具有业务感知能力智能变电站交换机技术白皮书Word文件下载.docx
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智能变电站引入网络实现数据的传输与共享，相对于传统微机保护，二次交流信号的采样功能从继电保护设备分离开来，由合并单元（MU）独立负责，继电保护设备只处理数字信号。
因此，在采样的同步方式上也与传统继电保护不尽相同。
同样根据实现采样同步的位置不同，智能变电站中的采样同步方法也可以分为三类。
第一类是在保护端实现采样同步，如采样数据修正法，这一类方法的核心在于通过记录采样值到达的时刻并获取采样值在网络中的延时来对接收到的采样值进行补偿。
第二类是在MU端实现采样同步，如采样时刻调整法和GPS对时同步法，这一类方法的核心在于选择一个时间基准，通过使各MU和统一基准校准，实现各MU的采样脉冲同步。
第三类是在MU端进行时间同步，在保护端进行补偿的同步方式，即MU和保护装置协作实现同步，如基于IEEE1588协议的时钟校正法。
1.1继电保护端的采样同步
以线路纵联差动保护为例来阐述采样数据修正法的基本思路。
图1-1采样数据修正法原理
如图1-1所示，线路两端的MU都在各自本端的采样时刻开始向本端和对端的继电保护装置发送各端对应本次采样时刻的电流采样值，图1-1中只显示了本端的保护装置。
由于线路两端的MU采样脉冲并不同步，因此，其发送采样值的时刻相差Δt1。
假设本端的采样值在t1时刻到达保护装置，对端的采样值在t2时刻到达保护装置，Δt2为采样值到达保护装置的时刻差。
（1-1）
由于链路存在延时，则如图1所示
（1-2）
其中，Td表示对端采样值和本端采样值到达保护装置的时间差。
若通过某种技术手段获取Td，则可通过式（1-3）获得MU1和MU2的采样时刻差Δt1。
（1-3）
若Δt1＞0说明对端落后于本端，若Δt1＜0说明本端落后于对端。
将对端的采样值根据Δt1进行修正，经过修正处理后就可以进行差动保护的计算。
这种采样同步方法允许各MU独立采样，由保护装置来对采样进行同步化修正，因此加大了保护装置的数据处理延时，不利于提高保护的速动性。
同时该方法需要一种能够计算采样值传输延时的技术手段支撑。
1.2MU端的采样同步
1）采样时刻调整法
采样时刻调整法需要选择一个MU的采样时刻作为基准，以线路纵联差动保护为例，选择本端MU的采样时刻为基准，对端MU通过与本段MU交互报文来实现采样时刻的一致性。
调整原理如图1-2所示。
图1-2采样时刻调整法原理
本端和对端以采样间隔Ts进行采样，本端MU在采样时刻Mi向对端MU发送调整报文，SR为对端MU收到该报文的时刻，Si为SR之前的某一个采样时刻，Tr为两者之间的时间长度，Td为调整报文在传输过程中的延时，则本端MU和对端MU的采样时刻差为
（1-4）
若Δt＞0说明对端落后于本端，若Δt＜0说明本端落后于对端。
根据采样时刻差，将对端MU的下次采样间隔Tk调整为Tk=Ts-Δt。
为了保证调整的稳定性，显然，采样时刻的调整不可能一次到位，应该按照上述的方法多次调整，直到每次Δt1的计算结果足够小且趋于稳定。
利用本方法，可以降低保护装置的数据处理负担，由于采样时刻的晶振一般稳定性较好，精度高，采样时刻的调整完成后，在正常情况下采样的同步能够保持较长时间。
但是此种方法比较适用于点对点的传输模式，对于组网传输模式，虽然各MU的采样时刻相同，但可能由于网络延时或传输链路的改变导致继电保护接收到的采样值乱序的情况，易引起继电保护误动。
1.3基于GPS的采样同步法
基于GPS的采样同步方案采用专用的GPS接收机来接收GPS卫星发送的时间信息。
通过对接收到的信息进行解码、运算和处理后，可以从中获取到两种信息：
（1）秒脉冲信息号1pps。
该脉冲信号的上升沿与UTC（国际标准时间）的同步误差不超过1μs；
（2）通过串口通信口输出的与1PPS对应的UTC时间编码，如图1-3所示。
图1-3基于GPS的采样同步法
接受GPS对时的MU的采样脉冲每秒钟被1PPS信号同步一次，同时MU的采样时钟由高稳晶振构成，能产生满足采样频率要求的采样脉冲信号。
如此就能保证各MU的采样脉冲信号的上升沿之间是同步的，误差不会超过2μs。
同时MU还会与UTC时间进行对时，用作采样值的时间标签。
在进行差动保护算法时，只要对齐采样值的时间标签即可。
B码是一种能够利用GPS信号实现对MU精确对时的技术手段。
IRIG时间编码序列是由美国国防部下属的靶场仪器组（IRIG）提出的并被普遍应用的时间信息传输系统。
该时码序列分为G,A,B,E,H,D共六种编码格式，应用最广泛的是IRIG-B格式，简称B码。
GPS接收机接收卫星时间信号,可以每秒输出一次IRIG-B直流电平码序列,B码以RS422/485接口输出。
智能变电站各MU和IED设备可以挂在统一的对时总线上，如图1-4所示，各设备内安装的B码解码器，通过B码解码器，接收1PPS脉冲和时间BCD码完成对时工作，对时精度可达到微秒级。
图1-4B码对时示意图
基于GPS对时的同步法的优点非常明显，就是不需要测量采样在传输过程中的延时。
但是对时同步法依赖于GPS接收器等重要对时设备，若设备出现问题，则会直接影响到采样的对时，可靠性上值得注意。
1.4MU与保护协作同步
IEEE1588精密时钟同步协议让测量以及用于实施网络通信、本地计算和分布式对象的控制系统的时钟精确同步成为可能。
时钟之间的通信是通过通信网络进行的。
协议在系统中设立了时钟之间的主从关系。
所有的时钟都要最终从主时钟的时间上派生出它们自己的时间。
将IEEE1588协议应用于MU的时钟校正，首先就需要通过最优时钟算法推选出时钟最为准确的MU作为时钟校正的基准，称该MU的时钟为主时钟，以其为基准进行时钟校正的其中MU的时钟称之为从时钟。
推选出主时钟后，主时钟向从时钟发送sync报文，并记录发送的时间t1，从时钟收到sync报文之后记录时间t2，在主时钟发送sync报文后，紧跟着发送follow-up报文，里面记录了t1。
然后从时钟发起delay-request报文，记录发送时间t3，当主时钟收到的时候记录时间t4，并将t4通过delay-response发送给从时钟。
如此，从时钟便获知了t1，t2，t3，t4四个时刻信息。
如图1-5所示。
图1-51588同步原理
想要将从时钟向主时钟校正，最重要的就是知道它与主时钟的时间差值。
设主时钟的时间为tm，从时钟的时间为ts，则时间差offset为
（1-5）
由图1-4可知，
（1-6）
（1-7）
D1和D2分别为对时报文在上行下行的传输延时。
1588v1假设D1=D2，这样，可以通过式（1-8）计算出offset。
（1-8）
根据offset，从时钟就可以向主时钟校正。
上述各报文发送的频率可以选择2的n次幂的任意一个频率进行规定的，最小为1s，因此，主从时钟的校正频率也可选择2的n次幂的任意一个频率。
但是实际情况并非如此，在采用点对点传输模式时可以保证对时报文上下行的延时相同，但是如果采用组网传输模式，对时报文在往返传输过程中的延时与网络实时状态有关，很难保证上下行延时相等。
为解决上述问题，IEEE1588定义并应用了边界时钟和透明时钟的概念。
1）基于边界时钟的时钟校正原理
所谓的边界时钟就是指它对上一级的主时钟来说是从时钟，而对于下一级从时钟而言则充当主时钟。
在采用组网传输模式下边界时钟由交换机充当，如图1-6所示。
图1-6边界时钟同步示意图
与主时钟直接相连的交换机与主时钟是一对主从时钟关系，它们之间发送同步报文校准时间，在两者之间的报文传输可以保证D1=D2。
通过多级交换机时间校正使得各MU之间同步。
但采用边界时钟有一个较大的缺点，就是虽然每一对主从时钟之间的对时较精准，但是却并不是100%准确的，在多级交换机级联的情况下就会将误差累计，最终造成不被允许的对时误差。
透明时钟的提出就是为了解决边界时钟的这一缺点。
2）基于透明时钟的时钟校正原理
透明时钟的对时原理如图1-7所示。
透明时钟通过对进出交换机的对时报文打时间戳的方式计算出报文在交换机中的延时，然后写入对时报文的修正域CF里面，每经过一个次交换机都会进行一次修正，则：
（1-9）
（1-10）
由于线路上的上下行延时D1=D2，且CF1和CF2已知，所以就可以通过式（1-8）计算得出offset。
图1-7透明时钟同步示意图
当各MU之间的之间同步之后，可以分别进行采样，在发出的采样值报文中带上时钟标签。
保护装置在进行保护算法前，根据采样的时间标签进行修正计算，即可保证保护算法的正确性。
采用基于IEEE1588协议的采样同步法，虽然可以以其中的一台MU作为时间基准，但在工程实际当中通常设置独立的主时钟，主时钟与GPS信号进行对时，进而同步各MU。
1.5交换机功能在采样同步中的需求分析
智能变电站的采样同步方法多种多样，但是究其核心，无外乎就是采取手段获取并消除MU之间的采样时刻差Δt。
智能变电站中，合并单元到保护装置的采样值传输方式可采用点对点传输模式或组网传输模式。
当过程层采用点对点传输模式时，合并单元输出的数字量采样值通过光纤直接发送至保护装置，报文在光纤上的传输延时为传输线路的长度与2/3光速的比值，可在组网初期通过测量计算即可获得，链路延时固定且传输环节不存在延时不稳定因素。
因此，上述三类采样同步方式都可以很好的在采用点对点传输模式的情况下实现。
当采用组网传输模式时合并单元输出的数字量采样值信号经以太网交换机共享至过程层总线。
报文在网络中的传输延时主要由交换机延时和线路传输延时两部分组成。
（1-11）
式中，
为线路延时，
为交换机延时，即交换机中的总驻留时间，其中线路延时固定且可测量，但是采样报文在交换机中的传输延时存在不确定性。
基于GPS的采样同步法，由于对时采样独立的串行总线，因此，在组网传输模式下依旧适用。
基于边界时钟的时钟校正法在组网传输模式下采用的依旧是点对点的对时模式，因此也适用，但是要求交换机能够面向主时钟作为从时钟，在面向下级从时钟时能够发挥主时钟的功能。
对于其他的采样对时方法，无论是实现采样数据修正法和采样时刻调整法，还是基于透明时钟的时钟校正法，都需要交换机能够测量并记录每条报文在其内部驻留的时间，最后计算出报文在网络中的总的传输延时，供保护算法或者装置时钟解析并利用。
1.6交换机延时测量功能
交换机是电力通信网络的核心设备之一，承担通信网络数据存储、交换、转发功能，因此交换机性能是评价电力系统通信网络可靠性的重要因素，交换机能否可靠工作直接影响电力系统安全稳定运行。
交换机延时是电力系统通信网络数据传输延时的主要组成部分。
研究交换机延时测量方法，在通信网络中实现合理、有效、精确地获得交换机延时，为通信网络
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