0 引言
隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的興起，變電站數(shù)字化、智能化的發(fā)展對(duì)于通信的要求逐漸提高，特別是對(duì)于信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性來(lái)說(shuō)，原有的 TCP /IP 協(xié)議已經(jīng)不能滿足需求，所以出現(xiàn)了基于 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)通信協(xié)議 GOOSE 報(bào)文。GOOSE 是IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中用于滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)快速報(bào)文需求，尤其是保護(hù)跳閘、開(kāi)關(guān)變位信息傳輸而提出的一種快速報(bào)文機(jī)制［1］。智能終端作為智能變電站過(guò)程層設(shè)備，主要負(fù)責(zé)傳輸與跳閘信號(hào)以及開(kāi)關(guān)刀閘位置等信息有關(guān)的 GOOSE 報(bào)文，GOOSE 時(shí) 標(biāo) 是 根 據(jù) IEC 61850 標(biāo) 準(zhǔn)，在GOOSE 報(bào)文中開(kāi)關(guān)刀閘等雙點(diǎn)位置后的時(shí)間標(biāo)記，用于標(biāo)示變位時(shí)刻，因此 GOOSE 時(shí)標(biāo)會(huì)影響到保護(hù)裝置跳閘和重合閘的時(shí)間以及裝置各種保護(hù)之間的配合。所以對(duì)于時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性要進(jìn)行測(cè)試使之滿足預(yù)先設(shè)定的要求，從而來(lái)避免實(shí)際時(shí)間與整定時(shí)間不符而造成的保護(hù)裝置拒動(dòng)或者誤動(dòng)。
目前，對(duì) GOOSE 時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性尚無(wú)成熟的驗(yàn)證方法，本文在參考現(xiàn)有時(shí)鐘同步測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，對(duì)比現(xiàn)有的 GOOSE 時(shí)標(biāo)測(cè)試方案提出了一種可以**測(cè)試 GOOSE 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確性的方法，即使用 GPS 主時(shí)鐘給數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和被測(cè)智能終端對(duì)時(shí)，使用數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀的快速開(kāi)關(guān)量輸出搭建電路，在整秒時(shí)輸出信號(hào)，使用示波器對(duì)時(shí)間測(cè)試回路發(fā)出的被測(cè)智能終端接收的測(cè)試信號(hào)和主時(shí)鐘的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，用來(lái)消除掉數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀快速開(kāi)關(guān)量輸出存在的延時(shí)，以得到較為**的被測(cè)智能終端開(kāi)關(guān)量輸入的時(shí)間，然后截獲被測(cè)智能終端發(fā)出的報(bào)文并檢測(cè)其中的時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度，*后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果證明了該方法的可行性。
1 與 GOOSE 時(shí)標(biāo)相關(guān)的時(shí)鐘同步精度測(cè)試
GOOSE 時(shí)標(biāo)也常常用來(lái)進(jìn)行時(shí)鐘同步的精度測(cè)試，現(xiàn)有的兩種方法是:
一種是基于 GOOSE 機(jī)制的 IED 網(wǎng)絡(luò)化時(shí)鐘同步精度的測(cè)試方法［2，3］，從 GOOSE 源引出兩條等長(zhǎng)同性的短距光纖分別與時(shí)鐘測(cè)試儀和被測(cè)IED 相連，且被測(cè) IED 與時(shí)鐘測(cè)試儀時(shí)鐘同步;GOOSE 源向時(shí)鐘測(cè)試儀和被測(cè) IED 同時(shí)發(fā)送GOOSE 報(bào)文;被測(cè) IED 與時(shí)鐘測(cè)試儀接收到報(bào)文，并分別獲取時(shí)間標(biāo)簽 T2、T3 ; 被測(cè) IED 將GOOSE 報(bào)文上送至?xí)r鐘測(cè)試儀，則時(shí)間標(biāo)簽 T2與 T3 的差值為被測(cè) IED 時(shí)鐘同步誤差值。測(cè)試系統(tǒng)示意圖如下圖 1 所示。本方法中各功能獨(dú)立，可以根據(jù)需求，實(shí)現(xiàn) IEEE 1588、SNTP 等多種同步方式的時(shí)鐘同步精度測(cè)試。
在這個(gè)方法中，GOOSE 時(shí)標(biāo)是用來(lái)反映時(shí)鐘的準(zhǔn)確度，GOOSE 時(shí)標(biāo)是手段，測(cè)試目標(biāo)是 IED設(shè)備的時(shí)鐘，方法是兩組實(shí)驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間做差。
而本文所說(shuō)的測(cè)試方法是指通過(guò)開(kāi)關(guān)硬接點(diǎn)來(lái)測(cè)試 GOOSE 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度，硬接點(diǎn)是測(cè)試手段，測(cè)試目標(biāo)是 GOOSE 時(shí)標(biāo)，方法是用 GOOSE 時(shí)標(biāo)與**時(shí)間進(jìn)行比較。
另一種是采用 IEEE 1588 協(xié)議的智能裝置時(shí)間同步精度測(cè)試方法［4-6］，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如下圖 2 所示，時(shí)間測(cè)試儀作為主鐘，向被測(cè)智能設(shè)備發(fā)出 IEEE 1588 同步報(bào)文建立穩(wěn)定時(shí)間同步;信號(hào)發(fā)生設(shè)備向被測(cè)智能裝置和時(shí)間測(cè)試儀同時(shí)輸入開(kāi)關(guān)量電信號(hào);時(shí)間測(cè)試儀和被測(cè)智能裝置分別捕獲輸入的開(kāi)關(guān)量電信號(hào)的時(shí)間戳，被測(cè)智能裝置產(chǎn)生 GOOSE 報(bào)文向時(shí)間測(cè)試儀發(fā)送;時(shí)間測(cè)試儀提取接收到 GOOSE 報(bào)文中的被測(cè)智能裝置開(kāi)關(guān)量輸入時(shí)間戳，該時(shí)間戳與時(shí)間測(cè)試儀時(shí)間戳差值的**值就是被測(cè)智能裝置的時(shí)間同步誤差。
以上兩種方法都是介紹了時(shí)鐘同步精度的測(cè)試方法，并且在測(cè)試過(guò)程中涉及到了 GOOSE時(shí)標(biāo)，但是沒(méi)有給出 GOOSE 時(shí)標(biāo)較為**的測(cè)試方法。而本文主要是對(duì)智能裝置的 GOOSE 時(shí)標(biāo)(時(shí)間戳［7］)進(jìn)行測(cè)試，所以說(shuō)測(cè)試目的和測(cè)試方法與上述兩者都不相同。
從上述對(duì)于時(shí)間同步的分析中可以看出，時(shí)鐘同步測(cè)試可以分為兩個(gè)步驟，一是選取合適的參照點(diǎn)，二是用時(shí)間測(cè)試儀進(jìn)行被測(cè)信號(hào)與參照點(diǎn)的比對(duì)。測(cè)試的準(zhǔn)確性取決于兩個(gè)方面，一方面是選擇用來(lái)作為參照的時(shí)間是否**，另一方面是盡可能減少引起被測(cè)信號(hào)與參照時(shí)間之間差值誤差的因素。從波形的角度來(lái)說(shuō)就是要求參照波形盡可能接近于理想的脈沖波形，即上升與下降的速度快，并且被測(cè)信號(hào)與參照信號(hào)在進(jìn)行比對(duì)時(shí)，要盡可能減小兩者之間差值的誤差。
2 GOOSE 時(shí)標(biāo)的測(cè)量方法
2． 1 現(xiàn)有的 GOOSE 時(shí)標(biāo)的測(cè)試方法
對(duì) GOOSE 時(shí)標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候可以參照上述測(cè)試同步的方法，即選取合適的參照時(shí)間點(diǎn)，然后用截獲的 GOOSE 報(bào)文與之進(jìn)行比對(duì)，現(xiàn)有的 GOOSE 時(shí)標(biāo)測(cè)試方法主要有兩種:
一種是采用 GPS 主時(shí)鐘直接開(kāi)關(guān)量輸出硬節(jié)點(diǎn)信號(hào)給被測(cè)智能終端，截獲被測(cè)智能終端發(fā)出的報(bào)文并檢測(cè)其中的時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度。在這種方案里面，GPS 主時(shí)鐘作為參照點(diǎn)，然后用截獲的GOOSE 報(bào)文與主時(shí)鐘進(jìn)行比對(duì)。
它的缺點(diǎn)在于 GPS 主時(shí)鐘提供的開(kāi)關(guān)量輸出硬節(jié)點(diǎn)為機(jī)械節(jié)點(diǎn)，存在節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)，因此被測(cè)智能終端接收到的信號(hào)就存在抖動(dòng)，無(wú)法**標(biāo)記信號(hào)的時(shí)標(biāo)，測(cè)試結(jié)果的誤差范圍過(guò)大。
另一種是采用 GPS 主時(shí)鐘給數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和被測(cè)智能終端對(duì)時(shí)，使用數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀快速開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)給被測(cè)智能終端，截獲被測(cè)智能終端發(fā)出的報(bào)文并檢測(cè)其中的時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確度。
這種測(cè)試方法在**種方法的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，基于數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)進(jìn)行時(shí)標(biāo)**度的測(cè)試，雖然可以避開(kāi)機(jī)械節(jié)點(diǎn)的抖動(dòng)，但是由于數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀的快速開(kāi)關(guān)量輸出具有上升快、下降略慢的特點(diǎn)，其波形如圖 3 所示，被測(cè)智能終端收到信號(hào)的時(shí)標(biāo)**，但信號(hào)復(fù)歸的時(shí)標(biāo)測(cè)量結(jié)果誤差較大。
2． 2 **測(cè)量 GOOSE 時(shí)標(biāo)的方法
本文結(jié)合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)了時(shí)間測(cè)試回路，測(cè)試系統(tǒng)的示意圖如圖 4 所示。所用到的設(shè)備主要有 GPS 主時(shí)鐘、數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀、報(bào)文截獲設(shè)備以及示波器，其中GPS 主時(shí)鐘分別連接于所述被測(cè)智能終端、數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和示波器，GPS 主時(shí)鐘通過(guò)光纖給數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和被測(cè)智能終端進(jìn)行 B 碼對(duì)時(shí);被測(cè)智能終端接收數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀傳送的電平信號(hào)，并將接收到的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為報(bào)文;報(bào)文截獲設(shè)備與被測(cè)智能終端連接，從被測(cè)智能終端上截獲 GOOSE 報(bào)文，記錄報(bào)文中被測(cè)智能終端開(kāi)入變位的時(shí)刻;示波器連接數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和 GPS 主時(shí)鐘，監(jiān)視并記錄 GPS 主時(shí)鐘的秒脈沖信號(hào)與被測(cè)智能終端接收到的電平信號(hào)(即數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào))，通過(guò)這種方法可以避開(kāi)數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀開(kāi)關(guān)量輸出時(shí)的延時(shí)，能夠得到較為**的 GOOSE 時(shí)標(biāo)。
基于以上的論述，結(jié)合被測(cè)智能終端的內(nèi)部阻抗，搭建如圖 5 所示的時(shí)間測(cè)試回路。
在圖 5 中，220 V 直流電源的正極通過(guò)匹配的電阻接入被測(cè)智能終端的開(kāi)關(guān)量輸入，被測(cè)智能終端的開(kāi)關(guān)量公共端連接到 220 V 直流電源的負(fù)極;數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀的開(kāi)關(guān)量輸出一端連接在被測(cè)智能終端的開(kāi)關(guān)量輸入上，另一端連接在被測(cè)智能終端的開(kāi)關(guān)量公共端上;GPS 主時(shí)鐘通過(guò)光纖給數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和被測(cè)智能終端對(duì)時(shí);報(bào)文截獲設(shè)備通過(guò)光纖從被測(cè)智能終端上截獲其發(fā)出的報(bào)文。
測(cè)試開(kāi)始前，數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀開(kāi)關(guān)接點(diǎn)斷開(kāi)，虛線以上回路斷開(kāi)，被測(cè)智能終端開(kāi)入信號(hào)為 1(高電平);在設(shè)定時(shí)間點(diǎn) T1 (一般選擇整秒的時(shí)刻)上，數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)快速閉合，從而導(dǎo)通虛線以上部分回路，使得被測(cè)智能終端開(kāi)入信號(hào)為 0(低電平);經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間后，數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)快速打開(kāi)，斷開(kāi)虛線以上部分回路，直流正電通過(guò)電阻加到被測(cè)智能終端開(kāi)關(guān)量輸入上，使得被測(cè)智能終端開(kāi)入信號(hào)為 1，通過(guò)示波器來(lái)監(jiān)視主時(shí)鐘的秒脈沖和被測(cè)智能終端接收的測(cè)試信號(hào)，得到秒脈沖信號(hào)的變位時(shí)刻 T1 與所述被測(cè)智能終端的開(kāi)入變位時(shí)刻 T3，兩者的時(shí)間差記為△t，可以確
認(rèn)被測(cè)智能終端接收的信號(hào)與秒脈沖的時(shí)間差值在 15 μs 左右。
被測(cè)智能終端接收到開(kāi)入信號(hào)后，發(fā)出的GOOSE 報(bào)文被截獲，GOOSE 報(bào)文中該開(kāi)入變位時(shí)間記為 T2。對(duì)比報(bào)文中的時(shí)標(biāo)與主時(shí)鐘的時(shí)間，就可以達(dá)到檢測(cè)智能終端 GOOSE 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確性的目的，即 t = T2 － Δt － T1。
主時(shí)鐘的秒脈沖、被測(cè)智能終端和被截獲的GOOSE 報(bào)文 3 個(gè)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間的位置關(guān)系如圖 6 所示
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試中，首先搭建如圖 5 所示的智能終端時(shí)間性能測(cè)試回路。本測(cè)試方法中使用示波器記錄被測(cè)智能終端的開(kāi)入變位時(shí)刻，故可以保證測(cè)試的時(shí)間精度。具體測(cè)試步驟如下:
(1)在圖 5 所示的測(cè)試系統(tǒng)中，初始狀態(tài)數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀接點(diǎn)為斷開(kāi)狀態(tài)，正電通過(guò)電阻連接到被測(cè)智能終端的開(kāi)入輸入端，被測(cè)智能終端的開(kāi)入為 1;
(2)主時(shí)鐘給數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀和被測(cè)智能終端對(duì)時(shí);
(3)在設(shè)定時(shí)間 T1 (通常選取整秒時(shí)間)，數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀接點(diǎn)閉合，負(fù)電通過(guò)數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀的接點(diǎn)連接至被測(cè)智能終端的開(kāi)入輸入端，該開(kāi)入變位為 0;
(4) 在此過(guò)程中，使用示波器監(jiān)視并記錄PPS 脈沖和被測(cè)智能終端的開(kāi)入輸入電位，得到開(kāi)入量變位的時(shí)刻與秒脈沖變位的時(shí)間差 Δt，如圖 7 所示，圖 7 中給出了開(kāi)入信號(hào)分別處于上升和下降時(shí)的比對(duì)波形，圖 7 中上方曲線為測(cè)試信號(hào)，下方曲線為秒脈沖，a，b 兩個(gè)時(shí)刻之間的差值為兩者變位的時(shí)間差 Δt，數(shù)值小于 15 μs;
(5)捕獲智能終端變位后發(fā)出的 GOOSE 報(bào)文，查看被測(cè)智能終端報(bào)文中記載的開(kāi)入變位的時(shí)刻 T2 ;
(6)計(jì)算得到被測(cè)智能終端的 GOOSE 時(shí)標(biāo)的記錄偏差 t = T2 － Δt － T1。整個(gè)過(guò)程中引入了被測(cè)智能終端開(kāi)入量變位時(shí)刻與秒脈沖變位的時(shí)間差，給出了較為**的參考時(shí)間，從而可以大大的提高 GOOSE 時(shí)標(biāo)的測(cè)量**性。
4 結(jié)論
(1 ) **提出了能夠**檢測(cè)智 能 終 端GOOSE 時(shí)標(biāo)的方法，重新設(shè)計(jì)了時(shí)間測(cè)試回路，給出了整個(gè)測(cè)試的流程，并通過(guò)此方法檢驗(yàn)了不同廠家智能終端 GOOSE 時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性，對(duì)智能終端性能檢測(cè)有重要意義。
(2)通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了某些裝置存在時(shí)標(biāo)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，廠家針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了整改，消除了智能變電站運(yùn)行中的隱患。試驗(yàn)成果為電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)及設(shè)備選型提供了有力的依據(jù)。
