保护继电器在以太网中的应用探讨

2016-11-25王浩

武昌理工学院学报 2016年3期

关键词：以太网继电器光纤

王浩

摘要：本文结合保护继电器、通讯系统和监视仪器在变电所内设计完成一套完整且实时的环境安全监控系统。由继电器提供的相关信息，以及由监视器所捕捉到的画面经过光纤传输到屏幕上，使继电器室内部和周边实况得以监控。

关键词：以太网；继电器；光纤；通讯

中图分类号：TP273 文献标识码：A

一、载波继电器系统应用于通讯技术

在通讯系统中按通讯介质（如光纤、微波、铜轴电缆）、资料存取的同步/异步和调变的技术来分类。目前主要应用于电力保护继电器系统中?按通信频道方式可分为：（1）电力线载波；（2）音频通讯；（3）微波通讯；（4）光纤通讯。

其中光纤系统组成主要包括：

1.光源（发送部分）2.光纤电缆传输部分3.检光器（接收部分），如图①所示入口连结是一调幅式红外线载送系统提供双重运作于光纤两端之上。每一光纤将调适一声音波道（550 ～3200Hz），其传送距离由光纤衰减特性而定。光纤接口组件包含一发射电路和另一接收器电路。在发射电路中，新进的音频信号被放大驱动一发光二极管使产生一输出量音讯信号强度成正比的红外线。由光纤的受光角所汇集的圆柱几何锥体，称为光纤孔径（Numerical Aperture；NA）提供入射路径，此举使入射红外光线得以在光纤内受引导全反射行进至接收端，同时提供温度及失真补偿，消除由LED 输出所衍生者。在接收电路中调幅（AM）光波讯号被引导到PN（Positive Intrinsic negative）检光器侦检讯号，此讯号被放大且温度被补偿，预备供调整增益因数（GainFactor），接收器增益控制波被使用来调整输出准位，光接口组件能够直接地连接单一或多重功能音频机到电讯保护波道。为提高光纤的使用频率，减少投资费用，通常在光纤传输系统中采用多任务制，亦即在同一光纤波道上，同一时刻提供许多使用者同时运作，运作方式可分为多重光波及多重电波两种。

（A）多重光讯模式：通常采用多重光波波长分波器，将不同的光波长 λ1、λ2、λ3…等同时在同一光纤上作光波传输，此种方式可应用于视讯宽带讯号作多重传输，或将视讯与信息两种不同性质之讯号多重在一起传输，可获多重分离特点。

（B）多重电讯模式：可分为分频多任务（Frequency Division Multiplex；FDM）和分时多任务（Time Division Multiplexing；TDM）两种。

（a）分频多任务（FDM）：

用频率分隔信号的技术称为分频多任务。假设输入的信号皆为低通型态，在每一个输入讯号后面有一个低通滤波器。这些滤波后的信号被送到调变器，将这些讯号频率范围移到彼此不同的频率区间。进行直接强度调变（Direct Intensity Modulation；DIM），在设计上只要应用LED 反映出输入电能大小，则须予脉波间隔调变（Pulse Interval Modulation；PIM），将输入讯号调制成适于光波传送的型态。由于LED 或LD（Laser Diode）的震荡频率、相位均不甚稳定，故调制方式不论为调频（FM）在接收端检光器上仅能施予直接解调光能强度的方式。此种方式将光能强弱大小施以比例解调检测出原有电流的变化量，称为直接检波。

（b）分时多任务（TDM）：

分时多任务系统理论是让多数的独立信号原在不互相干扰下共同利用一个共同通道。信号样本的传输在同一周期性的基础上，排定通信通道只是取样期之一部分时间，并且以此方式在分享时间的基础上，两个相邻样本之间的部分时间可清除给其他独立信号源来使用。分时多任务的概念为信号输入时先经由一个低通前置复合重迭滤波器来除去某些频率，这些频率对于适当的信号表示并不重要，每个输入信号首先被限制带宽。然后此低通滤波器输出倍加到一个“转换器”，此通常适用电子交换电路来做。换向器有两个功能：（1）在N个输入信息中，取一个狭窄的样本，取样速率fs 稍高于2W，其中W 是前置复合重迭滤波器的截止频率。（2）在取样期Ts 里，交叉N 个样本。随着换向过程，多任务之信号被加到一个脉波调变器上。在系统接收端，接收到的信号被加到一个脉波解调器上。脉波解调器产生的狭窄样本经“解转向器”，被分配入适当的重建滤波器中，该解换向器与传送器的换向器必须同步。

在光纤系统中，先将输入的类比讯号，无论是音讯（Audio）或数据（Data），将取样、量化、编码过程予以数位化，然后将讯号、数据两者组合，同时传输于数位通讯系统上，此种类比讯号数位化的方式称为脉波加码调变（Pulse Code Modulation；PCM）。所有数位式多任务制均采用此种调变方式，即每取一类比讯号量立即置放在某一数位式波道上。在通讯系统中，以系统功能的观点来看接收讯号功率的大小及接收到的讯号与噪声的比值（SNR）是极为重要的指标。在考虑光纤系统功能之前，必须先了解整体光纤系统的损失到底发生在哪里？噪声是从何处来？而其噪声几乎均在接收器上混入讯号中，检波器及第一级放大器为噪声的最主要来源，这些噪声可以分成两部分，即是投射杂讯与温度噪声。而我们在设计光纤系统时，通常以下列式子为计算准则：

PT-PR-M≧L×D+Ls×Ns+Lc×Nc+Ld×D

PT：光源输出功率

PR：检波器的最小收讯值

M：光纤系统余裕值

L：光纤电缆每公里损失值（dB/km）

D：光纤长度

Ls：光纤绞合器损失（dB/个）

Ns：绞合器数量

Lc：光纤接头损失（dB/个）

Nc：接头数量

Ld：光纤电缆每公里损失的变动值（dB/km）一般为0.2 dB/km

E/O（电/光）转换器

在考虑光纤频道直接用于继电器保护系统时，这里建议两种方法供继电器规划，可充分利用光纤系统的优点。一种方式是使用音频基于光纤系统，则光纤系统将有许多频道可供利用于继电器保护系统及其他用途，以共同分担成本；另一种方式为光纤直接驱动输出到继电器系统，此种方式光纤只能使用于保护继电器一种功能。显然，光纤只使用于继电器保护、系统此方式是极不经济的，是对于光纤频宽的一种浪费，但是使用单一用途光纤系统，可以很有效的提高保护继电器系统的可靠度。一种解决上述困扰的方法为使用双重用途光纤系统，此种光纤被制成可以传送两种频道讯号，通常传送频带讯号为成对的850/1300nm 或1300/1550nm，保护继电器使用较低波长者，高波长者则使用高密度的通讯传输。光纤通讯优点：不受电磁感应干扰；不产生杂音，不受杂音干扰；不怕受潮；绝缘能力佳；容量大；耐久性高。

二、保护继电器在以太网络（inLAN/EAN）中的运用

在国外有些27KV 馈线等级的电力系统网络是利用5个主变电站，和37个负载馈线在以太网络为通讯媒介行成一个封闭的保护电力系统。而在设计的27KV 馈线网络中，通讯系统由继电器和10BaseF 的以太网络交换器和同步光网（SONET）所组成环状?朴结构。在这个系统架构中，继电器不只提供了电力系统的保护动作，更进一步提供系统状况的控制及监视和系统现况的资料获取；以太网络交换器则是在变电所内继电器之间不只提供了变电所内继电器彼此之间区域网络的通讯桥梁，更是作为和以SONET 为主干所组成的广域网络之间的通讯接口。这个控制和保护系统将被使用在保护高压设备、远距离监视电流的变化量、设备在负载模式时的状态和变电所内外的状况。在这个系统中两个主要变电所之间内部使用了人性化机械接口（HMI Human /Machine Interface）的工作站做控制界面，每一个HMI 将允许每个操作人员监视和控制全部系统的工程模式，像是保护系统的标置更改和内部智能型电子设备的软件安装等。在27KV 配电系统的操作可以由区域电力控制中心经SCADA 系统来下达控制指令，除此之外这个工作站可以驱动有主从关系的远程附属SCADA 系统。在这个变电所里的HMI 工作站不但经由继电器传送控制指令来动作受控的设备，并且做系统监视和资料收集。而每一个工作站到电力系统的SCADA 之间所连结的调变/解调变器其通讯协议为DNP3.0。在27KV 电力系统中利用UCA （Utility Communication Architecture）来架构一套完整的通讯协议。UCA 处理通讯信号是架构在对等位置上，而在继电器的实时控制讯号是利用MMS（Manufacturing Message Specification）来交换彼此间的信号。

UCA 利用的对象模式为变电所和开关场通用的对象模式，用来表示实体上或逻辑上的对象。在UCA 结构中有一个主要的服务是主动提供事件发生的通知，在MMS中此种服务的资料模式被称为GOOSE（Generic Object Orientated Substation Event）讯息。表1为UCA 在变电所通讯结构中所定义的基本架构图。

网络层：TCP/IP 是在网际网络上使用普遍的一种网络通讯协议。应用层：MMS 为符合ISO 9506 的标准，是被选择出最适合资料来源的通讯协定。GOOSE 讯息的本质是一个异步的报告存在于智能型电子装置（IED）和网络上对等的IED 里。这个信息报告使用数位是二位（0、1 信号）对象传递模式。其工作像是“生产者”和“订购者”的模式。此种模式中，传送设备会产生一个GOOSE 讯息传送给“订购者”。而为了确保收到讯息的可靠度，讯息会一再被重复传送。而下列三种状况下，GOOSE 讯息不需要被承认下能被多重路径传送：（a）当打开IED 设备电源启动准备工作时，会通知所有“订购者”设备，传送现在数位的状况。（b）当发射一个GOOSE 讯息时，刚好遇到表示现在的二位状态正在改变。（c）当接受设备被用户设备为接收一个周期性讯号，则GOOSE 将不被承认。上述的三种状况是基于接受设备在近期内没有接收到变动的可变状态，“订购者”设备无法判定“生产者”设备是否还存在使用中。当接受设备发生故障时，在预期时间内接收到预期传来的讯息，接受器将会误判而宣布传送设备故障信号，而被设定不去执行接受到的讯号。在广域的保护继电器系统和控制系统中，通讯系统是不可或缺的组成结构之一，它不只传送实时的控制信号，也将资料管理分配给每一个所需的设备。而当电力系统发生故障时，实时的跳脱信号能将该动作的保护继电器在其应该动作的时间内完成保护动作，将故障点完全的隔离，以避免故障电流持续存在并危及到其他设备和线路系统，故选择的通讯网络必须是有速度性、坚固性、可靠性的运作系统。在27KV 系统中利用同步光纤网络（SONET：Synchronous Optical Network）系统可靠的特性来架构整个通讯结构。这个通讯系统选用传输速率为51.84Mbps，以太网络的SONET OC1（Optical Carrier 1）系统，SONET 网络不只支持10Mbps 的以太网络，并且支持环状拓朴和双SONET 环状，连结全部的变电所和负载模式。使用环状拓朴的优点为当通讯在两个节点间失去联系时，通讯连结可以切换至所设定的保护路径上，并且可在4ms 内快速切换。在时间同步方面由全球定位系统（GPS）接收器直接接收同步时间并分送给全部的IED 和HMI。这个时间讯号是利用IRUG-B 调变信号传送至整个SONET网络，系统中使用类似共线电话卡和输出为使用No.18 双绞线相互联系IED设备。这个讯号会定期自动更新IED内部的时间。同步光纤网络SONET其标准传送速率由51.84Mb/s 至9.953Gb/s。同步光纤网络系统架构包含四层：（a）光子层（photonic layer）：这是实体层，包含光纤型式、最低雷射功率、雷射光色散特性、接收器灵敏度的规格设定。（b）片段层（section layer）：这是SONET 的第二层，它产生码框（frames）并将垫子信号转换成光信号。（c）线层（line layer）：第三层处理资料的同步与多任务，并执行保护、维护及交换的功能。（d）路径层（path layer）：第四层调整点对点资料传输的速率。SONET 的基本方块为STS-1（Synchronous Transport Signal-Level 1）框，它的结构为9 列×90 行共810 组，每组有8 个位，每隔125μs 以51.84Mb/s 传送资料。这些基本单位以同步字节可以间插产生任意基本速率的倍数。例如STS 信号可以用3 个STS-1 间插产生155.52Mb/s。

三、结论

在电力系统中，通讯系统的选用多以经济因素、线路继电器保护或因地形障碍，而使用不同系统。在电子科技如此进步的现在，以往的传统式电磁式继电器也逐渐被静态式继电器所取代，更进一步发展为智能型电子装置（IED）。

如果将变电所内部各个数位型继电器结合光纤网络使得继电器保护系统可以在控制室里直接通过计算机经通讯协议来直接对继电器做相关的继电器标志更改、继电器功能的设定，不只如此，更可以通过通讯传输直接监视、撷取目前运转的电压及电流值，形成一个区域网络。如再结合Internet 和电力公司自身的通讯系统可以架构一套更完整的全方位网络结构，使得未来相关工作人员只需在办公室通过网络便可直接监视到继电器内部情形。

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