李春波,牛志民,王啟航,尹 宏,劉守瑞

(國網(wǎng)保定供電公司,河北 保定 071000)

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展,光纖通信已經(jīng)在社會各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。光纖通道因其在傳輸容量和可靠性等方面性能優(yōu)良被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)信號傳輸,是目前光纖繼電保護(hù)系統(tǒng)中的重要信號傳輸手段[23],實現(xiàn)了由模擬量保護(hù)信號向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,提升了信號傳輸?shù)目煽啃訹4-6]。

針對光纖繼電保護(hù)存在的問題,部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[7]針對光纖縱聯(lián)保護(hù)電路在實際運用過程中出現(xiàn)的一起500 k V 線路保護(hù)光纖通道異常情況進(jìn)行分析,提出了相應(yīng)的通道異常處理方法。文獻(xiàn)[8]針對縱聯(lián)保護(hù)系統(tǒng)中光纖通道的通道延時和誤碼率帶來的相關(guān)問題進(jìn)行了分析,結(jié)果表明以上2種情況可能會使縱聯(lián)差動保護(hù)延時動作,嚴(yán)重時會導(dǎo)致保護(hù)誤動,但是以上2種情況的出現(xiàn)不會影響縱聯(lián)距離保護(hù)的動作。文獻(xiàn)[9]從光纖通道故障篩查所用的工器具、通道故障處理的環(huán)境是否允許和光纖通道故障定位及處理方法等方面對光纖通道發(fā)生故障后的應(yīng)對措施進(jìn)行分析,并結(jié)合實際案例對防范手段進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[10]針對光纖保護(hù)系統(tǒng)中的重復(fù)性光纖通道告警問題,結(jié)合實際繼電保護(hù)場景中信息處理手段和分層方式,設(shè)計了一種能夠在線監(jiān)測光纖通道是否出現(xiàn)故障的設(shè)備,并可實現(xiàn)故障斷定位。

1 光纖保護(hù)系統(tǒng)及光纖通道傳送保護(hù)信號的方式

光纖保護(hù)系統(tǒng)指的是利用光纖作為信號傳輸介質(zhì)的繼電保護(hù)系統(tǒng)。在繼電保護(hù)中利用光纖進(jìn)行信號傳輸能夠防止電磁干擾對保護(hù)信號的影響,且在一定程度上提升信號傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性[11]。光纖保護(hù)系統(tǒng)主要包括以下幾個部分。

1)繼電保護(hù)裝置。與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置相同,其作用是當(dāng)電力系統(tǒng)中某個元件不正常運行或發(fā)生故障后,能夠自動發(fā)出報警信號或切斷故障元件,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2)通信設(shè)備。其作用是發(fā)出和接收信號,實現(xiàn)雙向通信,主要包括數(shù)字配線架、光纖配線架和同步數(shù)字體系3種。

3)光纖。其作用是用作多個通信設(shè)備之間信號傳輸?shù)慕橘|(zhì),傳輸容量大、穩(wěn)定性高。

4)保護(hù)與通信接口設(shè)備。其作用是實現(xiàn)保護(hù)裝置與通信設(shè)備之間的連接和信號傳輸。

光纖保護(hù)系統(tǒng)按照光纖通道的類型可以分為專用光纖通道和復(fù)用光纖通道2種,它們的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖保護(hù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

專用光纖通道保護(hù)系統(tǒng)指的是繼電保護(hù)裝置發(fā)出的信號經(jīng)過接口設(shè)備直接通過光纖配線架在光纖上進(jìn)行傳輸,中間不需要經(jīng)過其他通信設(shè)備。專用光纖通道具有設(shè)備少、中間環(huán)節(jié)少、經(jīng)濟(jì)性好且運維方便等優(yōu)點,但是由于繼電保護(hù)裝置發(fā)出信號的功率有限,因此無法適用于通信距離較長的情況,同時也無法實現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。此外專用光纖通道電纜芯的利用率較低,存在資源浪費情況。

復(fù)用光纖通道保護(hù)系統(tǒng)指的是繼電保護(hù)裝置發(fā)出的信號首先通過保護(hù)與通信接口設(shè)備發(fā)送到通信設(shè)備上,然后通信設(shè)備再將該信號通過數(shù)字配線架或同步數(shù)字體系在光纖上向?qū)?cè)進(jìn)行傳輸。復(fù)用光纖通道可以在一定程度上增強保護(hù)信號的功率,且不會單獨占用光纖芯,一般適用于距離較遠(yuǎn)的情況。同時,由于復(fù)用光纖通道相對于專用光纖通道增加了中間設(shè)備,其出現(xiàn)故障的概率也相對較大,難以快速實現(xiàn)故障點的查找和定位。

2 光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)延時問題分析

2.1 光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)

光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)與傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)原理相同,都是通過對同一時刻本側(cè)電流與對側(cè)電流進(jìn)行差值計算,并與設(shè)定的動作門檻值進(jìn)行比對來判定是否動作,其基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)的基本結(jié)構(gòu)

如圖2所示,光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)是通過光纖通道對電流數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。對于傳統(tǒng)的縱聯(lián)差動保護(hù)而言兩側(cè)數(shù)據(jù)的同步問題是難點,通常會依據(jù)GPS或參考相量解決該問題,但也會存在一定的誤差。

在光纖通道保護(hù)系統(tǒng)中常用的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)是同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy,SDH),其可以將復(fù)接、線路傳輸和信號交換等多種功能進(jìn)行融合,形成整體并由統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行操作,可實現(xiàn)準(zhǔn)確的兩端數(shù)據(jù)同步,正常情況下不存在數(shù)據(jù)不同步的問題。

2.2 光纖傳輸系統(tǒng)延時

光纖傳輸系統(tǒng)中產(chǎn)生延時的主要情況包括以下3種。

1)傳輸通道延時。通過光纖進(jìn)行傳輸?shù)男盘柺枪庑盘?其實質(zhì)上是電磁波的一種。電磁波的傳輸速度受介質(zhì)的影響,介質(zhì)的折射率越大,電磁波的傳播速度越小,光信號在光纖中的傳播速度約為2×108m/s,因此信號在光纖通道中進(jìn)行傳輸會產(chǎn)生相應(yīng)的延時。

2)脈沖編碼調(diào)制系統(tǒng)(PCM)復(fù)用終端設(shè)備產(chǎn)生的延時。PCM 設(shè)備的模塊主要分為四部分:接入與復(fù)用模塊,即將低速業(yè)務(wù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并裝入1個64 kb/s時隙,然后將32個64 kb/s時隙復(fù)用成1路2 Mb/s信號延伸到對端;時隙交叉模塊,即A設(shè)備的第1時隙與B設(shè)備第2時隙互通,進(jìn)而實現(xiàn)多方向組網(wǎng)并節(jié)省大量設(shè)備資源;2 M 線路保護(hù)模塊,可分為1+1保護(hù)和n∶m保護(hù),其中1+1保護(hù)為無損傷保護(hù),n∶m 保護(hù)為有損傷保護(hù),可多路保護(hù)1路重要的2 M 線路;接口測試模塊,即支持電話、音頻/EM、RS232/422/485、以太網(wǎng)等接口的性能測試。這些模塊的運作會帶來相應(yīng)的延時,一般時長約為500μs。

3)傳輸設(shè)備的延時。在光纖通信系統(tǒng)中采用的光纖配線架、數(shù)字配線架或同步數(shù)字體系設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中需要完成映射、定位等一系列操作,并進(jìn)行指針調(diào)節(jié)和接口處理,會產(chǎn)生一定的延時。

2.3 光纖通道延時對縱聯(lián)差動保護(hù)影響

下面以長園深瑞繼保自動化有限公司PRS753S光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)裝置為例,在不同信號接收和發(fā)送通道的情況下,對不平衡電流及通道延時進(jìn)行實驗測試,測試結(jié)果見表1。

表1 不同信號接收和發(fā)送通道產(chǎn)生的影響

由表1的測試結(jié)果可以看出,當(dāng)繼電保護(hù)裝置信號接收和信號發(fā)送采用的通道不一致時,保護(hù)裝置的不平衡電流會增大。此外,可以看出不論是信號接收還是信號發(fā)送,在使用短通道的情況下都可以降低通道延時。

分別針對信號接收和發(fā)送通道相同和不同的情況,對繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。信號的傳輸過程分別見圖3、圖4。

圖4 信號接收和發(fā)送通道不同時的傳輸過程

圖3中,信號由P側(cè)發(fā)出并經(jīng)過時間t a后到達(dá)Q側(cè)進(jìn)行接收,然后信號由Q側(cè)發(fā)出并經(jīng)過時間t b后達(dá)到P側(cè)進(jìn)行接收。信號接收和發(fā)送通道相同時有t a=t b。此時的通道延時如式(1)所示。

只有當(dāng)實現(xiàn)線路兩端電流量時鐘完全同步時才可以對縱聯(lián)差動保護(hù)中的差動電流和制動電流進(jìn)行精確計算,也就是需要將圖3中的數(shù)據(jù)幀t′q6與數(shù)據(jù)幀t p7、t p8在時鐘上進(jìn)行精確對準(zhǔn)。時鐘對準(zhǔn)過程一般可通過將接收到的電流量信號進(jìn)行特定角度的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn),該角度的大小對應(yīng)于t′q6與數(shù)據(jù)幀t p7、t p8之間的時間差值。時間差值為xms時需要旋轉(zhuǎn)的角度大小可通過式(2)進(jìn)行計算。

圖4中,線路兩側(cè)縱聯(lián)差動保護(hù)裝置的信號接收和發(fā)送路由器不一致,導(dǎo)致線路兩側(cè)的通道延時會產(chǎn)生一定的誤差,造成數(shù)據(jù)不同步,同步時間偏差如式(3)所示。

對于線路P側(cè)而言是長通道接收,短通道發(fā)送,P側(cè)接收到t′q6的數(shù)據(jù)對應(yīng)于數(shù)據(jù)幀t p7和t p8之間的時間差值較大,因此需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角度也較大。這種情況下就會產(chǎn)生較大的不平衡電流。

3 實際案例分析

3.1 案例1

3.1.1 問題分析

2022年1月13日,某220 k V 變電站某條220 k V線路配置的光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)裝置在運行過程中出現(xiàn)光纖通道告警情況。該保護(hù)裝置為長園深瑞繼保自動化有限公司生產(chǎn)的PRS753S型光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)裝置,根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)象及裝置記錄進(jìn)行現(xiàn)場排查,最終判斷裝置光纖通道告警的原因是該裝置存在光纖數(shù)據(jù)丟幀情況。

為進(jìn)一步分析光纖數(shù)據(jù)丟幀情況,對相關(guān)插件的配置進(jìn)行了現(xiàn)場排查。

1)分別針對繼電保護(hù)裝置采用光纖進(jìn)行自環(huán)測試,針對光纖接口處采用2M 線進(jìn)行自環(huán)測試,針對光纖數(shù)字配線架進(jìn)行自環(huán)測試,對光纖通道進(jìn)行中斷恢復(fù)、檢查和數(shù)據(jù)測試,并未有異常情況。

2)根據(jù)第2.2節(jié),對現(xiàn)場光纖傳輸系統(tǒng)的延時進(jìn)行排查。其中復(fù)用光纖傳輸通道的通道延時約為0.72 ms,PCM 復(fù)用終端設(shè)備產(chǎn)生的延時約為0.05 ms,傳輸設(shè)備光纖接口處的延時損耗約為0.01 ms,最終可以得出該線路保護(hù)裝置使用的復(fù)用光纖傳輸通道的總延時約為0.78 ms。

經(jīng)過上述分析,發(fā)現(xiàn)光纖通道延時(0.78 ms)的離散性大于裝置的檢測范圍,使得該保護(hù)裝置復(fù)用光纖的延時處于光纖延時灰色區(qū)域,造成裝置光纖數(shù)據(jù)丟幀,從而引發(fā)光纖通道告警。

在同步采樣法中,線路兩側(cè)的保護(hù)裝置會以相同的采樣頻率進(jìn)行采樣,并以相同的時間間隔將采樣數(shù)據(jù),經(jīng)過一定的通道延時后發(fā)送到對側(cè)的保護(hù)裝置。因此,保護(hù)裝置在采樣間隔期間會接收來自對側(cè)保護(hù)裝置的采樣數(shù)據(jù),并進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢測和采樣數(shù)據(jù)的同步調(diào)整。若光纖傳輸系統(tǒng)的延時大小等于整數(shù)倍的采樣間隔時間,那么將會導(dǎo)致對側(cè)保護(hù)裝置將數(shù)據(jù)經(jīng)過通道延時傳到本側(cè)裝置時,本側(cè)保護(hù)裝置處于數(shù)據(jù)采樣期間,從而無法接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。因此,可能導(dǎo)致某一個采樣間隔沒有接收到對側(cè)的采樣數(shù)據(jù),而下一個采樣間隔接收到兩幀采樣數(shù)據(jù)。這種情況下保護(hù)裝置就會認(rèn)為有2個異常的數(shù)據(jù)采樣點,從而可能引發(fā)保護(hù)閉鎖,并發(fā)出通道告警。其中通道延時等于整數(shù)倍的保護(hù)裝置采樣間隔時間的情況即為光纖通道延時灰色區(qū)域。

綜上所述,認(rèn)為該線路保護(hù)裝置的采樣間隔時間約為光纖通道延時(0.78 ms)的整數(shù)倍,引發(fā)通道告警。

3.1.2 應(yīng)對措施

該線路保護(hù)裝置是長園深瑞繼保自動化有限公司的早期設(shè)備,當(dāng)光纖通道延時在0.7~0.8 ms時,裝置對光纖通道延時離散性的檢測較為靈敏,若現(xiàn)場光纖復(fù)用通道延時離散性較大,裝置可能出現(xiàn)光纖告警情況;若通道延時較為穩(wěn)定,則不會告警。

因此,考慮通過對光纖插件進(jìn)行撥碼配置,改變裝置復(fù)用光纖通道延時。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整發(fā)現(xiàn)當(dāng)使復(fù)用光纖通道延時穩(wěn)定在1 ms時,裝置光纖通道延時離散性較為穩(wěn)定,并且不再出現(xiàn)光纖丟幀告警情況?，F(xiàn)場更改光纖插件撥碼配置后,裝置恢復(fù)正常運行,并且經(jīng)過5 h的運行觀察,沒有出現(xiàn)丟幀告警情況。

3.2 案例2

3.2.1 問題分析

2022年2月5日,某220 k V 變電站某條220 k V 線路配置的光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)裝置在運行過程中光纖通道B出現(xiàn)通道告警情況。該保護(hù)裝置為國電南京自動化股份有限公司生產(chǎn)的PSL603GC型光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)裝置,該保護(hù)裝置的通道A 為專用光纖,通道B為復(fù)用光纖通道,根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)象及裝置記錄進(jìn)行現(xiàn)場排查。

1)首先針對PSL603GC型保護(hù)裝置通信面板中的發(fā)送和接收功率進(jìn)行測量收集,并將功率數(shù)值與裝置說明書中能夠確保裝置在運行過程中不報警的功率最小值進(jìn)行對比,判斷實際功率是否在正常運行要求的功率范圍內(nèi),如果不再要求范圍內(nèi)則需要對該保護(hù)通信插件進(jìn)行更換。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)送和接收功率均為正常。

2)針對光纖通道接口進(jìn)行檢查,檢測熔纖處是否可靠接觸,光纖接口處是否有異物阻隔造成通道中斷,通過對光纖接口進(jìn)行檢查并重新拔插光纖“通道告警”并未消除。

3)針對繼電保護(hù)裝置采用光纖進(jìn)行自環(huán)測試,在主控室內(nèi)針對本側(cè)的保護(hù)裝置和2M 線進(jìn)行本端光纖自環(huán)測試后,通道告警情況并未消失且有光纖數(shù)據(jù)丟幀情況出現(xiàn)。針對另一端進(jìn)行自環(huán)測試時通道告警情況消失,由此可知引起通告告警的原因在于本側(cè)光纖保護(hù)裝置側(cè)。

3.2.2 應(yīng)對措施

從實際經(jīng)驗來看,絕大多數(shù)通道告警出現(xiàn)的原因是熔纖不可靠或接口灰塵堆積等光纖接口的相關(guān)問題。此外,光線保護(hù)的通信裝置一般對線路兩側(cè)保護(hù)裝置的時鐘同步有嚴(yán)格的要求,尤其是對于復(fù)用光纖通道一般通過發(fā)送統(tǒng)一的時鐘信號進(jìn)行對時。出現(xiàn)光纖通道告警的情況時,當(dāng)排除光纖接口的問題后可以分別對線路本側(cè)的保護(hù)裝置和2M 線進(jìn)行自環(huán)測試,在此基礎(chǔ)上確定故障的區(qū)間并進(jìn)行修復(fù)。

在本次故障中經(jīng)過自環(huán)測試可以發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置和2M 裝置本身出現(xiàn)問題導(dǎo)致光纖通道報警,通過更換本側(cè)PSL603GC插件及2M 裝置后通道告警消失。

3.3 其他案例

除了以上案例之外,在變電站中光纖通道告警的案例還有以下不同情況。

1)某光纖差動保護(hù)控制回路斷線和保護(hù)裝置通道告警同時出現(xiàn),經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置并未發(fā)出控制回路斷線的信號。退出該光纖差動保護(hù)后所有信號都復(fù)位,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)控制回路斷線信號與裝置告警信號接反,更正后恢復(fù)。

2)某光纖差動保護(hù)頻發(fā)通道異常檢查消缺信號,經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)異常原因是通道板上的通道延時撥碼有問題,通道延時造成數(shù)據(jù)丟幀,通過修改通道延時撥碼對通道延時進(jìn)行增加后故障消失。

3)某光纖差動保護(hù)發(fā)出通道異常告警,通過在本側(cè)和對側(cè)變電站內(nèi)進(jìn)行自閉環(huán)檢測并未發(fā)現(xiàn)異常,對光纖通道進(jìn)行檢查也未見異常,通過更換2M 通道并重啟光纖差動保護(hù)裝置后故障消失。

4 結(jié)論

線路光纖縱聯(lián)差動保護(hù)裝置通道告警會導(dǎo)致線路兩端的光纖縱聯(lián)差動保護(hù)裝置數(shù)據(jù)不同步,進(jìn)而引起不平電流的變化,增大了發(fā)生保護(hù)誤動情況的可能性。針對線路光纖縱聯(lián)差動保護(hù)裝置出現(xiàn)光纖通道告警的原因進(jìn)行了深入研究,并對不同原因引起告警的解決對策進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下。

1)分析了線路光纖保護(hù)系統(tǒng)中保護(hù)信號的傳送方式以及光纖電流縱聯(lián)差動保護(hù)的原理,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了光纖傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生延時的原因及其對縱聯(lián)差動保護(hù)產(chǎn)生的影響。

2)在光纖傳輸系統(tǒng)的延時大小等于整數(shù)倍的保護(hù)裝置采樣間隔時間的情況下,光纖復(fù)用通道延時離散性較大,會使得通道延時落入光纖通道延時灰色區(qū)域,即出現(xiàn)線路保護(hù)裝置通道中斷及丟幀現(xiàn)象并引發(fā)光纖通道告警。通過人為對光纖插件進(jìn)行撥碼配置并改變裝置復(fù)用光纖通道延時可以消除告警。

3)光纖通道延時的大小等于整數(shù)倍的保護(hù)裝置采樣間隔時,可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟幀并引發(fā)通道告警。人為對光纖插件進(jìn)行撥碼配置并改變裝置復(fù)用光纖通道延時可以消除告警。

4)保護(hù)裝置插件和2M 裝置本身出現(xiàn)故障會造成光纖通道告警,通過自環(huán)測試等手段確定故障區(qū)間并對插件進(jìn)行更換即可消除告警。

5)裝置告警信號接線異常、通道延時撥碼錯誤等也會造成光纖通道報警,對異常接線進(jìn)行修復(fù)、修改通道延時撥碼后可消除告警。