智能變電站的繼電保護跳閘方式

呂成虎

摘要：本文就概述點對點跳閘方式的特點;進而分析保護網(wǎng)跳閘的可靠性與實時性。

關鍵詞：智能變電站;繼電保護;跳閘方式

1兩種保護跳閘方式的實現(xiàn)

（1）GOOSE點對點跳閘方式

保護裝置與智能終端之間具有獨立光纖連接，保護跳閘信號直接通過該光纖傳輸，其余信號接至過程層交換機通過網(wǎng)絡傳輸。

（2）GOOSE網(wǎng)絡跳閘方式

保護裝置與智能終端均通過光纖接至過程層交換機，保護跳閘等所有GOOSE信號均通過網(wǎng)絡傳輸。兩種方式的主要區(qū)別在于：①接線形式上，GOOSE點對點跳閘方式比GOOSE網(wǎng)絡跳閘方式增加了單獨的跳閘光纜;②跳閘模式上，GOOSE點對點跳閘方式的跳閘命令通過光纜直達智能終端，無中間環(huán)節(jié)，而GOOSE網(wǎng)絡跳閘命令需要通過中間環(huán)節(jié)——過程層交換機轉(zhuǎn)接。

2智能變電站繼電保護跳閘方式比較

2.1智能變電站保護點對點跳閘特點

（1）不需要網(wǎng)絡方式進行傳輸，不需要經(jīng)由交換機，不會產(chǎn)生交換延時問題;（2）熔點多、光口多，容易發(fā)生各種故障;（3）CPU以及裝置光口的發(fā)熱量都加大，而且設備老化速度加快，使得設備故障發(fā)生率大大提高;（4）硬件多，使得工程現(xiàn)場施工量大大增加;（5）難以進行故障分析;（6）機械設備維護有較大工作量，設備全壽命周期所需造價加大。

2.2保護網(wǎng)跳閘方式的特點

保護網(wǎng)跳閘方式不需要光纖傳輸保護信號，所以在安裝過程中，施工較為簡便，光纖接口遠遠小于保護點對點跳閘方式，因此減少了事故發(fā)生的概率，并有利于找到正確的事故原因。當然保護網(wǎng)跳閘方式也有其弊端，這表現(xiàn)在保護網(wǎng)跳閘方式需要交換機處理信號，使得網(wǎng)絡跳閘存在延遲。因此采用網(wǎng)絡傳輸?shù)姆绞礁臃衔覈ㄔO智能變電站的理念和發(fā)展規(guī)劃，符合未來的變電站保護技術潮流。本文將著重分析保護網(wǎng)跳閘方式的可靠性及其伴隨的延遲問題。

3保護網(wǎng)跳閘可靠性分析影響

保護網(wǎng)跳閘可靠性的主要因素是交換機丟包。交換機產(chǎn)生丟包的可能性有3種：（1）電磁干擾;（2）網(wǎng)絡風暴;（3）交換機處理能力差。

3.1抗電磁干擾能力

過程層交換機均通過KEMA認證（KEMA是一家全球范圍內(nèi)從事電力行業(yè)產(chǎn)品測試、認證和咨詢的權威機構），按照IEC（國際電工委員會）的標準要求，通過靜態(tài)振動、抗電磁干擾及電磁輻射等各項測試，能夠保證變電站在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行。

3.2抑制網(wǎng)絡風暴能力

網(wǎng)絡風暴產(chǎn)生的原因有：（1）如果某個裝置異常，會多發(fā)報文，這種問題交換機無法防護，但在這種情況下，點對點跳閘方式也無法運行;（2）如果有非法裝置接入網(wǎng)絡，發(fā)出“未知單播地址”的報文，交換機的“未知單播地址抑制”功能可以起到很好的防御作用;（3）如果網(wǎng)絡中出現(xiàn)大量異常廣播，交換機的“端口速率限制（單播/組播/廣播）”功能可以有效防御。

3.3可靠性框圖法

可靠性框圖是一種比較清晰、簡單的計算方法，適合于元件數(shù)量較少的系統(tǒng)。RBD根據(jù)保護系統(tǒng)結構，繪出系統(tǒng)可靠性框圖，描述出系統(tǒng)中元件狀態(tài)與系統(tǒng)狀態(tài)的關系。然后根據(jù)框圖計算出系統(tǒng)不同狀態(tài)的概率。對于由多個獨立分散布置元件構成的保護系統(tǒng)而言，可近似認為元件間的維修具有獨立性。因此，記元件1和元件2的正確動作概率分別為P1和P2，誤動概率為PW1和PW2，拒動概率為PJ1和PJ2。概率運算規(guī)則為：當兩個元件并聯(lián)運行時，任何一個元件誤動作，并聯(lián)環(huán)節(jié)便會誤動。只有兩個元件都拒動，并聯(lián)環(huán)節(jié)才會拒動。

3.4交換機高負載處理能力

據(jù)相關調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，當前過程層工業(yè)交換機主要運用存儲或者轉(zhuǎn)發(fā)機制，而且運用完全雙工的方式進行連接，所以在增加數(shù)據(jù)流量的同時，是不會出現(xiàn)明顯的延時增加現(xiàn)象的。從相關數(shù)據(jù)中我們可知，在高負載情況下，變電站自動化系統(tǒng)過程層交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)所出現(xiàn)的延時情況都低于300μs，大大低于繼電器動作所產(chǎn)生的抖動延時，能夠使得繼電保護速動性要求得以切實滿足。

4保護網(wǎng)跳閘方式的延時性分析

4.1報文發(fā)送延時分析

報文發(fā)送延時的產(chǎn)生主要是因為裝置的通信處理器需要一定的時間反應并處理報文。根據(jù)國家試點測試，裝置的每個端口要正確處理報文的時間約為25微秒，并且疊加。也就是說，當?shù)谝粋€數(shù)據(jù)處理端口的延時為25微秒時，在經(jīng)過第二個處理后，就得再經(jīng)過一個25微秒。

4.2網(wǎng)絡傳輸延時

（1）交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時。由于現(xiàn)代交換機都根據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的原理，所以，單個交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時就相當于幀長與傳輸速度相除，比如說100Mb/s光口，在以太網(wǎng)之中幀長的最大值為1522b，加之同步幀頭為8b，在進行交換機存儲轉(zhuǎn)發(fā)時會產(chǎn)生122μs的延時，如果是千兆端口存儲，就需要12μs的轉(zhuǎn)發(fā)延時;（2）交換機交換延時。一般而言交換機交換延時都是一個固定值，這一值由優(yōu)先級與交換機芯片處理MAC地址表等功能的速度所決定的，通常而言，工業(yè)以太網(wǎng)交換機產(chǎn)生的交換延時往往小于10μs;（3）光纜傳輸延時[3]。光纜長度與光纜光速之間的比值就是光纜傳輸延時，比如說1km光纜，其傳輸延時大概是5μs;（4）交換機幀排隊延時。幀沖突往往出現(xiàn)在廣播式以太網(wǎng)之中，而以太網(wǎng)交換機通過隊列結合儲存轉(zhuǎn)發(fā)機制使得共享式以太網(wǎng)之中的幀沖突問題得以消除，為了使得重要數(shù)據(jù)幀的排隊延時得以減輕，可以引進數(shù)據(jù)幀優(yōu)先級制度;（5）網(wǎng)絡傳輸總延時。在總延時中主要包括幀排隊延時、線路傳輸延時、交換機延時以及發(fā)送延時。

4.3保護網(wǎng)跳閘方式的綜合數(shù)據(jù)分析

從原理分析很容易讓人認為，保護網(wǎng)跳閘方式由于交換機延時的存在導致了延時高于保護點對點跳閘方式。實際情況并非如此。通過不同型號的裝置進行測試，光口報文的時間延時約為25微秒。如果同一個報文發(fā)送要用到17個個端口，則最先和最后發(fā)出的報文應該有400微秒的延時。

總結

智能變電站繼電保護跳閘的實現(xiàn)方式對變電站安全穩(wěn)定運行有著至關重要的作用。本文從可靠性、速動性及運行經(jīng)驗等方面對其進行了分析，認為繼電保護網(wǎng)跳閘方式具有明顯優(yōu)勢，適應目前智能變電站的發(fā)展趨勢。相信保護網(wǎng)跳閘方式未來必定會在智能變電站系統(tǒng)中得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]王丹.淺談智能變電站繼電保護跳閘實現(xiàn)方式[J].中國高新技術企業(yè).2015（36）

[2]韓衛(wèi)恒，郝偉，孫瑞浩.智能變電站合并單元智能終端整改方案的探討[J].山西電力.2015（03）