林明楷

福州萬山電力咨詢有限公司（350001）

淺析新型智能變電站繼電保護(hù)跳閘實(shí)現(xiàn)方式

林明楷

福州萬山電力咨詢有限公司（350001）

通過全面分析保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式以及保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的抗電磁干擾性能、穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴能力和所配套的交換機(jī)在高負(fù)載處理性能，討論了這兩種方式的可靠性。對(duì)某國網(wǎng)試點(diǎn)的智能變電站的試驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)際應(yīng)用中，保護(hù)網(wǎng)跳閘更能滿足繼電保護(hù)的速度性要求。

智能變電站；繼電保護(hù)器；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)模式；保護(hù)網(wǎng)跳閘保護(hù)模式

目前，保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘和保護(hù)網(wǎng)跳閘這兩種保護(hù)方式是主要的智能變電站保護(hù)跳閘方式。國家電網(wǎng)公司在智能變電站保護(hù)方面取得了初步進(jìn)展，第一批、第二批智能變電站已經(jīng)陸續(xù)投入生產(chǎn)。在不同的試運(yùn)行中，使用了不同的保護(hù)方式。如電壓達(dá)到建在浙江蘭溪電壓達(dá)到的500 KV的變電站采用的就是保護(hù)網(wǎng)跳閘方式。延安750 KV變電站則采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式。

應(yīng)當(dāng)以何種方式實(shí)現(xiàn)智能變電站的繼電保護(hù)存在不同觀點(diǎn)。為了在實(shí)際工程應(yīng)用中提供有力的理論和數(shù)據(jù)支持,幫助建設(shè)者選擇最合適的方式。本文參照了國家電網(wǎng)公司提供的智能變電站第一、二批試點(diǎn)工程的測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及國內(nèi)已經(jīng)投入運(yùn)行的數(shù)字化變電站和智能變電站的運(yùn)行情況，對(duì)兩種繼電保護(hù)方式進(jìn)行了全面客觀的分析，為現(xiàn)階段選擇最合適的繼電保護(hù)方式，提出了合理化建議[1]。

1 保護(hù)跳閘方式的原理

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)就是指所設(shè)置的保護(hù)裝置通過獨(dú)立的光纖與需要保護(hù)的智能終端建立連接，光纖作為傳遞信號(hào)的媒介，將保護(hù)跳閘的信號(hào)及時(shí)傳遞給保護(hù)裝置，其余信號(hào)則通過交換機(jī)以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行。保護(hù)網(wǎng)跳閘方式是指所設(shè)置的保護(hù)裝置與需要保護(hù)的智能終端都與交換機(jī)相連，保護(hù)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞絺鬟f給保護(hù)裝置。

原理的不同決定了這兩種保護(hù)方式的不同。由于保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式是通過光纖傳遞保護(hù)信號(hào)，所以這種保護(hù)方式比保護(hù)網(wǎng)跳閘方式增加了光纜。保護(hù)網(wǎng)跳閘模式不需要光纜，但是保護(hù)裝置和智能終端都要與交換機(jī)直接相連，增加了中間環(huán)節(jié)（即交換機(jī)環(huán)節(jié)）。

2 兩種跳閘方式比較

2.1 保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式的特點(diǎn)

保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)方式，通過光纖直連因此不需要網(wǎng)絡(luò)傳輸保護(hù)信號(hào)，不需要交換機(jī)，省去了交換延遲的時(shí)間。但是在安裝光纖的過程中需要接入多個(gè)光纖端口，熔點(diǎn)多，使用過程中容易發(fā)生事故，影響保護(hù)效率，增加人工維護(hù)的成本。另外，保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式散熱較保護(hù)網(wǎng)跳閘方式多。這是因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置的光口散熱，并且中央處理器的散熱也較保護(hù)網(wǎng)跳閘方式高。這樣必然會(huì)加速裝置的老化，從而增加了裝置的不穩(wěn)定性。由于保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式需要外加光纖，使得現(xiàn)場操作難度加大，增加了工程量，并在諸多環(huán)節(jié)上存在隱患,不利于事故原因的正確分析。最后設(shè)備維護(hù)量大，一個(gè)使用周期成本高。

2.2 保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的特點(diǎn)

保護(hù)網(wǎng)跳閘方式不需要光纖傳輸保護(hù)信號(hào)，所以在安裝過程中，施工較為簡便，光纖接口遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dāng)然保護(hù)網(wǎng)跳閘方式也有其弊端，這表現(xiàn)在保護(hù)網(wǎng)跳閘方式需要交換機(jī)處理信號(hào)，使得網(wǎng)絡(luò)跳閘存在延遲。

在國家規(guī)定的智能變電站管理規(guī)范中，智能變電站應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)變電站管理的數(shù)字化、信息化。因此采用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞礁臃衔覈ㄔO(shè)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(hù)技術(shù)潮流。本文將著重分析保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的可靠性及其伴隨的延遲問題。

3 保護(hù)網(wǎng)跳閘模式的可靠性分析

由于保護(hù)網(wǎng)跳閘方式是以交換機(jī)傳輸保護(hù)信號(hào)，任何能夠影響交換機(jī)穩(wěn)定性的因素都會(huì)影響保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的可靠性。交換機(jī)出現(xiàn)故障的最大概率就是交換機(jī)丟包。造成交換機(jī)丟包的原因有很多，其中最常見的是電磁波的干擾、網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)造成的交換機(jī)不穩(wěn)定性和交換機(jī)自身處理數(shù)據(jù)能力的不完善。為了增加交換機(jī)的穩(wěn)定性，就應(yīng)當(dāng)從這三個(gè)方面入手。

為了提高交換機(jī)的電磁波穩(wěn)定性，所選用的交換機(jī)應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格測試和調(diào)試。必須經(jīng)過KEMA認(rèn)證，通過電磁干擾檢測、靜態(tài)震動(dòng)測試，保證交換機(jī)質(zhì)量可靠，使變電站在惡劣的環(huán)境下不僅能夠運(yùn)行，還要能夠穩(wěn)定運(yùn)行，確保智能變電站絕對(duì)的安全與穩(wěn)定。

網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)的原因有很多，分析起來較為復(fù)雜。首先，網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)可能是因?yàn)槟硞€(gè)裝置出現(xiàn)故障，導(dǎo)致報(bào)文的錯(cuò)發(fā)、多發(fā)。遇到這種情況，即使使用保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式也不能正常運(yùn)行。其次，當(dāng)不法裝置接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，交換機(jī)會(huì)發(fā)出未知播放地址的報(bào)文，這是交換機(jī)對(duì)自身的一種保護(hù)。最后，網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量異常信息，這時(shí)將交換機(jī)的端口速率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)可以維持交換機(jī)的穩(wěn)定性。

交換機(jī)工作繁忙時(shí)，必須具備處理高負(fù)載數(shù)據(jù)的能力。改進(jìn)交換機(jī)的處理模式，可有效降低交換機(jī)的延遲。目前，大部分交換機(jī)采用的都是存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)模式，這一模式能夠保證交換機(jī)在高負(fù)載的情況下，也不會(huì)有明顯的延時(shí)。現(xiàn)在選用的網(wǎng)絡(luò)一般為采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也就是說當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常運(yùn)行的情況下，保護(hù)機(jī)制都能正常啟動(dòng)。

綜上所述，保護(hù)網(wǎng)跳閘方式可以有效地執(zhí)行繼電保護(hù)功能，安全可靠。

4 保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的延時(shí)性分析

為了計(jì)算保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的延時(shí)，首先要了解報(bào)文的的傳輸過程。當(dāng)發(fā)送方將數(shù)據(jù)上傳到傳輸站時(shí)，報(bào)文的傳輸就開始計(jì)時(shí)了。當(dāng)接收方從傳輸站取出上傳的數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸過程完畢，報(bào)文傳輸計(jì)時(shí)結(jié)束。在這個(gè)過程中,出現(xiàn)的延時(shí)有報(bào)文發(fā)送延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)[2]。

4.1 報(bào)文發(fā)送延時(shí)分析

報(bào)文發(fā)送延時(shí)的產(chǎn)生主要是因?yàn)檠b置的通信處理器需要一定的時(shí)間反應(yīng)并處理報(bào)文。根據(jù)國家試點(diǎn)測試，裝置的每個(gè)端口要正確處理報(bào)文的時(shí)間約為25微秒，并且疊加。也就是說，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)處理端口的延時(shí)為25微秒時(shí)，在經(jīng)過第二個(gè)處理后，就得再經(jīng)過一個(gè)25微秒。

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)

造成網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的因素也有很多，主要有交換機(jī)存儲(chǔ)延時(shí)和交換機(jī)交換延時(shí)。由于目前交換機(jī)采用的是存儲(chǔ)交換模式，所以交換機(jī)在存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)生延時(shí)。

在交換機(jī)發(fā)生交換的過程中，交換機(jī)的交換延時(shí)通常為固定值。這個(gè)值與交換機(jī)芯有關(guān)?，F(xiàn)在工業(yè)上一般的交換延時(shí)不會(huì)超過10微秒，這為交換機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)提供了可靠保證，有力支持了智能變電站的安全高效運(yùn)行。另外，光纜傳輸也會(huì)造成延時(shí)，這個(gè)值相對(duì)來說比較好計(jì)算，粗略等于光纜長度除以三分之二的光速。例如，當(dāng)光纜長度為1 000米時(shí)，光纜傳輸造成的延時(shí)約為5微秒。

在實(shí)際使用過程中，交換機(jī)在機(jī)幀的排隊(duì)過程中也會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。以太網(wǎng)交換機(jī)為了解決這個(gè)問題，采用了隊(duì)列結(jié)合的方式來存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。這種方式雖然巧妙地消除共享模式中的以太網(wǎng)中所需要解決的幀沖突現(xiàn)象，但是能夠及時(shí)處理重要數(shù)據(jù)幀。人們引入了數(shù)據(jù)幀優(yōu)先機(jī)制，也就是說在篩選重要的數(shù)據(jù)幀時(shí)，必然要占用一部分時(shí)間，造成延時(shí)。

5 保護(hù)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(rèn)為，保護(hù)網(wǎng)跳閘方式由于交換機(jī)延時(shí)的存在導(dǎo)致了延時(shí)高于保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式。實(shí)際情況并非如此。通過不同型號(hào)的裝置進(jìn)行測試，光口報(bào)文的時(shí)間延時(shí)約為25微秒。如果同一個(gè)報(bào)文發(fā)送要用到17個(gè)個(gè)端口,則最先和最后發(fā)出的報(bào)文應(yīng)該有400微秒的延時(shí)。

6 結(jié)語

智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)跳閘方式的實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。本文從可靠性、速動(dòng)性等方面對(duì)保護(hù)網(wǎng)跳閘方式進(jìn)行了分析，認(rèn)為繼電保護(hù)網(wǎng)跳閘方式具有明顯優(yōu)勢，為其應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。

[1]韓本帥,王倩,孫中尉,林澤源,崔海鵬.智能變電站繼電保護(hù)跳閘實(shí)現(xiàn)方式研究[J].中國電力,2012,08：24-27.

[2]王丹.淺談智能變電站繼電保護(hù)跳閘實(shí)現(xiàn)方式[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2015,36：118-119.