过程层采样值同步传输优化方法研究

喻立，李远，曹慧文

(1.云南电网公司红河供电局，云南 红河 661100；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100086)

过程层采样值同步传输优化方法研究

喻立1，李远1，曹慧文2

(1.云南电网公司红河供电局，云南 红河 661100；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100086)

对基于IEC61850标准体系的全数字化采样原理和过程进行阐述，并对IEC 61850-9-2标准的SendMSVMessage通信服务映射机制作了详细讲解，进而提出了工程应用中优化IEC 61850-9-2标准SV采样值传输和同步效能的技术和方法。

IEC 61850-9-2；SV采样值；合并单元MU；SendMSVMessage

0 前言

实现数字化采样是智能变电站的基本特征和要求。随着高速以太网技术的发展，智能变电站已经实现了过程层 (SV、GOOSE网络)、站控层(MMS网络)的全以太网结构，采用IEC 61850-9-2标准实现SV采样值的以太网数据传输是智能化变电站目前最为通行的做法，但是由于实际工程应用中存在互感器类型不一、合并单元处理机制有差异、以太网组网方式不同、交换机功能和性能参差不齐等客观因素，影响了IEC 61850-9-2标准的SV采样值的传输效能和同步效能。

通过对全数字化采样过程及IEC 61850-9-2 SV采样值同步传输过程进行说明和分析，并根据IEC 61850-9-2标准的组播传输方式、SendMSVMessage通信服务映射机制、网络交换机对应的功能应用方面提出了符合IEC 61850-9-2 SV采样值传输要求的可配置方法，在实际工程应用中灵活、正确地设置能够有效提高IEC 61850-9-2 SV采样值的传输和同步效能，为智能化变电站二次系统的高效、稳定运行提供更有力的技术保障。

1 数字化采样传输的过程分析

1.1 系统中模拟量采样过程

在常规综合自动化系统中，测控装置、保护装置等设备对电气模拟量的采集和处理过程如图1所示，即由装置CPU定时发送锁存脉冲对所连接的A/D模数转换芯片的采样数据进行处理，从而保证了采样的同步实效性。虽然在二次采样回路中小TA、小TV和LP低通回路也会产生相对微小的相移，但是由于同一时刻同一装置的小TA、小TV和LP低通回路参数的相移基本相同，所以能够避免采样数据的不同步问题，而且整个采样及同步过程在间隔层同一装置中就能实现。

图1 常规综合自动化系统中测控、保护装置的采样回路

1.2 数字化采样技术的传输过程

和常规综合自动化系统相比，数字化采样系统的结构和环节更加复杂，如图2所示。一个最基本的数字化采样系统包含过程层的互感器二次输出部分、合并单元，间隔层的IED智能设备以及通信设备。其中互感器输出可以采用常规电磁式互感器的模拟量输出方式，也可以采用电子式互感器的远端模块光信号输出。合并单元MU对互感器输出电气量进行合并和同步处理，并把处理后的数字信号按照特定的标准格式提供给间隔层设备使用。

图2 IEC 61850-9-2采样值传输原理图

2 数字化采样及同步技术的实效性

2.1 电子式互感器二次输出的实效性

电子式互感器国际上一般称为非常规互感器NCIT，其中电子式电压互感器遵循国际电工委员会制定的IEC 6044-7标准，而电子式电流互感器遵循IEC 6044-8标准。电子式互感器的基本原理是把一次侧的高电压、大电流变换为可以传输的信号，一般是数字信号或频率变换信号，通过二次侧处理后，以模拟量或数字量的形式输出给保护、测量、计量等二次设备使用。在有源电子式互感器中，其远端模块与合并单元通过光纤接口进行互联，如图3所示，而电子式互感器在完成模数变换、数据处理等功能时不可避免的存在延迟，总延迟为t1、t2、t3部分的总和，对于任何单一的电子式互感器而言，总延迟是一个固定的时间数值。

图3 电子式互感器远端模块采样延时原理图

2.2 合并单元数据同步的实效性

合并单元MU根据需求可以接入多个电子式互感器的信号，在IEC 60044-8标准中规定为7路电流和5路电压组成一个合并单元，如图4所示。合并单元同步采集多路互感器的电压、电流信号然后变换为符合IEC61850-9-2标准的以太网信息帧报文输出给保护、测量、计量等二次设备使用。其功能主要有：

1)接收远端模块发出的报文；

2)进行数据的合并和同步处理；

3)形成IEC 61850-9-2标准的格式输出。在采用IEC 61850-9-2标准时，采样数据采用以太网方式传输，合并单元和IED智能电子设备之间的数据传输延时不确定，接收方虽然可以获得数据到达的准确时刻，但是无法计算出数据的采集时刻，所以采样数据的同步不能在接收方IED智能电子设备中完成，必须在合并单元MU中完成。

变电站内全部合并单元必须接入统一的同步对时系统，每个合并单元都通过样本计数器对采样数据进行编号。只要对时系统正常，就可以保证所有合并单元在同一时刻采样数据的样本计数器编号的一致性是有效的。当IED接收到来自不同通道的SV采样数据后，将同一编号的样本计数器的采样数据放入同一时标内进行处理，便能保证采样数据的有效性。

3 SV采样值传输模型的原理

由于SV采样值对实时性要求较高，采用的是发布方/订阅者通信方式，如图5所示。发布方首先将采样值以数据集的形式存入发送侧的缓冲区内，然后通过SendMSVMessage服务将采样数据发出。订阅者从接收侧的缓冲区读取数据，通过在采样值中打上时标，可以通过校验值判断是否及时刷新数据，接收侧缓冲区内的数据由通信系统负责实时更新。

SV采样值可以采用组播和单播两种方式进行传输，即组播采样值控制模块MSVCB(Multicast Sampled Value Control Block)和单播采样值控制模块 USVCB(UnicastSampledValueControl Block)。目前SV采样值主要以多播应用关联的MSVCB采样值传输方式。如表1所示，MSVCB类型共定义了三种服务：SendMSVMessage、Get-MSVCBValues和SetMSVCBValues.

表1 ACSI服务类型表

发布方通过SendMSVMessage服务向一个或多个订阅者发送采样值数据，由于对传输的实时性要求较高，为了避免通信协议栈造成的延时，在IEC 61850-9-2中，SendMSVMessage服务被直接映射到网络的数据链路层。

SendMSVMessage通信服务映射使用带有采样计数器SmpCnt和采样同步SmpSynch标识的方式，以一定采样频率将同步采样的数据定期发送。IEC 61850-9-2采用了ASN.1标准定义了采样值发送服务SendMSVMessage的应用层协议数据单元SavPDU。在IEC 61850-9-2采样值数据被发送至缓冲区之前，应用层可以将多个ASDU链接至一个APDU中，APDU所包含的ASDU的数目n与采样频率有关，并且可以根据实际的应用需求进行灵活配置。

4 提高数字化采样传输实效性

4.1 以太网传输优先级的配置

IEC 61850-9-2以组播方式在以太网数据链路层上传输采样值，由于采样值对传输要求有很高的实时性要求，在采样值传输的报文中包含了VLAN虚拟局域网的优先级设置功能，可以通过将采样值报文的以太网传输优先级设定为较高的级别，并通过使用支持网络传输优先级的交换机进行组网，以确保采样值报文的传输具有较好的实时性。

4.2 应用服务数据单元的配置

SendMSVMessage服务让SV采样报文高速连续传输，并在数据传输过程中进行同步采样，在系统正常运行时，采样值传输的数据流量要远远大于GOOSE报文的数据流量，为了减少对网络带宽的占有量，可以将多个应用服务数据单元ASDU合并至一个应用协议数据单元内再进行统一传输。

4.3 网络交换机组播协议配置

动态配置方式可以采用目前的两种数据链路层组播管理协议，即 GMRIP(GARP Multicast Registration Protocol)和IGMP Snooping(Internet Group ManagementProtocolSnooping)， 采 用GMRIP和IGMP Snooping两种组播管理协议均可以实现二层交换机组播动态过滤，便免了静态配置的复杂设置。GMRIP协议更加适合GOOSE和IEC 61850-9-2标准下SV组播报文的过滤，因为GOOSE和IEC 61850-9-2标准下SV报文只在数据链路层传输，IED无须支持网络层的IGMP，此外，组播地址也不受范围的限制。

5 结束语

对于采用 IEC 61850-9-2映射到 ISO/IEC 8802-3的采样值标准而言，SV采样值的传输和同步效能是实现数字化或智能化变电站采样技术的关键，本文在对数字化采样的原理及传输过程进行说明后，提出了改善和优化SV采样值的传输和同步能效的方法：

1)适当合并SendMSVMessage服务类的应用服务数据单元ASDU个数；

2)正确设置网络交换机采样值优先级的功能配置；

3)启用网络交换机自动GMRIP组播协议的功能配置。

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Research on Optimization Method of SV Samples Synchronous Transmission

YU li1，LI yuan1，CAO Huiwen2
(1.Yunnan Honghe Power Supply Bureau，Honghe，Yunnan 661100；2.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd，Beijing 100086)

This paper elaborates all-digital sampling principles and processes，And explains IEC 61850-9-2 standards SendMSVMessage communication service mapping mechanism in detail，Further analysis how to improve the standard IEC 61850-9-2 SV sampled value transmission and synchronization performance in engineering applications.

IEC 61850-9-2；SV sampled value；merging unit；SendMSVMessage

TM76

B

1006-7345(2014)04-0109-05

2014-04-10

喻立 (1984)，女，助理工程师，云南电网公司红河供电局，主要从事电力自动化、指标管理工作 (e-mail)yulihust＠163.com。

李远 (1982)，男，工程师，云南电网公司红河供电局，主要从事电力自动化管理、智能电网研究工作 (e-mail)601537617＠qq.com。

曹慧文 (1981)，男，工程师，北京四方继保自动化股份有限公司，主要从事电力自动化技术研究工作 (e-mail)124926310＠qq.com.。