包錫軍
(國(guó)網(wǎng)無錫供電公司,江蘇 無錫 214000)
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。
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。
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。
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(guó)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?,F(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。
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)。
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]。
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。
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。