劉革明，余 冬，朱曉彤

(南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

IEEE-C37.94標(biāo)準(zhǔn)在繼電保護(hù)設(shè)備中的應(yīng)用

劉革明，余 冬，朱曉彤

(南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

為提高繼電保護(hù)裝置的光纖通道故障監(jiān)測(cè)能力和定位能力，嘗試將IEEE-C37.94光接口標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置，并研究該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置中的優(yōu)勢(shì)及局限性。通過(guò)解讀IEEE-C37.94光接口標(biāo)準(zhǔn)幀格式的協(xié)議，結(jié)合國(guó)內(nèi)繼電保護(hù)裝置的光纖傳輸要求，驗(yàn)證該標(biāo)準(zhǔn)可以允許不同廠家的保護(hù)設(shè)備與數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備在光接口處能夠互通，并且對(duì)不同鏈路的通信故障能夠有效定位。但也存在傳輸帶寬不高問(wèn)題，寬松的校驗(yàn)措施也給其應(yīng)用于繼電保護(hù)設(shè)備帶來(lái)了一些局限性。實(shí)際應(yīng)用情況表明，IEEE-C37.94標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于繼電保護(hù)設(shè)備是可行的。

C37.94;繼電保護(hù);通信故障;故障定位

光纖在繼電保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它不僅可以傳送開(kāi)關(guān)量信號(hào)，還能傳送電流、電壓等模擬量信號(hào)，構(gòu)成了光纖縱聯(lián)距離/方向、光纖差動(dòng)等不同原理的主保護(hù)［1］。目前國(guó)內(nèi)主流繼電保護(hù)廠家的保護(hù)設(shè)備采用了互不相同的光接口標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于專用通道，這樣的做法對(duì)維護(hù)、測(cè)試影響不大;但對(duì)于復(fù)用通道就帶來(lái)一些問(wèn)題，如發(fā)生通道異常后很難直觀地進(jìn)行故障定位［2］;不同廠家的保護(hù)設(shè)備與數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備不能互通［3］;數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備對(duì)通道質(zhì)量的監(jiān)測(cè)力度不夠等。

IEEE于2002年制定了C37.94標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了保護(hù)設(shè)備與數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備之間的光纖接口［4］，以便允許不同廠家生產(chǎn)的保護(hù)設(shè)備與數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備在光接口處能夠互通，同時(shí)能提高通道故障定位及監(jiān)測(cè)的水平。本文從目前光纖復(fù)用通道中存在的問(wèn)題出發(fā)，介紹了C37.94標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容，并分析了該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于繼電保護(hù)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)及局限性。

1 目前存在的問(wèn)題

220 kV及以上電壓等級(jí)線路，由于線路距離長(zhǎng)，其光纖縱聯(lián)保護(hù)通常采用復(fù)用通道。

復(fù)用通道方式下的數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備與電力通信網(wǎng)之間的通信速率一般為64 kbit/s或2 Mbit/s［5-7］。以2 Mbit/s為例，復(fù)用通道的連接方式如圖1所示。目前實(shí)際應(yīng)用中主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

圖1 繼電保護(hù)2M復(fù)用通道的連接方式

a. 通道或裝置插件異常后，很難直觀地判斷出異常位置。通常需要將保護(hù)裝置光纖近端自環(huán)、近端帶數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備 (MUX)電口自環(huán)、帶通道遠(yuǎn)端自環(huán)、電口通道上掛誤碼儀等方式來(lái)判斷通道異常的位置。

b. 不同廠家的保護(hù)設(shè)備與數(shù)字冬季接口設(shè)備不能互通。其原因是各保護(hù)廠家自定義了光接口標(biāo)準(zhǔn)，其光口速率、編碼方式、光纖接口類型各不相同，給通信維護(hù)帶來(lái)不便。

c. 數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備對(duì)通道質(zhì)量的監(jiān)測(cè)力度不夠。目前各廠家的光接口一般為不成幀信號(hào)，這樣數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備通常只能檢測(cè)通道通、斷，而對(duì)檢測(cè)誤幀無(wú)能為力。

2 C37.94 標(biāo)準(zhǔn)介紹

IEEE-C37.94規(guī)定了保護(hù)設(shè)備與數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備之間采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，提供了N(N=1，2，…，12) ×64 kbit/s的傳輸帶寬，使不用廠家的保護(hù)設(shè)備與數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備能夠互連。另外，C37.94標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了相對(duì)嚴(yán)格的幀格式，所以對(duì)通道故障定位起到積極作用。

2.1 幀結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖2)

圖2 IEEE-C37.94標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)

幀頭的前8 bit為abcdefgh格式，每隔一幀和另外一圖案交替形成。

圖案1:abcdefgh=10011011;圖案2:abcdefgh=11y11111。

其中y為黃色告警比特，該bit=0表示正常，該bit=1表示對(duì)側(cè)裝置接收到 (LOS)。

第2個(gè)8 bit每幀都是00001111，接收幀同步為1100001111。

數(shù)據(jù)頭部分有48個(gè)bit，每個(gè)后面都跟著它的反碼。

前8 bit中的p，q，r，s表示實(shí)際所用的通信數(shù)據(jù)占用數(shù)N，N=1，2，3，…，12。

例如:0，0，0，1表示 N=1;0，0，1，0，表示N=2;0，0，1，1表示N=3;… 1，1，0，0表示N=12(為最高有效數(shù)值)。

后面的40 bit攜帶大量的時(shí)鐘信息，可在接收端用于時(shí)鐘恢復(fù)。

數(shù)據(jù)部分由192 bit組成，每個(gè)比特后面跟著它的反碼。從第1個(gè)數(shù)據(jù)位開(kāi)始，連續(xù)N×8個(gè)數(shù)據(jù)位裝載N×64 kbit/s數(shù)據(jù)，若有剩余數(shù)據(jù)位 (96-N×8)則設(shè)為1。C37.94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每秒傳送8 000幀，其中每幀傳輸N個(gè)通道，每個(gè)通道有效數(shù)據(jù)為8 bit，所以通信傳輸帶寬為N×64 kbit/s。

2.2 信號(hào)故障

C37.94定義了LOS、YELLOW、AIS三種告警來(lái)反應(yīng)不同位置的通道鏈路故障。

LOS產(chǎn)生條件:接收器在1 ms內(nèi) (8幀)連續(xù)檢測(cè)到2幀或2幀以上的錯(cuò)幀即判別為L(zhǎng)OS。

LOS清除條件:接收器在檢測(cè)到連續(xù)8幀正確幀。

“黃色告警bit”y產(chǎn)生條件:保護(hù)裝置判斷出現(xiàn)LOS、AIS、傳輸異常時(shí)，置y為1。

“黃色告警bit”y清除條件:保護(hù)裝置判斷無(wú)LOS、AIS、傳輸異常時(shí)，置y為0。

YELLOW產(chǎn)生條件:連續(xù)3幀的幀頭“黃色告警bit”y位為1且接收信號(hào)正常 (無(wú)LOS)。

YELLOW清除條件:連續(xù)3幀的幀頭“黃色告警bit”位為0或接收信號(hào)無(wú)效 (LOS)。

AIS產(chǎn)生條件:數(shù)字復(fù)接設(shè)備在光口接收LOS后，用全“1”填充(原碼、補(bǔ)碼更替)數(shù)據(jù)頭及數(shù)據(jù)部分。保護(hù)裝置識(shí)別全“1”數(shù)據(jù)即判斷為AIS。

AIS清除條件:數(shù)字復(fù)接設(shè)備在光口接收正常后，恢復(fù)數(shù)據(jù)頭及數(shù)據(jù)部分。保護(hù)裝置識(shí)別為正常數(shù)據(jù)，即判斷AIS消失。

3 C37.94標(biāo)準(zhǔn)在保護(hù)設(shè)備中的特色及局限性

3.1 優(yōu)勢(shì)

圖3 通信鏈路故障位置示意圖

a. 它為不同廠家的保護(hù)裝置及數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備之間通信提供了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，用戶只需要維護(hù)一種通信接口設(shè)備。

b. 提高通道故障定位自動(dòng)化能力及通道監(jiān)測(cè)水平。

如圖3，不同通道故障位置 (1～5)情況下，根據(jù)C37.94標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定，保護(hù)設(shè)備的響應(yīng)如表1所示。除了故障位置2和3無(wú)法區(qū)分外，其余故障位置都能根據(jù)兩側(cè)保護(hù)設(shè)備的通道狀態(tài)響應(yīng)情況識(shí)別出來(lái)，大大提高了通道故障檢測(cè)水平。

表1 保護(hù)設(shè)備在不同通信故障位置下的反應(yīng)

c. C37.94的幀格式有嚴(yán)格的通道監(jiān)測(cè)手段及同步信息。C37.94的幀頭分奇偶交替，并且數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)位都含補(bǔ)碼校驗(yàn)。出現(xiàn)誤碼時(shí)，C37.94幀格式很容易被破壞，數(shù)字復(fù)接接口設(shè)備及保護(hù)設(shè)備都很容易檢測(cè)出誤碼。

另外，C37.94每一幀數(shù)據(jù)的0、1位個(gè)數(shù)基本相等，不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)串的0或1，每幀包含唯一的幀同步序列1100001111，有利于提取同步信息。

3.2 局限性

a. C37.94有效傳輸帶寬不高。C37.94標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大數(shù)據(jù)傳輸帶寬為768 kbit/s，不一定能滿足傳輸信息量較多的一些保護(hù)、穩(wěn)控設(shè)備。

b. C37.94標(biāo)準(zhǔn)主要用于復(fù)用通道，在專用光纖應(yīng)用場(chǎng)合無(wú)法體現(xiàn)互通以及通信故障定位優(yōu)勢(shì)。

c. C37.94標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于數(shù)據(jù)頭后40 bit部分未作明確規(guī)定，各廠家的通信接口設(shè)備在該部分做不同的處理可能會(huì)影響彼此之間的互通。

d. C37.94標(biāo)準(zhǔn)某些通信故障判別相對(duì)寬松(如LOS判別條件)，但保護(hù)設(shè)備對(duì)于光纖接收信息的正確性校驗(yàn)非常嚴(yán)格，任一幀錯(cuò)誤信息都不能使用。這樣保護(hù)設(shè)備不能直接利用C37.94標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)結(jié)果，必須在高級(jí)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)一些更完善的CRC校驗(yàn)處理。

4 C37.94標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用情況

目前國(guó)外的一些繼電保護(hù)廠商已經(jīng)推出支持C37.94標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)設(shè)備，如GE公司的L90、ABB公司的IED670，SUNSET公司也推出了C37.94標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀。

國(guó)內(nèi)繼電保護(hù)廠商也開(kāi)發(fā)出基于IEEEC37.94標(biāo)準(zhǔn)的差動(dòng)保護(hù)裝置，并且已投入東北電網(wǎng)遼沙2號(hào)線 (500 kV線路)運(yùn)行，至今運(yùn)行情況良好，經(jīng)歷了多次區(qū)外故障的考驗(yàn)，同時(shí)經(jīng)歷了1次區(qū)內(nèi)故障并且保護(hù)裝置正確動(dòng)作。區(qū)內(nèi)外故障期間，保護(hù)裝置未發(fā)現(xiàn)裝置出現(xiàn)誤幀或丟幀等現(xiàn)象，證明了支持該標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)裝置能夠成功應(yīng)用于高電壓等級(jí)輸電線路。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)各繼電保護(hù)設(shè)備采用了互不相同的光接口標(biāo)準(zhǔn)，給維護(hù)、管理等方面帶來(lái)一些問(wèn)題。C37.94是一個(gè)N*64k速率的國(guó)際光接口規(guī)范，它規(guī)范了繼電保護(hù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，能在一定程度上判斷通道故障位置，完成通信狀態(tài)指示、通道告警、誤碼檢測(cè)等功能。國(guó)內(nèi)研制的基于C37.94標(biāo)準(zhǔn)通信的保護(hù)裝置運(yùn)行情況良好，為今后提高保護(hù)裝置通道告警監(jiān)測(cè)能力提供了一個(gè)參考手段。

［1］ 陳強(qiáng)林，李瑞生，馬全霞，等.繼電保護(hù)通道檢測(cè)平臺(tái)在光纖差動(dòng)保護(hù)測(cè)試中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(8):83-85.

［2］ 何 霞，應(yīng)偉剛.光纖保護(hù)通道檢查與聯(lián)調(diào)方法［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(18):190-192.

［3］ 陳建寧，仲惟師.繼電保護(hù)光纖通信接口技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29(186):54-58.

［4］ IEEE C37.94，IEEE Standard for N Times 64 Kilobit per Second Optical Fiber Interfaces between Teleprotection and Multiplexer Equipment［S］，2002.

［5］ 石 征，侯思祖.光纖保護(hù)通道的可靠性分析 ［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，28(11):43-49.

［6］ 丁曉兵，趙曼勇，周紅陽(yáng).提高極端氣候條件下繼電保護(hù)通道可靠性的方案 ［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(9):106-108.

［7］ 姚慶華，賀則銘，單慶元.線路保護(hù)裝置通道異常告警的典型處理［J］.華北電力技術(shù)，2008(12):39-41.

Application of IEEE-C37.94 to Relay Protection

LIU Ge-ming，YU Dong，ZHU Xiao-tong
(Nanjing NARI-Relays Electric Co，Ltd，Nanjing，Jiang Su 211102，China)

In order to improve the surveillance and fault location of communication in power supply system，IEEE-C37.94 has been applied in relays.The advantage and limitation haa also been found from the application.From analysis of the IEEE-C37.94 frame characteristic and transmission requirement in relays，it is proved that different relays and digital interfaces can be communicated with each other which supports IEEE-C37.94 and it is efficient for fault location of communication.However，the limitation of low bandwidth and loose examination has been confirmed.It is feasible for application of IEEE-C37.94 in relay protection.

C37.94;Relay Protection;Communication failure;Fault location

TM77

A

1004-7913(2013)03-0035-03

劉革明 (1980—)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)方面的研究。

2013-01-09)