程路明， 張云峰

(國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

光纖通道傳輸保護信息方式分析

程路明， 張云峰

(國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000)

闡述了保護信息光纖通道傳輸?shù)募夹g原理，并對220 kV和500 kV特高壓線路保護通道運行方式安排進行分析和研究.結果發(fā)現(xiàn)，隨著光纖通道在保護系統(tǒng)中的廣泛運用，因數(shù)字光電轉換接口裝置故障、通信通道傳輸質(zhì)量劣化和通信通道雙向延時不一致等問題造成的保護裝置告警及不正確動作的現(xiàn)象時有發(fā)生.同時，由于缺少有效的監(jiān)測和檢修手段，運維人員無法及時排除故障，給線路可靠運行帶來影響.光纖縱聯(lián)電流差動保護具備靈敏度高、動作迅速、可靠性強和選擇性好的特點，可以較好地應對輸電線路各種復雜故障，提升保護業(yè)務運行的可靠性,保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行.

繼電保護； 光纖通道； 運行方式

0 引 言

光纖傳輸具有抗干擾性強、傳輸容量大、組網(wǎng)靈活和接入方便等優(yōu)點，能很好地滿足電力系統(tǒng)繼電保護對通道的要求.在目前電力通信光纖傳輸網(wǎng)絡已經(jīng)建成并完善的條件下，光纖通道傳輸保護信息的方式已逐步在線路繼電保護領域中得到廣泛應用.因此，針對不同電壓等級輸電線路和光纜資源環(huán)境下的光纖通道傳輸保護信息的討論分析，對實現(xiàn)優(yōu)化方式安排、加強保護系統(tǒng)動作可靠性、實現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行是非常必要的.

1 技術概述

1.1 繼電保護

繼電保護系統(tǒng)功能是當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設備從系統(tǒng)中切除或發(fā)出信號由調(diào)度值班人員消除異常工況根源，最大限度地減少電力系統(tǒng)元件的損壞,降低電力系統(tǒng)安全供電的影響.

1.2 繼電保護通道發(fā)展

隨著電網(wǎng)結構的調(diào)整和繼電保護技術的發(fā)展,保護通道類型也發(fā)生相應改變，主要經(jīng)歷了以下幾個階段：第一階段，通過電力線路載波傳遞保護信號,或使用微波通信設備通過模擬四線通道傳輸保護信號，信號傳輸方式單一，通道故障率高，運行可靠性較差；第二階段，隨著光纖通信技術的發(fā)展，通過64 k和2 M數(shù)據(jù)接口裝置將保護信號接入光纖通道或光傳輸網(wǎng)絡進行傳輸，實現(xiàn)保護信號由模擬傳輸向數(shù)字傳輸?shù)霓D變，通道具備較強的自適應恢復能力，提高了信息傳遞的可靠性.

1.3 光纖通道

根據(jù)工作原理的差異，光纖通道保護可分為光纖縱聯(lián)電流差動保護和光纖允許式、閉鎖式縱聯(lián)保護.其中光纖電流縱差保護較其他保護靈敏度高、動作速度快，適應電力系統(tǒng)振蕩及非全相運行，能更好實現(xiàn)保護的單元化，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用.

1.3.1 光纖電流縱聯(lián)差動保護

光纖電流縱聯(lián)差動保護由電流差動保護發(fā)展而來，其工作原理是將本側保護采樣獲得的線路電流的幅值、相位參數(shù)通過光纖通道傳送到對側，同時接收比對對側所發(fā)電流參數(shù)信號與本側信號，通過二者的差值判別故障范圍.縱差保護通過采樣同步相量校準或序號實現(xiàn)可靠運行，其數(shù)據(jù)同步方法主要有數(shù)字通道同步、GPS同步和參考相量同步.GPS同步受自然和社會環(huán)境因素的制約，參考相量同步受輸電線路參數(shù)和電氣量測量誤差的影響，因此普遍采用數(shù)字通道同步方法.其采樣同步原理如圖1所示.上下兩條橫線分別代表線路兩側N、L側保護采樣序列，L側為同步端，N側為參考端，同步過程由同步端主要執(zhí)行、參考端配合，采樣同步過程中只調(diào)整同步端采樣[1].

1.3.2 光纖允許式、閉鎖式縱聯(lián)保護

光纖允許式縱聯(lián)保護由允許式縱聯(lián)保護發(fā)展而來，包含允許式方向保護和允許式距離保護兩種形式.其工作原理為:當線路一側的故障判別元件判斷為正方向時，向對側發(fā)送允許信號，對側收到信號后，如判為正方向則允許跳閘；當一側的故障判別元件判斷為反方向時，本側不跳閘且不向對側發(fā)送允許信號.

光纖閉鎖式縱聯(lián)保護由高頻閉鎖式保護發(fā)展而來，包含閉鎖式方向保護和閉鎖式距離保護兩種形式.其工作原理為:當線路一側的故障判別元件判斷為反方向時，本側不跳閘且同時向對側發(fā)閉鎖信號，對側收到信號后，如判為正方向則不跳閘；當一側故障判別元件判斷為正方向時，不向對側發(fā)閉鎖信號，本側接收不到對側閉鎖信號時允許跳閘.

2 線路保護光纖通道運行方式

根據(jù)電網(wǎng)繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程的要求，具備光纖通信的輸電線路應優(yōu)先采用光纖作為傳送繼電保護信息的通道，在實際應用中，不同的光纖保護方式適用于不同的線路通道條件.本文從輸電線路電壓等級對保護通道可靠性要求和線路光纜資源的配置情況角度,對光纖通道的方式安排進行分析討論.

2.1 220 kV線路通道方式

220 kV輸電線路大多運行于地市轄區(qū)電網(wǎng)，變電站之間單/雙回線路一般架設有OPGW光纜.對于只有本線OPGW一個光纜方向或其余光纜可靠性較差的變電站，考慮使用專用光纖通道方式安排.即線路兩側保護裝置不經(jīng)過中間復接設備，直接通過光纖連接傳輸保護信號.該方式的優(yōu)點是通道隨線路OPGW光纜架設運行，結構簡單，一般情況下運行可靠且信號誤碼率較低.缺點是通道受到光接口通信距離和纖芯資源的限制，根據(jù)《光纖通道傳輸保護信息通用技術條件》規(guī)定，只有在線路長度小于50 km時才適合采用專用光纖方式.同時，由于線路兩套保護均通過本線OPGW傳輸信號，在特殊的光纜故障情況下存在單通道隱患.此外，光纖通道占用獨立纖芯，對光纜資源造成浪費，無法適應保護通道業(yè)務的發(fā)展需求.專用光纖通道如圖2所示.

對于具備兩個及以上可靠光纜方向的220 kV變電站，考慮安排專用光纖通道與復用光纖通道相結合的運行方式，輸電線路的一套保護裝置接入專用光纖通道，另一套保護裝置通過數(shù)據(jù)接口設備接入站內(nèi)的單套通信傳輸設備，通過傳輸網(wǎng)絡傳遞信號[2].

復用光纖保護通道根據(jù)繼電保護接口速率的不同分為64 kbit/s和2 048 kbit/s兩種形式.前一種方式保護裝置發(fā)出的光信號進入通信機房后，可通過數(shù)字接口裝置轉換為同向64kbit/s電信號，再經(jīng)由PCM設備轉化為2 048 kbit/s電信號接入光纖傳輸網(wǎng)絡進行傳遞.通道采用PCM主從時鐘進行定時；后一種方式保護光信號通過數(shù)字接口裝置直接轉換為2 048 kbit/s電信號接入光纖傳輸網(wǎng)絡進行傳遞，采用保護裝置自身時鐘進行定時.相比較而言，2 048 kbit/s通道減少了PCM設備環(huán)節(jié)，避免了64 kbit/s通道運維問題，同時增加信號帶寬，為保護提高采樣點頻率和采用更精確算法提供了條件.

與專用光纖通道相比，復用光纖通道充分利用纖芯資源，組網(wǎng)靈活，運行穩(wěn)定，處理故障快速有效，能較好適應電網(wǎng)結構的調(diào)整和光纜路由變化，具有發(fā)展的持續(xù)性.單口復用光纖通道如圖3所示.

2.2 500 kV線路通道方式

500 kV輸電線路大多運行于網(wǎng)省轄區(qū)電網(wǎng)，變電站之間兩回及以上平行輸電線路至少隨線路架設一條OPGW光纜.受到線路跨接不同省、市(地區(qū))而距離較長、500 kV變電站各類落地電網(wǎng)業(yè)務多和光纜纖芯資源緊張的因素制約，線路無法使用本線OPGW專用光纖通道方式.同時，考慮單口復用光纖通道方式一般經(jīng)過多站點、多光纜的迂回路徑；單套保護發(fā)生故障的概率較本線專用纖芯方式更高，且受日常檢修的影響更大，故采用A/B雙口形式的復用光纖通道.

該方式啟用變電站兩套保護裝置的A、B口，保護信號通過數(shù)字接口設備轉換，分別接入站內(nèi)兩套不同傳輸設備.同時在傳輸路徑上通過合理規(guī)劃光纜纖芯資源，對信號光路進行1+1MSP配置.在光纜資源有限的條件下，考慮兩套傳輸設備光路同時承載于線路本地光纜.在光纜資源條件允許的條件下，為提高通道整體可靠性，考慮通過中間220 kV變電站的站內(nèi)纖芯跳接方式開通迂回光纜通道，即兩套傳輸設備光路分別承載于本體光纜1和迂回光纜2，由此實現(xiàn)電網(wǎng)安全規(guī)程關于保護通道“雙設備”“雙路由”的要求.該通道方式可以抵御由保護裝置接口故障、傳輸設備板卡故障或光纜中斷故障引起的“N-1”系統(tǒng)風險. A/B雙口復用光纖通道如圖4所示.

2.3 特高壓線路通道方式

隨著特高壓電網(wǎng)的建設和發(fā)展，輸電線路的運行保障也成為重中之重.以±800 kV復奉特高壓直流輸電線路為例.線路從起點復龍換流站至終點奉賢換流站，全長1 886 km，途經(jīng)四川、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、上海五省兩市.

在保護通道方式安排上，針對線路電壓等級高、跨度大、距離長和光纜資源有限的情況，在利用復奉直流本體架設的24芯OPGW光纜開通保護第一通道的基礎上，進一步利用復斗、三峽光環(huán)網(wǎng)、龍政和京滬光國網(wǎng)一干網(wǎng)傳輸系統(tǒng)開通保護第二通道；利用四川省網(wǎng)，天成重、三渝、三峽光環(huán)網(wǎng)，三滬和華東光傳輸系統(tǒng)開通保護第三通道.三條路由通道的開通，有效增加了保護業(yè)務傳遞路徑的冗余度，提高了線路運行可靠性.復奉直流特高壓線路通道如圖5所示.

在站內(nèi)保護裝置和通信傳輸設備連接環(huán)節(jié)上，特高壓線路通過加裝2 M無損切換裝置，將線路主、備保護裝置(極I/Ⅱ)側的保護通道信號進行1+1備份，分別接入站內(nèi)兩套不同傳輸設備.在傳輸路徑上，對信號光路進行1+1MSP配置，完成極I/Ⅱ控制保護主用通道1承載于第一通道路由，通道2承載于第三通道路由；極I/Ⅱ控制保護備用通道1承載于第二通道，通道2承載于第三通道的方式安排.實現(xiàn)電網(wǎng)安全規(guī)程關于保護通道“雙設備”“雙路由”的要求.該通道方式可以抵御由保護裝置接口故障、傳輸設備板卡故障或光纜中斷故障引起的“N-2”系統(tǒng)風險，具備非常高的運行可靠性.特高壓輸電線路復用光纖通道如圖6所示.

3 存在問題與改進方案

隨著光纖通道在保護系統(tǒng)中的廣泛運用，因數(shù)字光電轉換接口裝置故障、通信通道傳輸質(zhì)量劣化和通信通道雙向延時不一致等問題所造成的保護裝置告警及不正確動作的現(xiàn)象時有發(fā)生.同時，由于缺少有效的監(jiān)測和檢修手段，運維人員無法及時排除故障，給線路可靠運行帶來影響.以220 kV輸電線路單口復用光纖保護通道方式為例(見圖3)，根據(jù)光纖通道傳輸保護信號的雙向路由時延一致的要求，當傳輸設備板卡或光纜故障引起傳輸通道中斷時，保護業(yè)務電路不能自動倒換至備用路由，而通信運維人員必須在一次運維人員完成相關線路兩側保護裝置狀態(tài)更改的操作后，才能在傳輸網(wǎng)管上進行通道手動切換，這不僅延緩了保護通道的恢復時間，降低了檢修消缺的效率，也給系統(tǒng)運維和指標保障工作帶來了壓力.

改進方案：對于新建220 kV線路參照500 kV線路，在通道資源允許的條件下啟用A/B雙口的復用光纖保護通道方式(見圖4)，雙通道通過保護裝置壓板獨立投退，并列運行；對于已投運的220 kV線路，參照特高壓輸電線路保護通道方式安排(見圖5)，在單口復用光纖通道中加裝2 M無損切換裝置，將信號接入相同或不同傳輸設備，實現(xiàn)保護信號的1+1備份.當保護通道發(fā)生中斷故障時，保證了信號瞬時無損自動切換，縮短了保護通道的恢復時間，提高了線路運行可靠性.改造后的通道如圖7所示[3].

4 結 論

輸電線路光纖縱聯(lián)電流差動保護具備靈敏度高、動作迅速、可靠性強和選擇性好的特點，可以較好地應對輸電線路各種復雜故障，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用.通過對各種線路和環(huán)境下光纖通道傳送保護信息模式的討論分析，有助于在相關保護和通信系統(tǒng)的設計、建設和運維過程中，優(yōu)化方式安排，提升保護業(yè)務運行的可靠性,保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行.

[1]國家能源局.光纖通道傳輸保護信息通用技術條件:DL_T 364-2010[S].北京:中國電力出版,2010:8-11.

[2]陳忠穎.高壓線路光纖保護通道的應用研究[D].廣州:華南理工大學,2013:16-17.

[3]蔡曉蘭.繼電保護傳輸通道干擾分析及解決方案[D].石家莊:華北電力大學,2012:14-18.

[責任編輯 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，工程師，研究方向：電力通信.E-mail:18644179@qq.com

TN915.853

A

1009-1734(2017)02-0062-06