智能变电站光纤链路在线监测与自动化测试系统设计

张 峰, 韩 伟, 宋 闯, 乔利红, 贾晓红

(1.国网河南省电力公司 电力科学研究院,河南 郑州 450052; 2.深圳市君创惠仪科技有限公司,广东 深圳 518000)

光纤链路作为智能变电站中信号传输的主要物理载体,能否完整传输光信号已成为变电站中保测装置正常运行、准确测控的重要影响因素[1-6]。当前智能站光纤数量多,光纤链路问题导致的继电保护不正常事件屡有发生[6],如2017年西藏某110 kV站由于光纤通道异常造成线路保护闭锁,发生全站停电事故,最终引起故障范围扩大。为加强对此类事件的防范,国家及电网公司制定的大量相关标准[7-9]都对智能变电站光纤链路提出了明确的性能指标和测试要求。

目前光纤链路的测试是沿用通信领域方法,主要采取人工手动方式、分离设备进行单通道测量。例如测试单通道光口接收灵敏度时,测试过程中将智能电子设备(intebligent electronic device,IED)串接光功率衰减器至其他智能IED设备光口,人工不断手动调节衰减光口功率,直至观察到智能IED设备报警信息,并反向调节衰减功率至判断临界光口衰减功率值,此时拔掉光纤接至光功率计,人工读取功率数值,单个通道测试时间大约10 min。这种传统方法有明显的缺点:测试效率低，人工肉眼判断测试接收灵敏度临界功率不够精确,且只能针对停运设备开展,反复插拔易造成光口污秽及折损，受环境影响因素大。而对于光纤链路状态的诊断,虽然已有部分厂家在保护装置里添加了光功率越限告警,但仍为单装置的分布式布置,完成一次巡视过于分散,不利于集中管理处置。

针对上述问题,本文研究设计了一种变电站光纤链路在线监测系统与继保光纤智能测试仪。光纤链路在线监测系统由分布式智能诊断中心和在线监控后台组成,集成了光纤链路的光口功率实时在线测量及状态诊断功能,可直接对运行设备发送光口功率全寿命周期的在线实时监测信号;继保光纤智能测试仪主要针对停运设备实现多通道(8通道)、全自动、一键式自动化测试光口接收灵敏度、光口发送功率等功能,极大地减少了现场运维人员工作量。

1 变电站光纤传统测量方法的不足

光纤作为信息通道的物理介质,具有对电场绝缘、传输容量大、频带宽、衰耗低、抗雷电电磁干扰等优点,随着电力光纤网络的逐步完善,光纤在智能变电站中得到了越来越广泛的应用。

按照传输模式数量不同,光纤可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤可传输多种模式光信号,但传输距离较短、模间色散较大,适用于对衰耗要求不高的过程层传输。单模光纤只能传输一种模式的光信号,不存在模间时延差,模间色散很小、传输衰耗小,适用于远距离传输。光口功率(包括发送光功率、接收灵敏度)是反应光纤链路状态的直观指标,在变电站基建调试及运维检修时,通常会对装置的光口功率进行测量,并将其符合相关标准的结果作为正常运行的必备条件。

光口功率计算公式如下:

P=10lg(P输入/P输出)

(1)

光口性能指标[10-11]见表1所列。

表1 光口性能指标

现场对光口发送功率和光口接收灵敏度的测量是采用传统的人工手动调节、分离设备的单通道光口测量方法。传统光口发送功率测试方法与流程如图1、图2所示,其中发送光口功率=X3+X1-X2;传统光口接收灵敏度测试方法如图3、图4所示,其中,X4为光口接收灵敏度。

图1 光纤回路损耗测试方法

图2 人工单通道分离设备光口发送功率测试方法

图3 光口接收灵敏度临界功率判定

图4 光口接收灵敏度临界功率数据记录

该传统测量方法有以下缺点:

(1) 效率低且测试工期较长。据统计,单个光纤链路发送功率、光口接收灵敏度测试需要10 min,目前典型500 kV智能变电站中光纤链路有1 500多根,典型220 kV则有600多根。采用当前单通道、人工手动、分离设备测试模式,按1个工作日8 h连续不间断测试计算,500 kV整站光纤测试工期需要31个工作日,220 kV整站需要13个工作日。测试流程的复杂性及人工测试的低效率性严重影响智能变电站调试进度和调试质量。

(2) 投运后智能设备光口状态无法实时监测。传统分离设备的光口功率测量方式只能针对停运设备进行,无法对正在运行的智能IED设备光口发送功率进行实时监测、获取光纤链路状态。这种被动的测量方式易导致智能变电站运行中存在的通讯隐患无法被及时发现并处理,只有当光纤链路中断时才告警,不利于全站的稳定运行。

(3) 需要反复插拔光纤,容易造成光口污秽及折损,难以保证测量后光口功率的持续稳定,影响光纤的使用寿命。

(4) 现有光功率计分辨率太低,同时由于依靠人工肉眼判断光口发送功率、光口接收灵敏度，人为主观影响因素影响较大。

2 光纤链路在线监测与自动化测试

对于光纤链路的研究,已有科研人员做了大量研究工作[12-16]。文献[14]对专用、复用光纤通道分别进行了模拟测试,分析了光纤差动保护在通信自愈环网应用中存在的问题，并提出了相应的改进措施;文献[15]针对光纤迂回通道的继电保护业务,提出了一种基于安全性的最佳路径选择方法;文献[16]提出了一种通过在线监测光纤保护装置及通信接口装置的物理链路和通信帧新型误码情况的方法,以实现通道故障的快速准确定位。

本文提出了一种智能光纤链路在线监测系统,实现了在不影响变电站运行的情况下,平均每60 s完成一次全站所有智能IED设备光口功率的实时测量与诊断,并能根据相关标准智能判断光口是否满足运行要求,实现实时预警。运维巡检人员仅在后台监控便可及时发现光纤链路不正常状态,迅速跟进处理,真正推动光纤链路故障这一顽疾从“事后应付”到“事前预防”的转变。

由于光口接收灵敏度测试要考察智能IED设备通信告警临界功率数值,影响到变电站正常运行,必须待变电站停运或投运前进行光口接收灵敏度测试。针对传统光口接收灵敏度测试方法的不足,本文研究了继保光纤智能测试仪,实现了一键式、自动化、多通道(8通道)、高精度(0.01 dB)光口接收灵敏度的测试,平均8通道测试时间约为3 min,其500 kV测试由传统测试的31个工作日缩减到1个工作日,220 kV测试由传统的13个工作日缩减至0.5 个工作日,大大提高了现场调试的效率。

2.1 光纤链路在线监测系统架构

光纤链路在线监测系统由智能诊断中心和在线监测后台组成,整套系统的结构示意图如图5所示,其中智能诊断中心布置在保护小室,在线监测系统布置在主控室。

图5 系统结构示意图

智能诊断中心采用分布式结构布置,其集成的测量功能使得单装置即可完成多路(本文系统设计为12路光口,涵盖ST/SC/LC常用光纤接口)光口功率的实时测量。对于每一路光口而言,单个智能诊断中心用光纤串接在原待测装置和接收装置之间,不影响变电站智能IED设备正常运行。为方便起见,智能诊断中心可采用通用的1U型机箱,就近直接加装在屏柜上,对屏柜内的装置光口进行测量诊断,灵活布置。

智能诊断中心与监测系统通过RJ45接口相连,利用IEC61850规约、站控层网络传输MMS报文,将测量和诊断结果实时传递给后台主机。同时开放USB接口,进行信息交互及后期功能拓展。利用建立的涵盖全站光纤链路的在线监测系统显示各光口的发送功率及光纤链路状态,达到实时监测功能。

2.1.1 智能诊断中心

智能诊断中心为本文系统的核心构成,其装置实物图和功能连接示意图如图6所示。

图6 光纤链路智能诊断中心装置实物图和功能示意图

原发送装置、接收装置均与智能诊断中心通过光纤连接,智能诊断中心将入射光物理分光,进行测量诊断。智能诊断中心根据各光口的发送功率与预先设置的报警、断链阈值对比,将判断结果在集成面板通过不同颜色的指示灯显示出来,便于运维巡检人员及早发现光纤链路不正常状态,迅速跟进处理。智能诊断中心有如下重要模块。

(1) 分光转换模块。物理分光器将对应光通道的输入光分为2路,其中一路作为信号传输的输出光,另一路作为光功率测量光。测量光功率为原输入光的3%,作为进行光功率监测的光,进行光电转换、放大滤波、模数转换后输出到CPU自动测量诊断模块;输出光的光功率为原输入光功率的97%,其继续向后信号传输,可以在不影响光缆工作的同时最大程度地保证信息完整地传输,实现光功率的测量诊断。

(2) 诊断测量模块。CPU自动测量诊断模块根据光功率测量结果进行状态诊断,划分为正常、越限告警、故障3个状态。实际运行经验表明,光纤使用过程中会因多种原因使得传输功率出现损耗,该值越小,表明传输的光信号品质越差,可用性越低。为了在光纤链路信号不可用之前起到警示作用,将报警阈值A设置为大于故障阈值B。光功率测量数值T与报警阈值A、故障阈值B进行大小比较,根据三者的比较结果作出光纤链路状态的判断,并通过集成面板灯用不同颜色灯光显示出来。3种比较结果如下:①T>A,光纤链路正常,集成面板灯显示“正常(绿色)”状态;②B

2.1.2 在线监测后台

全站所有配置的智能诊断中心通过标准RJ45以太网接口与在线监测系统连接,可将光功率测量结果、光纤链路状态诊断结果直接传输给后台集中显示。在线监测系统布置在变电站主控室,通过站控层网络收集全站所有智能诊断中心传送来的数据MMS报文,在数据库中对这些数据分类、保存、管理,实时显示全站的光口功率及光纤链路状态。除基本数据保存、管理功能外,还可根据需要在后期扩展数据评估、数据分析、系统互联的功能,为进一步实现广域泛在、数据挖掘做铺垫。

综上可知,本文设计的智能在线诊断监测系统具备以下典型优点:

(1) 实现全站运行设备光口的发送功率实时测量。如全站600个光纤链路光口效率,平均每60 s刷新1次,实时监测全站运行设备光口发送功率的数值是否满足相关标准的要求,以提前发现问题,实现从事后应付到事前预防的重大转变,在不影响变电站正常运行的情况下实时监测光口链路状态。

(2) 采用分布式的智能诊断中心更方便配置。单个智能诊断中心可实现12路光口功率的测量,汇集全站智能诊断中心数据的在线监测系统,平均60 s即可实现对所有光口发送功率的测量及诊断,大幅提升了测量效率,且系统规模越庞大,效率提升越明显，两者呈指数增长。

(3) 智能诊断中心根据光纤发送功率的测量结果与预先设置的报警、断链阈值对比,将光纤链路的状态划分为“正常”、“越限告警”、“故障”3种状态,并通过指示灯显示出来,直观明了。该方式便于运维检修人员及时发现不正常状态以迅速处理,将问题发现由“事后”变为“事中”或者“事前”,提升了及时性。

(4) 在线监测系统除可实时测量显示全站光口功率外,还能够将光纤链路诊断结果通过后台主机显示出来,便于主控值班室对全站光纤链路状态的集中掌握。

2.2 继保光纤测试仪系统

光纤继保测试仪装置与测试界面如图7所示。

图7 继保光纤测试仪装置与测试界面

继保光纤测试仪集成了多通道光功率测试模块、多通道光功率衰减模块、IEC61850解析模块、人机界面模块、CPU模块等,测试仪主要在变电站投运前或者变电站停运后,将仪器串接在不同的智能IED设备通信链路之间,通过一键启动后,多通道光功率衰减模块采用二分法,自动按照预定设置步长(最小可实现0.01 dB)进行光功率的衰减,将传统测试精度提高了10倍;当智能IED设备光纤链路告警后,继保光纤测试仪通过MMS网络获取所有智能IED设备的告警信息,IEC61850解析模块解析智能设备的APPID,并自动匹配测试间隔,告警后自动反向调节,直至自动测试出装置的光口接收灵敏度的临界光功率。在实验室进行综合测试,8通道光口接收灵敏度测试仅需5 min,使完成500 kV变电站1 500根光纤链路的测试从31个工作日缩短至2个工作日,220 kV变电站600根光纤链路的测试从13个工作日缩短至不到1个工作日。

继保光纤测试仪功能结构如图8所示,光纤链路多通道自动化测试方案示意图如图9所示。

图8 继保光纤测试仪功能结构

图9 光纤链路多通道自动化测试方案示意图

3 系统测试

根据本文研究已开发出实物样机,并在实验室进行了系统运行测试。测试环境如图10所示。

图10 实验室测试环境

依托实验室典型500 kV变电站保护配置,测试对象为电科变220 kV母线间隔(一台智能诊断中心)。

实验室一次系统主接线如图11所示。其中母线间隔主要接收来自母线PT、母联CT、出线CT以及变压器220侧引出线CT的SV采样数据,而不向这些间隔发送数据,故智能诊断中心只连接了各通道对应的TX口,不连接对应的RX口。

图11 实验室一次系统主接线

根据现场经验及与保护设计人员沟通,将越限告警阈值A设置为-22 dBm,故障阈值B设置为-40 dBm(为初步测试数值,尚未形成统一标准)。为验证智能诊断监测系统的功能,在运行前对P1的发送光口TX进行一定的人为物理弯折污损处理,其他光口正常发送,整套系统试运行1个月。智能诊断中心及在线监测系统的测试结果如图12所示。

图12 系统测试结果

在系统测试期间,智能诊断中心前集成面板上的“P1 TX”黄色指示灯亮,对应的在线监测系统光字牌也出现了“P1 光口母线电压SV TX光功率低告警”结果,监测光功率为-23.7 dBm。由于设置的该通道光纤弯折污损,长时间运行,光衰耗不断增大,功率逐步降低,达到越限告警的阈值,系统自动诊断出该结果。当进一步推广现场运行时,保护小室内的智能诊断中心及主控室的在线监测系统都会将此越限告警信号报出,可在光纤链路由于光衰减过大、光纤链路断链前进行风险提示,便于运维巡检人员及时跟进处理。

而P2～P7的发送光口TX一直正常运行,智能诊断中心集成面板指示灯显示为绿色;各自通道接收光口RX以及P8～P12由于并未接入光纤,系统判断为故障(断链),对应的智能诊断中心集成面板指示灯显示为红色,在线监测系统光字牌也报出了对应结果。数据库历史监测记录结果如图13所示。

图13 数据库历史监测记录

考虑到最恶劣的情况,智能IED设备光口突然失效,造成光纤链路从正常运行状态直接进入断链状态,而未经过告警状态,程序将进行应急控制处理,使后台界面进行不间断闪烁告警,以便运行人员及时处理更换备用光纤;同时从停运状态转到投入状态,光纤链路从断链状态直接进入正常运行状态。这种情况程序将进行历史事件查询,对光口状态变化进行标记,以便运行人员记录和查询。

4 结 论

本文聚焦当下智能变电站光纤链路光口接收灵敏度、光口发送功率测试效率低、光口发送功率无法实时监测的问题,提出了一种变电站光纤链路在线监测系统与继保光纤智能测试仪。

光纤链路在线监测系统内的分布式智能诊断中心对入射光进行物理分光,利用3%的入射光进行光功率的测量,根据测量结果与预先设置的报警、断链阈值对比,将光纤链路的状态划分为“正常”、“越限告警”、“故障”3种状态,并通过指示灯显示出来,直观明了,便于运维检修人员及时发现不正常状态以迅速跟进处理。汇集全站智能诊断中心数据的在线监测系统实现了对所有光口功率的在线监测及诊断,平均每分钟实现全站光口发送功率的测量与智能诊断,避免了调试过程中的反复插拔光纤带来的折损以及人为因素带来的干扰问题,推动光纤链路故障这一顽疾从“事后应付”转为“事前预防”。该系统具备灵活分布连接的特点,可直接对运行设备、停运设备进行监测,做到全寿命周期的光口发送功率在线监测诊断。根据研究开发的系统装置进行了实验室系统测试,验证了该系统的有效性。

当然,本系统还有许多待完善之处。智能诊断中心由于串接在直接相连的2个设备之间,会对原有数据传输产生时延,并对原有的光功率进行分光,提前对系统造成了一部分功率的损失。此外,装置本身的可靠性对系统的影响还需要进一步研究。