ms,2ms,4ms), 避免数据报文的丢失 事件结束后以较长的间隔连续传输(1s),以保持通信线 路的畅通

4 IEC 61850标准
保护程序:刷新数据
GndPDIS1.Op.general GndPDIS1.Op.PhsA GndPDIS1.Op.PhsB GndPDIS1.Op.PhsC

保护程序判断结果 距离I段动作,跳A相
0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

返回时间到
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0

St5 Sq7

St5 Sq8

St6 St6 St6 Sq0Sq1Sq2

St6 Sq3

St7 St7 St7 St7 Sq0 Sq1 Sq2 Sq3

St7 Sq4

1024ms

1ms1ms 2ms

1ms1ms 2ms

1024ms

St:事件计数器 Sq:报文计数器

事件发生时刻

事件发生时刻

St加1,Sq清零

St加1,Sq清零

通信程序:监测数据变化/传输GOOSE报文

4 IEC 61850标准
IEC 61850标准的内容框架 信息模型
物理设备 逻辑设备 5 逻辑节点 数据对象 数据属性 建模方法 7-1 7-4

信息服务模型
面向变电站层的通信 MMS报文 8

7-2

面向过程层的通信 SV报文 GOOSE报文 9-1/9-2 8 6

模板
7-3 公共数据类

设备与系统的描述

4 IEC 61850标准 变电站系统与设备的描述
四个重要的描述文件 SSD:系统规格文件(一次系统接线图和相关逻辑节点) ICD:IED设备能力描述(功能,信息模型和服务模型) CID:IED实例配置文件(二次设备模型、与一次系 统的关联、通信参数) SCD:全站系统配置文件(一次系统、二次设备及其 与一次设备的关联、通信系统)是最完整的描述

4 IEC 61850标准
各种描述文件的作用和流转过程
描述一次接线图 .ssd文件 (1个,系统集成商提供) 通信系统设计 .scd文件 描述一次接线、二 次设备和通信系统 (最完整)

实例化,确定二次设备 与一次系统的对应关系 描述二次设备的基 .icd文件 本数据模型与服务 (多个,由制造商提供) 描述二次设备模型、 通信参数及与一次系 统的对应关系 . cid文件

…… . cid文件

4 IEC 61850标准
.ssd文件
TCTR1 TCTR2 TVTR1

通信系统
SV GOOSE

XCBR1

XCBR2

.scd文件
LinePro_1 LD_1 PhtoPh_PDIS_1 PhtoPh_PDIS_2 PhtoPh_PDIS_3 LinePro_2 LD_1 PhtoPh_PDIS_1 PhtoPh_PDIS_2 PhtoPh_PDIS_3 DisRelay .icd文件 LD_1 PDIS_1 PDIS_2 PDIS_3

.cid文件

.cid文件

4 IEC 61850标准

装置1


装置2


压板 Ua Ub Uc Ia Ib Ic Ta Tb Tc

压板 Ta Tb Tc

电缆

“端子”的概念对于二次回路的设计/施工/调试意义重大!

4 IEC 61850标准
传统二次回路设计与实施过程: 1)设备制造商提供端子排,视需要在重要端子排 和装置之间设置压板 2)设计院设计各个屏柜的端子排之间的二次电缆 连线 3)施工:根据设计院的设计图纸进行屏柜间接线

4)调试:根据图纸对相关接线进行测试和检查

4 IEC 61850标准

装置1
软压板 GOOSE 数据集
GndPDIS1.Op.general GndPDIS1.Op.PhsA GndPDIS1.Op.PhsB GndPDIS1.Op.PhsC

装置2
软压板 GOOSE

清晰明确的电缆变成看不见摸不着的通信网络

4 IEC 61850标准
引入虚端子后二次回路设计和实施

4 IEC 61850标准
用户方面
引入“虚端子”概念 网络报文分析装置

监视通信回路、记录网络报文

清晰明确的电缆连接变成 看不见摸不着的通信网络

引入“虚端子”概念 延续以往的端子排设计与校核

交换描述文件.scd和.cid 配置输入输出并校核

设计院方面

制造商方面

4 IEC 61850标准
IEC 61850应用范围的扩大
IEC 61850-90-1:变电站间的IEC 61850规约(2010年)

闭锁式的距离保护 线路差动保护 IEC 61850-90-2:变电站与调度中心的IEC 61850规约 包括远动信息、故障信息、 PMU信息等
需要解决IEC 61850与IEC 61970 CIM之间的协调 IEC 61850-90-3:电力设备状态监测

IEC 61850-7-410:水电厂监控系统模型 IEC 61850-7-420:分布式能源监控系统模型

EMS
61970

DMS
61968 61970

61968

61968 公共总线 61970

电力系统通信系统现状
101:传统的远动信息

SCADA

控制中心

102:计量信息

IEC 60870

按功能分多种协议:

103:保护信息
104:基于TCP/IP的网络化101
变电站监控

变电站监控
103

专用光纤

103

保护设备 控制设备 测量设备
电缆

保护设备 控制设备 测量设备
电缆

开关设备 变压器 互感器

开关设备 变压器 互感器

基于IEC 61850的无缝通信体系结构
EMS
61970

DMS
61968 61970

61968

61968 公共总线 61970

SCADA

IEC 61850协议不仅统一 站内的通信,还扩展到变

控制中心

61850-90-2

电站与变电站之间,变电 站与控制中心之间。

变电站监控
61850-8

变电站监控
61850-8

保护设备

控制设备 测量设备
61850-9

6185090-1

保护设备

控制设备 测量设备
61850-9

开关设备 变压器

互感器

开关设备 变压器

互感器

小结 ? IEC 61850主要内容:信息模型 & 服务模型 ? 统一的、面向对象的层次化信息模型 ? 三类信息服务模型
– MMS:运行维护报文
– GOOSE:开关量报文 – SV:采样值报文

? 配置描述文件的作用 ? IEC 61850标准应用范围的扩大

主要内容
1 2 智能变电站的优势 电子式互感器/合并单元 智能终端 IEC 61850标准 时钟同步

3
4 5

5 时钟同步
? 三种采样值规范
– IEC 60044-8 点对点 – IEC 61850-9-1 点对点(已废除) – IEC 61850-9-2 点对点或交换式以太网

? 三种时钟同步方式
– IRIG-B – NTP/SNTP (简单)网络时钟协议 – IEEE 1588 精确时钟协议

5 时钟同步
采样值规范比较
IEC 60044-8 帧格式 IEC 60870 FT3 IEC 61850-9-2 以太网帧

网络结构 传输速率
传输延迟 数据同步 标准维护

点对点方式 5Mbps 采样率 < 5k
固定 不依赖外部时钟 已被取消

点对点方式/交换式以太网 100Mbps/1000Mbps 采样率 = 4k,12.8k
点对点时固定 交换式以太网时不固定

采用交换式以太网时 依赖外部时钟
标准长期支持

5 时钟同步
电力系统的绝大多数参数都是时间的函数 守时:独立的时钟保持时间精确的能力(晶振) 时钟同步:从时钟与主时钟保持一致的能力 数据同步:差动保护所用的数据是同时刻采集的数据
同步等级 T1 T2 精度 ±1ms ±0.1ms 目的 事件时标 分布同期和数据时标

T3
T4 T5

±25us
±4us ±1us

线路行波测距、同步相量

5 时钟同步
需要时钟同步的设备
1)各相电流、电压的同步 2)各间隔电流、电压的同步 对策:合并单元内实现同步

跨间隔保护需要同时刻采集的数据
对策: a)保护装置插值同步(各间隔合并单元可以不同步) b)保证各间隔合并单元严格同步,同时刻采集数据 IRIG-B IEEE 1588

5 时钟同步
插值同步方法
由保护装置实现数据同步 保护装置自己产生一个新的采样序列

X1 X13
X12 X11

要求: 传输延迟固定
T T13 同步插值时刻

T11

T12

X21

X22

X2 X23
T T23

T21

T22

5 时钟同步
各个合并单元保证同时刻采集数据

……
高压侧 合并单元

变压器保护

……
中压侧 合并单元

……
低压侧 合并单元

接收端根据采样计 数器对齐数据

0

1

3999

采样计数器

5 时钟同步
时钟同步方式比较
IRIG-B 同步精度 同步方式 成本 应用 1us 点对点方式 较低 已广泛采用 NTP/SNTP 1ms 点对点方式 /交换式以太网 低 同步精度低,只能 应用于变电站层 IEEE 1588 1us 点对点方式 /交换式以太网 很高 同步精度高,可 应用于过程层

5 时钟同步
NTP/SNTP时钟同步原理
主时钟 从时钟 T1 d1 T2 T3 d2 T4 得知T2,T3 T2-t T3-t

T1+t

T2-( T1+t) = d1

T4-(T3-t) = d2
其中 t:时钟偏差

d1,d2:传输时间

如果往返的传输时间相等,根据四个时刻可以求得时 钟偏差和传输时间

5 时钟同步
NTP/SNTP时钟同步精度不高的原因(1ms)
主时钟 应用层 表示层 报文 编码 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 不确定 网络 路径时间 写入/读取 时标 从时钟 应用层 表示层 会话层 传输层 报文 解码 不确定

网络层
数据链路层 物理层

不确定

在高层(应用层)打时标,传输时间包含三个环节 三个环节都具有不确定性,d1与d2不相等,偏差大

5 时钟同步
举例说明
主时钟 应用层 表示层 会话层 从时钟 应用层 表示层 会话层

4

3

传输层

传输层
网络 路径时间 2 1 网络层 数据链路层 物理层

4

5

网络层
数据链路层 物理层

d1 = 8

d2 = 11

5 时钟同步
IEEE 1588时钟同步原理(1)
主时钟 T4 T1 T2 从时钟 T3
主时钟 T0 T1 跟随报文 含T1时刻 从时钟

d1

T2 得知T1

物理层

物理层

T3

时标获取的位置

T4 答复报文 含T4时刻

d2 得知T4

在底层(物理层)打时标,避免了报文处理时间的不确定性

5 时钟同步
IEEE 1588时钟同步原理(2)
Grandmaster Clock

主时钟

Transparent Clock PTP SWITCH FABRIC

交换机

从时钟 Clock

Ordinary

PTP MAC MAC MAC

PTP MAC Timestamp Units PHY PHY pdelay_req and pdelay_resp Messages

t2
PHY

t3

t4
PHY

t1

交换机和主时钟发送报文计算主时钟到交换机的传输时间 以此类推,可以精确计算每一段传输路径的延时

GM to TC Path Delay = (t2

– t1 + t4 – t3) / 2

5 时钟同步
IEEE 1588时钟同步原理(3)
Grandmaster 主时钟 Clock Transparent Clock 交换机 PTP SWITCH FABRIC PTP MAC MAC MAC PTP MAC Ordinary 从时钟 Clock

t1
PHY PHY

t2

t3
PHY PHY

t4

Timestamp Units

Sync Message

交换机可记录“同步报文”在交换机内的驻留时间(t3- t2)

Sync Correction Field = t3

– t2

5 时钟同步
IEEE 1588时钟同步精度与可靠性
典型同步精度:100ns 最佳主时钟选择机制:自动选择第二主时钟(容错性强)

评价
时钟同步精度高,可利用已有的通信网络 在物理层打时标,需要专用的硬件,价格昂贵 IEEE PSRC H7工作组,正制定1588在电力系统中应用 的标准(2010年),是今后的发展趋势

5 时钟同步
采样值规范比较
IEC 60044-8 帧格式 IEC 60870 FT3 IEC 61850-9-2 以太网帧

网络结构
传输速率 传输延迟 数据同步 标准维护

点对点方式
5Mbps 采样率 < 5k 固定 不依赖外部时钟 已被取消

点对点方式/交换式以太网
100Mbps/1000Mbps 采样率 = 4k,12.8k 点对点时固定 交换式以太网时不固定 采用交换式以太网时 依赖外部时钟 标准长期支持

5 时钟同步
? 《智能变电站继电保护技术规范》明确: 保护应“直采直跳”
原因: ? 点对点直接获取采样值(IEC 60044-8或IEC 61850-9-2), 传输延时固定,可由保护装置利用插值法对数据进行同步, 不依赖外部时钟 ? 经过网络获取采样值,传输延迟不固定,必须依赖外部时 钟,而且存在丢点现象,可靠性降低 ? 网络交换机技术尚未成熟,成本较高,IEEE 1588的应用 尚未成熟

总结
? 智能变电站是变电站综合自动化基础上的一次技 术进步; ? 主要特征是:一次设备的数字化、二次设备的网 络化、统一信息模型; ? 网络技术的应用对未来智能变电站发展具有重要 影响:点对点等专网——公共网络;

? 新功能和新应用的产生会大大促进智能变电站的 发展。

谢谢各位专家!


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