智能變電站過程層數(shù)據(jù)共網(wǎng)可靠性研究

盧 巖，宋 瑋，于同偉，張武洋

0 引言

IEC61850 變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是按照變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視、控制和繼電保護(hù)三大功能需求，將智能變電站劃分為過程層、間隔層和站控層［1～3］。智能變電站與傳統(tǒng)變電站最重要區(qū)別之一在于增加了過程層網(wǎng)絡(luò)，將傳統(tǒng)變電站中間隔層的數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量輸入輸出等模塊下放到過程層實(shí)現(xiàn)，增加了合并單元(MU)、智能終端、過程層交換機(jī)等智能電子裝置(IED)，利用光纖傳輸報(bào)文取代了傳統(tǒng)的硬接線方式。過程層與間隔層設(shè)備的信息交互可以采取直采直跳或組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采用過程層組網(wǎng)方式時(shí)，全站IED 設(shè)備必須首先同步時(shí)鐘，以保證過程層傳輸?shù)牟蓸又岛虶OOSE 信息的實(shí)時(shí)性和可靠性，從而保證變電站正常運(yùn)行的可靠性［4，5］。

本文在智能變電站過程層“三網(wǎng)合一”試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)智能變電站過程層環(huán)網(wǎng)(過程層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)多級(jí)交換機(jī)級(jí)聯(lián)形成)環(huán)境下采樣值、GOOSE 報(bào)文的傳輸延時(shí)和保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間等進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析過程層報(bào)文傳輸可靠性及IEEE1588 對(duì)時(shí)應(yīng)用技術(shù)的可靠性，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)延時(shí)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 采樣值報(bào)文傳輸延時(shí)、抖動(dòng)測試及可靠性分析

電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)分析和控制策略制定都要依賴于電力系統(tǒng)信息量的實(shí)時(shí)采集，對(duì)于過程層采用“三網(wǎng)合一”實(shí)現(xiàn)保護(hù)測控等安全自動(dòng)裝置采樣的智能變電站，由于合并單元發(fā)送的采樣值經(jīng)過程層網(wǎng)絡(luò)上送至間隔層的保護(hù)測控等安全自動(dòng)裝置，由此帶來的過程層網(wǎng)絡(luò)對(duì)采樣值信息的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)將會(huì)影響間隔層設(shè)備動(dòng)作的準(zhǔn)確性［6，7］，所以針對(duì)網(wǎng)絡(luò)采樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的測試研究是必要的。將對(duì)采樣值報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)測試的測試接線圖、測試內(nèi)容和測試結(jié)果進(jìn)行分析，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化采樣值傳輸提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在所有保護(hù)中，母差保護(hù)的工作條件最為嚴(yán)酷，因?yàn)槟覆畋Ｗo(hù)要接收母線上所有間隔的采樣值報(bào)文，而在環(huán)網(wǎng)環(huán)境中，不同間隔的MU 將采樣值報(bào)文傳送到母差保護(hù)所經(jīng)過的交換機(jī)級(jí)數(shù)不同，帶來的傳輸延時(shí)也會(huì)有差異。不同的傳輸延時(shí)是否會(huì)影響保護(hù)同步采樣從而影響保護(hù)正確判別及動(dòng)作是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。因此測試以母差保護(hù)為例。

1.1 測試接線圖

測試接線圖如圖1 所示。為了排除設(shè)備互操作性的影響，選取國內(nèi)三家知名品牌的10 臺(tái)交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，級(jí)聯(lián)端口均為千兆口，其他端口為百兆口，環(huán)斷點(diǎn)在1 號(hào)與10 號(hào)交換機(jī)之間。采用精確時(shí)鐘協(xié)議IEEE1588 為所有設(shè)備對(duì)時(shí)，合并單元發(fā)送的采樣值要經(jīng)過10 層交換機(jī)才能到達(dá)保護(hù)裝置，利用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析儀來監(jiān)視采樣值經(jīng)過10級(jí)交換機(jī)的傳輸延時(shí)及抖動(dòng)情況。

圖1 采樣值報(bào)文傳輸延時(shí)測試接線圖Fig．1 Sample message transmission delay test

1.2 測試結(jié)果及可靠性分析

測試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 采樣值經(jīng)10 臺(tái)交換機(jī)延時(shí)分布概率圖Fig．2 Distribution probability of sample value transmission delay after 10 switches

MU 固定以每秒4 000 幀報(bào)文的頻率向上發(fā)送采樣值信息，即相鄰兩幀報(bào)文間隔為250 μs。通過試驗(yàn)可以看出，在過程層組網(wǎng)方式下，采樣值經(jīng)過10 臺(tái)級(jí)聯(lián)交換機(jī)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)大致分布在90 ～140 μs 范圍內(nèi)，大部分采樣值的延時(shí)在121 μs 左右。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，在三網(wǎng)合一的條件下，如果經(jīng)過的級(jí)聯(lián)交換機(jī)數(shù)量過多，則采樣值傳輸延時(shí)較大，當(dāng)交換機(jī)數(shù)量達(dá)到20 級(jí)時(shí)，延時(shí)則達(dá)到240 μs 左右，甚至差出一個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)于本間隔保護(hù)、測控、PMU、故障測距、電度表等影響不大但是可能會(huì)對(duì)跨間隔保護(hù)的間隔層設(shè)備的正確運(yùn)行造成影響。

2 跳閘報(bào)文傳輸特性測試及可靠性分析

2.1 GOOSE 報(bào)文傳輸延時(shí)測試

智能變電站將傳統(tǒng)保護(hù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入輸出功能下放到過程層設(shè)備中。傳統(tǒng)變電站中開關(guān)量的輸入、輸出信息通過電纜傳輸，幾乎是無延時(shí)的、直觀可靠的。而現(xiàn)在模擬量采集、跳合閘依靠通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?；贗EC61850 的變電站自動(dòng)化，由電流、電壓互感器傳送給保護(hù)、測控裝置的實(shí)時(shí)采樣信息和保護(hù)單元發(fā)送給現(xiàn)場開關(guān)保護(hù)信號(hào)的信息傳輸時(shí)間需求最高，要求小于2 ms。尤其對(duì)于母差保護(hù)，必須接收母線上所有間隔的啟動(dòng)母差信號(hào)，必須考慮所有間隔啟動(dòng)報(bào)文或心跳報(bào)文同時(shí)到達(dá)的極限情況［8］。如果不能保證網(wǎng)絡(luò)的安全性、實(shí)時(shí)性，完全有可能引起誤動(dòng)、拒動(dòng)，甚至造成災(zāi)難性的后果［9，10］。所以，對(duì)三網(wǎng)合一方式下GOOSE 跳閘報(bào)文傳輸?shù)难訒r(shí)進(jìn)行測試是十分必要的。

將對(duì)GOOSE 報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)測試的測試接線圖、測試內(nèi)容和測試結(jié)果進(jìn)行分析，為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化跳閘提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1.1 測試接線圖

測試接線圖如圖3 所示。為了排除設(shè)備互操作性的影響，同樣選取3 種不同品牌的交換機(jī)5臺(tái)，將它們的千兆口級(jí)聯(lián)，采用精確時(shí)鐘協(xié)議IEEE1588 為所有設(shè)備對(duì)時(shí)。母差保護(hù)裝置發(fā)出的GOOSE 信息由分光器分兩路，一路送至報(bào)文分析儀，另一路送至第一級(jí)交換機(jī)，經(jīng)過5 級(jí)交換機(jī)后將報(bào)文發(fā)送給智能操作箱。報(bào)文分析儀監(jiān)測GOOSE 信息到達(dá)每一級(jí)交換機(jī)的時(shí)間，隨機(jī)記錄10 組數(shù)據(jù)。

圖3 GOOSE 傳輸延時(shí)測試接線圖Fig．3 GOOSE transmission delay test

2.1.2 測試結(jié)果及可靠性分析

測試結(jié)果如圖4。報(bào)文經(jīng)過每一級(jí)交換機(jī)的延時(shí)在5 ～7 μs 左右，從母差發(fā)出GOOSE 報(bào)文到第一級(jí)交換機(jī)級(jí)聯(lián)口接收、處理并轉(zhuǎn)發(fā)出去經(jīng)過了42 μs 左右的時(shí)間，因?yàn)镚OOSE 報(bào)文長度為500 字節(jié)，經(jīng)過百兆口傳輸需要40 μs，交換機(jī)得到數(shù)據(jù)后解析出目標(biāo)地址，發(fā)送級(jí)聯(lián)口需要2 μs時(shí)間。因此實(shí)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)吻合。從保護(hù)發(fā)出GOOSE 報(bào)文到末級(jí)交換機(jī)接收并轉(zhuǎn)發(fā)出此報(bào)文的總延時(shí)大概為66 μs。

圖4 經(jīng)五級(jí)交換機(jī)GOOSE 傳輸延時(shí)Fig．4 GOOSE transmission delay after 5 switches

由以上測試結(jié)果，給出交換機(jī)千兆級(jí)聯(lián)時(shí)，隨交換機(jī)級(jí)數(shù)的增加，GOOSE 信息傳輸延時(shí)的理論值如圖5 所示。

圖5 經(jīng)多級(jí)交換機(jī)GOOSE 傳輸延時(shí)理論值Fig．5 Theoretical value of GOOSE transmission delay after several switches

GOOSE 信息由交換機(jī)帶來的傳輸延時(shí)在μs級(jí)，滿足IEC61850 對(duì)變電站跳閘信息傳輸?shù)臅r(shí)間需求。所以，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，交換機(jī)千兆級(jí)聯(lián)時(shí)，GOOSE 傳輸延時(shí)滿足變電站的運(yùn)行要求。

2.2 保護(hù)跳閘整組時(shí)間測試

GOOSE 報(bào)文網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性能在工程應(yīng)用中體現(xiàn)在保護(hù)動(dòng)作整組時(shí)間上，所以我們以母差保護(hù)測試為例，通過試驗(yàn)測試過程層交換機(jī)組環(huán)網(wǎng)方式下保護(hù)動(dòng)作跳閘的整組時(shí)間，分析由于網(wǎng)絡(luò)帶來的GOOSE 傳輸延時(shí)對(duì)保護(hù)跳閘輸出的快速性、安全性和可靠性影響。

2.2.1 測試接線圖

測試接線圖如圖6。為了測試不同廠家的保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間，試驗(yàn)采用了4 個(gè)不同廠家的智能操作箱和保護(hù)裝置，編號(hào)為1，2，3，4 不同品牌的交換機(jī)，其中10 臺(tái)交換機(jī)千兆級(jí)聯(lián)組成環(huán)網(wǎng)，環(huán)斷點(diǎn)在1 與10 之間，所有設(shè)備采用精確時(shí)鐘協(xié)議IEEE1588 對(duì)時(shí)。分別測試每個(gè)廠家的保護(hù)裝置依次發(fā)跳閘GOOSE 命令給每一臺(tái)智能操作箱，利用報(bào)文分析儀監(jiān)視并記錄保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間，重復(fù)測試多次求平均值。

圖6 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間測試接線圖Fig．6 Whole protection trip time test

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及可靠性分析

試驗(yàn)得到各保護(hù)廠家母差保護(hù)對(duì)應(yīng)跳自家智能操作箱的整組時(shí)間分布圖如圖7 所示，母差保護(hù)動(dòng)作的整組時(shí)間在30 ～50 ms 左右，整組動(dòng)作時(shí)間主要取決于保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和操作箱動(dòng)作的時(shí)間，而網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致的延時(shí)所占的比例極其微小，各廠家跳閘整組時(shí)間的長短差異主要來自于保護(hù)裝置和操作箱的差異。

由此給出了平均整組時(shí)間組成，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間是按照經(jīng)過20 級(jí)交換機(jī)的延時(shí)計(jì)算的，即便這樣其只占整組時(shí)間的1.15%，而更大的延時(shí)主要取決于保護(hù)裝置和操作箱的性能。在過程層交換機(jī)組網(wǎng)方式下，GOOSE 數(shù)據(jù)傳輸能保持較穩(wěn)定的出口延時(shí)，滿足保護(hù)的安全可靠性要求 (見圖8)。

圖7 各廠家保護(hù)動(dòng)作整組時(shí)間分布圖Fig．7 Whole protection trip time distribution of each company

圖8 經(jīng)20 級(jí)交換機(jī)保護(hù)動(dòng)作整組時(shí)間分布圖Fig．8 Whole protection trip time distribution after 20 switches

3 IEEE1588 對(duì)時(shí)應(yīng)用可靠性

智能變電站中同步采樣尤其是不同合并單元之間的同步采樣對(duì)各種差動(dòng)保護(hù)尤為重要。在智能變電站中，最重要的對(duì)時(shí)設(shè)備是MU。傳統(tǒng)的對(duì)時(shí)一般采用PPS (秒脈沖)或者B 碼信號(hào)對(duì)時(shí)，采樣值同步的有效性依賴于接收到對(duì)時(shí)信號(hào)的正確可靠，而對(duì)時(shí)信號(hào)的獲取是通過單獨(dú)的硬接線方式實(shí)現(xiàn)的，取消這種硬接線方式而借助于以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣值的高精度同步具有重要意義［11］。IEEE 1588 是一種用于分布式測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)間協(xié)議，同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)精度可達(dá)到亞μs 級(jí)。基于IEEE 1588 實(shí)現(xiàn)采樣值的同步具有良好的應(yīng)用前景。

在上述試驗(yàn)的測試中，均采用了IEEE1588 的對(duì)時(shí)方式對(duì)IED 設(shè)備進(jìn)行對(duì)時(shí)。測試過程中，發(fā)現(xiàn)了以下問題:

(1)交換機(jī)對(duì)1588 報(bào)文駐留及鏈路延時(shí)修正值與實(shí)際時(shí)間不一致，導(dǎo)致MU 立刻跟蹤主時(shí)鐘，強(qiáng)行拉秒脈沖。MU 序號(hào)不連續(xù)，保護(hù)判斷丟包，閉鎖退出運(yùn)行。

(2)環(huán)網(wǎng)情況下，如果出現(xiàn)一臺(tái)交換機(jī)CPU死機(jī)，環(huán)網(wǎng)會(huì)癱瘓。

對(duì)于上述情況的出現(xiàn)，通過分析，可以在交換機(jī)的架構(gòu)及軟件上提高可靠性，避免各種原因的時(shí)鐘跳變，同時(shí)制定可靠的MU 對(duì)時(shí)策略，使MU 具備在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)主時(shí)鐘錯(cuò)誤的兼容能力，從而躲過這種類型的跳變，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

從以上測試來看，在上述組網(wǎng)方式下智能變電站過程層三網(wǎng)合一技術(shù)是可靠的。網(wǎng)絡(luò)方式是智能變電站發(fā)展的必然趨勢。通過研究對(duì)于未來的技術(shù)發(fā)展提出如下觀點(diǎn):

(1)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)采樣，環(huán)網(wǎng)條件下采樣值傳輸延時(shí)對(duì)于測控、計(jì)量及本間隔保護(hù)等滿足可靠性要求。對(duì)于跨間隔保護(hù)，網(wǎng)采技術(shù)的應(yīng)用受到一定限制，當(dāng)組成環(huán)網(wǎng)的交換機(jī)臺(tái)數(shù)限制在一定數(shù)量內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作的可靠性完全可以滿足要求。當(dāng)組成環(huán)網(wǎng)的交換機(jī)臺(tái)數(shù)過多時(shí)，可能會(huì)影響保護(hù)的動(dòng)作性。但是，這一問題是可以在兩個(gè)方面來解決的，一是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上探究新的方向來解決環(huán)網(wǎng)傳輸延時(shí)的問題，實(shí)現(xiàn)端對(duì)端傳輸時(shí)間可控;二是探究新的繼電保護(hù)算法，使保護(hù)能夠兼容網(wǎng)絡(luò)帶來的抖動(dòng)［12］。

(2)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)跳閘，由環(huán)網(wǎng)帶來的GOOSE跳閘報(bào)文傳輸?shù)难訒r(shí)在保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間中所占比例微小，20 級(jí)交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)帶來的GOOSE傳輸延時(shí)所占保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間的比例不足1.15%，完全滿足保護(hù)正確動(dòng)作的可靠性要求。

(3)IEEE1588 的應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。對(duì)于目前1588 應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，通過在交換機(jī)的架構(gòu)及軟件上提高可靠性以及針對(duì)MU 制定可靠性更高的1588 對(duì)時(shí)策略即可滿足工程應(yīng)用。

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