區(qū)域電網(wǎng)同步數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)探討

摘 要： 旨在探討分散智能電子設(shè)備之間高密度同步采樣和低延時(shí)固定路徑實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步傳輸方法，構(gòu)建了由區(qū)域應(yīng)用設(shè)備、區(qū)域數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置、變電站數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)發(fā)裝置及智能電子設(shè)備組成的級(jí)聯(lián)式同步以太網(wǎng)。區(qū)域數(shù)據(jù)交換裝置為全網(wǎng)提供定時(shí)和同步參考，并負(fù)責(zé)自身與各級(jí)數(shù)據(jù)合并裝置之間端到端的延遲測量，數(shù)據(jù)合并裝置及智能電子設(shè)備在本地恢復(fù)的同步脈沖觸發(fā)下完成數(shù)據(jù)采集和同步回傳。測試和運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全局同步采樣和過程層數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，保證了區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 同步采樣； 同步以太網(wǎng)； 區(qū)域數(shù)據(jù)測量； 區(qū)域保護(hù)

中圖分類號(hào)： TN915.1?34； TP873+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(xiàn)有的廣域測量系統(tǒng)是以同步相量測量技術(shù)為基礎(chǔ)，主要面向大跨度電網(wǎng)，雖然具有異地高精度和同步相量測量能力，但總體來說動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄密度不高（100 f/s左右）[1]，數(shù)據(jù)更新時(shí)間慢[2?3]，為20～50 ms。而目前的傳送網(wǎng)更關(guān)注帶寬利用率，使廣域傳送的數(shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)性和確定性很難提高。相比而言，區(qū)域電網(wǎng)中相關(guān)聯(lián)的變電站或電氣場之間物理距離不遠(yuǎn)，有可能為區(qū)域保護(hù)構(gòu)建單獨(dú)的繼電保護(hù)專網(wǎng)，而基于專網(wǎng)的區(qū)域同步數(shù)據(jù)采集和低延時(shí)傳輸將極大地提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，并為區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)提供更多策略選擇[4?6]。

1 問題的提出

與常規(guī)智能站不同，區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要面臨以下幾個(gè)問題：

（1） 系統(tǒng)內(nèi)智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）在空間上分屬不同的變電站，如何實(shí)現(xiàn)站間穩(wěn)定同步[7]；

（2） 同步源的周期擾動(dòng)和各IED節(jié)點(diǎn)參考時(shí)鐘的漂移，導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)的同步抖動(dòng)較大；

（3） 來自不同的變電站數(shù)據(jù)源到達(dá)區(qū)域應(yīng)用主機(jī)的路徑延時(shí)各不相同，如何快速獲得統(tǒng)一時(shí)間斷面的采樣值數(shù)據(jù)；

（4） 系統(tǒng)的采樣密度密度問題，合適的采樣密度能夠?yàn)閰^(qū)域電網(wǎng)的保護(hù)、測量、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄提供一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)；

（5） 如何保證多業(yè)務(wù)共網(wǎng)時(shí)采樣數(shù)據(jù)固定路徑低時(shí)延傳送問題等。

此處以陽煤集團(tuán)所屬28個(gè)變電站為例，給出一種有源級(jí)聯(lián)式采集系統(tǒng)，由頂層提供全網(wǎng)定時(shí)參考和路徑延遲測量，并逐級(jí)完成系統(tǒng)同步及同步脈沖恢復(fù)。各變電站的IED在同步脈沖觸發(fā)下完成數(shù)據(jù)采集，硬件保證采樣值每個(gè)間隔都能同步回傳。系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備采用電路交換、延遲補(bǔ)償、硬件優(yōu)先級(jí)劃分等手段保證多業(yè)務(wù)共網(wǎng)時(shí)采樣值數(shù)據(jù)固定時(shí)延傳送，本文就系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)、運(yùn)行維護(hù)等方面進(jìn)行了探討。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)endprint

采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由系統(tǒng)層的區(qū)域應(yīng)用業(yè)務(wù)主機(jī)和時(shí)間服務(wù)器、區(qū)域數(shù)據(jù)交換和通信管理裝置（SWITCH），位于變電站的站域數(shù)據(jù)合并和轉(zhuǎn)發(fā)裝置（Merging Unit，MU）與過程層的IED組成。系統(tǒng)中應(yīng)用業(yè)務(wù)主機(jī)主要負(fù)責(zé)如區(qū)域保護(hù)、安全穩(wěn)控、故障數(shù)據(jù)記錄等系統(tǒng)級(jí)功能。SWITCH負(fù)責(zé)收集來各級(jí)MU的采樣值數(shù)據(jù)并向應(yīng)用主機(jī)提供整合后的過程量；MU負(fù)責(zé)本變電站IED數(shù)據(jù)收集和級(jí)聯(lián)變電站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；IED則負(fù)責(zé)過程量采集和傳輸以及執(zhí)行來自區(qū)域主機(jī)或站域主機(jī)的控制命令。時(shí)間服務(wù)器經(jīng)SWITCH的IRIG?B接口接入，為各級(jí)設(shè)備提供絕對(duì)時(shí)間和同步參考。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.1 區(qū)域數(shù)據(jù)交換裝置

區(qū)域數(shù)據(jù)交換裝置（SWITCH）以FPGA為核心，負(fù)責(zé)各級(jí)MU的采樣值數(shù)據(jù)整合和主機(jī)控制命令分解及鏈路管理功能，如圖2所示。

圖2中來自級(jí)聯(lián)端口的采樣值數(shù)據(jù)經(jīng)硬件解碼和緩沖后進(jìn)入采樣值緩沖池，在同步信號(hào)ASYN的觸發(fā)下由硬件根據(jù)上行轉(zhuǎn)發(fā)表生成采樣值報(bào)文經(jīng)應(yīng)用接口提交到業(yè)務(wù)主機(jī)。主機(jī)下行命令由控制報(bào)文交換模塊根據(jù)下行轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行目標(biāo)尋徑，然后經(jīng)下行復(fù)用器進(jìn)入級(jí)聯(lián)端口發(fā)送；而下行分組復(fù)用器由硬件保證優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)控制報(bào)文，僅在空閑時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)來自通用業(yè)務(wù)報(bào)文。MCU軟件負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)表的維護(hù)、同步恢復(fù)和各級(jí)聯(lián)MU的運(yùn)行維護(hù)。在本地秒脈沖的觸發(fā)下，MCU周期性向下行各端口廣播注冊(cè)許可報(bào)文，通過接收下級(jí)MU的注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文完成SWITCH到各級(jí)MU的鏈路延遲測量。

圖2 SWITCH體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 站域數(shù)據(jù)合并裝置和轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)化

站域數(shù)據(jù)合并裝置和轉(zhuǎn)發(fā)（MU）以FPGA為核心，通過改進(jìn)現(xiàn)有直通轉(zhuǎn)發(fā)策略，取消目標(biāo)地址解析，改用電路交換和FIFO緩沖的技術(shù)，可進(jìn)一步低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MU體系結(jié)構(gòu)圖

圖3中下行數(shù)據(jù)分成兩路：一路經(jīng)過多通道的FIFO緩沖后直接送往其下行接口；另一路進(jìn)入MAC控制器成幀后送MCU和下行解復(fù)用器進(jìn)行解包，隨后解復(fù)用器按一定規(guī)則將控制報(bào)文選送至目標(biāo)IED所連接端口。對(duì)本地收集至各IED的過程量，由上行復(fù)用器進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和打包，一路送本地MCU（MCU根據(jù)配置決定該報(bào)文是否轉(zhuǎn)發(fā)至本地應(yīng)用業(yè)務(wù)接口），另一路送上行MAC控制器的實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)接口（LV1）。來自下級(jí)級(jí)聯(lián)端口和本地應(yīng)用接口的非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)MCU緩沖后被送到上行MAC控制器的LV0隊(duì)列，由上行MAC控制器擇機(jī)發(fā)送。

在圖3所示MU中上行的多路選擇器在本地時(shí)隙控制器的控制下，按預(yù)先設(shè)定的時(shí)隙順序選擇發(fā)送本級(jí)直采數(shù)據(jù)或下級(jí)MU的數(shù)據(jù)。時(shí)隙控制器則由同步恢復(fù)模塊控制，在本級(jí)MU沒有和SWITCH同步前，時(shí)隙控制器不會(huì)選擇轉(zhuǎn)發(fā)下級(jí)MU數(shù)據(jù)以及本級(jí)直采數(shù)據(jù)包。

2.3 系統(tǒng)參考時(shí)鐘優(yōu)化

就圖1來說，若各分散設(shè)備采用本地晶體作為定時(shí)參考，其頻偏和漂移會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失步和同步抖動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)增加，為此進(jìn)行改進(jìn)。

首先頂層SWITCH采用高穩(wěn)定度的OCXO作為工作時(shí)鐘、定時(shí)參考及網(wǎng)絡(luò)物理層發(fā)送參考時(shí)鐘；其次處于中間級(jí)聯(lián)位置的MU則利用以太網(wǎng)物理層從上行級(jí)聯(lián)端口（圖3中RX0端口）恢復(fù)出的接收時(shí)鐘作為本地網(wǎng)絡(luò)物理層發(fā)送時(shí)鐘和本地定時(shí)參考；最后，過程層IED則從MU下行數(shù)據(jù)鏈路中恢復(fù)出接收時(shí)鐘，同時(shí)使用該時(shí)鐘作為本地定時(shí)和發(fā)送參考。如此，系統(tǒng)定時(shí)直接或間接地同步于頂層高穩(wěn)定度的溫補(bǔ)晶體OCXO，系統(tǒng)級(jí)的同步和定時(shí)的穩(wěn)定性得到保證，同步抖動(dòng)也大大減小。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳送規(guī)則及優(yōu)化

為簡化實(shí)現(xiàn)和延長傳送距離，系統(tǒng)硬件上采用層次式有源級(jí)聯(lián)，邏輯上基于多點(diǎn)控制協(xié)議（MPCP）[8]進(jìn)行改進(jìn)，兼容電路交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，按頂層SWITCH的下行級(jí)聯(lián)口劃分網(wǎng)絡(luò)沖突域和單獨(dú)的同步域（如圖1所示），同一個(gè)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(gè)沖突域中的各級(jí)MU進(jìn)行獨(dú)立鏈路測距和同步?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)的解決方案中，在各節(jié)點(diǎn)延遲測量沒有結(jié)束之前上行報(bào)文存在沖突，這里結(jié)合本系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)傳送規(guī)則進(jìn)行如下改進(jìn)：

（1） 鏈路測距等管理報(bào)文采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式逐級(jí)上行；

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

（3） 各級(jí)MU采樣值報(bào)文必須在系統(tǒng)管理員規(guī)定的窗口中發(fā)送；

（4） 若SWITCH重啟則清除所有MU注冊(cè)授權(quán)標(biāo)記和鏈路延遲數(shù)據(jù)，并依據(jù)配置表向各端口發(fā)送注冊(cè)許可幀，進(jìn)行新一輪的延遲測量；

（5） 若MU啟動(dòng)后則關(guān)閉本級(jí)電路轉(zhuǎn)發(fā)并等待來自SWITCH的注冊(cè)許可報(bào)文，根據(jù)需要發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求幀并按注冊(cè)許可報(bào)文中授權(quán)標(biāo)記判斷本節(jié)點(diǎn)是否注冊(cè)成功；

（6） 注冊(cè)成功的MU將記憶注冊(cè)許可報(bào)文中的本節(jié)點(diǎn)路徑延遲，隨后完成初始化并開放電路轉(zhuǎn)發(fā)功能；

SWITCH特定下行口級(jí)聯(lián)的所有MU測距完成則認(rèn)為該支路初始化完成，通過改進(jìn)的轉(zhuǎn)發(fā)管理策略，本系統(tǒng)很好地解決了上行沖突問題。

3 鏈路延遲測量

本文對(duì)目前延遲測量方法進(jìn)行改進(jìn)[8?9]，由硬件標(biāo)記時(shí)間戳，并在MU應(yīng)答的注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文中增加許可報(bào)文發(fā)送時(shí)間和請(qǐng)求報(bào)文每一跳駐留時(shí)間修正字段，來提高延遲測量精度。

圖4中SWITCH在[T1]時(shí)刻發(fā)送注冊(cè)許可報(bào)文，MU在[T2]時(shí)刻接收到該報(bào)文并在[T3]時(shí)刻發(fā)回注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文（其駐留時(shí)間修正字段為0），該報(bào)文在[T4]時(shí)刻到達(dá)SWTICH。其中[δt]為電路轉(zhuǎn)發(fā)延遲固定為4個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘，[MUi]和[MUi+1]為負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的中間MU，而[ΔTi]和[ΔTi+1]為中間級(jí)MU的軟件轉(zhuǎn)發(fā)延遲。故SWITCH可按下式計(jì)算它和對(duì)應(yīng)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(jí)電路轉(zhuǎn)發(fā)延遲[δt]，其中[iΔTi]為中間級(jí)聯(lián)的MU的軟件駐留時(shí)間的總和，由硬件按下面方法自動(dòng)計(jì)算。

圖4 端到端延遲測量示意圖

當(dāng)注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)MU的網(wǎng)端口時(shí)由軟件讀取報(bào)文到達(dá)時(shí)間[Trcv]和報(bào)文中攜帶的修正時(shí)間字段[Tpkt_correct]，然后將差值[Trcv-Tpkt_correct]寫入發(fā)送描述符，該報(bào)文離開時(shí)硬件采用發(fā)送時(shí)間[Txmit]和發(fā)送描述符的時(shí)間之差作為新的修正時(shí)間[Tnew_pkt_correct]，即：

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

最后，MU的注冊(cè)請(qǐng)求報(bào)文最終到達(dá)SWITCH時(shí)，其報(bào)文中修正時(shí)間字段則為中間各級(jí)MU的軟件駐留時(shí)間之和。實(shí)現(xiàn)時(shí)，SWITCH需要對(duì)同一個(gè)MU進(jìn)行多次測量，并取平滑后的結(jié)果做最終的鏈路延遲，該延遲隨后通過注冊(cè)許可報(bào)文發(fā)布給相應(yīng)的MU。

4 同步恢復(fù)

圖1中，系統(tǒng)以SWITCH的下行級(jí)聯(lián)端口為獨(dú)立同步域，自上而下逐級(jí)同步。SWITCH通過跟蹤IRIG?B信號(hào)，恢復(fù)出本地秒脈沖（PPS）準(zhǔn)時(shí)沿并在PPS準(zhǔn)時(shí)沿記錄本地時(shí)間戳[Tsw_pps]和觸發(fā)包含[Tsw_pps]注冊(cè)許可報(bào)文（見圖4），MU可推斷出本地PPS準(zhǔn)時(shí)沿位置為[9]：[Tmu_pps=Tsw_pps+（T2-T1）]。設(shè)第[i]次測量為[Tmu_pps_i=][Tsw_pps_i+（T2_i-T1_i）]，則MU側(cè)獲得一個(gè)隨時(shí)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(gè)測量值的增量并取平均作為MU的秒脈沖寬度，MU可估計(jì)出下一秒準(zhǔn)時(shí)沿時(shí)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(gè)具有輸出比較功能的定時(shí)器來比較本地時(shí)間戳定時(shí)器和新的秒脈沖的預(yù)測值，當(dāng)二者一致時(shí)輸出本地秒脈沖，通過類似的方法實(shí)現(xiàn)IED和MU之間的定時(shí)器同步。最后，各級(jí)MU和IED以本地秒脈沖為參考點(diǎn)，產(chǎn)生間隔為[Ts]的采樣脈沖ASYN，過程層IED在脈沖ASYN觸發(fā)下啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，并向MU回傳上一采樣間隔的采樣值。

如第2.3節(jié)所述，由于系統(tǒng)各級(jí)設(shè)備的同步定時(shí)器基于同一個(gè)參考時(shí)鐘，加之本地自守時(shí)模塊的作用，一旦系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)，會(huì)在較長的時(shí)間內(nèi)處于低抖動(dòng)的同步保持狀態(tài)。

5 同步數(shù)據(jù)傳輸和延遲補(bǔ)償

MU將本變電站的采樣值數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，壓縮打包后在下一個(gè)采樣間隔中等待觸發(fā)傳送。為補(bǔ)償鏈路延遲，MU通過數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生超前采樣脈沖ASYN時(shí)間為[Tmu_delay]的發(fā)送觸發(fā)信號(hào)MU_TX_SYN，由該信號(hào)觸發(fā)產(chǎn)生本地傳輸節(jié)拍，使本地?cái)?shù)據(jù)上行到達(dá)SWITCH時(shí)鏈路延遲恰好被補(bǔ)償完。

如圖5所示，MU的傳輸節(jié)拍被劃分為實(shí)時(shí)窗口[Tw]和普通窗口[Tp]，并且硬件保證普通業(yè)務(wù)只在窗口[Tp]傳輸。其中實(shí)時(shí)窗口[Tw]用來傳送上行采樣值，又被還分為若干時(shí)隙，由系統(tǒng)靜態(tài)分配各級(jí)MU的邏輯地址、時(shí)隙寬度和時(shí)隙位置。在傳送窗口[Tw]內(nèi)，只有在當(dāng)前時(shí)隙與MU被授權(quán)的時(shí)隙一致時(shí)才可以插入傳送本地采樣值數(shù)據(jù)（如圖5中時(shí)隙[T5]，對(duì)應(yīng)邏輯地址為5的MU授權(quán)發(fā)包時(shí)隙），其他時(shí)隙按配置依次向上轉(zhuǎn)發(fā)來自各個(gè)下行口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過靜態(tài)時(shí)隙規(guī)劃，不僅使采樣值每個(gè)采樣間隔都能得到傳輸且延時(shí)固定，還大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

圖5 數(shù)據(jù)分組傳送示意圖

位于區(qū)域控制中心的SWITCH則在系統(tǒng)級(jí)采樣脈沖的觸發(fā)下收集來自下行端口的過程層數(shù)據(jù)，生成系統(tǒng)一個(gè)時(shí)間斷面數(shù)據(jù)，并按照配置向各應(yīng)用主機(jī)提交。

6 路徑規(guī)劃及運(yùn)維

區(qū)域應(yīng)用業(yè)務(wù)集成和數(shù)據(jù)共享及過程層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定是系統(tǒng)重要特征，系統(tǒng)配置和維護(hù)工具正是基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)完成的。工具以各變電站的IED所采集的過程層數(shù)據(jù)和控制對(duì)象構(gòu)建資源庫，根據(jù)應(yīng)用主機(jī)數(shù)據(jù)要求采用自頂向下的建模順序，先確定整個(gè)應(yīng)用對(duì)各變電站的數(shù)據(jù)要求，再為各MU確定本級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)隙寬度、時(shí)隙位置和邏輯地址、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查找表等，MU根據(jù)查找表對(duì)來自所轄IED的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬壓縮和打包匯聚后上網(wǎng)傳送。SWITCH則將區(qū)域數(shù)據(jù)匯總在一個(gè)緩沖池中，由配置工具根據(jù)應(yīng)用主機(jī)的功能和數(shù)據(jù)模型文件編制上行轉(zhuǎn)發(fā)表，指導(dǎo)SWITCH以IED為單位為不同應(yīng)用端口重組過程層采樣數(shù)據(jù)。

此外，配置工具以SWITCH下行端口為一個(gè)獨(dú)立控制域，規(guī)劃應(yīng)用主機(jī)面向IED的控制報(bào)文的傳送路徑，并生成下行路徑查找表，以便SWITCH正確轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用主機(jī)的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)的MU也包含一個(gè)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(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用主機(jī)的控制命令道特定IED。

如前所述，在SWITCH和MU的軟件中均設(shè)計(jì)一個(gè)TCP服務(wù)端，維護(hù)數(shù)據(jù)通過SWITCH的管理端口以普通分組模式可以到達(dá)系統(tǒng)中任何一個(gè)MU，系統(tǒng)工具以此實(shí)現(xiàn)包括配置管理、運(yùn)行工況和固件升級(jí)等遠(yuǎn)程運(yùn)維。

7 系統(tǒng)測試

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

圖6 同步信號(hào)測量波形圖

通過相差分析和啟動(dòng)波形測量表明，系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)高密度精準(zhǔn)同步采樣（同步精度<100 ns，抖動(dòng)<200 ns）。進(jìn)一步利用保護(hù)動(dòng)作延時(shí)和開關(guān)量變位測試證實(shí)系統(tǒng)級(jí)傳送延時(shí)優(yōu)于1 ms，整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的延時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié) 語

本文所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中區(qū)域數(shù)據(jù)交換設(shè)備和站域數(shù)據(jù)合并設(shè)備的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)部分均由FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，區(qū)域保護(hù)主機(jī)采用高性能服務(wù)器和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)建，采用同步傳送方式，能夠?qū)崿F(xiàn)固定路徑低延時(shí)傳送，可實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)高密度精準(zhǔn)同步采樣，非常適合用作區(qū)域同步數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺(tái)，對(duì)比現(xiàn)有的廣域數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)如下：

（1） 將分散裝置定時(shí)參考同步到頂層SWITCH，可不依賴外部時(shí)鐘源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步；

（2） 通過源端延遲補(bǔ)償保證各分散裝置的采樣數(shù)據(jù)在同一時(shí)間斷面到達(dá)系統(tǒng)層；

（3） 通過時(shí)分復(fù)用和實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃技術(shù)保證采樣值和控制命令傳輸時(shí)延固定可預(yù)測；

（4） 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)獨(dú)立交換路徑，保證了注冊(cè)管理報(bào)文的無沖突傳輸；

（5） 采用電路交換和硬件多路并行轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)減少傳送延遲和傳輸抖動(dòng)。

該系統(tǒng)已在陽煤集團(tuán)通過現(xiàn)場驗(yàn)收并成功投運(yùn)，目前系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集正常，運(yùn)行良好，所涉及的相關(guān)技術(shù)已申報(bào)國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利[10]。

參考文獻(xiàn)

[1] 王茂海，謝開，徐正山.廣域測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄密度探討[J].繼電器，2008，36（4）：54?57.

[2] 薛禹勝，徐偉，萬秋蘭，等.關(guān)于廣域測量系統(tǒng)及廣域控制保護(hù)系統(tǒng)的評(píng)述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007（15）：1?5.

[3] 程云峰，張欣然，陸超.廣域測量技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014（4）：145?153.

[4] 周良才，張保會(huì)，薄志謙.廣域后備保護(hù)系統(tǒng)的自適應(yīng)跳閘策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011（1）：55?60.

[5] 丁偉，何奔騰，王慧芳，等.廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012（1）：145?155.

[6] 徐慧明，畢天姝，黃少峰，等.基于廣域同步測量系統(tǒng)的預(yù)防連鎖跳閘控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007（19）：32?38.

[7] 國家能源局.DL/T282?2012中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：合并單元技術(shù)條件[S].北京：中國電力出版社，2012.

[8] IEEE Computer Society. IEEE Std 802.3asTM?2006. Carrier sense multiple access with collision detection （CSMA/CD） access method and physical layer specifications [S]. New York： IEEE Computer Society， 2006.

[9] MILLS D L. RFC1305 network time protocol （version 3） specification， implementation and analysis [M]. Newark： University of Delaware， 1992.

[10] 龐吉耀.一種硬實(shí)時(shí)級(jí)聯(lián)式多節(jié)點(diǎn)同步采樣和數(shù)據(jù)傳輸方法：中國，CN104135359A[P].2014?11?05.