智能變電站保護(hù)動作時間延時特性研究

龐福濱，楊 毅，袁宇波，劉 玙，卜強(qiáng)生，弓新月

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智能變電站保護(hù)動作時間延時特性研究

龐福濱1,2，楊 毅1，袁宇波1，劉 玙1，卜強(qiáng)生1，弓新月1

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京211103；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210096)

在智能變電站中，數(shù)字化保護(hù)所引入的合并單元、智能終端等智能設(shè)備延長了保護(hù)的動作時間，對電力系統(tǒng)故障的快速切除帶來了安全隱患。因此，有必要對智能站中保護(hù)動作延時的環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析。首先給出了智能站繼電保護(hù)動作的各個延時組成部分，對比了其與常規(guī)站保護(hù)動作時間各環(huán)節(jié)的差異性。對差異環(huán)節(jié)中的采樣延時和智能終端延時這兩大主要延時構(gòu)成部分進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了智能站延時現(xiàn)象的深層機(jī)理。探討了降低各延時環(huán)節(jié)的有效措施。通過實驗對比了常規(guī)站和智能站各環(huán)節(jié)動作時間的差異性，驗證了理論分析的正確性。

智能站；動作時間；合并單元；智能終端；延時環(huán)節(jié)

0 引言

繼電保護(hù)的速動性對于減小設(shè)備在故障狀態(tài)下的運(yùn)行時間、降低設(shè)備的損壞程度、提高電力系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義[1]。隨著自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的不斷發(fā)展，滿足信息高度共享、設(shè)備之間具有互操作性、可擴(kuò)展性強(qiáng)的智能變電站逐漸取代了傳統(tǒng)變電站，成為變電站發(fā)展的方向[2-5]。智能變電站的全數(shù)字化保護(hù)很大程度上沿用了傳統(tǒng)繼電保護(hù)的原理和微機(jī)保護(hù)的實現(xiàn)技術(shù)，但是由于智能站將原有的采樣、出口跳閘功能部分拆分出來，在合并單元、智能終端中分別實現(xiàn)，且各裝置之間通過標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議進(jìn)行信息的交互，增加了報文接收、數(shù)據(jù)處理、報文輸出等環(huán)節(jié)，造成智能站較常規(guī)站的保護(hù)動作時間延長，影響了保護(hù)的速動性[6-7]。為此，本文分析了智能變電站中保護(hù)動作延時環(huán)節(jié)的構(gòu)成，通過與常規(guī)站保護(hù)裝置動作的延時差別的對比，給出了智能變電站保護(hù)動作時間延長的主要原因及改進(jìn)措施，并試驗驗證了智能站和常規(guī)站的保護(hù)動作時間，提出了降低智能站保護(hù)動作時間的有效建議。

1 ?智能站與常規(guī)站保護(hù)動作延時對比

在常規(guī)變電站中，電流、電壓模擬量通過電纜方式接入保護(hù)、測控、計量等二次裝置，由于電信號在電纜中的傳播速度接近光速，且系統(tǒng)的采樣和跳閘集成在保護(hù)裝置內(nèi)部，因此由采樣環(huán)節(jié)造成的延時基本可以忽略，保護(hù)裝置采集到互感器的輸出信息后，經(jīng)過邏輯判斷，由出口繼電器輸出跳閘命令，經(jīng)操作箱到斷路器執(zhí)行跳閘動作，如圖1 (a)所示。而在智能變電站中，合并單元采集互感器一次輸入的模擬量，并生成SV報文給保護(hù)裝置；保護(hù)裝置進(jìn)行邏輯判斷，發(fā)送GOOSE報文到智能終端，智能終端接收到GOOSE報文后控制斷路器動作跳閘，如圖1 (b)所示。

圖1 常規(guī)站與智能站的保護(hù)流程對比圖

保護(hù)的動作時間，是指從系統(tǒng)故障發(fā)生到保護(hù)動作信號發(fā)出跳閘命令的時間[8]。從圖1中可以看出，常規(guī)保護(hù)的主要動作時間包括保護(hù)裝置中模擬量濾波A/D轉(zhuǎn)換時間(耗時很短，基本可以忽略不計)、保護(hù)邏輯判斷時間及出口繼電器動作時間；而由于合并單元和智能終端的引入，智能站的保護(hù)動作時間包括合并單元采樣時間、合并單元到保護(hù)裝置的傳輸時間、保護(hù)裝置動作時間、保護(hù)到智能終端的傳輸時間和智能終端的動作時間。其中，合并單元到保護(hù)裝置的傳輸時間、保護(hù)到智能終端的傳輸時間可以忽略不計。因此，相比于常規(guī)站，智能站的保護(hù)延時增加了合并單元的采樣延時及智能終端的動作時間，進(jìn)而造成保護(hù)整組動作時間增長，影響了保護(hù)的速動性。

智能站保護(hù)動作時間較常規(guī)站延長的問題，在智能變電站建設(shè)的初期，伴隨著合并單元和智能終端的應(yīng)用就已出現(xiàn)[9]。由于早期智能站對合并單元、智能終端的規(guī)范化程度不高，不同廠家的設(shè)備所造成的延時也不同，部分設(shè)備的延時較長，不能滿足保護(hù)速動性的要求。隨著智能變電站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷完善，對合并單元、智能終端的延時特性已經(jīng)有了統(tǒng)一的規(guī)范和要求[10-12]。為了進(jìn)一步縮短智能站整組保護(hù)動作時間，提高保護(hù)的速動性，有必要對合并單元、智能終端的延時機(jī)理進(jìn)行分析，并采取合理的措施降低兩環(huán)節(jié)引起的保護(hù)延時。

2 ?采樣延時分析

區(qū)別于常規(guī)站中保護(hù)裝置直接采樣，智能站的采樣環(huán)節(jié)前移到合并單元進(jìn)行，并生成SV報文，因此帶來了由于采樣引起的延時問題。在智能變電站中，由采樣環(huán)節(jié)造成的延時包括兩個環(huán)節(jié)：

1)?合并單元采樣延時環(huán)節(jié)：從互感器模擬量輸入開始，到合并單元轉(zhuǎn)換生成SV報文并輸出。

2)?保護(hù)裝置采樣延時環(huán)節(jié)：從保護(hù)裝置接收到SV報文進(jìn)行解析，到裝置插值重采樣后發(fā)送插值數(shù)據(jù)到邏輯判斷單元。

下面分別對上述兩環(huán)節(jié)展開討論。

2.1 合并單元采樣延時分析

圖2為合并單元內(nèi)部工作流程框圖。如圖所示，由互感器輸入的二次模擬信號經(jīng)過A/D采集模塊變換為數(shù)字信號[13]，由于FPGA特別適合實時快速的邏輯控制，因此由其負(fù)責(zé)各單元之間的數(shù)據(jù)交互傳遞。當(dāng)數(shù)字信號到達(dá)FPGA時，F(xiàn)PGA通過打時標(biāo)的方式標(biāo)記信號的到達(dá)時刻，并將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至合并單元的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的組包并生成SV報文。報文生成后，再由FPGA提取報文并發(fā)送給保護(hù)裝置。

為了更直觀的說明系統(tǒng)的工作流程及合并單元造成的整體延時情況，圖3給出了系統(tǒng)的各個部分的工作時序圖。

圖2 合并單元內(nèi)部工作流程框圖

圖3 合并單元采樣環(huán)節(jié)時序圖

在多路A/D采集裝置同步采集(共用采樣時鐘)的情況下，合并單元內(nèi)部不需要進(jìn)行插值運(yùn)算。假設(shè)A/D采樣裝置采集到互感器的兩個連續(xù)采樣點為和。由于SV報文的輸出頻率為4 kHz[14]，因此由FPGA分頻生成A/D裝置的相鄰兩個采樣脈沖間隔為250 μs。合并單元的工作時序流程如下：

2)?由于A/D裝置轉(zhuǎn)換需要一定的時間，目前主流A/D轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)上百千赫茲至兆赫茲，按照16位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片來計算，其轉(zhuǎn)換時間可控制在十幾微秒的量級，因此經(jīng)過(約為十幾微秒)后，在時刻完成的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

4)?由于CPU內(nèi)部受中斷、數(shù)據(jù)排隊等不確定因素的影響，導(dǎo)致報文生成會存在一定的延遲，即生成的報文到達(dá)FPGA的時間是不確定的；為了保證報文均勻地等間隔輸出，系統(tǒng)將會等待，在下一個A/D的采樣脈沖到來時，即250 μs后的時刻發(fā)送的SV報文給保護(hù)裝置，并開始采集信號。

通過以上分析可以看出，理論上合并單元輸出報文的延時可以控制在250 μs內(nèi)。但是上述分析是建立在多路A/D采集裝置共用采樣時鐘的基礎(chǔ)上的，這種情況一般需要通過外接GPS同步信號來實現(xiàn)，這就增加了對外同步信號的依賴性。在沒有外部同步信號時，各路A/D采集裝置的采集時間是相互獨立的，因此在SV報文輸出時需要進(jìn)行插值運(yùn)算，計算出各路信號在某一輸出時刻的信號值。由于插值運(yùn)算需要等待插值時刻的下一個采樣點以進(jìn)行內(nèi)插運(yùn)算，這就增加了合并單元報文輸出的時間；且不同間隔的合并單元在信息上傳時存在合并單元級聯(lián)問題，也會導(dǎo)致合并單元采樣環(huán)節(jié)的延時變長。考慮上述情況時，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《智能變電站合并單元技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定合并單元采樣響應(yīng)延時不應(yīng)大于2 ms[15]。由此也可以看出，通過共用采樣時鐘(在多路信號采集的情況下)、減少合并單元的級聯(lián)傳輸可以有效降低合并單元的采樣傳輸延時。

2.2 保護(hù)裝置采樣延時分析

保護(hù)裝置內(nèi)包括插值模塊和邏輯判斷模塊，其工作流程為：采樣模塊接收合并單元發(fā)送的SV報文，按照邏輯判斷模塊所需要的采樣率進(jìn)行報文的解析和插值運(yùn)算，再將采樣插值運(yùn)算結(jié)果送至保護(hù)邏輯判斷模塊，并根據(jù)算法處理以判斷是否發(fā)送跳合閘命令。因此，在送至邏輯判斷模塊前，保護(hù)單元的采樣延遲包括插值部分和邏輯判斷單元對插值結(jié)果采樣部分，其具體時序流程圖如圖4所示。

圖4 保護(hù)裝置時序邏輯

SV報文的輸出間隔為250 μs，每到一個報文，保護(hù)單元會進(jìn)行一次報文解析。由于保護(hù)邏輯判斷單元的采樣間隔為1.2 kHz，與SV報文的4 kHz的采樣頻率不同頻，因此需要進(jìn)行插值運(yùn)算，而保護(hù)邏輯判斷也需要對插值運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行采樣以進(jìn)行算法處理[16]。因此，保護(hù)采樣引起的延時誤差來源于兩個方面：

1)?插值等待時間：為了計算得到保護(hù)邏輯判斷在833?μs時的值，就需要及兩個時刻的采樣值報文，因此必須等待至1000 μs時報文到達(dá)后進(jìn)行計算，這樣保護(hù)采樣就需要等待167?μs；顯然，保護(hù)單元因為插值運(yùn)算等待SV的報文時間不會超過SV報文的一個發(fā)送間隔，即此時間在250?μs以內(nèi)。

2)?保護(hù)邏輯單元的重采樣等待時間：保護(hù)邏輯判斷單元的采樣率為1.2?kHz，即采樣的間隔為833?μs。此時保護(hù)邏輯判斷單元對插值運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行采樣時，必將滯后一個采樣點。以插值運(yùn)算的結(jié)果為例，它是在1?000?μs以后才插值生成的，因此在833?μs時刻對其進(jìn)行采樣是采集不到的，只能在1?666?μs時才能夠采集到。此時距離其實際對應(yīng)的采樣點坐標(biāo)833μs則正好相差一個采樣間隔—833?μs，其他采樣點亦然。

通過以上的分析可以知道，除了保護(hù)單元進(jìn)行插值運(yùn)算時要等待SV報文的采樣點時間所需要消耗的250?μs以內(nèi)的時間外，保護(hù)邏輯判斷單元的重采樣等待時間是造成保護(hù)采樣延時的主要原因，而兩者之和恰為1個邏輯判斷單元的采樣間隔833μs。如果保護(hù)裝置插值采樣與保護(hù)的邏輯判斷共用采樣時鐘，則可在保護(hù)裝置完成插值計算后直接將插值采樣結(jié)果送到邏輯判斷裝置，進(jìn)一步減小保護(hù)裝置的采樣延時時間。

需要說明的是，上述分析未考慮合并單元的容錯機(jī)制及保護(hù)單元等待各合并單元的SV報文時間等因素。因此，在實際應(yīng)用中智能站的延時一般大于以上分析數(shù)值。

3 ?智能終端延時特性分析

智能終端的動作時間為智能終端收到GOOSE跳閘命令時刻至智能終端出口動作的時間。其內(nèi)部集成了操作箱功能，當(dāng)接收到間隔層保護(hù)測控裝置的GOOSE下行控制命令后，通過報文解析實現(xiàn)對一次設(shè)備的實時控制。在相同的一、二次設(shè)備條件下，與傳統(tǒng)變電站中保護(hù)節(jié)點直接跳閘、其延時構(gòu)成主要為出口繼電器的動作時間相比，智能變電站中采用GOOSE報文經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)信給智能操作箱的方式增加了中間環(huán)節(jié)，導(dǎo)致總保護(hù)動作時間有所延長[17]。GOOSE報文的接收和發(fā)送都要通過DM9000AE以太網(wǎng)控制器進(jìn)行完成，其接收流程圖如圖5所示。

從圖5可以看出，開始接收GOOSE報文時，DM9000首先清除接收中斷標(biāo)志位，并讀取幀接收的標(biāo)志位，若為“00”則舍棄該幀并中斷返回；當(dāng)幀標(biāo)志位正確時，則讀取幀的長度等狀態(tài)信息，弱錯誤則中斷返回，若無錯誤則保存數(shù)據(jù)，記錄GOOSE報文的接收時間并存入SOE，然后調(diào)用報文解析函數(shù)對報文進(jìn)行解析，最后進(jìn)入中斷返回。

GOOSE報文的發(fā)送和接收延時與通信裝置的處理能力有關(guān)，在智能終端接收保護(hù)裝置的報文時，應(yīng)防止GOOSE報文量過大引起的網(wǎng)口溢出而丟失報文或延長時間過長。保護(hù)GOOSE跳閘網(wǎng)絡(luò)延時的主要組成包括以下環(huán)節(jié)。

圖5 GOOSE報文接收流程圖

現(xiàn)代交換機(jī)均采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，即將所有數(shù)據(jù)先保存在存儲器中，待整個數(shù)據(jù)幀接收完畢后再把數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的端口，這個轉(zhuǎn)發(fā)過程中的時間即為交換機(jī)存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時。此延時與所發(fā)送數(shù)據(jù)幀大小成正比，與轉(zhuǎn)發(fā)速率成反比。

(2)

交換機(jī)在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)過程中，本身會產(chǎn)生交換延時，此延時與MAC地址表、VLAN及優(yōu)先級等因素有關(guān)。工業(yè)級加強(qiáng)型交換機(jī)的交換延時一般在幾微秒范圍內(nèi)，一般不超過10μs[18]。

光纖傳輸延時等于光纜的長度除以數(shù)據(jù)幀在光纜中的傳播速度，考慮光纜本身的折射率，光纖傳輸延時為

在以太網(wǎng)交換機(jī)的數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制中，往往采用數(shù)據(jù)幀排隊的方式以避免發(fā)生數(shù)據(jù)幀沖突的現(xiàn)象，這個過程中產(chǎn)生的時間就是交換機(jī)幀排隊的延時。在最不利的情況下，當(dāng)具有個端口的交換機(jī)的個端口同時往另一端口發(fā)送報文，在忽略幀與幀之間的時間間隔的條件下，數(shù)據(jù)幀排隊的最長延時為，最短延時為0，平均延時為。

4 ?試驗研究

為驗證智能化和常規(guī)保護(hù)動作時間的差異性，將智能化保護(hù)與常規(guī)保護(hù)串接在一起進(jìn)行整組試驗，如圖6所示。其中，OMICRON為信號源，輸出交流模擬量到合并單元，由模擬量輸入合并單元串接到常規(guī)保護(hù)裝置構(gòu)成常規(guī)化保護(hù)(圖中經(jīng)過合并單元是為了保證常規(guī)保護(hù)和智能化保護(hù)有相同的模擬量輸入，模擬量只是經(jīng)由合并單元直接連接到常規(guī)保護(hù)裝置，并不存在合并單元的延時環(huán)節(jié))；由合并單元、智能化保護(hù)裝置、智能終端構(gòu)成智能化保護(hù)。為了統(tǒng)計各環(huán)節(jié)的延時時間大小，將智能化保護(hù)GOOSE跳閘出口、GOOSE報文出口、SV報文出口、常規(guī)保護(hù)的跳閘出口及OMICRON的交流模擬量等五路信號同時接入便攜式錄波儀。

本次試驗采用某廠家的二次設(shè)備，經(jīng)多次縱聯(lián)差動保護(hù)整組動作試驗(縱差保護(hù)定值1 A，故障電流1.2 A，差動保護(hù)通道自環(huán)，相當(dāng)于2.4倍動作定值)。根據(jù)錄波儀中的時序波形，統(tǒng)計了6次試驗中智能化保護(hù)中合并單元采樣延時、保護(hù)采樣延時、保護(hù)邏輯判斷時間、智能終端延時的時間，以及常規(guī)保護(hù)中邏輯判斷時間、常規(guī)繼電器動作時間，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在常規(guī)保護(hù)中，保護(hù)裝置的邏輯判斷時間為19?ms，常規(guī)繼電器的動作時間為3.3~5.2 ms(平均為4.3 ms)，常規(guī)保護(hù)的整體動作時間為22.3~24.2 ms(平均為23.3?ms)；在智能化保護(hù)中，合并單元的采樣延時為1.3?ms，保護(hù)裝置的采樣延時為2.3~3.1 ms(平均為2.8 ms)，保護(hù)裝置的邏輯判斷時間與常規(guī)保護(hù)的邏輯判斷時間相同，也為19 ms(這也說明智能化保護(hù)的邏輯算法沿用了常規(guī)保護(hù))，智能終端延時為5~6.1?ms(平均為5.5 ms)，智能化保護(hù)的總動作時間為27.7~29.9?ms(平均為28.6?ms)，較常規(guī)站保護(hù)動作時間延長了3.9~6.4ms(平均為5.3 ms)。

圖6 保護(hù)整組對比試驗接線示意圖

表1 智能站與常規(guī)站保護(hù)動作時間對比

通過本次試驗可以看出，由于合并單元和智能終端的應(yīng)用，智能化保護(hù)裝置相比于常規(guī)保護(hù)裝置，主要增加了合并單元采樣延時環(huán)節(jié)(包括數(shù)據(jù)采樣、SV報文的生成)、保護(hù)采樣延時(保護(hù)裝置對SV報文的解析、插值等運(yùn)算)、智能終端的延時等環(huán)節(jié)。其中，合并單元的采樣延時在總延時中所占比重較小，其次為保護(hù)裝置的采樣延時，智能終端的動作延時最長，這是由于一方面其內(nèi)部集成了智能操作箱，動作時間較長；另一方面GOOSE報文的傳輸和解析，也延長了保護(hù)的動作時間。

5 ?結(jié)論

在智能變電站中，合并單元和智能終端的應(yīng)用改善了變電站的信息共享，提高了設(shè)備的通用性，但同時由于采樣環(huán)節(jié)的前移及SV、GOOSE報文的產(chǎn)生、傳輸及解析，也使得智能站的保護(hù)動作時間滯后于常規(guī)站，影響了保護(hù)的速動性。本文分析了智能站各環(huán)節(jié)中保護(hù)動作時間延長的機(jī)制，并與常規(guī)變電站的保護(hù)動作機(jī)理進(jìn)行了對比。通過分析智能站中保護(hù)動作時間延長的主要構(gòu)成，提出了降低保護(hù)動作時間的建議，并進(jìn)行了常規(guī)站與智能站保護(hù)動作時間的對比試驗，驗證了理論分析的正確性。保護(hù)裝置的動作時間關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此有必要從動作機(jī)理及硬件實現(xiàn)中進(jìn)一步開展降低其保護(hù)動作時間的研究，充分保障智能站建設(shè)的順利推進(jìn)。

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(編輯 張愛琴)

Research on characteristics of intelligent substation protection time delay

PANG Fubin1, 2, YANG Yi1, YUAN Yubo1, LIU Yu1, BU Qiangsheng1, GONG Xinyue1

(1. Jiangsu Electric Power Company Research Institute, Nanjing 211103, China; 2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

In intelligent substation, the introduction of digital protection devices such as merging unit, intelligent terminal, etc. prolongs the operation time of protection, which brings the safe threat to the cutoff of power system fault. Therefore, it is necessary to analyze the time delay link of protection operating time in intelligent substation. In this paper, the composition of time delay in intelligent substation is given, and the difference of each part between intelligent and traditional substation is analyzed. Further, the two major compositions of time delay in sampling and intelligent terminal link are analyzed in detail, the deep mechanism of time delay phenomenon is given and the effective measures to reduce the time delay in each link are discussed. Finally, the differences of operation time delay between traditional and intelligent substation are compared by experiment, and the results testify the validity of theoretical analysis.

intelligent substation; operation time; merging unit; intelligent terminal; time delay link

10.7667/PSPC151539

2015-08-31；

2015-12-16

龐福濱(1987-)，男，通信作者，博士，工程師，從事智能變電站二次設(shè)備技術(shù)，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等方面的研究工作；E-mail:pangfubin2006@163.com 楊 毅(1983-)，男，博士，工程師，從事智能變電站二次設(shè)備技術(shù)，繼電保護(hù)故障分析等方面的研究工作；袁宇波(1975-)，男，博士，研究員級高級工程師，從事智能變電站試驗及新技術(shù)，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化等方面的研究工作。