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正文內(nèi)容

智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(文件)

 

【正文】 準(zhǔn)參考 。由系統(tǒng)時(shí)鐘流程可以看出 , 時(shí)標(biāo)參考源 、 本地晶振 、 時(shí)序處理 3 個(gè)環(huán)節(jié)均存在誤差因素 , 時(shí)間同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 下圖 所示 。 b 時(shí)標(biāo)參考源誤差 GPS 發(fā)送頻率為 1 Hz 的秒脈沖至 MU 同步模塊作為時(shí)標(biāo)信號(hào) , 在 ECT、 EVT 中以該時(shí)標(biāo)信號(hào)為基準(zhǔn) , 對(duì)本地晶振輸出進(jìn)行分頻 、鑒相 、 鎖相等操作 , 在實(shí)際使用時(shí) , 受天氣 、 電磁環(huán)境 、 接收機(jī)可靠性 、 政治等方面的影響 , GPS 信號(hào)存在丟幀 , 受干擾等異常情況時(shí) ,必須考慮兼容設(shè)計(jì) 。 隨著芯片技術(shù)及高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展 , IEC6185092 將 IEEE1588 精密時(shí)鐘同步校時(shí)協(xié)議引入數(shù)字化變電站的對(duì)時(shí)應(yīng)用中 , IEEE1588基于 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 , 采用分布式網(wǎng)絡(luò)多播報(bào)文傳送技術(shù)的對(duì)時(shí)方式 , 為抑制分布式系統(tǒng)中各設(shè)備之間的時(shí)鐘誤差提供了有效途徑 。 實(shí)際應(yīng)用中 , 以太網(wǎng)交換機(jī)的路由算法 、 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴 、 網(wǎng)絡(luò)堵塞等因素均會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)間延遲既不恒定又不對(duì)稱 , 為解決傳輸時(shí)間路徑非對(duì)稱問(wèn)題 , 介紹 了邊界時(shí)鐘方法 。 由于邊界時(shí)鐘將節(jié)點(diǎn)與交換機(jī)的時(shí)鐘抖動(dòng)相隔離 , 從而最大程度地減少了傳輸延遲抖動(dòng) 。 d 時(shí)間同步系統(tǒng) 數(shù)字化變電站 一 時(shí)間同步系統(tǒng)如 下 圖所 示 。 變電站與變電站之間通過(guò) SDH 鏈路與上級(jí)調(diào)度一級(jí)主時(shí)鐘同步 , 同步精度優(yōu)于 1us, 確保變電站之間的時(shí)間同步 。 對(duì)于 MU、 測(cè)控裝置 、 保護(hù)裝置 計(jì)量裝置等網(wǎng)絡(luò)終端對(duì) 時(shí)設(shè)備的對(duì)時(shí)精度 指標(biāo) , 要求裝置至少能輸出一路脈沖形式的時(shí)間同 步信號(hào) , 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)化二次終端設(shè)備正常接收 IEEE1588 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)后 , 利用原子時(shí)鐘測(cè)試儀檢測(cè)和記錄該輸出脈沖的時(shí)間精度 , 驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)化二次終端設(shè)備接收 IEEE1588 網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)的有效性 、 準(zhǔn)確性及可靠性 。 為了造成網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷的隨機(jī)波動(dòng) , 還可額外接入計(jì)算機(jī)作為模擬的網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備 , 并進(jìn)行相互間的不定包長(zhǎng) 、 不定數(shù)據(jù)流量的隨機(jī)通信 , 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)在不同流量情況下的 IEEE1588對(duì)時(shí)精度 。 該項(xiàng)試驗(yàn)用以考核時(shí)鐘基準(zhǔn)源故障對(duì)系統(tǒng)中時(shí)間同步的影響 , 驗(yàn)證系統(tǒng)在時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)中斷及恢復(fù)情況下的時(shí)間同步性 。 智能 變電站系統(tǒng)的可靠性是通過(guò)一系列可靠性參數(shù)來(lái)衡量的。 2) MTTF和 MTBF。因此: MT BF MT T F MT T R?? ( 2) 3) 可用度 A。故并聯(lián)系統(tǒng)可用度為: 11 (1 )niiAA?? ? ?? ( 5) 4)不可用度 q 11 M T T FqA M T T F M T T R? ? ? ? ? ( 6) 根據(jù) 智能 變電站的特點(diǎn),提高其可靠性的基 本途徑有:( 1)用光纜代替銅纜,用以太網(wǎng)總線代替二次連接 導(dǎo)線,以大幅度減少系統(tǒng)中元件的數(shù)量;( 2)利用網(wǎng)絡(luò)冗余和功能冗余提高系統(tǒng)可靠性;( 3)充分利用系統(tǒng)和元件的自檢和監(jiān)視以提高系統(tǒng)可靠性。為了提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,通常采用的方法是網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)。 并行冗余協(xié)議的特點(diǎn)有:( 1)裝置內(nèi)具有鏈路冗余實(shí)體( Link Redundancy Entity),該實(shí)體將來(lái)自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)往雙端口。( 3)可以采用通用交換機(jī)。 基于 PRP 的站控層總線 發(fā)生鏈路或交換機(jī)故障時(shí),雙網(wǎng)之間能夠進(jìn)行無(wú)縫切換。間隔內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)采用雙重化配置,兩套保護(hù)完全獨(dú)立。 假定網(wǎng)絡(luò)介 質(zhì)可靠性遠(yuǎn)大于裝置,故障率為 。 根據(jù)現(xiàn)有廠家提供的數(shù)據(jù),交換機(jī)的 MTTF 最高為 50 年,即故障率為 。 G 采樣值的延時(shí)特性 a 延時(shí)特性 SAV報(bào)文遵循 IEC 6185092 規(guī)約,幀格式可靈活配置,報(bào)文長(zhǎng)度不固定給傳輸延時(shí)帶來(lái)不確定性,工程應(yīng)用亦較少,實(shí)時(shí)性有待驗(yàn)證。 td不僅為單路采樣值帶來(lái)相位誤差,還會(huì)造成多路采樣值傳輸時(shí)序的不同步; Td受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量、突發(fā)性數(shù)據(jù)尖峰等因素的影響,易導(dǎo)致延遲時(shí)間不確定,影響 SAV報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。 報(bào)文延遲時(shí)間處理 1)報(bào)文處理延時(shí) t t2。交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,當(dāng)接收到完整數(shù)據(jù)報(bào)文之后才開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文,從而支持不同速率端口之間數(shù)據(jù)報(bào)文的交換,保持高速端口與低速端口間的協(xié)同工作。 tp的大小取決于鏈路物理特性和傳播距離,與傳播信息量無(wú)關(guān),假設(shè)源端口和目的端口間的物理距離為 D,光速為 c,傳輸介質(zhì)修正系數(shù)為 k(同軸電纜中 k約為 ),傳播延時(shí)可表示為 tp = D / (kc)。 IEC 6185091和 IEC 6185092都采用了以太網(wǎng)通信技術(shù)。 b 實(shí)時(shí)計(jì)算范例 以一座 220 kV雙母線接線變電站為 例,說(shuō)明采樣值傳輸延時(shí)的測(cè)算方法。其線路間隔、母線 PT 間隔和母聯(lián)間隔的通信系網(wǎng)絡(luò)如 下 圖 所示。 基于 IEC6185092LE 的 SAV 報(bào)文幀格式 應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (application protocol data unit, APDU)提供 8 路模擬通道的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集, 每個(gè) APDU中含有 n個(gè)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (application service data unit, ASDU),因此每幀 SAV 報(bào)文的長(zhǎng)度為 (48 + n 121)~ (54 + n 172)字節(jié)。由表 中 可知:采樣值傳輸最大延遲時(shí)間約為 ms,滿足 SAV報(bào)文 3 ms 下 40%裕度的實(shí)時(shí)性要求。假設(shè)該變電站采用 100 Mbit/s 的 16 多模光口交換機(jī),同軸電纜長(zhǎng) 1km,根據(jù)數(shù)據(jù)流量等于報(bào)文長(zhǎng)度和采樣率的乘積以及上文分析的延時(shí)公式,可計(jì)算出報(bào)文的數(shù)據(jù)流量和最大延時(shí),具體見(jiàn) 下 表。 IEC 6185092 采用 TLV(typelengthvalue)三元組格式進(jìn)行編碼和解碼,鑒于以太網(wǎng)幀最大長(zhǎng)度限制為 1522 字節(jié),長(zhǎng)度 length 最少占用 1 個(gè)字節(jié)、最大占用 3 個(gè)字節(jié),采樣值控制塊 svID 最少占用 2 字節(jié)、最多占用 39 字節(jié),另外每個(gè)采樣值數(shù)據(jù)占 4 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)值和 4 個(gè)字節(jié) 的數(shù)據(jù)品質(zhì)。為保證間隔的獨(dú)立性,各間隔配置獨(dú)立的間隔交換機(jī),并通過(guò)中心交換機(jī)相互連接,同時(shí)滿足系統(tǒng)雙重化冗余設(shè)計(jì)要求。 IEC6185010 從一致性測(cè)試角度出發(fā),提出 t1和 t2 固定可測(cè),給出 t t2的性能指標(biāo) (小于報(bào)文類(lèi)型定義的整個(gè)傳輸時(shí)間的 40%)和測(cè)試方法,并提出制造商應(yīng)用文件說(shuō)明設(shè)備的延時(shí)情況,是檢驗(yàn) IED關(guān)于設(shè)備事件通信時(shí)標(biāo)能力的重要指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的臨時(shí)增大將造成其經(jīng)過(guò)的交換機(jī)負(fù)載增大,數(shù)據(jù)報(bào)文須要排隊(duì)等待交換機(jī)處理,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)瞬間增大, tq即為數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸路徑上每交換一次所引起緩沖延時(shí)的總和。 3) 報(bào)文傳播延時(shí) tp。以交換機(jī)為例,報(bào)文處理延時(shí) t1固定,大小取決于交換機(jī)芯片處理媒介訪問(wèn)控制 (medium access control, MAC)地址表、虛擬局域網(wǎng) (virtual local area work, VLAN)、優(yōu)先級(jí)等功能的速度,一般工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的報(bào)文處理延 時(shí)不超過(guò) 10μ s。 通過(guò)在合并單元內(nèi)加載相位差信息即可通過(guò)軟件將采樣時(shí)標(biāo)歸算 到采集值的實(shí)際采樣時(shí)刻, 進(jìn)而通過(guò) GPS 秒脈沖或插值算法實(shí)現(xiàn)多路采集器間的時(shí)序同步 。智能變電站采用電子式互感器,輸出的數(shù)字量采樣值經(jīng)合并單元 (merging unit, MU)和以太網(wǎng)交換機(jī) (switch)共享至過(guò)程總線,傳輸延 時(shí)不固定,由合并單元實(shí)現(xiàn)多路采樣值的時(shí)間同步,由以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn) SAV 報(bào)文的雙向總線型串行傳輸,采樣值傳輸?shù)臅r(shí)序分布見(jiàn) 下圖所示 。 經(jīng)相關(guān)計(jì)算, 在站控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)皆采用基于 PRP 的并行冗余網(wǎng)絡(luò)后,各間隔功能的可用性皆可以達(dá)到 IEC 61508中所規(guī)定的最高可 靠性級(jí)別:第 4 級(jí)。由于 I/O下放,全數(shù)字化保護(hù)裝置可靠性較傳統(tǒng)保護(hù)更高,假定其 MTTF 為 150 年(則故障率為 )。 基于 PRP 的過(guò)程層總線 在后續(xù)的圖表中采用下述符號(hào): TS同步時(shí)鐘; MU合并單元;RPIT遠(yuǎn)方智能 I/O; SW交換機(jī); EM網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)(如光纖); BCU間隔控制單元; BPU間隔保護(hù)單元; BU間隔單元; RTU遠(yuǎn)方終端單元。就地監(jiān)控和 RTU 具有雙網(wǎng)絡(luò)端口,通過(guò)交換機(jī)分別接入兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中。 假定變電站的站控
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