智能變電站繼電保護跳閘實現(xiàn)方式探討

季文莉

引言

變電站保護裝置所處區(qū)域和位置基本相同，同等級電壓保護裝置的連接方法也大致相似，一般條件下可以運用常規(guī)方法進行繼電保護操作，而在特殊情況下，傳統(tǒng)保護裝置不能達到繼電保護的多元化需求。繼電保護裝置對變電站設備運行和線路管理起到維護保障作用，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、科學的方向發(fā)展，繼電保護裝置能夠?qū)λ鶎佥爡^(qū)內(nèi)的設備線路進行監(jiān)管保障，同時向監(jiān)控中心發(fā)送預警信息和操作指令，為工作人員提供相應的參考數(shù)據(jù)。因此針對智能變電站繼電保護跳閘實現(xiàn)方式進行深入研究具有很強的實用性和必要價值，通過合理設置繼電保護跳閘方案，確保繼電保護操作都能落到實處。

一、智能變電站繼電保護跳閘方式概述

繼電保護裝置作為智能變電站電力系統(tǒng)設備與線路運行的重要裝置，對提升智能變電站電力系統(tǒng)繼電保護性能，促進智能電網(wǎng)發(fā)展具有重要意義，不僅能在規(guī)定的范圍內(nèi)，準確地檢測智能變電站電力系統(tǒng)的設備與線路是否出現(xiàn)異常運行與故障問題，還能自動向監(jiān)控中心發(fā)送跳閘指令與報警信息，為有關人員決策提供依據(jù)。變電站平穩(wěn)運行需要對繼電保護裝置進行管理及維護，傳統(tǒng)的跳閘保護方式主要包括兩大部分。一般包括微機型主后備裝置和單獨保護裝置，同時做好線路連接工作，確保跳閘操作能夠及時有效。智能變電站繼電保護跳閘操作能夠分成兩種形式，一種是點對點跳閘方式，另一種是保護網(wǎng)絡跳閘形式。點對點跳閘主要包括智能終端和繼電保護裝置，需要利用光纖進行數(shù)據(jù)信號傳遞工作，有效監(jiān)管變電站的設備和線路。保護網(wǎng)絡跳閘與點對點跳閘方式大不相同，它主要通過網(wǎng)絡傳輸形式進行數(shù)據(jù)信號的交流與傳遞。

就我國智能變電站繼電保護跳閘現(xiàn)狀來看，最常用的方法包括直接采樣和保護點對點直跳。通過發(fā)揮微機型主后備裝置的優(yōu)勢實現(xiàn)對主變電量的控制與監(jiān)管，直接采樣的方式比較靈活高效，能夠達到跳閘信號的及時發(fā)出與控制的目的。充分利用電纜信號傳遞作用，確保繼電保護操作能夠快速準確地落到實處。

點對點跳閘保護需要通過光纖進行數(shù)據(jù)信息的傳遞與交流，智能終端與保護裝置的有效溝通需要得到光纖徹底輔助或者維護，光纖信號能夠把繼電保護指令迅速傳達給相關設備，其他數(shù)據(jù)信息能夠通過網(wǎng)絡通道進行傳遞。保護網(wǎng)跳閘方式實質(zhì)上是保護裝置、智能終端和交換機的有機結(jié)合，各系統(tǒng)板塊之間發(fā)揮正常作用和實際功效，共同完成控制指令和數(shù)據(jù)信息的傳遞交流任務。

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方法具有很強的特殊性和實用性。保護點對點跳閘方式主要依靠光纖進行信號傳遞，因此這種保護方法需要鋪設一定數(shù)量的光纜。而保護網(wǎng)跳閘模式不需要鋪設光纜，需要進行智能終端、保護裝置和交換機連接，過程和步驟相對繁瑣。

二、兩種跳閘方式對比

（一）保護點對點跳閘特征

圖1 RTU模式信息幀

保護點對點跳閘方式主要通過光纖進行信號傳遞，不需要進行交換機連接和網(wǎng)絡信號保障，因此能夠達到控制信號快速傳遞的目標。光纜鋪設需要小心謹慎，其中涉及眾多接口的連接保護工作，如果控制不好就可能造成安全事故，不利于變電站發(fā)揮保護作用，同時還會增加有關企業(yè)的管理維護費用。不僅如此，保護點對點跳閘方式需要設置相應的散熱板塊，做好光纖接口處和處理系統(tǒng)的散熱保護工作。由于點對點跳閘方式溫度比較高，因此設備老化問題比較嚴重，系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性都會大打折扣。如果保護點對點跳閘方式需要增加光纖長度，那么現(xiàn)場鋪設壓力也會明顯增強，同時造成工作量和負擔加劇，不利于后期施工建設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，隨著設備數(shù)量的增多，變電站運行成本和管理費用也會大幅上升。

（二）保護網(wǎng)跳閘特征

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

有關條例規(guī)定智能變電站要盡可能實現(xiàn)智能化、自動化管控目標。因此網(wǎng)絡傳輸更能適應時代發(fā)展的要求和社會變動趨向，未來變電站保護技術勢必朝著更加先進、科學的方向發(fā)展。本文通過對保護網(wǎng)跳閘方式展開詳細論述，從中尋找信號傳遞遇到的網(wǎng)絡延遲問題，力求為數(shù)據(jù)信號的高效傳播指明方向和思路。

三、智能變電站繼電保護跳閘的準確性研究

一般情況下，智能變電站繼電保護跳閘是否準確有效，需要通過交換機的運行情況合理驗證，如果交換機存在丟包現(xiàn)象，那么繼電保護跳閘操作也缺乏科學性和可靠性。電磁干擾、網(wǎng)絡風暴和交換機處理能力下降都會引發(fā)這一現(xiàn)象。具體應對方法如下：

（一）抗電磁干擾

智能變電站中的交換機設備需要經(jīng)過權(quán)威部門檢測和認定，交換機質(zhì)量水平和安全性能需要達到檢測機構(gòu)的評定與認可，據(jù)有關條例規(guī)定，通過電磁輻射、抗電磁干擾和靜態(tài)振動等測試后的交換機裝置符合智能變電站的運行管理要求，同時能夠滿足智能變電站繼電保護跳閘操作的限制與規(guī)定。

（二）抑制電網(wǎng)風暴

造成電網(wǎng)風暴的主要原因包括：（1）某設備裝置發(fā)生故障，同時引發(fā)報文頻發(fā)的現(xiàn)象，最終給交換機防護管理工作造成嚴重影響與危害，同時會干擾點對點跳閘模式的合理運行；（2）如果網(wǎng)絡連接到不合理的裝置，也會出現(xiàn)報文不科學或者不健康的現(xiàn)象，在這種條件下，交換機的防御控制功能就能夠發(fā)揮成效；（3）如果交換機廣播異常并且數(shù)量增多，那么交換機的端口處也會立即作出防范應對措施，從而維護智能變電站的健康性和安全性。

（三）交換機超負荷處理能力

調(diào)查研究表明，目前比較常見的交換機主要運用存儲或者轉(zhuǎn)發(fā)機制，同時運用全雙工的方式進行連接，因此如果數(shù)據(jù)流量增加，延遲現(xiàn)象也可以忽略不計。在高負荷運行條件下，變電站交換機的存儲轉(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)象比較嚴重的問題。

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

四、智能變電站繼電保護網(wǎng)絡跳閘技術研究

目前比較常見的智能變電保護跳閘操作主要包括“直采直跳”形式，這種方法在實際應用過程中存在很多弊端和缺陷，設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，繼電保護作用也受到明顯束縛。在實際使用過程中進行網(wǎng)跳測試，可以確保網(wǎng)絡跳閘反應迅速、靈敏，約束并規(guī)范智能變電站繼電保護跳閘行為，增強電力系統(tǒng)運行轉(zhuǎn)動的安全性和平穩(wěn)程度。

智能變電站繼電保護網(wǎng)絡跳閘研究，需要加強對數(shù)據(jù)信息的收取和發(fā)送關注，避免繼電保護跳閘操作出現(xiàn)嚴重滯緩現(xiàn)象，最終造成智能變電站保護系統(tǒng)的損傷，給電力系統(tǒng)運行情況和安全帶來嚴重威脅。

基于此，智能變電站繼電保護跳閘操作，要加強數(shù)據(jù)信息和控制信號的傳遞與交流，避免出現(xiàn)信號傳遞不及時而影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的情況。數(shù)據(jù)信號傳遞過程中要進行報文篩選和過濾，降低CPU資源的占用程度，加快實現(xiàn)報文篩選與處理目標。因此，智能變電站繼電保護跳閘需要注重網(wǎng)絡環(huán)境的建設及優(yōu)化，并且做好交換機合理部署與安排，以及無效報文的準確篩選和去除，確保信號傳遞處理效果能夠達到健康水平，同時對存在的風險隱患進行反饋消除，確保智能變電站繼電保護操作能夠平穩(wěn)有序開展。

繼電保護跳閘需要得到FPGA的支撐與協(xié)助，CPU負責報文篩選和過濾工作，在實際運行過程中，F(xiàn)PGA通過開發(fā)設計發(fā)揮主要作用，能夠充分利用硬件裝置的優(yōu)勢，快速處理，達到最佳工作狀態(tài)。運用FPGA進行報文篩查與處理操作時，GOOSE報文速度能夠達到100Mbit/s，確保報文分析處理速度能夠達到最高水平，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的故障與隱患，為智能變電站平穩(wěn)高效運轉(zhuǎn)創(chuàng)造有利條件。GOOSE報文分析與處理，需要通過FPGA進行設計與制定，減少無效報文對寬帶的占用和消耗，做好GOOSE控制板塊報文數(shù)量的規(guī)定和約束。在這種設計模式中，相關配置包括MAC、AppID等，GOOSE解碼時能夠把數(shù)據(jù)信息同時提交給CPU，確保報文信息分析處理工作都能落到實處。網(wǎng)絡跳閘技術的有效發(fā)揮，需要保障GOOSE文件簡單明了，同時從GOOSE數(shù)據(jù)傳輸角度出發(fā)進行寬帶容量的管理和建設，方便FPGA發(fā)揮數(shù)據(jù)信息篩選去除效用，從而準確高效地去除無效報文，為繼電保護作用與功能的正常發(fā)揮創(chuàng)造有利條件。運用FPGA進行GOOSE分析處理操作時，能夠有效發(fā)揮智能裝置的先進性和科學性，確保GOOSE數(shù)據(jù)處理速度能夠達到最高水平，幫助控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的及時傳遞與適當反應的目標。

五、智能變電站繼電保護網(wǎng)絡跳閘延時分析

（一）保護網(wǎng)跳閘延時理論分析

據(jù)有關條例規(guī)定，報文傳送應當保持系統(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，從而保障報文傳遞的整體性和連貫性[1]。

1.報文發(fā)送延遲

報文發(fā)送延遲與裝置自身有著很大關系，如果裝置處理分析能力比較差，那么數(shù)據(jù)信息的傳遞就會受到限制或阻礙，從有關測試中發(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逐漸形成累計效果，按照這種逐漸遞增的順序推導，各端口延遲效果逐漸明顯[2]。

2.網(wǎng)絡傳輸延時

（1）交換機存儲和轉(zhuǎn)發(fā)存在延遲現(xiàn)象。交換機正常運轉(zhuǎn)需要通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)，因此網(wǎng)絡延遲會造成交換機延遲程度加深，以100Mb/s的光口為例，其幀長最大值為1522b，同步幀頭能夠達到8b，最終導致交換機出現(xiàn)高達122us的延遲現(xiàn)象，如果光口為千兆，那么就會產(chǎn)生12ps的延時情況；（2）交換機交換過程也會出現(xiàn)延遲情況，其延遲程度與優(yōu)先級等內(nèi)容有關，一般條件下，交換機交換延遲現(xiàn)象不是很明顯，通常可以忽略不計；（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到5us；（4）交換機幀排隊延遲現(xiàn)象。幀沖突的產(chǎn)生需要有關網(wǎng)絡進行控制與消除操作，為了確保關鍵信息內(nèi)容幀排隊延遲情況得到緩解，可以通過增加優(yōu)先級來完成；（5）網(wǎng)絡傳輸總延遲現(xiàn)象。網(wǎng)絡傳輸總延遲包括幀排隊延遲、線路傳輸延遲、交換機延遲等。

圖2 常見網(wǎng)絡傳輸延時

（二）保護網(wǎng)跳閘延遲測試內(nèi)容

大多數(shù)試驗檢測都肯定了網(wǎng)絡跳閘的優(yōu)勢和長處，不僅如此，很多設計方案、施工管理計劃都缺乏有效性和實際性，工作人員對點對點跳閘延遲情況缺乏足夠了解和信任，點對點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操作需要進行實際檢驗和對比測試[3]。

人們普遍認為造成繼電保護跳閘延遲的主要原因在于交換機延遲情況，點對點跳閘方式也是如此。在實際檢測過程中不難發(fā)現(xiàn)，保護網(wǎng)跳閘延遲程度明顯比點對點跳閘延遲程度要小很多。針對這種情況進行深入分析，通過最終調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其影響因素和關鍵內(nèi)容主要分為以下幾點：（1）多光口信息傳輸需要使用公共CPU進行分析處理，CPU在面對眾多端口的數(shù)據(jù)分析與處理操作時，容易出現(xiàn)報文處理時間的不斷延遲，利用網(wǎng)絡傳輸方式與點對點跳閘方式大不相同，各端口的位置相對突出和便捷，因此網(wǎng)絡跳閘速度比較符合科學要求，能夠滿足智能變電站繼電保護跳閘的安全規(guī)定[4]；（2）點對點跳閘需要通過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，由于交換機延遲程度比較小，因此保護網(wǎng)絡跳閘的延遲程度也相對較低，反應能力更加迅速敏捷；（3）設備端口數(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

綜上所述，智能變電站繼電保護跳閘方式能夠維護變電站穩(wěn)定情況和安全狀態(tài)，為電力系統(tǒng)平穩(wěn)高效運行創(chuàng)造有利條件，從而實現(xiàn)電力事業(yè)生產(chǎn)建設的繁榮與穩(wěn)定目標?；诖?，有關部門要加強對智能變電站繼電保護跳閘操作的關注與重視，確保智能變電站跳閘保護操作能夠及時準確。