季文莉

引言

變電站保護(hù)裝置所處區(qū)域和位置基本相同，同等級(jí)電壓保護(hù)裝置的連接方法也大致相似，一般條件下可以運(yùn)用常規(guī)方法進(jìn)行繼電保護(hù)操作，而在特殊情況下，傳統(tǒng)保護(hù)裝置不能達(dá)到繼電保護(hù)的多元化需求。繼電保護(hù)裝置對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)行和線路管理起到維護(hù)保障作用，能夠提高智能變電站的安全性和可靠程度，確保智能電網(wǎng)朝著更加先進(jìn)、科學(xué)的方向發(fā)展，繼電保護(hù)裝置能夠?qū)λ鶎佥爡^(qū)內(nèi)的設(shè)備線路進(jìn)行監(jiān)管保障，同時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送預(yù)警信息和操作指令，為工作人員提供相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。因此針對(duì)智能變電站繼電保護(hù)跳閘實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行深入研究具有很強(qiáng)的實(shí)用性和必要價(jià)值，通過合理設(shè)置繼電保護(hù)跳閘方案，確保繼電保護(hù)操作都能落到實(shí)處。

一、智能變電站繼電保護(hù)跳閘方式概述

繼電保護(hù)裝置作為智能變電站電力系統(tǒng)設(shè)備與線路運(yùn)行的重要裝置，對(duì)提升智能變電站電力系統(tǒng)繼電保護(hù)性能，促進(jìn)智能電網(wǎng)發(fā)展具有重要意義，不僅能在規(guī)定的范圍內(nèi)，準(zhǔn)確地檢測(cè)智能變電站電力系統(tǒng)的設(shè)備與線路是否出現(xiàn)異常運(yùn)行與故障問題，還能自動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)送跳閘指令與報(bào)警信息，為有關(guān)人員決策提供依據(jù)。變電站平穩(wěn)運(yùn)行需要對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行管理及維護(hù)，傳統(tǒng)的跳閘保護(hù)方式主要包括兩大部分。一般包括微機(jī)型主后備裝置和單獨(dú)保護(hù)裝置，同時(shí)做好線路連接工作，確保跳閘操作能夠及時(shí)有效。智能變電站繼電保護(hù)跳閘操作能夠分成兩種形式，一種是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式，另一種是保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘形式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘主要包括智能終端和繼電保護(hù)裝置，需要利用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞工作，有效監(jiān)管變電站的設(shè)備和線路。保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式大不相同，它主要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸形式進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的交流與傳遞。

就我國(guó)智能變電站繼電保護(hù)跳閘現(xiàn)狀來(lái)看，最常用的方法包括直接采樣和保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直跳。通過發(fā)揮微機(jī)型主后備裝置的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)主變電量的控制與監(jiān)管，直接采樣的方式比較靈活高效，能夠達(dá)到跳閘信號(hào)的及時(shí)發(fā)出與控制的目的。充分利用電纜信號(hào)傳遞作用，確保繼電保護(hù)操作能夠快速準(zhǔn)確地落到實(shí)處。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘保護(hù)需要通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞與交流，智能終端與保護(hù)裝置的有效溝通需要得到光纖徹底輔助或者維護(hù)，光纖信號(hào)能夠把繼電保護(hù)指令迅速傳達(dá)給相關(guān)設(shè)備，其他數(shù)據(jù)信息能夠通過網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行傳遞。保護(hù)網(wǎng)跳閘方式實(shí)質(zhì)上是保護(hù)裝置、智能終端和交換機(jī)的有機(jī)結(jié)合，各系統(tǒng)板塊之間發(fā)揮正常作用和實(shí)際功效，共同完成控制指令和數(shù)據(jù)信息的傳遞交流任務(wù)。

由于工作方式和作用原理存在很大差異性，因此這兩種繼電保護(hù)方法具有很強(qiáng)的特殊性和實(shí)用性。保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式主要依靠光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞，因此這種保護(hù)方法需要鋪設(shè)一定數(shù)量的光纜。而保護(hù)網(wǎng)跳閘模式不需要鋪設(shè)光纜，需要進(jìn)行智能終端、保護(hù)裝置和交換機(jī)連接，過程和步驟相對(duì)繁瑣。

二、兩種跳閘方式對(duì)比

（一）保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘特征

圖1 RTU模式信息幀

保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式主要通過光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞，不需要進(jìn)行交換機(jī)連接和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)保障，因此能夠達(dá)到控制信號(hào)快速傳遞的目標(biāo)。光纜鋪設(shè)需要小心謹(jǐn)慎，其中涉及眾多接口的連接保護(hù)工作，如果控制不好就可能造成安全事故，不利于變電站發(fā)揮保護(hù)作用，同時(shí)還會(huì)增加有關(guān)企業(yè)的管理維護(hù)費(fèi)用。不僅如此，保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式需要設(shè)置相應(yīng)的散熱板塊，做好光纖接口處和處理系統(tǒng)的散熱保護(hù)工作。由于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式溫度比較高，因此設(shè)備老化問題比較嚴(yán)重，系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性都會(huì)大打折扣。如果保護(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式需要增加光纖長(zhǎng)度，那么現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)壓力也會(huì)明顯增強(qiáng)，同時(shí)造成工作量和負(fù)擔(dān)加劇，不利于后期施工建設(shè)的安全性和健康性保障，給電力系統(tǒng)埋下巨大的安全隱患。同時(shí)，隨著設(shè)備數(shù)量的增多，變電站運(yùn)行成本和管理費(fèi)用也會(huì)大幅上升。

（二）保護(hù)網(wǎng)跳閘特征

保護(hù)網(wǎng)跳閘方式不需要光纖傳遞信號(hào)，因此在實(shí)際安裝建設(shè)過程中，保護(hù)網(wǎng)跳閘操作比較簡(jiǎn)便迅速，光纖接口設(shè)置也會(huì)大規(guī)模減少，能夠消除并控制事故發(fā)生的隱患和概率，維護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的健康性和可靠性，方便后期管理人員開展維護(hù)保養(yǎng)操作，以及有針對(duì)性地進(jìn)行缺陷故障的補(bǔ)充與修復(fù)。保護(hù)網(wǎng)跳閘方式也存在很多不便之處，由于保護(hù)裝置、智能終端需要和交換機(jī)連接，因此信號(hào)傳遞和指令控制存在滯后性和延緩性。

有關(guān)條例規(guī)定智能變電站要盡可能實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化管控目標(biāo)。因此網(wǎng)絡(luò)傳輸更能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求和社會(huì)變動(dòng)趨向，未來(lái)變電站保護(hù)技術(shù)勢(shì)必朝著更加先進(jìn)、科學(xué)的方向發(fā)展。本文通過對(duì)保護(hù)網(wǎng)跳閘方式展開詳細(xì)論述，從中尋找信號(hào)傳遞遇到的網(wǎng)絡(luò)延遲問題，力求為數(shù)據(jù)信號(hào)的高效傳播指明方向和思路。

三、智能變電站繼電保護(hù)跳閘的準(zhǔn)確性研究

一般情況下，智能變電站繼電保護(hù)跳閘是否準(zhǔn)確有效，需要通過交換機(jī)的運(yùn)行情況合理驗(yàn)證，如果交換機(jī)存在丟包現(xiàn)象，那么繼電保護(hù)跳閘操作也缺乏科學(xué)性和可靠性。電磁干擾、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和交換機(jī)處理能力下降都會(huì)引發(fā)這一現(xiàn)象。具體應(yīng)對(duì)方法如下：

（一）抗電磁干擾

智能變電站中的交換機(jī)設(shè)備需要經(jīng)過權(quán)威部門檢測(cè)和認(rèn)定，交換機(jī)質(zhì)量水平和安全性能需要達(dá)到檢測(cè)機(jī)構(gòu)的評(píng)定與認(rèn)可，據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，通過電磁輻射、抗電磁干擾和靜態(tài)振動(dòng)等測(cè)試后的交換機(jī)裝置符合智能變電站的運(yùn)行管理要求，同時(shí)能夠滿足智能變電站繼電保護(hù)跳閘操作的限制與規(guī)定。

（二）抑制電網(wǎng)風(fēng)暴

造成電網(wǎng)風(fēng)暴的主要原因包括：（1）某設(shè)備裝置發(fā)生故障，同時(shí)引發(fā)報(bào)文頻發(fā)的現(xiàn)象，最終給交換機(jī)防護(hù)管理工作造成嚴(yán)重影響與危害，同時(shí)會(huì)干擾點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘模式的合理運(yùn)行；（2）如果網(wǎng)絡(luò)連接到不合理的裝置，也會(huì)出現(xiàn)報(bào)文不科學(xué)或者不健康的現(xiàn)象，在這種條件下，交換機(jī)的防御控制功能就能夠發(fā)揮成效；（3）如果交換機(jī)廣播異常并且數(shù)量增多，那么交換機(jī)的端口處也會(huì)立即作出防范應(yīng)對(duì)措施，從而維護(hù)智能變電站的健康性和安全性。

（三）交換機(jī)超負(fù)荷處理能力

調(diào)查研究表明，目前比較常見的交換機(jī)主要運(yùn)用存儲(chǔ)或者轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，同時(shí)運(yùn)用全雙工的方式進(jìn)行連接，因此如果數(shù)據(jù)流量增加，延遲現(xiàn)象也可以忽略不計(jì)。在高負(fù)荷運(yùn)行條件下，變電站交換機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)速度比較快，延遲現(xiàn)象也保持在300us以下，可以有效緩解繼電器延遲現(xiàn)象比較嚴(yán)重的問題。

不僅如此，很多過程層網(wǎng)絡(luò)都采用雙網(wǎng)形式，任何環(huán)節(jié)或者步驟出現(xiàn)差錯(cuò)都會(huì)產(chǎn)生一定影響，雙網(wǎng)形式能夠有效抑制保護(hù)拒動(dòng)的產(chǎn)生，基于此，智能變電站繼電保護(hù)跳閘操作的準(zhǔn)確性和靈活性得到有效保障。

四、智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘技術(shù)研究

目前比較常見的智能變電保護(hù)跳閘操作主要包括“直采直跳”形式，這種方法在實(shí)際應(yīng)用過程中存在很多弊端和缺陷，設(shè)備維修管理的壓力也比較大，不利于電力系統(tǒng)供電效果的保障和維護(hù)，繼電保護(hù)作用也受到明顯束縛。在實(shí)際使用過程中進(jìn)行網(wǎng)跳測(cè)試，可以確保網(wǎng)絡(luò)跳閘反應(yīng)迅速、靈敏，約束并規(guī)范智能變電站繼電保護(hù)跳閘行為，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的安全性和平穩(wěn)程度。

智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘研究，需要加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的收取和發(fā)送關(guān)注，避免繼電保護(hù)跳閘操作出現(xiàn)嚴(yán)重滯緩現(xiàn)象，最終造成智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的損傷，給電力系統(tǒng)運(yùn)行情況和安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

基于此，智能變電站繼電保護(hù)跳閘操作，要加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息和控制信號(hào)的傳遞與交流，避免出現(xiàn)信號(hào)傳遞不及時(shí)而影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的情況。數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞過程中要進(jìn)行報(bào)文篩選和過濾，降低CPU資源的占用程度，加快實(shí)現(xiàn)報(bào)文篩選與處理目標(biāo)。因此，智能變電站繼電保護(hù)跳閘需要注重網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建設(shè)及優(yōu)化，并且做好交換機(jī)合理部署與安排，以及無(wú)效報(bào)文的準(zhǔn)確篩選和去除，確保信號(hào)傳遞處理效果能夠達(dá)到健康水平，同時(shí)對(duì)存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行反饋消除，確保智能變電站繼電保護(hù)操作能夠平穩(wěn)有序開展。

繼電保護(hù)跳閘需要得到FPGA的支撐與協(xié)助，CPU負(fù)責(zé)報(bào)文篩選和過濾工作，在實(shí)際運(yùn)行過程中，F(xiàn)PGA通過開發(fā)設(shè)計(jì)發(fā)揮主要作用，能夠充分利用硬件裝置的優(yōu)勢(shì)，快速處理，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。運(yùn)用FPGA進(jìn)行報(bào)文篩查與處理操作時(shí)，GOOSE報(bào)文速度能夠達(dá)到100Mbit/s，確保報(bào)文分析處理速度能夠達(dá)到最高水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的故障與隱患，為智能變電站平穩(wěn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)創(chuàng)造有利條件。GOOSE報(bào)文分析與處理，需要通過FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)與制定，減少無(wú)效報(bào)文對(duì)寬帶的占用和消耗，做好GOOSE控制板塊報(bào)文數(shù)量的規(guī)定和約束。在這種設(shè)計(jì)模式中，相關(guān)配置包括MAC、AppID等，GOOSE解碼時(shí)能夠把數(shù)據(jù)信息同時(shí)提交給CPU，確保報(bào)文信息分析處理工作都能落到實(shí)處。網(wǎng)絡(luò)跳閘技術(shù)的有效發(fā)揮，需要保障GOOSE文件簡(jiǎn)單明了，同時(shí)從GOOSE數(shù)據(jù)傳輸角度出發(fā)進(jìn)行寬帶容量的管理和建設(shè)，方便FPGA發(fā)揮數(shù)據(jù)信息篩選去除效用，從而準(zhǔn)確高效地去除無(wú)效報(bào)文，為繼電保護(hù)作用與功能的正常發(fā)揮創(chuàng)造有利條件。運(yùn)用FPGA進(jìn)行GOOSE分析處理操作時(shí)，能夠有效發(fā)揮智能裝置的先進(jìn)性和科學(xué)性，確保GOOSE數(shù)據(jù)處理速度能夠達(dá)到最高水平，幫助控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的及時(shí)傳遞與適當(dāng)反應(yīng)的目標(biāo)。

五、智能變電站繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘延時(shí)分析

（一）保護(hù)網(wǎng)跳閘延時(shí)理論分析

據(jù)有關(guān)條例規(guī)定，報(bào)文傳送應(yīng)當(dāng)保持系統(tǒng)性和連貫性，傳遞過程要從數(shù)據(jù)信息的存放開始記錄，直到數(shù)據(jù)信息被取走方可結(jié)束，從而保障報(bào)文傳遞的整體性和連貫性[1]。

1.報(bào)文發(fā)送延遲

報(bào)文發(fā)送延遲與裝置自身有著很大關(guān)系，如果裝置處理分析能力比較差，那么數(shù)據(jù)信息的傳遞就會(huì)受到限制或阻礙，從有關(guān)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，各裝置端口的傳遞效率為25us，根據(jù)端口位置距離的不同會(huì)逐漸形成累計(jì)效果，按照這種逐漸遞增的順序推導(dǎo)，各端口延遲效果逐漸明顯[2]。

2.網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)

（1）交換機(jī)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)存在延遲現(xiàn)象。交換機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要通過存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此網(wǎng)絡(luò)延遲會(huì)造成交換機(jī)延遲程度加深，以100Mb/s的光口為例，其幀長(zhǎng)最大值為1522b，同步幀頭能夠達(dá)到8b，最終導(dǎo)致交換機(jī)出現(xiàn)高達(dá)122us的延遲現(xiàn)象，如果光口為千兆，那么就會(huì)產(chǎn)生12ps的延時(shí)情況；（2）交換機(jī)交換過程也會(huì)出現(xiàn)延遲情況，其延遲程度與優(yōu)先級(jí)等內(nèi)容有關(guān)，一般條件下，交換機(jī)交換延遲現(xiàn)象不是很明顯，通?？梢院雎圆挥?jì)；（3）光纜傳輸延遲現(xiàn)象。光纜傳輸延遲受到雙重因素干擾，通常每千米光纜傳輸延遲能達(dá)到5us；（4）交換機(jī)幀排隊(duì)延遲現(xiàn)象。幀沖突的產(chǎn)生需要有關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制與消除操作，為了確保關(guān)鍵信息內(nèi)容幀排隊(duì)延遲情況得到緩解，可以通過增加優(yōu)先級(jí)來(lái)完成；（5）網(wǎng)絡(luò)傳輸總延遲現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)傳輸總延遲包括幀排隊(duì)延遲、線路傳輸延遲、交換機(jī)延遲等。

圖2 常見網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)

（二）保護(hù)網(wǎng)跳閘延遲測(cè)試內(nèi)容

大多數(shù)試驗(yàn)檢測(cè)都肯定了網(wǎng)絡(luò)跳閘的優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)處，不僅如此，很多設(shè)計(jì)方案、施工管理計(jì)劃都缺乏有效性和實(shí)際性，工作人員對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘延遲情況缺乏足夠了解和信任，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘延遲一直處于被排斥的狀態(tài)，因此這兩種智能變電站繼電保護(hù)操作需要進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)和對(duì)比測(cè)試[3]。

人們普遍認(rèn)為造成繼電保護(hù)跳閘延遲的主要原因在于交換機(jī)延遲情況，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式也是如此。在實(shí)際檢測(cè)過程中不難發(fā)現(xiàn)，保護(hù)網(wǎng)跳閘延遲程度明顯比點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘延遲程度要小很多。針對(duì)這種情況進(jìn)行深入分析，通過最終調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其影響因素和關(guān)鍵內(nèi)容主要分為以下幾點(diǎn)：（1）多光口信息傳輸需要使用公共CPU進(jìn)行分析處理，CPU在面對(duì)眾多端口的數(shù)據(jù)分析與處理操作時(shí)，容易出現(xiàn)報(bào)文處理時(shí)間的不斷延遲，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘方式大不相同，各端口的位置相對(duì)突出和便捷，因此網(wǎng)絡(luò)跳閘速度比較符合科學(xué)要求，能夠滿足智能變電站繼電保護(hù)跳閘的安全規(guī)定[4]；（2）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跳閘需要通過CPU完成端口數(shù)據(jù)的整理和分析操作，這也造成不同位置的光口延遲效果大不相同，位置越靠后的光口延遲效果越明顯，由于交換機(jī)延遲程度比較小，因此保護(hù)網(wǎng)絡(luò)跳閘的延遲程度也相對(duì)較低，反應(yīng)能力更加迅速敏捷；（3）設(shè)備端口數(shù)量越多，數(shù)據(jù)分析與處理的延遲效果也就越明顯[5]。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能變電站繼電保護(hù)跳閘方式能夠維護(hù)變電站穩(wěn)定情況和安全狀態(tài)，為電力系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行創(chuàng)造有利條件，從而實(shí)現(xiàn)電力事業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的繁榮與穩(wěn)定目標(biāo)。基于此，有關(guān)部門要加強(qiáng)對(duì)智能變電站繼電保護(hù)跳閘操作的關(guān)注與重視，確保智能變電站跳閘保護(hù)操作能夠及時(shí)準(zhǔn)確。