交換機(jī)延時可測技術(shù)在配電網(wǎng)差動保護(hù)中的應(yīng)用*

古展基，蘇忠陽，蔡澤祥，余傳坤，胡楊杰，谷武建，李海清，李 凡

（1.廣州穗華能源科技有限公司，廣州 510530；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

在國家“雙碳”戰(zhàn)略性減碳目標(biāo)為牽引的能源革命大背景下，我國能源系統(tǒng)正在發(fā)生重大變化，越來越多的風(fēng)電、太陽能、儲能、“車網(wǎng)互動”在配電端接入電網(wǎng)，以及電熱氣網(wǎng)互聯(lián)互通，配電網(wǎng)正逐漸成為電力系統(tǒng)的核心，為連接能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、消費(fèi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。可以說，未來以電力為核心的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)所有要素，包括智能樓宇、智能園區(qū)、智慧工廠、智慧城市等都和配電網(wǎng)密切相關(guān)[1]。

這些變化使得配電網(wǎng)正從不可控的傳統(tǒng)配電網(wǎng)向部分可控的現(xiàn)代配電網(wǎng)和全面可控的未來配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。基于電流差動保護(hù)原理的配電網(wǎng)故障定位和切除方案，擁有適應(yīng)存量配網(wǎng)設(shè)備和增量配網(wǎng)基建的優(yōu)勢。但電流差動保護(hù)，需要依賴于可靠的采樣同步技術(shù)，目前主要有依靠GPS/北斗的對時同步方案。但在配電網(wǎng)地理廣、設(shè)備多的現(xiàn)實(shí)中，難以覆蓋配電網(wǎng)所有終端裝置，當(dāng)出現(xiàn)某一終端裝置時間不同步且無法有效檢測出來時，容易造成保護(hù)算法的錯誤造成誤動或拒動。因此依靠時鐘同步的方案難以推廣。

近年來，在數(shù)字化變電站出現(xiàn)了一種基于交換機(jī)延時可測技術(shù)的智能變電站采樣同步方案，較好地解決了依賴外部時鐘對時的問題[2－9]。本文主要針對電流差動同步需求，提出將交換機(jī)延時可測技術(shù)應(yīng)用在配電網(wǎng)差動保護(hù)的適配方案。

1 配電網(wǎng)電流差動保護(hù)采樣同步要求

IEC 61850－5通信部分定義了信息傳輸?shù)男阅芤蟆谋?中可知，配電網(wǎng)保護(hù)控制業(yè)務(wù)的SV和GOOSE報文的網(wǎng)絡(luò)最大延時應(yīng)為10 ms[10]。

表1 業(yè)務(wù)報文延時要求Tab.1 Business message delay requirements

根據(jù)不同智能配用電業(yè)務(wù)對通信的需求不同，依據(jù)《電力系統(tǒng)通信設(shè)計技術(shù)規(guī)定》和IEC61850相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以歸納出不同智能配用電業(yè)務(wù)的通信服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)[11]，實(shí)時性評價指標(biāo)用延時表示，參考Q/CSG 110017.67.5－2012《南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范第6－7.5 部分：廠站應(yīng)用廠站裝置功能及接口規(guī)范（合并單元）》網(wǎng)絡(luò)抖動的時間[12]。綜合如表2所示。

表2 關(guān)鍵通信指標(biāo)Tab.2 Key communication indicators

由表1～2可知，配電網(wǎng)保護(hù)業(yè)務(wù)，對通信信道的要求中時延指標(biāo)最為敏感。帶寬利用率和可靠性需要從硬件層面約束，網(wǎng)絡(luò)抖動從配電網(wǎng)智能終端本身的采集電路約束。

2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)延時組成

方案核心在于通過對報文信息延時的測量與標(biāo)定，并最終由需要保護(hù)計算的終端裝置根據(jù)自身本地時間還原各點(diǎn)信息采樣時刻，這就需要對通信網(wǎng)絡(luò)延時進(jìn)行統(tǒng)計計算。

在組網(wǎng)傳輸模式下，保護(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸延時Td主要是由終端延時Tm、光纖的傳輸延時Tf以及交換延時Tsw等幾部分構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)通信延時組成邏輯Figu.1 Network communication delay composition logic

終端延時Tm：主要由終端的數(shù)據(jù)處理時間和數(shù)據(jù)在終端的端口傳輸所消耗的時間構(gòu)成，一般可達(dá)到毫秒級。終端延時是設(shè)計已知的且固定，終端延時Tm應(yīng)被記錄到每幀報文的數(shù)據(jù)集中，是確定值。

通道延時Tf：數(shù)據(jù)在光纖中的傳輸延時與光纖通道的長度成正比。因此，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸路徑確定時，光纖傳輸延時可以計算得到，或采取延時測量方法得到，是確定值。

交換延時Tsw：交換機(jī)的交換延時由交換機(jī)處理延時Tp和報文排隊(duì)延時Tq構(gòu)成，其中處理延時Tp與當(dāng)前處理的報文大小成正比，排隊(duì)延時Tq與當(dāng)前報文隊(duì)列長度成正比。交換機(jī)發(fā)生幀沖突時均采取排隊(duì)方式進(jìn)行順序處理、轉(zhuǎn)發(fā)，交換機(jī)的交換延時與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載程度密切相關(guān)，報文的大小以及報文隊(duì)列的長度具有較大的隨機(jī)性與不確定性，這就給交換機(jī)延時帶來不確定性。因此，排隊(duì)延時的隨機(jī)性和不確定性使得交換延時Tsw基本上無法通過離線計算的方式獲得。

3 不依賴于外部時鐘對時的配電網(wǎng)電流差動采樣同步方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)延時統(tǒng)計與計算方法

（1）終端電路延時確定性延時直接寫入SV報文的保留字節(jié)中。

（2）光纖傳輸延時測定——乒乓測距

光纖延時（Tf）：數(shù)據(jù)在光纖中的傳輸延時與光纖通道的長度成正比。只要通過一次測量（乒乓測距），便可獲取光纖延時的大小。

利用網(wǎng)絡(luò)上機(jī)器IP地址的唯一性，給目標(biāo)IP地址發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，再要求對方返回一個同樣大小的數(shù)據(jù)包來確定兩臺網(wǎng)絡(luò)機(jī)器是否連接相通，時延是多少[13]。

（3）交換機(jī)交換延時測定——轉(zhuǎn)發(fā)延時標(biāo)定

終端設(shè)備本地時間采用網(wǎng)絡(luò)SNTP協(xié)議，時間精度在毫秒級別。SV采樣同步采用不依賴于外部時鐘的交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸延時測量的采樣同步方案[14]。

基于數(shù)據(jù)傳輸延時測量的網(wǎng)絡(luò)采樣同步方案的原理如圖2所示：在交換機(jī)的輸入和輸出端口上實(shí)現(xiàn)對SV報文打時間戳的功能，通過計算SV報文在輸入和輸出端口的時間差，實(shí)現(xiàn)SV報文在交換機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)延時的精確計算，并將此延時寫入SV報文中的保留字節(jié)中內(nèi)。

圖2 交換延時計算過程Figu.2 Exchange delay calculation process

3.2 交換機(jī)對采樣報文處理過程

如圖3所示，交換機(jī)對采樣報文的具體處理過程如下所述。

圖3 網(wǎng)絡(luò)延時計算Figu.3 Network delay calculation

（1）SV報文從端口a進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中，SV報文的Reserve字段值為Tm；

（2）SV 報文進(jìn)入交換機(jī)A 的端口b，記錄端口a 到端口b之間的光纖傳輸延時Tab，并將運(yùn)算后的時間插入到SV報文中的Reserve字段中[15]，Reserve＝Tm＋Tab；

（3）記錄SV報文第1個bit進(jìn)入交換機(jī)A的時刻Tb，并將運(yùn)算后的時間插入到SV 報文的Reserve 字段中，Reserve＝Tab－Tb＋Tm；

（4）記錄SV報文的第1個bit從交換機(jī)A端口c輸出的時刻TC，并將運(yùn)算后的時間插入到SV報文的Reserve字段中，Reserve＝Tc＋（Tab－Tb＋Tm）＝Tm＋Tab＋（Tc－Tb）＝ΔTA，即Reserve＝ΔTA；

（5）SV 報文進(jìn)入交換機(jī)B 的端口d，記錄端口c 到端口d之間的光纖傳輸延時Tcd，并將運(yùn)算后的時間插入到SV報文中的Reserve字段中，Reserve＝ΔTA＋Tcd；

（6）記錄下SV 報文的第1 個bit 進(jìn)入交換機(jī)B 的時刻Td，并將運(yùn)算后的時間插入到SV報文的Reserve字段中，Reserve＝ΔTA＋Tcd－Td；

（7）記錄SV 報文的第1 個bit 從交換機(jī)B 端口e 輸出的時刻Te，并將運(yùn)算后的時間插入到SV 報文的Reserve 字段中，Reserve＝Te＋（ΔTA＋Tcd－Td）＝ΔTA＋（Tcd＋Te－Td）＝ΔTA＋ΔTB，即Reserve＝ΔTA＋ΔTB；

（8）經(jīng)過多級光纖及交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)后，得到Reserve＝ΔTA＋ΔTB＋…＋ΔTN，到達(dá)目標(biāo)終端裝置端口n，計入Reserve 中，得到網(wǎng)絡(luò)傳輸延時。網(wǎng)絡(luò)駐留延時寫入見圖4所示。

圖4 報文延時記錄方式Figu.4 Message delay recording method

3.3 采樣報文同步計算

SV 報文輸出到終端裝置，終端記錄SV 報文第1 個bit 進(jìn)入終端的時刻，并利用該時刻值減去SV 報文中Reserve 字段的延時累加值獲得報文發(fā)送的相對時刻，即獲得SV 報文在a端口發(fā)送的相對時刻值。并通過報文中原有的關(guān)于終端延時，便能計算出真實(shí)采樣時刻。同步插值過程如圖5所示。

圖5 報文同步方法Figu.5 Message synchronization method

在得到真實(shí)采樣時刻后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理，得到各個采樣時間斷面的保護(hù)電流計算值。

由于采樣時刻與網(wǎng)絡(luò)延時不同，終端裝置需要對采樣報文進(jìn)行同步，考慮到網(wǎng)絡(luò)報文延時大小與終端出口保護(hù)延時的要求（約80 ms）[16]，則要求通道延時不能超過2 個周波，此時可以采取短時閉鎖保護(hù)的方法。

4 結(jié)束語

本文利用交換機(jī)延時可測技術(shù)，通過對采樣電路延時、光纖延時、交換機(jī)駐留延遲的測定和標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)保護(hù)采樣的相對時刻延時獲取，從而基于自身時間完成對采樣值的拉齊同步。這種方案不再依賴于外部時鐘源，對于地理廣泛的配電網(wǎng)絡(luò)來講，是一種較好的解決方案。但依賴于可靠的交換機(jī)軟硬件開發(fā)技術(shù)，對相關(guān)廠家來講，是一種機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。