基于2M光接口的继电保护装置线路故障定位方法

中国南方电网有限责任公司玉溪供电局 张海燕 李昆鸿 葛纹伉

继电保护装置是电力系统中用于保障电网稳定运行、维护电力资源有序传输的核心设备。因此，在电力系统运行时，除了要保证继电设备自身具有可靠性与灵敏性特点，还要保证装置在集成与安装时线路的精准性，只有确保信号线路安装可满足装置的运行需求，才能确保电力系统在运行时对信号准确、高速的识别与传输。

目前，电力市场内大部分继电保护装置的通信标准均为2M 光接口协议，此协议中明确规定了与之相关的远程装置或保护设备，在进行数字复接设备间通信时，应当参照多模光纤标准来执行通信行为，本文所研究的2M 光接口为对端通信可提供M×64.0kbit/s 的信道带宽，可以确保不同厂家设备应用到相同电力系统后的有效通信与相互连接。

2M 光接口技术是我国电力市场较早时期提出的接口规范，其中包括帧结构规范、时钟定时规范与接口标准，帧结构规范中的格式要求以实现对电力通信信道故障定位过程的优化。然而在实际应用中，2M 光接口占用了较大的机房空间，此种现象导致电力终端的潜在故障源呈现一种增加趋势[1]。为解决与之相关的问题，本文将基于2M 光接口标准对电网运行的要求，设计一种针对继电保护装置线路的故障定位方法，以此种方式优化电力系统的运行，实现对电力终端故障定位与故障维护提供技术保障。

1 基于2M 光接口的继电保护装置线路故障定位方法

1.1 基于2M 光接口标准的继电保护装置信号透明传输

为实现对继电保护装置线路的精准定位，在开展相关设计研究前引进2M 光接口标准，进行继电保护装置信号的透明传输研究[2]。在此过程中，参照ITU-T 标准，将继电保护装置的数据帧在传输信道中以字节的方式进行传输，将其中的帧结构定义为矩形帧，矩形帧主要是由9行270.0×N 列字节排列组成，证明装置在运行中的信号主要是通过数据块字节复用形成的[3]。对应的传输模式可用图1表示。

图1 基于2M 光接口标准的信号透明传输模式

在进行继电保护装置信号传输时收发端进行信号的获取，Tx 用于执行信号的光/电转换，当信号数据码流实现再生后，复用功能模块即可进行信号的恢复。在上述过程中，EI 信号接口可负责或用于信号电平之间的转换、网络与信号的隔离、信号波形的映射等。

由于上述所有处理与操作都是在信号传输过程中发生的，因此可认为此时信号的传输处于一种透明状态。

1.2 提取继电保护装置线路故障测量信号

确保继电保护装置在运行中信号可保持连续传输状态后，在前端进行装置线路故障测量信号的提取。考虑到高频传输信号可能存在特性误差，此时线路的电压行波无法直接在装置侧进行二次提取，因此，需要通过地线入地的方式，进行行波信号的分析[4]。对应信号的表达为i=c×du/dt，式中：i 表示为继电保护装置线路或对应装置母线在运行中输出的电流值；c 表示为装置电容；u 表示为装置对地电压。

根据公式可得到母线行波信号，将此数值作为电路电压导出，对应的导数频率越大，证明信号的传输频率越高[5]。因此，可将测量信号的提取过程作为行波高频分量的提取过程。当高频分量达到一定数值后，入地电流的故障行波突变更大，也更加有利于后续的装置线路故障的分析。按照此种方式，获取继电保护装置在运行中不同线路或母线的行波突变电流，将获取的电流进行光/电信号转换，以此种方式实现对测量信号的提取。

1.3 基于信号分析的故障识别与定位

完成上述相关研究后进行故障信号的分析，通过对信号的分析实现对故障的识别与定位。假设在电网终端存在装置母线运行发生异常，记录在此种状态下行波的达到时刻。

当线路由于故障或异常发生跳闸行为时，需由终端多个调度进行行波达到时间的记录[6]。根据行波的达到时间可初步定位到发生故障的装置线路。在发生故障线路的两端任意获取一侧数据进行故障的计算，假设其中一侧数值表示为1，另一侧数值表示为2，对应此条线路的故障点定位过程可表示为：l1=1/2[l+v(t1-t2)]。

式中：l1表示为继电保护装置线路故障点与1之间的距离；l 表示为1经过故障点后达到2端的线路最短距离；v 表示为信号在继电保护装置线路中的传播速度；t1表示为继电保护装置线路故障信号到达1所需要的时间；t2表示为继电保护装置线路故障信号到达2所需要的时间。按照上述方式，记录不同条件下故障信号的达到时间，通过此种方式定位到继电保护装置线路中的故障点，以此完成基于2M 光接口的继电保护装置线路故障定位方法的设计。

2 对比实验

上文从三个方面完成了对基于2M 光接口的继电保护装置线路故障定位方法的设计，完成设计后，为了实现对此方法在市场内的推广与应用，下述将通过对比实验的方式，对此方法的有效性及其在使用中的可行性进行分析。

实验前，选择某电力单位作为此次实验的参与对象，获取该企业内继电保护装置在电力系统终端的集成方式，完成对电力企业在市场运行中基础数据的获取。在企业电力终端对接本文设计的方法，为了证明设计的方法可用，应在对方法故障定位功能检验前进行2M 光接口基本参数的测试。

测试中，选择OPE1Z-2M 光接口板作为测试对象，进行2M 光接口其中一端传输数字信号的比特率测试，测试装置包括光电探头仪器、示波器、SDH-测试仪器（针对继电保护装置运行的检测仪器），完成测试仪器的准备后进行比特率测试的连接：SDH 测试仪（2.5G/10G）-继电保护装置/SDH 装置（2M 光路）-光电探头-示波器。

测试过程中，按照标准的测试流程与参照示意图，使用尾部光路进行测试装置的规范化连接，在SDH 测试仪上，配置一个168/620/10.0G 的2M 光路执行业务，为了确保测试结果满足要求，需要在对应的SDH 测试仪表中配置相同的2M 光路执行业务，将此业务作为支路业务。

考虑到测试仪器需要抽取光线路作为保护时钟，因此，可在测试中根据实际情况选择是否需要测试仪器作为支撑。完成测试后，终端显示屏显示光电探头实现了将2.0Mbit/s 的光信号转换为了对应频率为2.0MHz 的电压信号，此时2.0Mbit/s 为光信号的比特率。完成测试后，将时钟与测试仪显示的数值整理成表（表1）。

表1 2M 光接口比特率测试结果

根据国家电网技术执行标准与2M 光接口信号标称比特要求可知，对应接口的比特率有效范围为2.048×106ppmkb/s±50.0ppm（容差有效范围），因此，可认为2M 光接口信号比特率标准范围为2.048×107bit/s±10.03bit/s。将标准数值与表1中数值进行对接，可知此次测试，2M 光接口比特率测试结果在光接口有效范围内，证明本文设计的基于2M 光接口的继电保护装置线路故障定位方法在实际应用中具有一定可行性。

完成上述研究后，选择基于ESMD-TEO 的电路故障定位方法作为传统方法，将其与本文设计的定位方法进行功能对比，考虑到此次实验受到时间与实验场地的限制，因此，实验中选择故障光信号传输距离作为实验指标。根据电力企业内现有的实验场地，设置不同继电保护设备与光传输设备之间的距离为30.0m、50.0m、80.0m、200.0m、500.0m、＞500.0m。

实验中，分别使用本文方法与传统方法对不同距离下的故障信号进行传输，根据传输的结果定位前端故障与异常。当在超远距离下，光信号可实现传输时，证明方法可在定位继电保护装置故障时实现对网管盲点的规避，反之，当光信号在达到终端出现传输异常时证明方法无法实现对网管盲点的规避，此时对于继电保护装置线路故障的定位可能存在偏差。按照上述设计的步骤执行此次对比实验，获取显示端对光信号的获取结果，将结果数据整理成表格（表2）。

表2 继电保护装置故障线路定位方法对比结果

已知传输信号强度的有效范围在10.0dBm～20.0dBm 之间，根据表2所示的实验数据可看出，随着继电保护设备与光传输设备之间的距离的增加，本文故障定位方法接收信号强度未发生显著变化，对应数值均在有效取值范围内。而传统故障定位方法，接收的信号强度在＞200.0m 后明显被削弱，当继电保护设备与光传输设备之间的距离＞500.0m 时，显示端无法正常显示接收到的信号。

因此，可在完成此次实验后得出对比实验的最终结论：相比基于ESMD-TEO 的电路故障定位方法，本文设计的基于2M 光接口的继电保护装置线路故障定位方法，在实际应用中可实现对故障定位信号的远程传输，且传输距离不受到外界限制，在定位故障点的同时可实现对网管盲点的规避，可为终端电力企业与有关单位的继电保护装置线路故障定位工作实施提供参照依据。

3 结语

本文通过基于2M 光接口标准的继电保护装置信号透明传输、提取继电保护装置线路故障测量信号、基于信号分析的故障识别与定位三个方面，完成对继电保护装置线路故障定位方法的设计。完成设计后，通过基础参数测试，证明了于2M 光接口在实际应用中的可行性，并选择基于ESMD-TEO的电路故障定位方法作为传统方法，对比本文方法与传统方法在使用中的性能，以此种方式，证明了本文方法可实现对故障定位信号的远程传输，且传输距离不受到外界限制，在定位故障点的同时，可实现对网管盲点的规避。

但是由于此次实验研究受到时间与场地的限制，仅仅从一个方面进行了方法有效性的检验，而未能从多个测试指标层面进行方法综合性能的评估。因此，还需要在后续的研究中从多个方面进行设计方法的测试，根据测试结果进行方法的优化，从而实现对设计成果在使用与市场推广中功能的完善。