光纤通道传输保护信息方式分析

程路明， 张云峰

(国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

光纤通道传输保护信息方式分析

程路明， 张云峰

(国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

阐述了保护信息光纤通道传输的技术原理，并对220 kV和500 kV特高压线路保护通道运行方式安排进行分析和研究.结果发现，随着光纤通道在保护系统中的广泛运用，因数字光电转换接口装置故障、通信通道传输质量劣化和通信通道双向延时不一致等问题造成的保护装置告警及不正确动作的现象时有发生.同时，由于缺少有效的监测和检修手段，运维人员无法及时排除故障，给线路可靠运行带来影响.光纤纵联电流差动保护具备灵敏度高、动作迅速、可靠性强和选择性好的特点，可以较好地应对输电线路各种复杂故障，提升保护业务运行的可靠性,保障电力系统的安全稳定运行.

继电保护； 光纤通道； 运行方式

0 引 言

光纤传输具有抗干扰性强、传输容量大、组网灵活和接入方便等优点，能很好地满足电力系统继电保护对通道的要求.在目前电力通信光纤传输网络已经建成并完善的条件下，光纤通道传输保护信息的方式已逐步在线路继电保护领域中得到广泛应用.因此，针对不同电压等级输电线路和光缆资源环境下的光纤通道传输保护信息的讨论分析，对实现优化方式安排、加强保护系统动作可靠性、实现电力系统稳定运行是非常必要的.

1 技术概述

1.1 继电保护

继电保护系统功能是当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除或发出信号由调度值班人员消除异常工况根源，最大限度地减少电力系统元件的损坏,降低电力系统安全供电的影响.

1.2 继电保护通道发展

随着电网结构的调整和继电保护技术的发展,保护通道类型也发生相应改变，主要经历了以下几个阶段：第一阶段，通过电力线路载波传递保护信号,或使用微波通信设备通过模拟四线通道传输保护信号，信号传输方式单一，通道故障率高，运行可靠性较差；第二阶段，随着光纤通信技术的发展，通过64 k和2 M数据接口装置将保护信号接入光纤通道或光传输网络进行传输，实现保护信号由模拟传输向数字传输的转变，通道具备较强的自适应恢复能力，提高了信息传递的可靠性.

1.3 光纤通道

根据工作原理的差异，光纤通道保护可分为光纤纵联电流差动保护和光纤允许式、闭锁式纵联保护.其中光纤电流纵差保护较其他保护灵敏度高、动作速度快，适应电力系统振荡及非全相运行，能更好实现保护的单元化，在电力系统中得到广泛应用.

1.3.1 光纤电流纵联差动保护

光纤电流纵联差动保护由电流差动保护发展而来，其工作原理是将本侧保护采样获得的线路电流的幅值、相位参数通过光纤通道传送到对侧，同时接收比对对侧所发电流参数信号与本侧信号，通过二者的差值判别故障范围.纵差保护通过采样同步相量校准或序号实现可靠运行，其数据同步方法主要有数字通道同步、GPS同步和参考相量同步.GPS同步受自然和社会环境因素的制约，参考相量同步受输电线路参数和电气量测量误差的影响，因此普遍采用数字通道同步方法.其采样同步原理如图1所示.上下两条横线分别代表线路两侧N、L侧保护采样序列，L侧为同步端，N侧为参考端，同步过程由同步端主要执行、参考端配合，采样同步过程中只调整同步端采样[1].

1.3.2 光纤允许式、闭锁式纵联保护

光纤允许式纵联保护由允许式纵联保护发展而来，包含允许式方向保护和允许式距离保护两种形式.其工作原理为:当线路一侧的故障判别元件判断为正方向时，向对侧发送允许信号，对侧收到信号后，如判为正方向则允许跳闸；当一侧的故障判别元件判断为反方向时，本侧不跳闸且不向对侧发送允许信号.

光纤闭锁式纵联保护由高频闭锁式保护发展而来，包含闭锁式方向保护和闭锁式距离保护两种形式.其工作原理为:当线路一侧的故障判别元件判断为反方向时，本侧不跳闸且同时向对侧发闭锁信号，对侧收到信号后，如判为正方向则不跳闸；当一侧故障判别元件判断为正方向时，不向对侧发闭锁信号，本侧接收不到对侧闭锁信号时允许跳闸.

2 线路保护光纤通道运行方式

根据电网继电保护和安全自动装置技术规程的要求，具备光纤通信的输电线路应优先采用光纤作为传送继电保护信息的通道，在实际应用中，不同的光纤保护方式适用于不同的线路通道条件.本文从输电线路电压等级对保护通道可靠性要求和线路光缆资源的配置情况角度,对光纤通道的方式安排进行分析讨论.

2.1 220 kV线路通道方式

220 kV输电线路大多运行于地市辖区电网，变电站之间单/双回线路一般架设有OPGW光缆.对于只有本线OPGW一个光缆方向或其余光缆可靠性较差的变电站，考虑使用专用光纤通道方式安排.即线路两侧保护装置不经过中间复接设备，直接通过光纤连接传输保护信号.该方式的优点是通道随线路OPGW光缆架设运行，结构简单，一般情况下运行可靠且信号误码率较低.缺点是通道受到光接口通信距离和纤芯资源的限制，根据《光纤通道传输保护信息通用技术条件》规定，只有在线路长度小于50 km时才适合采用专用光纤方式.同时，由于线路两套保护均通过本线OPGW传输信号，在特殊的光缆故障情况下存在单通道隐患.此外，光纤通道占用独立纤芯，对光缆资源造成浪费，无法适应保护通道业务的发展需求.专用光纤通道如图2所示.

对于具备两个及以上可靠光缆方向的220 kV变电站，考虑安排专用光纤通道与复用光纤通道相结合的运行方式，输电线路的一套保护装置接入专用光纤通道，另一套保护装置通过数据接口设备接入站内的单套通信传输设备，通过传输网络传递信号[2].

复用光纤保护通道根据继电保护接口速率的不同分为64 kbit/s和2 048 kbit/s两种形式.前一种方式保护装置发出的光信号进入通信机房后，可通过数字接口装置转换为同向64kbit/s电信号，再经由PCM设备转化为2 048 kbit/s电信号接入光纤传输网络进行传递.通道采用PCM主从时钟进行定时；后一种方式保护光信号通过数字接口装置直接转换为2 048 kbit/s电信号接入光纤传输网络进行传递，采用保护装置自身时钟进行定时.相比较而言，2 048 kbit/s通道减少了PCM设备环节，避免了64 kbit/s通道运维问题，同时增加信号带宽，为保护提高采样点频率和采用更精确算法提供了条件.

与专用光纤通道相比，复用光纤通道充分利用纤芯资源，组网灵活，运行稳定，处理故障快速有效，能较好适应电网结构的调整和光缆路由变化，具有发展的持续性.单口复用光纤通道如图3所示.

2.2 500 kV线路通道方式

500 kV输电线路大多运行于网省辖区电网，变电站之间两回及以上平行输电线路至少随线路架设一条OPGW光缆.受到线路跨接不同省、市(地区)而距离较长、500 kV变电站各类落地电网业务多和光缆纤芯资源紧张的因素制约，线路无法使用本线OPGW专用光纤通道方式.同时，考虑单口复用光纤通道方式一般经过多站点、多光缆的迂回路径；单套保护发生故障的概率较本线专用纤芯方式更高，且受日常检修的影响更大，故采用A/B双口形式的复用光纤通道.

该方式启用变电站两套保护装置的A、B口，保护信号通过数字接口设备转换，分别接入站内两套不同传输设备.同时在传输路径上通过合理规划光缆纤芯资源，对信号光路进行1+1MSP配置.在光缆资源有限的条件下，考虑两套传输设备光路同时承载于线路本地光缆.在光缆资源条件允许的条件下，为提高通道整体可靠性，考虑通过中间220 kV变电站的站内纤芯跳接方式开通迂回光缆通道，即两套传输设备光路分别承载于本体光缆1和迂回光缆2，由此实现电网安全规程关于保护通道“双设备”“双路由”的要求.该通道方式可以抵御由保护装置接口故障、传输设备板卡故障或光缆中断故障引起的“N-1”系统风险. A/B双口复用光纤通道如图4所示.

2.3 特高压线路通道方式

随着特高压电网的建设和发展，输电线路的运行保障也成为重中之重.以±800 kV复奉特高压直流输电线路为例.线路从起点复龙换流站至终点奉贤换流站，全长1 886 km，途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、浙江、上海五省两市.

在保护通道方式安排上，针对线路电压等级高、跨度大、距离长和光缆资源有限的情况，在利用复奉直流本体架设的24芯OPGW光缆开通保护第一通道的基础上，进一步利用复斗、三峡光环网、龙政和京沪光国网一干网传输系统开通保护第二通道；利用四川省网，天成重、三渝、三峡光环网，三沪和华东光传输系统开通保护第三通道.三条路由通道的开通，有效增加了保护业务传递路径的冗余度，提高了线路运行可靠性.复奉直流特高压线路通道如图5所示.

在站内保护装置和通信传输设备连接环节上，特高压线路通过加装2 M无损切换装置，将线路主、备保护装置(极I/Ⅱ)侧的保护通道信号进行1+1备份，分别接入站内两套不同传输设备.在传输路径上，对信号光路进行1+1MSP配置，完成极I/Ⅱ控制保护主用通道1承载于第一通道路由，通道2承载于第三通道路由；极I/Ⅱ控制保护备用通道1承载于第二通道，通道2承载于第三通道的方式安排.实现电网安全规程关于保护通道“双设备”“双路由”的要求.该通道方式可以抵御由保护装置接口故障、传输设备板卡故障或光缆中断故障引起的“N-2”系统风险，具备非常高的运行可靠性.特高压输电线路复用光纤通道如图6所示.

3 存在问题与改进方案

随着光纤通道在保护系统中的广泛运用，因数字光电转换接口装置故障、通信通道传输质量劣化和通信通道双向延时不一致等问题所造成的保护装置告警及不正确动作的现象时有发生.同时，由于缺少有效的监测和检修手段，运维人员无法及时排除故障，给线路可靠运行带来影响.以220 kV输电线路单口复用光纤保护通道方式为例(见图3)，根据光纤通道传输保护信号的双向路由时延一致的要求，当传输设备板卡或光缆故障引起传输通道中断时，保护业务电路不能自动倒换至备用路由，而通信运维人员必须在一次运维人员完成相关线路两侧保护装置状态更改的操作后，才能在传输网管上进行通道手动切换，这不仅延缓了保护通道的恢复时间，降低了检修消缺的效率，也给系统运维和指标保障工作带来了压力.

改进方案：对于新建220 kV线路参照500 kV线路，在通道资源允许的条件下启用A/B双口的复用光纤保护通道方式(见图4)，双通道通过保护装置压板独立投退，并列运行；对于已投运的220 kV线路，参照特高压输电线路保护通道方式安排(见图5)，在单口复用光纤通道中加装2 M无损切换装置，将信号接入相同或不同传输设备，实现保护信号的1+1备份.当保护通道发生中断故障时，保证了信号瞬时无损自动切换，缩短了保护通道的恢复时间，提高了线路运行可靠性.改造后的通道如图7所示[3].

4 结 论

输电线路光纤纵联电流差动保护具备灵敏度高、动作迅速、可靠性强和选择性好的特点，可以较好地应对输电线路各种复杂故障，在电力系统中得到了广泛应用.通过对各种线路和环境下光纤通道传送保护信息模式的讨论分析，有助于在相关保护和通信系统的设计、建设和运维过程中，优化方式安排，提升保护业务运行的可靠性,保障电力系统的安全稳定运行.

[1]国家能源局.光纤通道传输保护信息通用技术条件:DL_T 364-2010[S].北京:中国电力出版,2010:8-11.

[2]陈忠颖.高压线路光纤保护通道的应用研究[D].广州:华南理工大学,2013:16-17.

[3]蔡晓兰.继电保护传输通道干扰分析及解决方案[D].石家庄:华北电力大学,2012:14-18.

[责任编辑 高俊娥]

The Analysis of the Operating Mode of Transmitting Relay Protection Signal by Optical Network

CHENG Luming, ZHANG Yunfeng

(Huzhou Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Huzhou 313000, China)

This paper analyzes the technical principle of protecting the transmission of information fiber channel and analyzes and discusses the operation mode of the protection channel of 200 kV and 500 kV UHV line. It has found that with the extensive use of fiber channel in the protection system, the phenomenon of improper action occurred frequently because of photoelectric conversion interface device failure, communication channel transmission quality deterioration and communication channel bidirectional delay inconsistencies caused by the protection of the device alarm. At the same time, due to the lack of effective monitoring and maintenance means, operation and maintenance personnel cannot promptly carry out troubleshooting, which leads to an unreliable operation of the line. With the feature of high sensitivity, rapid action, reliability and selectivity optical fiber vertical current differential protection can help to deal with a variety of complex failures, and it brings the reliability of the power system to ensure the safe and stable operation.

relay protection; optical network; operating mode

2016-11-10

程路明，工程师，研究方向：电力通信.E-mail:18644179@qq.com

TN915.853

A

1009-1734(2017)02-0062-06