智能變電站過程層數據共網可靠性研究

盧 巖，宋 瑋，于同偉，張武洋

0 引言

IEC61850 變電站通信網絡和系統標準是按照變電站自動化系統所要實現的監視、控制和繼電保護三大功能需求，將智能變電站劃分為過程層、間隔層和站控層［1～3］。智能變電站與傳統變電站最重要區別之一在于增加了過程層網絡，將傳統變電站中間隔層的數據采集、開關量輸入輸出等模塊下放到過程層實現，增加了合并單元(MU)、智能終端、過程層交換機等智能電子裝置(IED)，利用光纖傳輸報文取代了傳統的硬接線方式。過程層與間隔層設備的信息交互可以采取直采直跳或組網的方式實現，當采用過程層組網方式時，全站IED 設備必須首先同步時鐘，以保證過程層傳輸的采樣值和GOOSE 信息的實時性和可靠性，從而保證變電站正常運行的可靠性［4，5］。

本文在智能變電站過程層“三網合一”試驗的基礎上，針對智能變電站過程層環網(過程層網絡經多級交換機級聯形成)環境下采樣值、GOOSE 報文的傳輸延時和保護整組動作時間等進行試驗研究，分析過程層報文傳輸可靠性及IEEE1588 對時應用技術的可靠性，為智能變電站網絡延時提供試驗依據。

1 采樣值報文傳輸延時、抖動測試及可靠性分析

電力系統實時狀態分析和控制策略制定都要依賴于電力系統信息量的實時采集，對于過程層采用“三網合一”實現保護測控等安全自動裝置采樣的智能變電站，由于合并單元發送的采樣值經過程層網絡上送至間隔層的保護測控等安全自動裝置，由此帶來的過程層網絡對采樣值信息的網絡延時將會影響間隔層設備動作的準確性［6，7］，所以針對網絡采樣的網絡傳輸延時的測試研究是必要的。將對采樣值報文的網絡傳輸延時測試的測試接線圖、測試內容和測試結果進行分析，為智能變電站網絡化采樣值傳輸提供試驗數據。

在所有保護中，母差保護的工作條件最為嚴酷，因為母差保護要接收母線上所有間隔的采樣值報文，而在環網環境中，不同間隔的MU 將采樣值報文傳送到母差保護所經過的交換機級數不同，帶來的傳輸延時也會有差異。不同的傳輸延時是否會影響保護同步采樣從而影響保護正確判別及動作是重點關注的內容。因此測試以母差保護為例。

1.1 測試接線圖

測試接線圖如圖1 所示。為了排除設備互操作性的影響，選取國內三家知名品牌的10 臺交換機組成環網，級聯端口均為千兆口，其他端口為百兆口，環斷點在1 號與10 號交換機之間。采用精確時鐘協議IEEE1588 為所有設備對時，合并單元發送的采樣值要經過10 層交換機才能到達保護裝置，利用網絡報文分析儀來監視采樣值經過10級交換機的傳輸延時及抖動情況。

圖1 采樣值報文傳輸延時測試接線圖Fig．1 Sample message transmission delay test

1.2 測試結果及可靠性分析

測試結果如圖2 所示。

圖2 采樣值經10 臺交換機延時分布概率圖Fig．2 Distribution probability of sample value transmission delay after 10 switches

MU 固定以每秒4 000 幀報文的頻率向上發送采樣值信息，即相鄰兩幀報文間隔為250 μs。通過試驗可以看出，在過程層組網方式下，采樣值經過10 臺級聯交換機時，網絡傳輸延時大致分布在90 ～140 μs 范圍內，大部分采樣值的延時在121 μs 左右。

從試驗結果來看，在三網合一的條件下，如果經過的級聯交換機數量過多，則采樣值傳輸延時較大，當交換機數量達到20 級時，延時則達到240 μs 左右，甚至差出一個采樣點。對于本間隔保護、測控、PMU、故障測距、電度表等影響不大但是可能會對跨間隔保護的間隔層設備的正確運行造成影響。

2 跳閘報文傳輸特性測試及可靠性分析

2.1 GOOSE 報文傳輸延時測試

智能變電站將傳統保護的模數轉換、開關量輸入輸出功能下放到過程層設備中。傳統變電站中開關量的輸入、輸出信息通過電纜傳輸，幾乎是無延時的、直觀可靠的。而現在模擬量采集、跳合閘依靠通信網絡傳輸。基于IEC61850 的變電站自動化，由電流、電壓互感器傳送給保護、測控裝置的實時采樣信息和保護單元發送給現場開關保護信號的信息傳輸時間需求最高，要求小于2 ms。尤其對于母差保護，必須接收母線上所有間隔的啟動母差信號，必須考慮所有間隔啟動報文或心跳報文同時到達的極限情況［8］。如果不能保證網絡的安全性、實時性，完全有可能引起誤動、拒動，甚至造成災難性的后果［9，10］。所以，對三網合一方式下GOOSE 跳閘報文傳輸的延時進行測試是十分必要的。

將對GOOSE 報文的網絡傳輸延時測試的測試接線圖、測試內容和測試結果進行分析，為智能變電站網絡化跳閘提供試驗數據。

2.1.1 測試接線圖

測試接線圖如圖3 所示。為了排除設備互操作性的影響，同樣選取3 種不同品牌的交換機5臺，將它們的千兆口級聯，采用精確時鐘協議IEEE1588 為所有設備對時。母差保護裝置發出的GOOSE 信息由分光器分兩路，一路送至報文分析儀，另一路送至第一級交換機，經過5 級交換機后將報文發送給智能操作箱。報文分析儀監測GOOSE 信息到達每一級交換機的時間，隨機記錄10 組數據。

圖3 GOOSE 傳輸延時測試接線圖Fig．3 GOOSE transmission delay test

2.1.2 測試結果及可靠性分析

測試結果如圖4。報文經過每一級交換機的延時在5 ～7 μs 左右，從母差發出GOOSE 報文到第一級交換機級聯口接收、處理并轉發出去經過了42 μs 左右的時間，因為GOOSE 報文長度為500 字節，經過百兆口傳輸需要40 μs，交換機得到數據后解析出目標地址，發送級聯口需要2 μs時間。因此實測數據和理論數據吻合。從保護發出GOOSE 報文到末級交換機接收并轉發出此報文的總延時大概為66 μs。

圖4 經五級交換機GOOSE 傳輸延時Fig．4 GOOSE transmission delay after 5 switches

由以上測試結果，給出交換機千兆級聯時，隨交換機級數的增加，GOOSE 信息傳輸延時的理論值如圖5 所示。

圖5 經多級交換機GOOSE 傳輸延時理論值Fig．5 Theoretical value of GOOSE transmission delay after several switches

GOOSE 信息由交換機帶來的傳輸延時在μs級，滿足IEC61850 對變電站跳閘信息傳輸的時間需求。所以，在網絡環境下，交換機千兆級聯時，GOOSE 傳輸延時滿足變電站的運行要求。

2.2 保護跳閘整組時間測試

GOOSE 報文網絡延時性能在工程應用中體現在保護動作整組時間上，所以我們以母差保護測試為例，通過試驗測試過程層交換機組環網方式下保護動作跳閘的整組時間，分析由于網絡帶來的GOOSE 傳輸延時對保護跳閘輸出的快速性、安全性和可靠性影響。

2.2.1 測試接線圖

測試接線圖如圖6。為了測試不同廠家的保護裝置動作時間，試驗采用了4 個不同廠家的智能操作箱和保護裝置，編號為1，2，3，4 不同品牌的交換機，其中10 臺交換機千兆級聯組成環網，環斷點在1 與10 之間，所有設備采用精確時鐘協議IEEE1588 對時。分別測試每個廠家的保護裝置依次發跳閘GOOSE 命令給每一臺智能操作箱，利用報文分析儀監視并記錄保護動作的時間，重復測試多次求平均值。

圖6 保護動作時間測試接線圖Fig．6 Whole protection trip time test

2.2.2 試驗結果及可靠性分析

試驗得到各保護廠家母差保護對應跳自家智能操作箱的整組時間分布圖如圖7 所示，母差保護動作的整組時間在30 ～50 ms 左右，整組動作時間主要取決于保護動作時間和操作箱動作的時間，而網絡傳輸導致的延時所占的比例極其微小，各廠家跳閘整組時間的長短差異主要來自于保護裝置和操作箱的差異。

由此給出了平均整組時間組成，網絡傳輸時間是按照經過20 級交換機的延時計算的，即便這樣其只占整組時間的1.15%，而更大的延時主要取決于保護裝置和操作箱的性能。在過程層交換機組網方式下，GOOSE 數據傳輸能保持較穩定的出口延時，滿足保護的安全可靠性要求 (見圖8)。

圖7 各廠家保護動作整組時間分布圖Fig．7 Whole protection trip time distribution of each company

圖8 經20 級交換機保護動作整組時間分布圖Fig．8 Whole protection trip time distribution after 20 switches

3 IEEE1588 對時應用可靠性

智能變電站中同步采樣尤其是不同合并單元之間的同步采樣對各種差動保護尤為重要。在智能變電站中，最重要的對時設備是MU。傳統的對時一般采用PPS (秒脈沖)或者B 碼信號對時，采樣值同步的有效性依賴于接收到對時信號的正確可靠，而對時信號的獲取是通過單獨的硬接線方式實現的，取消這種硬接線方式而借助于以太網通信技術實現采樣值的高精度同步具有重要意義［11］。IEEE 1588 是一種用于分布式測量和控制系統的精密時間協議，同時也是網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準，網絡對時精度可達到亞μs 級。基于IEEE 1588 實現采樣值的同步具有良好的應用前景。

在上述試驗的測試中，均采用了IEEE1588 的對時方式對IED 設備進行對時。測試過程中，發現了以下問題:

(1)交換機對1588 報文駐留及鏈路延時修正值與實際時間不一致，導致MU 立刻跟蹤主時鐘，強行拉秒脈沖。MU 序號不連續，保護判斷丟包，閉鎖退出運行。

(2)環網情況下，如果出現一臺交換機CPU死機，環網會癱瘓。

對于上述情況的出現，通過分析，可以在交換機的架構及軟件上提高可靠性，避免各種原因的時鐘跳變，同時制定可靠的MU 對時策略，使MU 具備在一定的時間內對主時鐘錯誤的兼容能力，從而躲過這種類型的跳變，保證系統正常運行。

4 結論

從以上測試來看，在上述組網方式下智能變電站過程層三網合一技術是可靠的。網絡方式是智能變電站發展的必然趨勢。通過研究對于未來的技術發展提出如下觀點:

(1)對于網絡采樣，環網條件下采樣值傳輸延時對于測控、計量及本間隔保護等滿足可靠性要求。對于跨間隔保護，網采技術的應用受到一定限制，當組成環網的交換機臺數限制在一定數量內，保護動作的可靠性完全可以滿足要求。當組成環網的交換機臺數過多時，可能會影響保護的動作性。但是，這一問題是可以在兩個方面來解決的，一是在網絡技術上探究新的方向來解決環網傳輸延時的問題，實現端對端傳輸時間可控;二是探究新的繼電保護算法，使保護能夠兼容網絡帶來的抖動［12］。

(2)對于網絡跳閘，由環網帶來的GOOSE跳閘報文傳輸的延時在保護整組動作時間中所占比例微小，20 級交換機組成的環網帶來的GOOSE傳輸延時所占保護整組動作時間的比例不足1.15%，完全滿足保護正確動作的可靠性要求。

(3)IEEE1588 的應用是網絡技術的關鍵。對于目前1588 應用中出現的問題，通過在交換機的架構及軟件上提高可靠性以及針對MU 制定可靠性更高的1588 對時策略即可滿足工程應用。

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