智能變電站繼電保護(hù)跳閘實(shí)現(xiàn)方式研究

包錫軍

（國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

現(xiàn)代智能變電站中的繼電保護(hù)跳閘方式含有兩類主流方式，一類為保護(hù)網(wǎng)跳閘，一類為保護(hù)對(duì)點(diǎn)跳閘。對(duì)點(diǎn)跳閘方式在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，不使用網(wǎng)絡(luò)方式，因此較為可靠，但在熔點(diǎn)、光口上相對(duì)較多。保護(hù)網(wǎng)跳閘則要通過交換機(jī)的信號(hào)傳輸，但在光纖敷設(shè)量及光纖熔點(diǎn)上相對(duì)較少。對(duì)于使用何種方式進(jìn)行變電站保護(hù)，現(xiàn)階段還存在一定爭(zhēng)議，本文系統(tǒng)地進(jìn)行兩種智能變電站的機(jī)電保護(hù)跳閘方式對(duì)比，闡述兩類保護(hù)跳閘方式在各方面的性能表現(xiàn)，以期為變電站繼電保護(hù)跳閘方式選擇提供借鑒。

1 智能變電站繼電保護(hù)跳閘原理

對(duì)點(diǎn)跳閘原理如下，繼電保護(hù)裝置和智能終端的連接，依賴于獨(dú)立光纖，保護(hù)跳閘的信號(hào)通過光纖直接傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置，其他信號(hào)則會(huì)連接到過程層的交換機(jī)中，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。保護(hù)網(wǎng)跳閘原理如下，繼電保護(hù)裝置和信號(hào)發(fā)布終端的連接，經(jīng)由過程層交換機(jī)，保護(hù)跳閘等信號(hào)都會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。兩類方式主要在接線的形式上發(fā)生改變，對(duì)點(diǎn)跳閘較保護(hù)網(wǎng)跳閘增加光纜的布設(shè)；在跳閘模式上，對(duì)點(diǎn)跳閘通過跳閘報(bào)文使用光纜進(jìn)行傳輸，保護(hù)網(wǎng)跳閘報(bào)文則會(huì)先通過交換機(jī)，再傳輸至繼電保護(hù)裝置。

2 智能變電站繼電保護(hù)跳閘方式

對(duì)點(diǎn)跳閘的方式不需要使用網(wǎng)絡(luò)，因此不需要使用交換機(jī)作為中間站，沒有傳輸延遲問題；熔點(diǎn)及光口相對(duì)更多，因此發(fā)生故障的可能性更大；對(duì)點(diǎn)繼電保護(hù)器CPU及光口發(fā)熱量會(huì)更大，設(shè)備的老化速度相對(duì)更快，致使故障可能性進(jìn)一步增大；設(shè)備硬件的數(shù)量相對(duì)更多，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工量更大；故障發(fā)生的可能性較多，原因也更復(fù)雜，不利于故障的分析；設(shè)備的維護(hù)要求較高，使得設(shè)備生命周期造價(jià)更大。

保護(hù)網(wǎng)跳閘方式中，因?yàn)楣饫w熔接點(diǎn)少，所以故障接點(diǎn)也更少；光纖敷設(shè)量較小，造價(jià)更低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行故障分析；使用交換機(jī)作為跳閘報(bào)文信息的中轉(zhuǎn)站，會(huì)有延時(shí)問題。

智能變電站要求實(shí)現(xiàn)通信平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)、站內(nèi)信息數(shù)字化、信息的共享標(biāo)準(zhǔn)化，使用網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的跳閘，與智能變電站未來發(fā)展趨勢(shì)更為契合。同時(shí)，對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)方式不利于變電站建設(shè)成本及維護(hù)成本的控制。最關(guān)鍵的是，對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)無法保證保護(hù)的有效性以及保護(hù)持續(xù)性。基于此，本文以分析以網(wǎng)絡(luò)傳輸為基礎(chǔ)的保護(hù)網(wǎng)跳閘方式為主體，對(duì)點(diǎn)跳閘方式作為保護(hù)網(wǎng)跳閘方式性能及效果的參照對(duì)象。

3 智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)跳閘可靠性

智能變電站保護(hù)跳閘可靠性影響的因素主要是交換機(jī)丟包，而造成交換機(jī)丟包因素則主要有3類，即電磁干擾問題、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴問題、交換機(jī)的處理能力沒有達(dá)成要求。從上述3方面出發(fā)進(jìn)行保護(hù)網(wǎng)跳閘可靠性分析，現(xiàn)代智能變電站的交換機(jī)均得到全球范圍內(nèi)的電力行業(yè)產(chǎn)品咨詢及認(rèn)證、測(cè)試群為機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，并按照國際電工委員會(huì)的要求及標(biāo)準(zhǔn)，通過了電磁輻射、抗電磁干擾、靜態(tài)振動(dòng)等測(cè)試，能夠使繼電保護(hù)器在惡劣的環(huán)境下也能夠保證不受電磁干擾的影響。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生主要有跳閘保護(hù)系統(tǒng)中的某個(gè)部分出現(xiàn)問題，導(dǎo)致交換機(jī)無法進(jìn)行正常防護(hù)，出現(xiàn)跳閘報(bào)文多發(fā)的問題，但在此情況下，對(duì)點(diǎn)跳閘也無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；非法設(shè)備連接到信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，并發(fā)送未知單播地址報(bào)文，此問題能夠通過未知單播地址抑制功能，對(duì)其進(jìn)行預(yù)防，一定程度上解決該問題；信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生大量異常的廣播問題也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴問題出現(xiàn)，交換機(jī)中進(jìn)行端口速率限制的設(shè)置，能夠使得此類問題得到預(yù)防。現(xiàn)階段，交換機(jī)使用的是轉(zhuǎn)發(fā)及存儲(chǔ)機(jī)制，同時(shí)選擇雙工的方式進(jìn)行連接，所以數(shù)據(jù)流量增加的過程中，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)發(fā)生的概率也不會(huì)增加。相關(guān)研究中對(duì)于各負(fù)載率下報(bào)文傳輸延時(shí)情況，進(jìn)行了詳細(xì)的檢測(cè)及測(cè)試，延時(shí)浮動(dòng)在23～251.4 μs。通過相關(guān)研究證明，交換機(jī)處于高負(fù)載時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)的延時(shí)情況，都會(huì)在300 μs之下，即比之繼電器動(dòng)作抖動(dòng)延時(shí)更小，能夠達(dá)成繼電保護(hù)器速動(dòng)需要[1]。在過程層網(wǎng)絡(luò)方面，智能變電站均選擇使用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生不會(huì)使得保護(hù)拒動(dòng)發(fā)生，所以保護(hù)網(wǎng)跳閘方式繼電保護(hù)能夠在可靠性上得到保障。

4 智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)

4.1 保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)分析

保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)發(fā)生，主要有兩個(gè)決定因素，報(bào)文發(fā)送及網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。報(bào)文發(fā)送延時(shí)主要為裝置通信處理器報(bào)文處理延時(shí)。在通過智能變電站使用工程動(dòng)模的方式進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，裝置各個(gè)端口處理延時(shí)為25 μs，即第一個(gè)端口處理延時(shí)達(dá)到25 μs，第二個(gè)則為50 μs，以此進(jìn)行類推。

網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)問題多是因?yàn)槎嗵幯訒r(shí)構(gòu)成，主要包含如下因素，交換機(jī)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)出現(xiàn)延時(shí)的情況。現(xiàn)階段，智能變電站所使用交換機(jī)都是轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)原理，進(jìn)行單臺(tái)交換機(jī)延時(shí)的計(jì)算時(shí)，可以直接用幀長(zhǎng)比于傳輸速度得到計(jì)算結(jié)果，假若使用光口為100 Mb/s，最大幀長(zhǎng)為1 522 b，同行部幀頭8 b，交換及轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)的延時(shí)則為122 μs；如果是千兆端口存儲(chǔ)，則轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)則為12 s。交換機(jī)的交換出現(xiàn)延遲，交換延遲為固定的值，主要受到交換機(jī)優(yōu)先功能、芯片處理等功能速度影響，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的延遲一般為10 μs以下。光纜傳輸發(fā)生延遲，主要由光纜長(zhǎng)度影響，以光纜長(zhǎng)度比與光纜光速，光纜光速即是光速的2/3，就能得到延時(shí)值。例如，1 km的光纜，傳輸?shù)难訒r(shí)大約在5 μs。交換機(jī)幀排隊(duì)發(fā)生延時(shí)，幀沖突主要在廣播以太網(wǎng)中出現(xiàn)，以太網(wǎng)交換機(jī)和隊(duì)列結(jié)合，進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，能夠使得共享性以太網(wǎng)幀沖突問題得到解決，幀排隊(duì)延時(shí)問題則可以通過幀優(yōu)先級(jí)設(shè)置解決。網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)問題，主要是交換機(jī)線路傳輸延時(shí)、交換機(jī)延時(shí)、發(fā)送延遲、幀排隊(duì)延遲之和。通過對(duì)多類網(wǎng)絡(luò)傳輸方式進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)GOOSE的跳閘報(bào)文形成仍然能夠達(dá)成相關(guān)要求及標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 與對(duì)點(diǎn)跳閘延時(shí)比較

一般多數(shù)人會(huì)認(rèn)為因保護(hù)網(wǎng)跳閘增設(shè)交換機(jī)，所以其延時(shí)問題會(huì)較為嚴(yán)重，更大于對(duì)點(diǎn)跳閘延時(shí)。然而在實(shí)際研究中明確，保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)情況在多數(shù)情況下，較之對(duì)點(diǎn)跳閘更好[2]。通過對(duì)二次設(shè)備廠的調(diào)查研究，認(rèn)為主要問題如下。多光口的數(shù)據(jù)傳輸，都是由相同CPU處理，并且其需要對(duì)各個(gè)端口按一定順序進(jìn)行處理，從而使得光口報(bào)文處理發(fā)生延時(shí)問題。相對(duì)地，網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)倪^程中，因?yàn)樵O(shè)備不需要進(jìn)行對(duì)點(diǎn)跳閘接口設(shè)置，同時(shí)廠家都會(huì)使組網(wǎng)端口位于第一優(yōu)先位置，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸跳閘保護(hù)的速度較之對(duì)點(diǎn)跳閘更為迅速；對(duì)點(diǎn)跳閘的各個(gè)光口因?yàn)镃PU需要按順序進(jìn)行處理，所以排列在尾段的光口延時(shí)相對(duì)更長(zhǎng)。交換機(jī)延時(shí)相對(duì)較短，進(jìn)行反應(yīng)僅需要數(shù)十微秒的時(shí)間，因此保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)發(fā)生較之對(duì)點(diǎn)跳閘延時(shí)更為短；因?yàn)閿?shù)據(jù)端口增加，裝置的內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)處理的時(shí)間上，較之單一端口的處理時(shí)間更長(zhǎng)，所以保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)更短；通過多個(gè)廠商設(shè)備的研究發(fā)現(xiàn)，光口報(bào)文發(fā)出的時(shí)間差異均在25 μs左右，如果將相同的報(bào)文發(fā)送到17個(gè)光口，那么最先將報(bào)文發(fā)出的時(shí)間和最后發(fā)出報(bào)文時(shí)間，差值則為400 μs左右[3]。

5 對(duì)比結(jié)論

在智能變電站跳閘保護(hù)方式的實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)用保護(hù)網(wǎng)傳輸方式效果更為契合。首先，順應(yīng)了智能變電站信息化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展需要，能夠與智能變電站實(shí)現(xiàn)結(jié)合；其次，通過對(duì)保護(hù)網(wǎng)傳輸方式的探究，網(wǎng)絡(luò)傳輸跳閘報(bào)文時(shí)的可靠性與對(duì)點(diǎn)保護(hù)相同；最后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难訒r(shí)性進(jìn)行探究，這也是保護(hù)網(wǎng)跳閘方式爭(zhēng)議最大的部分，普遍會(huì)因?yàn)榻粨Q機(jī)的使用，認(rèn)為在傳輸延時(shí)上，更長(zhǎng)于對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)。但實(shí)際上對(duì)點(diǎn)保護(hù)網(wǎng)因?yàn)楣饪趫?bào)文的處理需要根據(jù)順序進(jìn)行，以17光口的對(duì)點(diǎn)保護(hù)裝置為例，最先發(fā)出報(bào)文和最后發(fā)出報(bào)文的時(shí)間差值為400 μs。因此，絕大多數(shù)的情況下，保護(hù)網(wǎng)跳閘較于對(duì)點(diǎn)跳閘反應(yīng)時(shí)間更快。

6 結(jié) 論

本文對(duì)智能變電站繼電保護(hù)跳閘實(shí)現(xiàn)的兩種方式進(jìn)行了對(duì)比，分別為對(duì)點(diǎn)跳閘及保護(hù)網(wǎng)跳閘。經(jīng)過分析明確，以網(wǎng)絡(luò)傳輸方式信息傳輸為基礎(chǔ)的保護(hù)網(wǎng)跳閘方式優(yōu)于以光纖直接進(jìn)行信息傳輸?shù)膶?duì)點(diǎn)跳閘，同時(shí)在設(shè)備可靠性及設(shè)備制造、維護(hù)成本上，保護(hù)網(wǎng)跳閘均優(yōu)于對(duì)點(diǎn)跳閘。