光纤通信在110 kV线路纵联差动保护上的应用与研究

黎 林

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源动力分公司，四川攀枝花 617000）

引言

光纤通信是用光导纤维作为传输介质的一种通信方式，具有抗电磁干扰能力强、通道容量大、传输距离长、传输质量高、高保密性等优点，广泛应用于电力行业中。

随着攀钢钒110 kV线路建设和发展，光纤通信也得到了大量应用，多种配置方案也得以实施。2009年新建的110 kV新方、新振线开始采用OPGW作为纵联差动保护的专用光纤通道，2010 年新建的110 kV热施一线首次采用ADSS作为纵联差动保护的专用光纤通道，2015 年110 kV 西红一、二线改造工程采用ADSS 和光通信设备SDH 为纵联差动保护提供复用光纤通道，至今攀钢钒11 条110 kV 线路已有9 条使用了光纤纵联差动保护，现运行状况良好。但在光纤通信的建设、运行和维护等方面也出现过一些问题，因此有必要对光纤纵联差动保护用光纤通信进行研究、总结。

1 光纤纵联差动保护的特点

光纤纵联差动保护通过光纤通道实现线路两侧电气量信号的相互传输，使线路两侧或多侧的保护装置实时完成电气量计算和故障信息交换，达到快速切除本线路故障的目的。当为本线路区外故障时，各侧保护装置能够准确判别、保护不动作。

当线路发生单相或两相故障时，光纤通道均不会像高频载波通道那样发生通道阻塞，也不存在高频载波的信号干扰问题。光纤通道的数据传输速率一般采用复用2 Mb/s，保证了线路两侧保护装置间的开关量、电流数据和故障信息的同步交换。

由于光纤通道为数字通道，传输信号为成帧数字信息，且有CRC 数据校验等手段保证传输信息的正确性，使得基于光纤通道的纵联保护比载波通道有更好的可靠性[1]。因而，采用光纤通信的微机纵联差动保护装置得到广泛认可。

2 光纤纵联差动保护的通信方式

光纤纵联差动保护的通信方式，一般采用以下3种：

（1）保护装置之间以64 kbps/2 Mbps 速率通过光纤直接连接，即专用光纤方式（如图1所示）。

图1 专用光纤方式

此连接方式简单可靠，其不足之处为：传送距离≤50 km，若＞80 km 则需增加专用光放大器；独占2 芯光纤，低利用率是光纤资源的浪费。现攀钢钒9 条使用光纤纵联差动保护的110 kV 线路，有8条采用该通信方式。

（2）保护装置之间以64 kbps/2 Mbps 速率按ITU-TG.703 标准复用通信系统同向接口，即复用PCM 方式（如图2 所示）。这种方式不独占2 芯光纤，提高了光纤资源的利用率，而缺点是：中间环节增多，通信故障率增大；用64 kb/s数字通道，纵联差动保护通道中即要传送电流的幅值，又要传送时间同步信号，通道资源紧张，要求数据的误码效验位不能过长，避免影响误码效验的精度[2]。在早期采用较多，在攀钢钒110 kV线路上未采用。

图2 采用复用PCM方式

（3）保护装置之间通过光通信设备SDH 的2M口进行数据传输（如图3所示）。这种连接方式较复用PCM方式减少了PCM设备及连线，降低了通信故障率，速率由64 kb/s 提高到2 Mb/s，为纵联差动保护提供了更大的通信传输容量，现在多采用该方式。另外，变电站可通过站内SDH 光端机的实现站间光纤环网，即使2个变电站之间的光纤中断，站间通信也不会中断，可满足保护装置之间的正常通信。攀钢钒110 kV西红二线上已有应用。

图3 采用复接SDH方式

3 通道延时对保护影响

DL/T 769-2001《电力系统微机继电保护技术导则》4.6.3 条规定，“当采用网络通信技术实现时钟同步并满足同步要求时，微机继电保护装置可不采取其他同步措施。”光纤纵联差动保护的差动电流计算是采用基于通道收发延时相等的“等腰梯形”算法对两侧保护装置进行同步调整的，若通道收发延时不一致，将影响差动电流计算精度，降低纵联差动保护灵敏度。若通道延时超过表1 要求时，将影响两侧保护装置同步调整，保护装置将报故障、闭锁差动保护，导致光纤纵联差动保护不能正常使用。

表1 光纤纵联差动保护对通道传输延时的要求

通道延时可分为横向不对称延时和纵向对称延时。如图4所示，信息从保护装置A到保护装置B的延时td1为发送延时，从保护装置B 到保护装置A的延时td2为接收延时，Td=︱td1-td2︱称为横向不对称延时，简称横向延时；Td1=（td1+td2）/2 称为纵向对称延时，简称纵向延时。

图4 专用通道方式通道延时

4 电力光缆的应用

电力行业常用光缆主要有OPGW、ADSS和普通光缆三类。OPGW、ADSS 属于特种光缆，广泛用于大档距、高电压环境，如35 kV及以上线路。普通光缆则是相对于特种光缆而言，泛指电信常用的无金属光缆，多用于站内通信或6～10 kV架空线。

4.1 OPGW

OPGW（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire）：光纤复合架空地线的简称，由内到外为容纳光纤的中空不锈钢管、铝包钢单丝、铝合金单丝组成，兼具通信光缆与地线双重功能，被安装在电力架空线杆塔顶部，截面图见图5。

图5 OPGW型光缆截面图

4.2 ADSS

ADSS(All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable)：全介质自承式光缆的简称，由内到外为FRP加强芯、容纳光纤的松套管/填充绳、内护套、芳纶纱、外护套，截面图见图6。

4.3 OPGW与ADSS应用比较

OPGW 在新建、改造线路工程多为首选方案。2008年攀钢110 kV 网架结构优化工程，新建的2条110 kV 新方、新振线均采用新建铁塔，OPGW 就作为纵联差动保护的专用光纤通道一并设计、施工。

图6 ADSS型光缆截面图

但在已有线路上采用OPGW 替换地线的改造工程中，由于OPGW 与钢绞地线的机械力学特性不同，因此在施工前必须对原有杆塔的承载进行校验。若杆塔不能满足承载要求，就必须对杆塔进行改造，这会增加改造费用和施工难度，并使线路停电时间延长，特别是在变电站出线附近，单根OPGW无法承受线路接地电流时，则需架设另一根良导体进行分流，导致原单杆线路杆塔更换为双杆的工程量和改造费用将更大。在这种情况下，用ADSS 代替OPGW 就能避免单杆换双杆的改造工作，且ADSS 能实现不停电施工，缩短了线路停电时间[3]。2010 年新建110 kV 热施一线利用了大量已有铁塔，形成铁塔双回布线，考虑到铁塔的承载能力和另一回110 kV线路停电对生产的影响，首次采用了ADSS作为纵联差动保护的专用光纤通道。

5 实际应用及问题整改

5.1 光缆选型问题

光缆的选型应从杆塔承载能力、地理状况和功能需求等多方面考虑：

（1）110 kV 新建线路，宜采用OPGW；新老混合架空线路，可采用OPGW+ADSS方式，也可全线架设ADSS，具体应根据新线路的长度、比重和停电影响而定。

（2）110 kV OPGW 的截面较小，通常采用小直径的铝合金外层单丝，耐雷击水平有限，因此在重雷区采用ADSS更好。

（3）ADSS 护套选择是减少故障的重要因素。ADSS 随输电线路敷设，一般挂接在的杆塔中部，在强电场腐蚀作用下，ADSS金具末端与光缆接触的位置是电腐蚀产生的主要部位，因此110 kV及以上线路应采用AT护套，而不是PE护套。

（4）光纤按传输模式可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的传输衰耗值最小，波长1.31 μm 处是光纤的一个低损耗窗口，所以继电保护用光纤均使用单模光纤，使用1.31 μm 的波长段[4]，若采用多模光纤则无法实现通信传输。

（5）光缆内纤芯芯数选择应根据实际和业务发展需求基数，再按双倍冗余或更多考虑。2013 年110 kV 热施一线24 芯ADSS 被松鼠啃断8 芯，造成55 MW 发电机至四川省电力调度的通信中断（纵联差动保护用专用纤芯未受影响），经测试后换用备用纤芯恢复通信；而110 kV 新方、新振线OPGW 均只有4 芯，新建时按2 用2 备设计，在新方线采用3端“T”接光纤纵联差动保护后4 芯均被使用，已无备用。

5.2 光纤通道问题

由于光纤纵联差动保护的动作完全依赖光纤通道，因此通道的安全性就显得尤其重要。近几年，攀钢钒110 kV线路纵联差动保护用光纤通道也出现过问题，使管理措施和技术工作得到了改进。

（1）光缆通廊定期巡检、维护不到位，导致光纤故障。2013 年110 kV 热施一线24 芯ADSS 发生松鼠啃断8 芯的原因是：光缆通廊下方的橡皮树在雨季期间长势快、未及时修剪，导致松鼠爬上光缆将光缆6根束管中的2根（共8芯）啃断。故障处理后，产权单位对热施一线光缆通廊全线巡查，修剪树枝、排除其他隐患，并在日常运行管理中加强巡检、维护力度，再未发生类似故障。

（2）不同线路光纤通道在站内存在交叉环节，未相互独立，造成故障处理时扩大影响。2015 年110 kV 新方线光纤纵联差动保护通信中断，经光纤检测后，将断点定位在新冶炼变电所侧OPGW 进站光纤配线盒内。但因该光纤配线盒为110 kV新方、新振线2 条OPGW 共用，在重新熔接新方线断点光纤时就损伤了新振线光纤，造成新振线光纤纵联差动保护通道中断、闭锁保护，扩大了事故影响，也降低了新振线运行可靠性。因此，在以后的光纤通道建设中，应避免不同线路光纤通道出现交叉环节。

（3）双回110 kV线路光纤纵联差动保护使用同一条光缆，通道故障将影响双回线路。通过一回线路采用专用光纤方式、另一回线路采用复接SDH 方式解决，当光缆出现问题，只影响专用光纤通信，复接SDH 仍能通过光纤环网保持通信，确保其中一回线路光纤纵联差动保护正常投运。2015 年110 kV西红一、二线改造工程就采用的该组合方式，确保了线路和东方红变电所供电可靠性。

5.3 通道配置及调试

在光纤纵联差动保护及光纤通道配置和调试时，应该对保护装置及光纤通道的各个环节，包括通道连接设置、采样同步设置、通道状况及通道衰减等进行检测。以RCS-943A装置为例说明如下。

5.3.1 通信连接设置

保护装置内置光端机的通信速率为64 kb/s 和2 Mb/s 两类，通信连接可通过保护装置的“专用光纤”控制字选择专用或复接连接方式。控制字为1，为64 kb/s 或2 Mb/s 专用纤芯通信方式；控制字为0，则为64 kb/s或2 Mb/s复用设备通信方式。

5.3.2 采样同步设置

光纤纵联差动保护动作原理在于实时比较线路两端电流的大小、相位，因此要保证计算的准确，就必须进行同步调整。采样时刻调整法、时钟校正法和采样序号调整等常用的数据通道同步方法，均需要对两侧的保护装置确定一端为参考端（主站）另一端为同步端（从站），由参考端对同步端进行调整，又称主从确定。

1999 年，东北伊敏至冯屯500 kV 甲乙两线电流差动保护装置上的“IN-SERVICE”指示灯在甲线上每隔61 s闪灭1次，乙线每隔23 s闪灭1次，表示保护装置周期性地出现瞬时故障。这就是由于保护装置时钟的“主”、“从”方式设置错误引起保护装置异常的典型事例[5]。

因此，光纤纵联差动保护投运前必须进行主从确定，将一侧装置作为参考端（控制字“主机方式”整定为1），另一侧装置则为同步端（控制字“主机方式”整定为0）。同步条件为：通道单相最大传输时延≤15 ms，且通道的收发路由一致（发送延时和接收延时相同）。

5.3.3 通道状况判断

通过保护装置状态及信号，可判断光纤通道是否良好。其判断方式为：

（1）无“通道异常”告警。保护装置“通道异常”灯应不亮，事件记录中无“通道异常”发生。

（2）保护装置功能菜单“保护状态”→“通道状态”中通道状态计数应保持不变（长时间可能有略微增加，但以每天＜10个为宜）。

当以上两点均满足时，可判定光纤通道通信良好，纵联差动保护具备投入使用条件。

5.4 定期检验要求

（1）保护用光纤通道定期测试。新投运的光纤通信，在投运满1年后应进行光纤测试，用以检测投运初期、受外应力作用的衰减变化；已投运的光纤通信，应与保护装置周期检验同步调进行光纤测试；当保护光纤通道告警时，应立即停用相关光纤保护，并进行光纤通道检测，分析原因后进行处理。

（2）电平衰减测试是光纤特性测试的主要项目，测量仪器应使用光时域反射计（OTDR）或光功率计。

（3）每根光纤均应进行双向测量，并取双向测量的平均值。测量内容应包括：线路衰耗、熔接点损耗、光纤长度等。

5.5 专用工具配置需求

继电保护专业应根据光纤纵联差动保护应用需要，配置光纤通道检验的基本专用工具。包括：光功率计、光衰耗仪、光误码仪、光源及继电保护测试仪[6]。

6 结束语

光纤纵联差动保护作为110 kV 线路的主保护已经成为一种趋势，从事继电保护的专业人员也需要掌握光纤及通信方面的知识。通过对近年来光纤纵联差动保护在攀钢钒110 kV 线路上的应用分析，总结光纤通信在建设、运行和维护的要求及注意事项，提高保护装置和光纤通信管理水平，才能在故障时快速有效地排查、处理，保证电网的安全稳定运行。