智能变电站继电保护跳闸实现方式研究

2020-01-06包锡军

通信电源技术 2020年1期

包锡军

（国网无锡供电公司，江苏无锡 214000）

0 引言

现代智能变电站中的继电保护跳闸方式含有两类主流方式，一类为保护网跳闸，一类为保护对点跳闸。对点跳闸方式在信号传输的过程中，不使用网络方式，因此较为可靠，但在熔点、光口上相对较多。保护网跳闸则要通过交换机的信号传输，但在光纤敷设量及光纤熔点上相对较少。对于使用何种方式进行变电站保护，现阶段还存在一定争议，本文系统地进行两种智能变电站的机电保护跳闸方式对比，阐述两类保护跳闸方式在各方面的性能表现，以期为变电站继电保护跳闸方式选择提供借鉴。

1 智能变电站继电保护跳闸原理

对点跳闸原理如下，继电保护装置和智能终端的连接，依赖于独立光纤，保护跳闸的信号通过光纤直接传输到保护装置，其他信号则会连接到过程层的交换机中，通过网络进行信号的传输。保护网跳闸原理如下，继电保护装置和信号发布终端的连接，经由过程层交换机，保护跳闸等信号都会通过网络进行传输。两类方式主要在接线的形式上发生改变，对点跳闸较保护网跳闸增加光缆的布设；在跳闸模式上，对点跳闸通过跳闸报文使用光缆进行传输，保护网跳闸报文则会先通过交换机，再传输至继电保护装置。

2 智能变电站继电保护跳闸方式

对点跳闸的方式不需要使用网络，因此不需要使用交换机作为中间站，没有传输延迟问题；熔点及光口相对更多，因此发生故障的可能性更大；对点继电保护器CPU及光口发热量会更大，设备的老化速度相对更快，致使故障可能性进一步增大；设备硬件的数量相对更多，导致现场施工量更大；故障发生的可能性较多，原因也更复杂，不利于故障的分析；设备的维护要求较高，使得设备生命周期造价更大。

保护网跳闸方式中，因为光纤熔接点少，所以故障接点也更少；光纤敷设量较小，造价更低；结构简单，容易进行故障分析；使用交换机作为跳闸报文信息的中转站，会有延时问题。

智能变电站要求实现通信平台的网络、站内信息数字化、信息的共享标准化，使用网络化传输的方式实现保护装置的跳闸，与智能变电站未来发展趋势更为契合。同时，对点跳闸保护方式不利于变电站建设成本及维护成本的控制。最关键的是，对点跳闸保护无法保证保护的有效性以及保护持续性。基于此，本文以分析以网络传输为基础的保护网跳闸方式为主体，对点跳闸方式作为保护网跳闸方式性能及效果的参照对象。

3 智能变电站继电保护网跳闸可靠性

智能变电站保护跳闸可靠性影响的因素主要是交换机丢包，而造成交换机丢包因素则主要有3类，即电磁干扰问题、网络风暴问题、交换机的处理能力没有达成要求。从上述3方面出发进行保护网跳闸可靠性分析，现代智能变电站的交换机均得到全球范围内的电力行业产品咨询及认证、测试群为机构的认可，并按照国际电工委员会的要求及标准，通过了电磁辐射、抗电磁干扰、静态振动等测试，能够使继电保护器在恶劣的环境下也能够保证不受电磁干扰的影响。网络风暴的发生主要有跳闸保护系统中的某个部分出现问题，导致交换机无法进行正常防护，出现跳闸报文多发的问题，但在此情况下，对点跳闸也无法正常运转；非法设备连接到信号传输网络中，并发送未知单播地址报文，此问题能够通过未知单播地址抑制功能，对其进行预防，一定程度上解决该问题；信号传输网络中发生大量异常的广播问题也会导致网络风暴问题出现，交换机中进行端口速率限制的设置，能够使得此类问题得到预防。现阶段，交换机使用的是转发及存储机制，同时选择双工的方式进行连接，所以数据流量增加的过程中，网络延时发生的概率也不会增加。相关研究中对于各负载率下报文传输延时情况，进行了详细的检测及测试，延时浮动在23～251.4 μs。通过相关研究证明，交换机处于高负载时，进行转发存储的延时情况，都会在300 μs之下，即比之继电器动作抖动延时更小，能够达成继电保护器速动需要[1]。在过程层网络方面，智能变电站均选择使用双网结构，网络故障发生不会使得保护拒动发生，所以保护网跳闸方式继电保护能够在可靠性上得到保障。

4 智能变电站继电保护网跳闸延时

4.1 保护网跳闸延时分析

保护网跳闸延时发生，主要有两个决定因素，报文发送及网络传输延时。报文发送延时主要为装置通信处理器报文处理延时。在通过智能变电站使用工程动模的方式进行测试后发现，装置各个端口处理延时为25 μs，即第一个端口处理延时达到25 μs，第二个则为50 μs，以此进行类推。

网络传输延时问题多是因为多处延时构成，主要包含如下因素，交换机存储转发出现延时的情况。现阶段，智能变电站所使用交换机都是转发存储原理，进行单台交换机延时的计算时，可以直接用帧长比于传输速度得到计算结果，假若使用光口为100 Mb/s，最大帧长为1 522 b，同行部帧头8 b，交换及转发存储的延时则为122 μs；如果是千兆端口存储，则转发延时则为12 s。交换机的交换出现延迟，交换延迟为固定的值，主要受到交换机优先功能、芯片处理等功能速度影响，工业以太网交换机的延迟一般为10 μs以下。光缆传输发生延迟，主要由光缆长度影响，以光缆长度比与光缆光速，光缆光速即是光速的2/3，就能得到延时值。例如，1 km的光缆，传输的延时大约在5 μs。交换机帧排队发生延时，帧冲突主要在广播以太网中出现，以太网交换机和队列结合，进行存储转发，能够使得共享性以太网帧冲突问题得到解决，帧排队延时问题则可以通过帧优先级设置解决。网络传输延时问题，主要是交换机线路传输延时、交换机延时、发送延迟、帧排队延迟之和。通过对多类网络传输方式进行检测，发现GOOSE的跳闸报文形成仍然能够达成相关要求及标准。

4.2 与对点跳闸延时比较

一般多数人会认为因保护网跳闸增设交换机，所以其延时问题会较为严重，更大于对点跳闸延时。然而在实际研究中明确，保护网跳闸延时情况在多数情况下，较之对点跳闸更好[2]。通过对二次设备厂的调查研究，认为主要问题如下。多光口的数据传输，都是由相同CPU处理，并且其需要对各个端口按一定顺序进行处理，从而使得光口报文处理发生延时问题。相对地，网络化传输的过程中，因为设备不需要进行对点跳闸接口设置，同时厂家都会使组网端口位于第一优先位置，所以网络传输跳闸保护的速度较之对点跳闸更为迅速；对点跳闸的各个光口因为CPU需要按顺序进行处理，所以排列在尾段的光口延时相对更长。交换机延时相对较短，进行反应仅需要数十微秒的时间，因此保护网跳闸延时发生较之对点跳闸延时更为短；因为数据端口增加，装置的内部数据进行循环处理的时间上，较之单一端口的处理时间更长，所以保护网跳闸延时更短；通过多个厂商设备的研究发现，光口报文发出的时间差异均在25 μs左右，如果将相同的报文发送到17个光口，那么最先将报文发出的时间和最后发出报文时间，差值则为400 μs左右[3]。

5 对比结论

在智能变电站跳闸保护方式的实现中，应用保护网传输方式效果更为契合。首先，顺应了智能变电站信息化、网络化的发展需要，能够与智能变电站实现结合；其次，通过对保护网传输方式的探究，网络传输跳闸报文时的可靠性与对点保护相同；最后，对网络传输的延时性进行探究，这也是保护网跳闸方式争议最大的部分，普遍会因为交换机的使用，认为在传输延时上，更长于对点跳闸保护。但实际上对点保护网因为光口报文的处理需要根据顺序进行，以17光口的对点保护装置为例，最先发出报文和最后发出报文的时间差值为400 μs。因此，绝大多数的情况下，保护网跳闸较于对点跳闸反应时间更快。