一种无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统

摘要

本发明提供了一种无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统。所述无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统包括分布式同步变电站站级总线传输网络、基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备、开关智能化辅助智能终端设备和基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备，所述分布式同步变电站站级总线传输网络由支持透明时钟协议的通用工业交换机组成的变电站站级网络；所述基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备独立采样并按自有时钟节拍定时发送SV采样值报文，采样值报文发送时间随机；所述开关智能化辅助智能终端设备包括变电站内主变压器和开关一次设备的智能化代理设备；所述基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备实现多个非同步采样值数据的同步采样的功能。

说明书

技术领域

本发明属于智能变电站技术领域，具体地涉及一种无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统。

背景技术

根据IEC 61850变电站通信网络和系统标准的描述和要求，智能变电站综合自动化系统的设备根据其功能按过程层、间隔层、站控层三层分层布置。从长远看，变电站网络结构将分三个阶段逐步改进，即点对点模式、过程层总线模式、过程总线和站控层总线合并即“站级总线”方式。

在智能变电站网络中，核心内容为间隔层保护测控装置等设备需要对接入装置的同一间隔、或跨间隔的各相电压电流实现同步采集和处理，如线路保护、主变保护、母线保护均需要各个输入的采样数据同步，采样数据的同步对于一次设备故障识别和处理也显得尤为重要。由于受到采样值组网同步技术成熟度和稳定度的限制，目前的工程应用中，多采用站控层MMS网络、SV采样值网络、GOOSE网络分层独立配置的方案，采样值传输多采用点对点直采的方式，GOOSE多采用点对点直跳和网络跳闸控制并存的方案；其中，基于全局同步的采样值组网传输和过程层总线方案有少量试点应用，尚未大量工程化应用。

当前基于全局同步系统的智能变电站三网合一组网传输方案如图1，站内提供标准时钟即外同步系统，接受GPS/北斗卫星对时，站内通过全局同步系统，以光纤B码或IEEE 1588等对时方式，向站内采样值发送设备(合并单元)和保护测控装置等设备提供统一脉冲信号。各采样值输出设备间基于统一脉冲信号实现数据采集的同步和输出同步，采样值接收设备基于统一脉冲信号对采样值数据进行采样还原，通过判断包序列号是否相同实现采样值的同步。图1为现有技术的基于全局同步系统的变电站三网合一组网结构示意图。

在基于外同步系统的采样值组网传输模式下，采样值输出设备发送报文受统一脉冲信号的控制。在统一脉冲信号到来时，输出设备会在同一时刻将各自的采样值报文发送到网络交换机上；由于单路采样值数据报文流量一般大于3Mb/s，在采样值输出设备间隔较多时，在交换机单个端口上的瞬时数据流量巨大，易导致数据转发排队而产生较大的交换机转发时延，且转发时延长短受端口流量的随机变化影响，采样数据同步性问题较突出，影响系统的稳定运行。另外，系统的采样值同步可靠性由全局唯一的外同步系统时钟的可靠性决定，当外同步系统失去卫星对时后，同步系统利用高稳晶振工作产生的累积误差，对采样值输出设备的采样同步性和准确度也有影响。另外，当外同步系统链接断开或者故障时，整个采样值同步系统将无法正常工作，进而影响整个综自系统的安全、稳定运行。

目前还有一种基于采样值报文传输延时可测的采样值组网传输方案，该方案采用自定义的延时可测交换机，在合并单元发出的采样值报文进入交换机时以及报文转发出交换机时，均在采样值报文中打上统一的时间戳(时标)，保护测控装置通过报文进出交换机的时间戳的差值，即可计算出采样值报文经过交换机上转发经过的延时ΔT，从而可以回溯得出各间隔采样值报文发出的准确时间，进而通过插值得出同步后的跨间隔采样数据。该方案采用了非标的工业交换机：自动识别采样值报文并只对采样值进行打时间戳处理；并破坏了IEC61850-9采样值报文的完整性：原有的采样值报文中并不包含时间戳信息，该方案认为的将时间戳信息加入该报文的两个保留字中，使得该国际标准非标准化，方案的标准化程度明显退步，通用性不强。

因此，智能变电站内现有的以站控层网络、采样值网络、GOOSE网络分别组网的智能变电站工程应用方式，需要二次设备数量和外部接口数量众多，系统的网络结构及光纤链路配置复杂，站内资源无法共享，设备研制和工程实施成本较高，改造和扩建不易。基于外同步系统的采样值同步系统依赖全局唯一的外同步时钟系统，运行稳定性相对较差。而基于延时可测的采样值同步方案破坏了IEC 61850标准的报文一致性，并且采用了自定义的非标准化的工业交换机，方案的通用性和标准化程度受到了明显的制约。这些不足之处，严重制约了智能变电站技术的发展，未充分发挥出IEC 61850国际技术标准的技术优势，无法满足未来变电站技术发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需依赖全局采样同步时钟源、具有普遍适用性的无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统，以满足智能变电站网络合一后数据稳定可靠传输的需要。

本发明的技术方案如下：一种无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统包括：分布式同步变电站站级总线传输网络：由支持透明时钟协议的通用工业交换机组成的变电站站级网络，接入站内所有的站控层、间隔层、过程层设备，具有智能变电站内的MMS报文、GOOSE报文以及SV采样值报文数据无需全局同步系统共网传输的功能；基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备：具有按本地晶振频率自由运行的IEEE 1588主时钟，独立采样并按自有时钟节拍定时发送SV采样值报文，采样值报文发送时间随机；开关智能化辅助智能终端设备：以GOOSE报文形式实现主变压器及开关的遥信采集、遥控执行，并包括变电站内主变压器和开关一次设备的智能化代理设备；基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备：具备接收来自站级总线网络的多个采样值输出设备的SV采样值数据，实现多个非同步采样值数据的同步采样的功能，并包括：可根据主时钟设备配置自动扩展的多IEEE 1588从钟接口模块，采样值数据接收处理模块，自适应多路无全局同步采样值数据同步采样模块；而且还具备接收处理和控制发出GOOSE报文数据的功能，以及具备与站内后台主机以及通讯管理机之间基于MMS报文通讯的功能。

优选地，所述分布式同步变电站站级总线传输网络，通过通用工业交换机与合并单元设备、继电保护二次设备、智能终端设备组成变电站站级总线传输网络；所述变电站站级总线传输网络上各个合并单元设备按自有节拍发送采样值报文，多个设备间发送采样值报文至网络交换机的时间随机，该机制使网络上的负载分布均衡，避免了全局外同步时采样值同一时刻发送的巨大瞬时流量；交换机支持透明时钟协议；智能终端按照标准要求发送和接收相应的GOOSE报文；同时继电保护二次设备与站内通讯管理机和后台间以MMS报文进行通讯，实现站内自动化功能。

优选地，所述基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备，每个合并单元设备内实现1个IEEE 1588主钟，固定运行在标准所述MASTER状态，自由运行在某内部时钟上，无需接受外同步，也不需参与标准的最佳时钟选择逻辑；采样值输出设备间无时序配合要求；此设备根据配置按照主时钟的秒等分周期间隔输出采样值报文。

优选地，所述开关智能化辅助智能终端设备，为一次主变间隔、开关间隔智能化的代理设备，将主变间隔的遥信、开关间隔的遥信转为GOOSE发送至站级总线网络上，并接受继电保护设备送来的基于GOOSE报文的开关跳合闸、遥控分合闸命令，实现开关的智能化控制。

优选地，所述基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备，可通过连接至变电站站级总线网络上的单个物理接口，接收来自通用工业交换机转发的采样值输出设备的采样值数据及同步报文信息，实现多个非同步采样值数据的同步采样；接收和发送GOOSE信号，实现遥信信息的采集以及开关的控制；与通讯管理机和后台进行MMS通讯，实现站内遥信、遥测、故障、告警信息的上传显示。

优选地，所述可根据主时钟设备配置自动扩展的多IEEE 1588从钟接口模块，采样值接收设备在单个物理端口上实现多个IEEE 1588从钟，各从钟符合标准中仅为从时钟的要求，且从钟被配置为固定跟踪某个采样值输出设备内的主钟，无需参与标准的最佳时钟选择逻辑，接收设备的各从钟时间仅与所对应主钟时间有关，从钟间无时序配合的对应要求，相互独立。

7、根据权利要求1所述的无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统，其特征在于：所述采样值数据接收处理模块，可根据设备配置有选择地接收来自通讯接口的采样值报文，锁定跟踪数据源，自适应消除采样值数据报文经通用工业交换机转发而产生的延时抖动，解析并将相应的采样值数据缓存到逐点可移动动态数据窗中。

优选地，所述自适应多路无外同步采样值数据同步采样模块，通过在采样值接收设备内设置独立采样脉冲，获得设备内每个IEEE 1588从钟在独立采样脉冲到来时刻的相对时间，折算出对应的等分同步脉冲序号，利用各从钟之间的时间差以及采样额定延迟，获取各采样值发送设备间采样数据包间的相对关系；采用逐点可移动动态数据窗中的数据对不同数据源进行自适应回溯插值，计算出同一时刻的采样数据，实现多个未经外同步的采样值数据输出设备采样数据在一个采样值接收设备内的同步。

本发明的有益效果在于：所述无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统支持基于IEC 61850-9-2的SV采样值、GOOSE报文、MMS报文的共网传输，并可用于智能变电站内，实现数字式继电保护装置、电能表、电能质量监测装置、故障录波装置等需要数字式采样同步的电子设备的标准化组网接入，为目前智能变电站网络统一化、接口标准化提供了一种便捷有效的解决方案。

附图说明

图1现有技术的基于全局同步系统的变电站三网合一组网结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统的结构示意图；

图3为SV采样值基于分布式同步的组网传输技术实现框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

请参阅图2，为本发明实施例提供的无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统的结构示意图。所述无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统包括：分布式同步变电站站级总线传输网络、基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备、开关智能化辅助智能终端设备和基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备。

其中，所述分布式同步变电站站级总线传输网络是由支持透明时钟协议的通用工业交换机组成的变电站站级网络，接入站内所有的站控层、间隔层、过程层设备，具有智能变电站内的MMS报文、GOOSE报文以及SV采样值报文数据无需全局同步系统共网传输的功能。具体地，所述分布式同步变电站站级总线传输网络，通过通用工业交换机与合并单元设备、继电保护二次设备、智能终端设备组成变电站站级总线传输网络；所述变电站站级总线传输网络上各个合并单元设备按自有节拍发送采样值报文，多个设备间发送采样值报文至网络交换机的时间随机，该机制使网络上的负载分布均衡，避免了全局外同步时采样值同一时刻发送的巨大瞬时流量；交换机支持透明时钟协议；智能终端按照标准要求发送和接收相应的GOOSE报文；同时继电保护二次设备与站内通讯管理机和后台间以MMS报文进行通讯，实现站内自动化功能。

所述基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备具有按本地晶振频率自由运行的IEEE 1588主时钟，独立采样并按自有时钟节拍定时发送SV采样值报文，采样值报文发送时间随机。具体地，所述基于IEEE 1588主时钟的合并单元设备，每个合并单元设备内实现1个IEEE 1588主钟，固定运行在标准所述MASTER状态，自由运行在某内部时钟上，无需接受外同步，也不需参与标准的最佳时钟选择逻辑；采样值输出设备间无时序配合要求；此设备根据配置按照主时钟的秒等分周期间隔输出采样值报文。

所述开关智能化辅助智能终端设备以GOOSE报文形式实现主变压器及开关的遥信采集、遥控执行，并包括变电站内主变压器和开关一次设备的智能化代理设备。具体地，所述开关智能化辅助智能终端设备，为一次主变间隔、开关间隔智能化的代理设备，将主变间隔的遥信、开关间隔的遥信转为GOOSE发送至站级总线网络上，并接受继电保护设备送来的基于GOOSE报文的开关跳合闸、遥控分合闸命令，实现开关的智能化控制。

所述基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备具备接收来自站级总线网络的多个采样值输出设备的SV采样值数据，实现多个非同步采样值数据的同步采样的功能，包括：可根据主时钟设备配置自动扩展的多IEEE 1588从钟接口模块，采样值数据接收处理模块，自适应多路无全局同步采样值数据同步采样模块；而且还具备接收处理和控制发出GOOSE报文数据的功能，以及具备与站内后台主机以及通讯管理机之间基于MMS报文通讯的功能。

具体地，所述基于IEEE 1588自适应的继电保护二次设备，可通过连接至变电站站级总线网络上的单个物理接口，接收来自通用工业交换机转发的采样值输出设备的采样值数据及同步报文信息，实现多个非同步采样值数据的同步采样；接收和发送GOOSE信号，实现遥信信息的采集以及开关的控制；与通讯管理机和后台进行MMS通讯，实现站内遥信、遥测、故障、告警信息的上传显示。

而且，所述可根据主时钟设备配置自动扩展的多IEEE 1588从钟接口模块，采样值接收设备在单个物理端口上实现多个IEEE 1588从钟，各从钟符合标准中仅为从时钟的要求，且从钟被配置为固定跟踪某个采样值输出设备内的主钟，无需参与标准的最佳时钟选择逻辑，接收设备的各从钟时间仅与所对应主钟时间有关，从钟间无时序配合的对应要求，相互独立。

所述采样值数据接收处理模块，可根据设备配置有选择地接收来自通讯接口的采样值报文，锁定跟踪数据源，自适应消除采样值数据报文经通用工业交换机转发而产生的延时抖动，解析并将相应的采样值数据缓存到逐点可移动动态数据窗中。

需要说明的是，在本实施例提供的无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统中，智能变电站内的合并单元采集来自传统/电子式电压、电流互感器的信号，并将采集到的各路数据同步后组成采样值包；在每个合并单元内实现1个IEEE1588主时钟，固定运行在MASTER状态，自由运行不需接受外同步。此设备严格按照此主时钟的秒等分周期间隔输出采样值报文，输出至过程层采样值网络。

而且，智能变电站内的智能终端实现主变间隔、开关间隔的遥信信号采集，将其转为GOOSE信号传输到网络上，并接收来自其他保护测控装置的保护跳合闸、遥控分合闸命令，实现开关的数字化智能分合控制。

采样数据接收装置(如保护测控装置、电能表等)从过程层采样值网络上接收相应间隔采样值输出设备(如合并单元)的采样值报文及时钟报文，经过数据解析和自适应同步处理后实现相应的保护测控或电能计量等功能。

保护测控装置将采集到的遥信信号、测量电量、遥控执行信息、设备告警信息、保护动作告警信息等，通过MMS规约与站内后台和通讯管理机端实现信息交互。

请参阅图3，为SV采样值基于分布式同步的组网传输技术实现框图。在本实施例中，设备通过以太网接口模块完成与相应间隔合并单元的采样值数据采集，获取符合IEC 61850-9标准的等间隔原始数据；通过自适应多IEEE 1588从时钟模块，完成与相应间隔合并单元主时钟的高精度时钟同步功能；通过频率跟踪，保证合并单元与数据接收模块的节拍同步。通过各合并单元之间的时间差，采用可移动动态数据窗存储各路数据的采样值包数据并对源数据进行回溯插值，获得保护、测控等计算所需的同步数据，将经过严格同步的各间隔的电压电流数据经过数据总线送入CPU中进行下一步数据处理。

相较于现有技术，本发明提供的无需全局同步系统的智能变电站站级总线网络系统支持基于IEC 61850-9-2的SV采样值、GOOSE报文、MMS报文的共网传输，并可用于智能变电站内，实现数字式继电保护装置、电能表、电能质量监测装置、故障录波装置等需要数字式采样同步的电子设备的标准化组网接入，为目前智能变电站网络统一化、接口标准化提供了一种便捷有效的解决方案。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。