交换机延时可测技术在配电网差动保护中的应用*

古展基，苏忠阳，蔡泽祥，余传坤，胡杨杰，谷武建，李海清，李 凡

（1.广州穗华能源科技有限公司，广州 510530；2.华南理工大学电力学院，广州 510640）

0 引言

在国家“双碳”战略性减碳目标为牵引的能源革命大背景下，我国能源系统正在发生重大变化，越来越多的风电、太阳能、储能、“车网互动”在配电端接入电网，以及电热气网互联互通，配电网正逐渐成为电力系统的核心，为连接能源生产、转换、消费的关键环节。可以说，未来以电力为核心的区域能源互联网所有要素，包括智能楼宇、智能园区、智慧工厂、智慧城市等都和配电网密切相关[1]。

这些变化使得配电网正从不可控的传统配电网向部分可控的现代配电网和全面可控的未来配电网转变。基于电流差动保护原理的配电网故障定位和切除方案，拥有适应存量配网设备和增量配网基建的优势。但电流差动保护，需要依赖于可靠的采样同步技术，目前主要有依靠GPS/北斗的对时同步方案。但在配电网地理广、设备多的现实中，难以覆盖配电网所有终端装置，当出现某一终端装置时间不同步且无法有效检测出来时，容易造成保护算法的错误造成误动或拒动。因此依靠时钟同步的方案难以推广。

近年来，在数字化变电站出现了一种基于交换机延时可测技术的智能变电站采样同步方案，较好地解决了依赖外部时钟对时的问题[2－9]。本文主要针对电流差动同步需求，提出将交换机延时可测技术应用在配电网差动保护的适配方案。

1 配电网电流差动保护采样同步要求

IEC 61850－5通信部分定义了信息传输的性能要求。从表1中可知，配电网保护控制业务的SV和GOOSE报文的网络最大延时应为10 ms[10]。

表1 业务报文延时要求Tab.1 Business message delay requirements

根据不同智能配用电业务对通信的需求不同，依据《电力系统通信设计技术规定》和IEC61850相关标准可以归纳出不同智能配用电业务的通信服务质量（QoS）指标[11]，实时性评价指标用延时表示，参考Q/CSG 110017.67.5－2012《南方电网一体化电网运行智能系统技术规范第6－7.5 部分：厂站应用厂站装置功能及接口规范（合并单元）》网络抖动的时间[12]。综合如表2所示。

表2 关键通信指标Tab.2 Key communication indicators

由表1～2可知，配电网保护业务，对通信信道的要求中时延指标最为敏感。带宽利用率和可靠性需要从硬件层面约束，网络抖动从配电网智能终端本身的采集电路约束。

2 数据通信网络延时组成

方案核心在于通过对报文信息延时的测量与标定，并最终由需要保护计算的终端装置根据自身本地时间还原各点信息采样时刻，这就需要对通信网络延时进行统计计算。

在组网传输模式下，保护业务数据的传输延时Td主要是由终端延时Tm、光纤的传输延时Tf以及交换延时Tsw等几部分构成。如图1所示。

图1 网络通信延时组成逻辑Figu.1 Network communication delay composition logic

终端延时Tm：主要由终端的数据处理时间和数据在终端的端口传输所消耗的时间构成，一般可达到毫秒级。终端延时是设计已知的且固定，终端延时Tm应被记录到每帧报文的数据集中，是确定值。

通道延时Tf：数据在光纤中的传输延时与光纤通道的长度成正比。因此，当数据传输路径确定时，光纤传输延时可以计算得到，或采取延时测量方法得到，是确定值。

交换延时Tsw：交换机的交换延时由交换机处理延时Tp和报文排队延时Tq构成，其中处理延时Tp与当前处理的报文大小成正比，排队延时Tq与当前报文队列长度成正比。交换机发生帧冲突时均采取排队方式进行顺序处理、转发，交换机的交换延时与当前网络负载程度密切相关，报文的大小以及报文队列的长度具有较大的随机性与不确定性，这就给交换机延时带来不确定性。因此，排队延时的随机性和不确定性使得交换延时Tsw基本上无法通过离线计算的方式获得。

3 不依赖于外部时钟对时的配电网电流差动采样同步方案

3.1 网络延时统计与计算方法

（1）终端电路延时确定性延时直接写入SV报文的保留字节中。

（2）光纤传输延时测定——乒乓测距

光纤延时（Tf）：数据在光纤中的传输延时与光纤通道的长度成正比。只要通过一次测量（乒乓测距），便可获取光纤延时的大小。

利用网络上机器IP地址的唯一性，给目标IP地址发送一个数据包，再要求对方返回一个同样大小的数据包来确定两台网络机器是否连接相通，时延是多少[13]。

（3）交换机交换延时测定——转发延时标定

终端设备本地时间采用网络SNTP协议，时间精度在毫秒级别。SV采样同步采用不依赖于外部时钟的交换机数据传输延时测量的采样同步方案[14]。

基于数据传输延时测量的网络采样同步方案的原理如图2所示：在交换机的输入和输出端口上实现对SV报文打时间戳的功能，通过计算SV报文在输入和输出端口的时间差，实现SV报文在交换机内的转发延时的精确计算，并将此延时写入SV报文中的保留字节中内。

图2 交换延时计算过程Figu.2 Exchange delay calculation process

3.2 交换机对采样报文处理过程

如图3所示，交换机对采样报文的具体处理过程如下所述。

图3 网络延时计算Figu.3 Network delay calculation

（1）SV报文从端口a进入网络中，SV报文的Reserve字段值为Tm；

（2）SV 报文进入交换机A 的端口b，记录端口a 到端口b之间的光纤传输延时Tab，并将运算后的时间插入到SV报文中的Reserve字段中[15]，Reserve＝Tm＋Tab；

（3）记录SV报文第1个bit进入交换机A的时刻Tb，并将运算后的时间插入到SV 报文的Reserve 字段中，Reserve＝Tab－Tb＋Tm；

（4）记录SV报文的第1个bit从交换机A端口c输出的时刻TC，并将运算后的时间插入到SV报文的Reserve字段中，Reserve＝Tc＋（Tab－Tb＋Tm）＝Tm＋Tab＋（Tc－Tb）＝ΔTA，即Reserve＝ΔTA；

（5）SV 报文进入交换机B 的端口d，记录端口c 到端口d之间的光纤传输延时Tcd，并将运算后的时间插入到SV报文中的Reserve字段中，Reserve＝ΔTA＋Tcd；

（6）记录下SV 报文的第1 个bit 进入交换机B 的时刻Td，并将运算后的时间插入到SV报文的Reserve字段中，Reserve＝ΔTA＋Tcd－Td；

（7）记录SV 报文的第1 个bit 从交换机B 端口e 输出的时刻Te，并将运算后的时间插入到SV 报文的Reserve 字段中，Reserve＝Te＋（ΔTA＋Tcd－Td）＝ΔTA＋（Tcd＋Te－Td）＝ΔTA＋ΔTB，即Reserve＝ΔTA＋ΔTB；

（8）经过多级光纤及交换机转发后，得到Reserve＝ΔTA＋ΔTB＋…＋ΔTN，到达目标终端装置端口n，计入Reserve 中，得到网络传输延时。网络驻留延时写入见图4所示。

图4 报文延时记录方式Figu.4 Message delay recording method

3.3 采样报文同步计算

SV 报文输出到终端装置，终端记录SV 报文第1 个bit 进入终端的时刻，并利用该时刻值减去SV 报文中Reserve 字段的延时累加值获得报文发送的相对时刻，即获得SV 报文在a端口发送的相对时刻值。并通过报文中原有的关于终端延时，便能计算出真实采样时刻。同步插值过程如图5所示。

图5 报文同步方法Figu.5 Message synchronization method

在得到真实采样时刻后，对数据进行重采样处理，得到各个采样时间断面的保护电流计算值。

由于采样时刻与网络延时不同，终端装置需要对采样报文进行同步，考虑到网络报文延时大小与终端出口保护延时的要求（约80 ms）[16]，则要求通道延时不能超过2 个周波，此时可以采取短时闭锁保护的方法。

4 结束语

本文利用交换机延时可测技术，通过对采样电路延时、光纤延时、交换机驻留延迟的测定和标记，实现了配电网保护采样的相对时刻延时获取，从而基于自身时间完成对采样值的拉齐同步。这种方案不再依赖于外部时钟源，对于地理广泛的配电网络来讲，是一种较好的解决方案。但依赖于可靠的交换机软硬件开发技术，对相关厂家来讲，是一种机遇也是挑战。