本發明屬于智能變電站技術領域，具體地涉及一種無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統。

背景技術：

根據IEC 61850變電站通信網絡和系統標準的描述和要求，智能變電站綜合自動化系統的設備根據其功能按過程層、間隔層、站控層三層分層布置。從長遠看，變電站網絡結構將分三個階段逐步改進，即點對點模式、過程層總線模式、過程總線和站控層總線合并即“站級總線”方式。

在智能變電站網絡中，核心內容為間隔層保護測控裝置等設備需要對接入裝置的同一間隔、或跨間隔的各相電壓電流實現同步采集和處理，如線路保護、主變保護、母線保護均需要各個輸入的采樣數據同步，采樣數據的同步對于一次設備故障識別和處理也顯得尤為重要。由于受到采樣值組網同步技術成熟度和穩定度的限制，目前的工程應用中，多采用站控層MMS網絡、SV采樣值網絡、GOOSE網絡分層獨立配置的方案，采樣值傳輸多采用點對點直采的方式，GOOSE多采用點對點直跳和網絡跳閘控制并存的方案；其中，基于全局同步的采樣值組網傳輸和過程層總線方案有少量試點應用，尚未大量工程化應用。

當前基于全局同步系統的智能變電站三網合一組網傳輸方案如圖1，站內提供標準時鐘即外同步系統，接受GPS/北斗衛星對時，站內通過全局同步系統，以光纖B碼或IEEE 1588等對時方式，向站內采樣值發送設備(合并單元)和保護測控裝置等設備提供統一脈沖信號。各采樣值輸出設備間基于統一脈沖信號實現數據采集的同步和輸出同步，采樣值接收設備基于統一脈沖信號對采樣值數據進行采樣還原，通過判斷包序列號是否相同實現采樣值的同步。圖1為現有技術的基于全局同步系統的變電站三網合一組網結構示意圖。

在基于外同步系統的采樣值組網傳輸模式下，采樣值輸出設備發送報文受統一脈沖信號的控制。在統一脈沖信號到來時，輸出設備會在同一時刻將各自的采樣值報文發送到網絡交換機上；由于單路采樣值數據報文流量一般大于3Mb/s，在采樣值輸出設備間隔較多時，在交換機單個端口上的瞬時數據流量巨大，易導致數據轉發排隊而產生較大的交換機轉發時延，且轉發時延長短受端口流量的隨機變化影響，采樣數據同步性問題較突出，影響系統的穩定運行。另外，系統的采樣值同步可靠性由全局唯一的外同步系統時鐘的可靠性決定，當外同步系統失去衛星對時后，同步系統利用高穩晶振工作產生的累積誤差，對采樣值輸出設備的采樣同步性和準確度也有影響。另外，當外同步系統鏈接斷開或者故障時，整個采樣值同步系統將無法正常工作，進而影響整個綜自系統的安全、穩定運行。

目前還有一種基于采樣值報文傳輸延時可測的采樣值組網傳輸方案，該方案采用自定義的延時可測交換機，在合并單元發出的采樣值報文進入交換機時以及報文轉發出交換機時，均在采樣值報文中打上統一的時間戳(時標)，保護測控裝置通過報文進出交換機的時間戳的差值，即可計算出采樣值報文經過交換機上轉發經過的延時ΔT，從而可以回溯得出各間隔采樣值報文發出的準確時間，進而通過插值得出同步后的跨間隔采樣數據。該方案采用了非標的工業交換機：自動識別采樣值報文并只對采樣值進行打時間戳處理；并破壞了IEC61850-9采樣值報文的完整性：原有的采樣值報文中并不包含時間戳信息，該方案認為的將時間戳信息加入該報文的兩個保留字中，使得該國際標準非標準化，方案的標準化程度明顯退步，通用性不強。

因此，智能變電站內現有的以站控層網絡、采樣值網絡、GOOSE網絡分別組網的智能變電站工程應用方式，需要二次設備數量和外部接口數量眾多，系統的網絡結構及光纖鏈路配置復雜，站內資源無法共享，設備研制和工程實施成本較高，改造和擴建不易。基于外同步系統的采樣值同步系統依賴全局唯一的外同步時鐘系統，運行穩定性相對較差。而基于延時可測的采樣值同步方案破壞了IEC 61850標準的報文一致性，并且采用了自定義的非標準化的工業交換機，方案的通用性和標準化程度受到了明顯的制約。這些不足之處，嚴重制約了智能變電站技術的發展，未充分發揮出IEC 61850國際技術標準的技術優勢，無法滿足未來變電站技術發展的需要。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種不需依賴全局采樣同步時鐘源、具有普遍適用性的無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統，以滿足智能變電站網絡合一后數據穩定可靠傳輸的需要。

本發明的技術方案如下：一種無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統包括：分布式同步變電站站級總線傳輸網絡：由支持透明時鐘協議的通用工業交換機組成的變電站站級網絡，接入站內所有的站控層、間隔層、過程層設備，具有智能變電站內的MMS報文、GOOSE報文以及SV采樣值報文數據無需全局同步系統共網傳輸的功能；基于IEEE 1588主時鐘的合并單元設備：具有按本地晶振頻率自由運行的IEEE 1588主時鐘，獨立采樣并按自有時鐘節拍定時發送SV采樣值報文，采樣值報文發送時間隨機；開關智能化輔助智能終端設備：以GOOSE報文形式實現主變壓器及開關的遙信采集、遙控執行，并包括變電站內主變壓器和開關一次設備的智能化代理設備；基于IEEE 1588自適應的繼電保護二次設備：具備接收來自站級總線網絡的多個采樣值輸出設備的SV采樣值數據，實現多個非同步采樣值數據的同步采樣的功能，并包括：可根據主時鐘設備配置自動擴展的多IEEE 1588從鐘接口模塊，采樣值數據接收處理模塊，自適應多路無全局同步采樣值數據同步采樣模塊；而且還具備接收處理和控制發出GOOSE報文數據的功能，以及具備與站內后臺主機以及通訊管理機之間基于MMS報文通訊的功能。

優選地，所述分布式同步變電站站級總線傳輸網絡，通過通用工業交換機與合并單元設備、繼電保護二次設備、智能終端設備組成變電站站級總線傳輸網絡；所述變電站站級總線傳輸網絡上各個合并單元設備按自有節拍發送采樣值報文，多個設備間發送采樣值報文至網絡交換機的時間隨機，該機制使網絡上的負載分布均衡，避免了全局外同步時采樣值同一時刻發送的巨大瞬時流量；交換機支持透明時鐘協議；智能終端按照標準要求發送和接收相應的GOOSE報文；同時繼電保護二次設備與站內通訊管理機和后臺間以MMS報文進行通訊，實現站內自動化功能。

優選地，所述基于IEEE 1588主時鐘的合并單元設備，每個合并單元設備內實現1個IEEE 1588主鐘，固定運行在標準所述MASTER狀態，自由運行在某內部時鐘上，無需接受外同步，也不需參與標準的最佳時鐘選擇邏輯；采樣值輸出設備間無時序配合要求；此設備根據配置按照主時鐘的秒等分周期間隔輸出采樣值報文。

優選地，所述開關智能化輔助智能終端設備，為一次主變間隔、開關間隔智能化的代理設備，將主變間隔的遙信、開關間隔的遙信轉為GOOSE發送至站級總線網絡上，并接受繼電保護設備送來的基于GOOSE報文的開關跳合閘、遙控分合閘命令，實現開關的智能化控制。

優選地，所述基于IEEE 1588自適應的繼電保護二次設備，可通過連接至變電站站級總線網絡上的單個物理接口，接收來自通用工業交換機轉發的采樣值輸出設備的采樣值數據及同步報文信息，實現多個非同步采樣值數據的同步采樣；接收和發送GOOSE信號，實現遙信信息的采集以及開關的控制；與通訊管理機和后臺進行MMS通訊，實現站內遙信、遙測、故障、告警信息的上傳顯示。

優選地，所述可根據主時鐘設備配置自動擴展的多IEEE 1588從鐘接口模塊，采樣值接收設備在單個物理端口上實現多個IEEE 1588從鐘，各從鐘符合標準中僅為從時鐘的要求，且從鐘被配置為固定跟蹤某個采樣值輸出設備內的主鐘，無需參與標準的最佳時鐘選擇邏輯，接收設備的各從鐘時間僅與所對應主鐘時間有關，從鐘間無時序配合的對應要求，相互獨立。

7、根據權利要求1所述的無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統，其特征在于：所述采樣值數據接收處理模塊，可根據設備配置有選擇地接收來自通訊接口的采樣值報文，鎖定跟蹤數據源，自適應消除采樣值數據報文經通用工業交換機轉發而產生的延時抖動，解析并將相應的采樣值數據緩存到逐點可移動動態數據窗中。

優選地，所述自適應多路無外同步采樣值數據同步采樣模塊，通過在采樣值接收設備內設置獨立采樣脈沖，獲得設備內每個IEEE 1588從鐘在獨立采樣脈沖到來時刻的相對時間，折算出對應的等分同步脈沖序號，利用各從鐘之間的時間差以及采樣額定延遲，獲取各采樣值發送設備間采樣數據包間的相對關系；采用逐點可移動動態數據窗中的數據對不同數據源進行自適應回溯插值，計算出同一時刻的采樣數據，實現多個未經外同步的采樣值數據輸出設備采樣數據在一個采樣值接收設備內的同步。

本發明的有益效果在于：所述無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統支持基于IEC 61850-9-2的SV采樣值、GOOSE報文、MMS報文的共網傳輸，并可用于智能變電站內，實現數字式繼電保護裝置、電能表、電能質量監測裝置、故障錄波裝置等需要數字式采樣同步的電子設備的標準化組網接入，為目前智能變電站網絡統一化、接口標準化提供了一種便捷有效的解決方案。

附圖說明

圖1現有技術的基于全局同步系統的變電站三網合一組網結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統的結構示意圖；

圖3為SV采樣值基于分布式同步的組網傳輸技術實現框圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本發明中的元件和組件，數量既可以單個的形式存在，也可以多個的形式存在，本發明并不對此進行限定。可以理解，本文中所使用的術語“和/或”涉及且涵蓋相關聯的所列項目中的一者或一者以上的任何和所有可能的組合。

請參閱圖2，為本發明實施例提供的無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統的結構示意圖。所述無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統包括：分布式同步變電站站級總線傳輸網絡、基于IEEE 1588主時鐘的合并單元設備、開關智能化輔助智能終端設備和基于IEEE 1588自適應的繼電保護二次設備。

其中，所述分布式同步變電站站級總線傳輸網絡是由支持透明時鐘協議的通用工業交換機組成的變電站站級網絡，接入站內所有的站控層、間隔層、過程層設備，具有智能變電站內的MMS報文、GOOSE報文以及SV采樣值報文數據無需全局同步系統共網傳輸的功能。具體地，所述分布式同步變電站站級總線傳輸網絡，通過通用工業交換機與合并單元設備、繼電保護二次設備、智能終端設備組成變電站站級總線傳輸網絡；所述變電站站級總線傳輸網絡上各個合并單元設備按自有節拍發送采樣值報文，多個設備間發送采樣值報文至網絡交換機的時間隨機，該機制使網絡上的負載分布均衡，避免了全局外同步時采樣值同一時刻發送的巨大瞬時流量；交換機支持透明時鐘協議；智能終端按照標準要求發送和接收相應的GOOSE報文；同時繼電保護二次設備與站內通訊管理機和后臺間以MMS報文進行通訊，實現站內自動化功能。

所述基于IEEE 1588主時鐘的合并單元設備具有按本地晶振頻率自由運行的IEEE 1588主時鐘，獨立采樣并按自有時鐘節拍定時發送SV采樣值報文，采樣值報文發送時間隨機。具體地，所述基于IEEE 1588主時鐘的合并單元設備，每個合并單元設備內實現1個IEEE 1588主鐘，固定運行在標準所述MASTER狀態，自由運行在某內部時鐘上，無需接受外同步，也不需參與標準的最佳時鐘選擇邏輯；采樣值輸出設備間無時序配合要求；此設備根據配置按照主時鐘的秒等分周期間隔輸出采樣值報文。

所述開關智能化輔助智能終端設備以GOOSE報文形式實現主變壓器及開關的遙信采集、遙控執行，并包括變電站內主變壓器和開關一次設備的智能化代理設備。具體地，所述開關智能化輔助智能終端設備，為一次主變間隔、開關間隔智能化的代理設備，將主變間隔的遙信、開關間隔的遙信轉為GOOSE發送至站級總線網絡上，并接受繼電保護設備送來的基于GOOSE報文的開關跳合閘、遙控分合閘命令，實現開關的智能化控制。

所述基于IEEE 1588自適應的繼電保護二次設備具備接收來自站級總線網絡的多個采樣值輸出設備的SV采樣值數據，實現多個非同步采樣值數據的同步采樣的功能，包括：可根據主時鐘設備配置自動擴展的多IEEE 1588從鐘接口模塊，采樣值數據接收處理模塊，自適應多路無全局同步采樣值數據同步采樣模塊；而且還具備接收處理和控制發出GOOSE報文數據的功能，以及具備與站內后臺主機以及通訊管理機之間基于MMS報文通訊的功能。

具體地，所述基于IEEE 1588自適應的繼電保護二次設備，可通過連接至變電站站級總線網絡上的單個物理接口，接收來自通用工業交換機轉發的采樣值輸出設備的采樣值數據及同步報文信息，實現多個非同步采樣值數據的同步采樣；接收和發送GOOSE信號，實現遙信信息的采集以及開關的控制；與通訊管理機和后臺進行MMS通訊，實現站內遙信、遙測、故障、告警信息的上傳顯示。

而且，所述可根據主時鐘設備配置自動擴展的多IEEE 1588從鐘接口模塊，采樣值接收設備在單個物理端口上實現多個IEEE 1588從鐘，各從鐘符合標準中僅為從時鐘的要求，且從鐘被配置為固定跟蹤某個采樣值輸出設備內的主鐘，無需參與標準的最佳時鐘選擇邏輯，接收設備的各從鐘時間僅與所對應主鐘時間有關，從鐘間無時序配合的對應要求，相互獨立。

所述采樣值數據接收處理模塊，可根據設備配置有選擇地接收來自通訊接口的采樣值報文，鎖定跟蹤數據源，自適應消除采樣值數據報文經通用工業交換機轉發而產生的延時抖動，解析并將相應的采樣值數據緩存到逐點可移動動態數據窗中。

需要說明的是，在本實施例提供的無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統中，智能變電站內的合并單元采集來自傳統/電子式電壓、電流互感器的信號，并將采集到的各路數據同步后組成采樣值包；在每個合并單元內實現1個IEEE1588主時鐘，固定運行在MASTER狀態，自由運行不需接受外同步。此設備嚴格按照此主時鐘的秒等分周期間隔輸出采樣值報文，輸出至過程層采樣值網絡。

而且，智能變電站內的智能終端實現主變間隔、開關間隔的遙信信號采集，將其轉為GOOSE信號傳輸到網絡上，并接收來自其他保護測控裝置的保護跳合閘、遙控分合閘命令，實現開關的數字化智能分合控制。

采樣數據接收裝置(如保護測控裝置、電能表等)從過程層采樣值網絡上接收相應間隔采樣值輸出設備(如合并單元)的采樣值報文及時鐘報文，經過數據解析和自適應同步處理后實現相應的保護測控或電能計量等功能。

保護測控裝置將采集到的遙信信號、測量電量、遙控執行信息、設備告警信息、保護動作告警信息等，通過MMS規約與站內后臺和通訊管理機端實現信息交互。

請參閱圖3，為SV采樣值基于分布式同步的組網傳輸技術實現框圖。在本實施例中，設備通過以太網接口模塊完成與相應間隔合并單元的采樣值數據采集，獲取符合IEC 61850-9標準的等間隔原始數據；通過自適應多IEEE 1588從時鐘模塊，完成與相應間隔合并單元主時鐘的高精度時鐘同步功能；通過頻率跟蹤，保證合并單元與數據接收模塊的節拍同步。通過各合并單元之間的時間差，采用可移動動態數據窗存儲各路數據的采樣值包數據并對源數據進行回溯插值，獲得保護、測控等計算所需的同步數據，將經過嚴格同步的各間隔的電壓電流數據經過數據總線送入CPU中進行下一步數據處理。

相較于現有技術，本發明提供的無需全局同步系統的智能變電站站級總線網絡系統支持基于IEC 61850-9-2的SV采樣值、GOOSE報文、MMS報文的共網傳輸，并可用于智能變電站內，實現數字式繼電保護裝置、電能表、電能質量監測裝置、故障錄波裝置等需要數字式采樣同步的電子設備的標準化組網接入，為目前智能變電站網絡統一化、接口標準化提供了一種便捷有效的解決方案。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。