徐 聰，張鵬程，林思海

（1.國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200120；2.國網(wǎng)北京市電力公司通州供電公司，北京 101100）

0 引言

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)復雜程度也大大增加。光纖電流差動保護以其絕對的選擇性、更高的靈敏度和天然的選相能力等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應用到220 kV及以上輸電線路的主保護之中。然而，在光纖電流差動保護實際運行中，常因光纖損耗過大、光纖損壞、保護接口裝置故障等問題，導致通道告警問題頻繁出現(xiàn)。由于保護與通訊分屬兩個專業(yè)，因此如果通道告警問題分析不清，會對保護裝置及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成安全隱患。

1 電力光纜概述

電力光纜是電力系統(tǒng)中一種兼顧電力傳輸和信息通信的特種光纜，常用的電力光纜有3種[1]。

a）全介質(zhì)自承式光纜ADSS（all dielectric self-supporting optical fiber cable）。光纜使用全介質(zhì)材料，利用現(xiàn)有高壓輸電桿塔，與電力線路同桿架設，具有造價低、施工方便等優(yōu)點，但容易受高壓電腐蝕，實際應用中一般建議懸掛點運行電位不超過25 kV。

b） 光纖復合架空相線 OPPC（optical fiber composition phase conductor），將光纖單元復合在相線中，具有相線和通信雙重功能。由于OPPC長期承載電力傳送，因此，設計時需要考慮運行溫度對光纖性能和壽命的影響，同時高壓運行環(huán)境對光電絕緣也有特殊要求。

c）架空地線復合光纜OPGW（optical fiber composite overhead ground wire），將光纜復合在中空的架空地線內(nèi)部，這種結(jié)構形式具有很高的機械強度和可靠性同時兼具地線和通信雙重功能。OPGW在新建線路中應用具有較高的性價比。

電力光纜內(nèi)的光纖單元一般有2種：支持多種傳播路徑或橫向模式的多模光纖MMF（multimode optical fiber）和僅支持橫向模式單模光纖SMF（single mode fiber）。多模光纖的纖芯直徑通常是50 μm或62.5 μm，典型的傳輸速度是100 M/s，傳輸距離可達2 km，1 G/s可達1 000 m、10 G/s可達550 m，主要用于短距離光纖通信。單模光纖的纖芯直徑通常是8～10 μm。單模光纖運行在100 M/s或1 G/s的數(shù)據(jù)速率，傳輸距離都可以達到至少5 km。通常情況下，單模光纖用于遠程信號傳輸。光纖信號傳輸方式如圖1所示。

圖1 光纖信號傳輸方式

在電力系統(tǒng)中，輸電線路輸送距離通常都在數(shù)十公里以上，因此一般選用9 μm纖芯直徑的單模光纖。實際使用的單模光纖有1 310 nm和1 550 nm 2個低損耗傳輸波長區(qū)，由文獻 [1]可知，1 310 nm波長的光纖每公里損耗一般為0.35 dBm，1 550 nm波長的光纖每公里損耗一般為0.22 dBm。就兩種波長比較而言，1 310 nm單模光纖在信號傳輸過程中損耗大，但色散小，一般應用于40 km以內(nèi)的傳輸（1 310 nm單模光纖加大發(fā)送功率傳輸距離可達80 km）；而1 550 nm波長的光信號傳輸過程中損耗小，但色散大，一般用于40 km以上的長距離傳輸，無中繼最遠可以直接傳輸120 km。

值得注意的是，根據(jù)文獻 [1]的研究，當光纖存在一定程度的彎曲時，光纖的損耗在1 550 nm波長要比在1 310 nm波長大；特別是在彎曲半徑小于15 mm的時候，在同樣的彎曲半徑下，1550 nm波長的損耗要比1 310 nm波長的損耗有明顯的增大。1 550 nm波長對于彎曲敏感的特性，可以為光纖通道斷線或彎曲的具體故障檢查提供判斷依據(jù)。

2 光纖電流差動保護原理

2.1 光纖電流差動保護系統(tǒng)結(jié)構

光纖電流差動保護的工作原理文獻 [2]已作詳細分析，此處不再贅述，其結(jié)構如圖2所示[2]。

2.2 光纖電流差動保護的通道方式

光纖電流差動保護的通道連接方式有兩種：專用光纖通道方式和復用光纖通道方式[3]。

CB—斷路器；TA—電流互感器；IMU、V、W—M 側(cè)U、V、W三相電流；INU、V、W—N側(cè)U、V、W三相電流

專用光纖通道方式如圖3所示，線路保護裝置的保護信號直接在光纖通道上傳輸，不經(jīng)過通信設備，一般采用64 kbit/s或2 Mbit/s同步通信格式，這種方式中間環(huán)節(jié)少，可靠性高，運行維護方便，但需要專用光纖通路資源。

圖3 專用光纖通道連接方式

圖4 復用光纖通道連接方式

保護裝置將保護光信號發(fā)送到通信接口裝置并由后者完成光電轉(zhuǎn)換；接著接口裝置將轉(zhuǎn)換后的保護電信號傳輸?shù)酵ㄐ旁O備；然后通信設備將保護信號通過同軸電纜發(fā)送給同步數(shù)字體系SDH（synchronous digital hierarchy）復用設備[4]；最后SDH復用設備將保護信號發(fā)送到對側(cè)，對側(cè)保護和通信接口裝置進行光電轉(zhuǎn)換的逆過程，完成整個信號交換流程。該方式下保護電信號傳輸同樣有64 kbit/s或2 Mbit/s2種速率可選，這種方式中間環(huán)節(jié)多，降低了可靠性，運行維護不便，但保護信號通過光同步復用器傳輸距離更遠，且不單獨占用光纖資源。

另外，根據(jù)上海市電力公司對上海地區(qū)高壓輸電線路微機保護雙重化配置的要求，220 kV線路的2套保護裝置分別使用單通道連接且都采用專用光纖的連接方式，但第1條通道采用本側(cè)、對側(cè)直連方式，第2條通道采用本側(cè)、對側(cè)之間經(jīng)第3個變電站迂回的連接方式。500 kV線路的每套保護裝置都使用雙通道連接，第1條通道采用專用光纖連接方式，第2條通道采用復用光纖通道連接方式。

2.3 光纖電流差動保護通信時鐘設置

數(shù)字差動保護的關鍵是線路兩側(cè)裝置之間的數(shù)據(jù)交換，目前常用的保護裝置采用同步通信方式。差動保護裝置發(fā)送和接收數(shù)據(jù)采用各自的時鐘，分別為發(fā)送時鐘和接收時鐘。保護裝置的接收時鐘固定從接收碼流中提取，保證接收過程中沒有誤碼和滑碼產(chǎn)生。發(fā)送時鐘可以有兩種方式，第一種采用內(nèi)部晶振時鐘，第二種采用接收時鐘作為發(fā)送時鐘。前者稱為主時鐘（內(nèi)時鐘）方式，后者稱為從時鐘（外時鐘）方式。兩側(cè)裝置的時鐘設置方式如表1所示。

表1 通信時鐘設置

3 通道異常處理

3.1 通道告警產(chǎn)生原因

光纖電流差動保護作為線路的主保護，是保證快速切除故障和穩(wěn)定系統(tǒng)的技術保障。但其對通道的依賴性強，一旦通道故障可能導致保護誤動或拒動，因此保護裝置出現(xiàn)通道故障時必須將差動保護或該套保護裝置或相應通道停用。檢修人員立刻到現(xiàn)場進行通道故障緊急缺陷處理[5]。

引起保護裝置報通道告警的原因很多，包括保護裝置時鐘、通道控制字、標識碼、主從方式等設置錯誤；光源發(fā)送功率異常；光纖通道衰耗過大；光傳輸網(wǎng)干擾過大以及保護接口設備、數(shù)字傳輸設備故障等。

3.2 通道告警的一般處理方法

通道缺陷處理經(jīng)常涉及到保護和通信2個專業(yè)、2個變電站、如果是跨地區(qū)聯(lián)絡線還涉及2個單位，處理起來比較棘手。因此處理通道故障缺陷應當遵循一定的原則[6]，技術人員根據(jù)工作中缺陷處理方法和相關文獻歸納得出“一查看、二測試、三確定”的處理原則。

一查看，主要是利用外部監(jiān)視手段，比如查看監(jiān)控后臺軟報文是發(fā)信有問題還是收信有問題；查看保護裝置丟幀情況以及裝置收發(fā)狀態(tài)是否正常；對于復用通道可借助通信專業(yè)監(jiān)視手段，向管轄通道故障線路通信管理部門查看通信網(wǎng)關相關信息，以判斷是通道傳輸問題還是保護設備問題。

二測試，在動手做測試時，首先檢查回路中相關光纖接頭是否接觸牢靠，然后使用光功率計測試保護裝置收發(fā)光功率數(shù)據(jù)是否在技術要求范圍內(nèi)，如表2所示。對于采用復用通道的光纖保護，一般采用通道逐級自環(huán)試驗方式檢查通道問題，進一步縮小故障點范圍。差動保護光纖通道自環(huán)檢測方法有以下幾方面。

表2 光纖通道功率衰耗允許范圍

3.2.1 專用光纖方式自環(huán)檢測

通道采用專用光纖方式連接時，在計算功率裕度應滿足要求后，可以進行通道自環(huán)試驗[7]。

a）本端光自環(huán)。將相關通道的“通信內(nèi)時鐘”控制字置1，將保護裝置通道工作方式修改為自環(huán)方式（RCS-931裝置將兩側(cè)“縱聯(lián)標識碼”整定為相同值；CSC-103裝置將“通道環(huán)回控制字”置“1”）。如圖3所示，用尾纖將M側(cè)保護裝置的光收、發(fā)短接，觀察一段時間，若裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘枺C明M側(cè)保護裝置無異常。

b）遠端光自環(huán)。裝置時鐘和控制字設置與本端光自環(huán)相同，如圖3所示，用尾纖將N側(cè)保護裝置的光收、發(fā)短接，本端保護裝置接至光纖通道，遠端光纖出線經(jīng)光配架短接，觀察一段時間，若裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?，證明M側(cè)保護裝置和光纖通道都無異常。

對于專用光纖通道上的衰耗可借助光時域反射儀OTDR （optical time domain reflectometer），以圖形顯示方式檢測整條線路光纜長度和總的光衰耗，與設計參數(shù)比較，能方便快捷地判斷出問題是否在通道上[8]。

3.2.2 復用光纖方式自環(huán)檢測

由于光纖差動保護通道大多使用的是2M復用方式，這里就2M復用方式試驗作介紹[9]。

a）本端光自環(huán)。與專用光纖方式本端自環(huán)同理，用以證明M側(cè)保護裝置無異常。

b）近端2M電自環(huán)。如圖4所示，在M側(cè)通信機房內(nèi)，進行保護接口裝置自環(huán)。保持保護裝置自環(huán)方式的標識碼和控制字設置，保護裝置的光纜正常連接，在通信接口裝置的同軸電纜連接端自環(huán)。為了便于維護和故障處理，CSC-186B裝置提供通道環(huán)回測試功能，只需要將“環(huán)回選擇”撥碼開關打到“自環(huán)”的位置即可。自環(huán)后觀察一段時間，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?，證明M側(cè)保護裝置、保護接口裝置和二者之間尾纖都無異常[10]。

c）遠端2M電自環(huán)。如圖4所示，M側(cè)光纜正常連接，保持保護裝置自環(huán)方式的標識碼和控制字設置，將N側(cè)通信機房內(nèi)相應通道的保護接口裝置同軸電纜連接端自環(huán)。觀察M側(cè)裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘枺C明M側(cè)保護裝置至N側(cè)保護接口裝置之間都無異常。

d）遠端光自環(huán)。如圖4所示，M側(cè)至N側(cè)光配架光纜正常連接，保持保護裝置自環(huán)方式的標識別碼和控制字設置，將N側(cè)光配架上相應通道自環(huán)，觀察M側(cè)裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?，證明M側(cè)保護裝置至N側(cè)光配架之間都無異常[11]。注意測試完畢后將裝置恢復到測試開始前的狀態(tài)。

三確定，通過查看和測試，基本能夠鎖定故障點區(qū)域。如果是保護裝置和尾纖故障可更換備品直接處理，如果是通道故障需要聯(lián)系線路通道管理部門，由他們使用專業(yè)工具檢查具體故障點位置，然后進行相應消缺處理。

3.3 現(xiàn)場通道告警處理過程

2017年10月 26日，500 kV亭衛(wèi)站練亭5147線路第2套保護B通道告警，運行人員將第2套保護改信號狀態(tài)后由繼保專業(yè)進行檢修。練亭5147線路采用雙重化保護配置，第1套保護為PCS-931GMM_HD光纖電流差動保護，其通道A采用專用光纖通道，通道B采用2M復用光纖通道方式；第2套保護為CSC-103A光纖電流差動保護，其通道A采用專用光纖通道，通道B采用2M復用光纖通道方式。故障處理過程如下。

a）由于第2套保護B通道是2M復用方式，繼保專業(yè)首先確認時鐘方式設置是否正確，經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)時鐘方式都為主時鐘方式，時鐘方式設置正確。

b）查看告警信息，報文顯示“通道B通信中斷”，“通道信息”菜單顯示通道B丟幀（誤碼）數(shù)600幀F(xiàn)PS(frames per second)，由此初步判斷，通道告警是由于通道嚴重誤碼導致的。

c）第3步進行功率裕度測試，和對側(cè)配合進行。首先進行本端測試，保持對側(cè)正常連接，取下本側(cè)保護裝置發(fā)送端TX（translate）光纖接頭，用尾纖將保護裝置TX連接至光功率計，光功率計波長設置為1 310 nm，測量得到本側(cè)發(fā)信功率-9 dBm；然后取下保護裝置接收端RX（receive）光纖接頭連接至光功率計，測量得到本側(cè)收信功率-36.4 dBm，本側(cè)功率裕度和靈敏度滿足要求。然后恢復本端正常連接，由對側(cè)進行測試，對側(cè)告知測試數(shù)據(jù)為發(fā)信功率-7.5 dBm，收信功率-34.1 dBm，數(shù)據(jù)也滿足功率裕度和靈敏度要求。

d）進行自環(huán)測試，按照3.2章節(jié)所述方法在保護小室內(nèi)先進行本端光自環(huán)，保護裝置報文顯示“通道B通信恢復”；然后在通信機房內(nèi)進行近端電自環(huán)，CSC-186B裝置提供通道環(huán)回測試功能，自環(huán)后保護裝置報文顯示“通道B通信恢復”，至此初步判斷本側(cè)保護裝置和接口裝置工作正常，故障源在2 M數(shù)據(jù)網(wǎng)或?qū)?cè)。

e）由經(jīng)驗判斷2 M數(shù)據(jù)網(wǎng)故障概率較低，因此決定先由對側(cè)進行自環(huán)檢測。與對側(cè)檢修人員聯(lián)系，由對側(cè)進行本端光自環(huán)和近端電自環(huán)，對側(cè)進行本端光自環(huán)時保護裝置報文顯示“通道B通信恢復”；進行近端電自環(huán)時，保護裝置報文顯示“通道B通信中斷”，丟幀數(shù)600幀?？梢赃M一步判斷故障點在對側(cè)，并且在通信接口裝置到保護裝置光纖接口之間。

f）對側(cè)檢查保護室到通信機房這段光纜有無問題。更換保護室到通信機房這段光纜的備用光纖芯線，并清潔尾纖頭，更換后，仍然報警。由此，故障點可以定位到通信接口裝置上。

g）最后對側(cè)更換通信接口裝置，兩側(cè)恢復保護裝置設置，報警消失，保護裝置正常工作。練亭5147線路第2套保護B通道隨后恢復運行。在光纖保護通道實際應用中，經(jīng)常發(fā)生由通信接口裝置引起的保護信號告警問題[12]。保護裝置有自身的通道誤碼監(jiān)視和告警功能，而通信接口裝置雖然自身有通道告警功能，但其設計非常簡單，僅僅能判斷通道物理上的中斷，不能提供通道內(nèi)部同步、誤碼、時延等重要信息，所以在此次事件中，通信接口裝置無告警，未能第一時間確定為通信接口裝置故障。

4 結(jié)束語

通道告警屬于二次嚴重缺陷，上海電網(wǎng)500 kV亭衛(wèi)變電站練亭5147線路第2套保護B通道告警問題的處理過程中，查明了故障原因為通信接口裝置損壞，歸納了“一查看，二測試，三確定”的通道故障問題的一般處理方法，該方法能夠為繼電保護人員快速定位故障點，盡快消除缺陷提供參考。