基于GPS的测量远动系统传输延时方法

2019-11-03 18:36:08

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供稿：网友

岑宗浩
（国家电力公司华东电力调度通信中心，上海 200002）

　　摘要：在调度实用化验收和新建厂站的远动设备投产验收工作中，均需要测试厂站的模拟量变化和状态量变位至调度端的信息传输延时，用以检查该装置或系统是否达到技术标准。传统的人工电话同步测量方法已较落后，且缺乏科学性。文中介绍了一种利用全球卫星定位系统（GPS）接收装置和信号发生器组成的，并在主站端实施GPS同步的同步延时测量系统。该系统具有实用性强、准确性高的特点，可用于远动专项测试工作。

　　关键词：远方终端装置；监控和数据采集系统；延时；测试；全球定位系统

1 引言

　　随着计算机技术的迅猛发展，电力系统的远动装置由原先的集中式远方终端装置（Remote Terminal Unit，RTU）发展到后来的分布式RTU。近年来，大型变电站和发电厂的监控系统的建设已取代了传统的RTU装置，其系统结构之复杂和信息传输接口之多，使得人们越来越重视其信息传输的实时性。但在工程验收或进行实用化验收时，由于缺乏必要的设备和理想的方法，使得远动系统的实时数据传输延时的测试难以取得准确的实际数据。

2 现有系统延时的测量方法

　　从20世纪90年代初的实用化验收工作开展到现今的工程验收，基本上都是沿袭依靠传统的电话传话来进行同步测量。其实现方式是厂站测试人员根据另一名打电话的测试人员的口令来同步现场的遥信变位和大数据变化，而主站测试人员则根据其口令，用秒表记录下此时画面数据刷新的时间，以此作为传输延时的时间。　　这种方法有很大的随意性，由此测出的数据也往往会引起争议。

3 基于GPS技术的测量系统延时的方法

　　全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）的应用为大系统同步测量提供了技术条件，其精度优于1ms[1]。20世纪80年代中期，GPS开始应用于电力系统，并得到推广。

　　（1）测试原理和系统示意图

　　模拟量变化延时测试是利用信号发生器模拟变送器的输出并且接入输入模块，利用方斜波信号的下跳阶跃（相邻2波形的下跳阶跃间隔时间应足以避开系统的传输延时），记录监控与数据采集系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）库中发生的大数据跳变的时刻，即系统的模拟量变化传输的延迟时间。GPS接收装置的同步输出信号和信号发生器的同步输出信号同时接入双踪示波器，用以计算信号发生器方斜波信号下跳阶跃的绝对时间，经GPS对时的SCADA库中记录下的发生大数据跳变的绝对时间，二者的差值就是所要测的延迟时间。为确保在正常通信方式下模拟量变化的传输，在此测试过程中不能发生状态量变位事件，否则应重新测试。图1为信号发生器的输出信号和同步信号。A通道显示的是方斜波信号，B通道显示的是同步输出信号。图2为测试系统中信号发生器的同步输出信号（A通道）和GPS接收器的分时钟同步输出信号（B通道）。图中信号发生器的大数据跳变时刻发生在整分（分同步信号的上跳）前2.4 s。

　　状态量变位延时测试是利用GPS接收装置的分钟同步输出信号触发模拟状态量变位并经过一继电器的输出节点接入输入模块。该继电器受GPS接收器的分钟同步信号的控制。该回路的电压信号接入示波器的1个通道，示波器的另1个通道接入GPS的同步信号，用以精确计算在装置侧发生状态变化的绝对时间（示波器上可以精确地读出继电器的执行时间）。经GPS对时的SCADA库中记录下发生的状态量变位的绝对时间，二绝对时间的差值就是状态量变位传输的延迟时间。

　　图3为测试系统示意图。

　　（2）测试设备

　　实现本测试方案至少需要下列设备和仪表：

· 带有同步信号输出的GPS接收装置（对时精度优于1ms）1套

· 具有方斜波输出功能的信号发生器1台

· 具有记录功能的双踪示波器1台

4 有关问题

4.1 通用性问题

　　（1）监控系统和各类RTU均可使用

　　由上可见，厂站的SCADA系统无论是采用监控系统组建还是采用RTU组建，均可以采用本文方法测试传输延时。

　　（2）变送器输入和交流采样均适用

　　上面的模拟量变化传输延时测试的厂站端原理描述，主要是针对采用变送器输入模式的监控系统或RTU装置。该方法稍作调整即可用于交流采样输入的系统，进行模拟量变化传输延时测试。

　　具体方法是：将高精度的三相测试电源接入交流采样装置的输入模块，并以恒定功率送出，其中1相电压经过1个继电器的输出节点接入输入模块，使该继电器受GPS接收器的分钟同步信号的控制。该电压回路信号接入示波器的1个通道，另1个通道仍接入GPS的同步信号，用以精确计算在装置侧发生大负荷变化的绝对时间。4.2 主站查询频度

　　厂站变化数据的传递是依靠主站的通信规约来实现的。通常有2种方式：CDT方式和POLLING方式。在采用CDT方式时，厂站远动装置的变化数据的传输不依赖于主站的控制，而采用POLLING方式时，主站对厂站的模拟量变化的查询频度和通信报文收、发的间隙长短，成为影响数据传输延时的一个因素。

　　一般来讲，主站对模拟量数据的查询频度和报文的收、发间隙是趋于合理的常数，是调度自动化系统的固有参数，整个厂站至主站的传输延时不应把它排除在外。

4.3 测试点

　　从厂站的输入模块至调度端的画面显示，整个系统的接口较多，容易造成系统延迟时间超过标准，利用GPS对时的方便性，可根据系统的具体情况和测试目的，灵活地设置测试点。

　　（1）在监控系统或RTU的主单元内

　　在一些大型变电站或发电厂的监控系统中，系统结构复杂、接口繁多，主单元控制器功能较强，能进行GPS对时，并且在控制器内部有实时数据库，有的还带有精确的时标数据t2（见图4），可方便地测出设备层至站控层之间的传输延时。

　　（2）在通道上侦听报文

　　对于在主站端的系统较复杂且系统性能不佳的情况下，可在调制解调器（MODEM）端通过和GPS对时的PC机，直接捕捉该测点的上传变化数据报文，并记录它的绝对时间t4（见图4），通过和在主站数据库内记录的时间t6（见图4）的对比，可分析出主站端的数据处理对系统传输延时的影响。

　　（3）在主站的数据库

　　主站端的设备通常能和GPS对时，而且主站的数据库一般能精确地记录数据入库的时标t6（见图4），它也是模拟量发生变化从厂站输入模块开始至主站人机界面（Human Machine Interface，HMI）工作站的画面刷新的最后能自动记录时间的地方。随着计算机技术的迅速发展，数据库数据更新至该点数据在画面刷新的时间基本可以忽略不计。

　　常规的SCADA功能中应具备记录数据异常变化事件的能力，即通常所说的变化数据越上限、越下限、越上上限和越下下限的事件记录，这些记录在异常事件记录库/表中均辅以时标数据，且由于信号发生器的方斜波输出信号幅度可调，在主站系统可方便地得到这些记录数据，而这些时标记录数据（该数据库服务器必须和GPS保持时钟同步）在测试中也能等同视为该变化数据在HMI工作站画面刷新的时间。

　　灵活地应用这3 种方法，可方便地计算出整个系统中各部分的传输延时，这对于分析系统的整体性能、改善传输时间大有帮助。

5 基于GPS的系统传输延时测量方法的意义

　　（1）实用性方面。本文方法具有较强的实用性和可操作性。随着GPS对时技术的日益普及，我国有多家制造厂家能提供价格便宜、对时精度高的便携式接收器。选用合适的信号发生器、GPS接收器及控制继电器可方便地构成厂站测试系统。同时随着IEC60870-5-101规约的应用，对于主站通信报文侦听软件的开发更为容易，因而，本测试方法具有较强的可操作性。

　　（2）准确性方面。利用本方法测量系统延时，可避免应用传统测量方法中由于人为因素造成的测量误差。其测量准确度取决于主站与厂站的GPS对时精度。一般而言，若主站的计算机与GPS接具有一定的优势，但单纯使用灰色模型预测电力负荷，结果仍不能令人满意。这是因为电力负荷收器通过串口的通信报文实现时钟同步，则它能保证到s级对时精度；若主站的计算机与GPS接收器通过IRIG-B编码接口实现时钟同步，则它能保证到ms级对时精度[2]。厂站的便携式GPS接收器能保证ms级的对时精度，这样，测量结果的时间准确度至少能保证到s级。这样的准确度能满足实际工程测量的需要。

　　（3）可比性方面。在实际测试过程中，除了需测试厂站装置或系统至主站的真实延时数据外，往往还需要对不同厂站装置或不同主站的测试结果作比对分析，因此需要根据实际情况加以区分：如在同一主站系统下（采用同种规约），测试2种远动装置或系统的不同传输延时；或用同种远动装置，测试2个不同主站对变化量的响应时间。这2种方法作出的延时比对结果是可信的。但对于在不同主站用不同的远动装置测的延时作对比时，需根据所采用的通信规约，适当调整数据的查询频度。

6 结束语

　　在江苏省连云港核电站网控SCADA系统的验收工作中，笔者运用本文方法对该系统的信号传输的实时性进行了测试。在测试过程中采用的设备有GPS-I型接收器、FLUKE 199 scopemeter和Agilent 33120A信号发生器。由这3台仪器组合的测试系统使用极为方便，测试也非常成功，文中图2就是其中的测试记录。因此，本文测试方法可在远动专项测试工作中推广使用。

参考文献

[1] 周忠谟，易杰军．GPS卫星测量原理与应用[M]．北京：测绘出版社，1992．

[2] 国家电力公司华东公司企业标准．华东电网时间同步系统技术规范[S]．2002．

摘自　北极星电技术网

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