2M光接口及其在電力通信線路保護(hù)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究

姜紹艷

（廣東中山供電局）

1 概述

電力系統(tǒng)線路繼電保護(hù)是指高壓輸電線路繼電保護(hù)裝置間傳遞的遠(yuǎn)方數(shù)字信號(hào)，要求極高的可靠性、安全性和較短的傳輸時(shí)延，是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保證。電力系統(tǒng)由于受自然的、人為的因素影響，不可避免地會(huì)發(fā)生各種形式的短路故障和出現(xiàn)異常狀態(tài)，這些狀況都可能在電力系統(tǒng)中引起事故。繼電保護(hù)的任務(wù)就是當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，給控制設(shè)備（如輸電線路、發(fā)電機(jī)、變壓器等）的斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)，將發(fā)生故障的主設(shè)備從系統(tǒng)中切除，保證無故障部分繼續(xù)運(yùn)行。在電力系統(tǒng)中，線路繼電保護(hù)應(yīng)用在輸電線路上，包括500kV、220kV和部分110kV線路。

2 中山電網(wǎng)電力通信線路保護(hù)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀及存在問題

2.1 業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

對(duì)通信通道的需求，線路保護(hù)優(yōu)先選擇光纖通道作為主通道，采用專用光纖或E1通道，可盡量減少保護(hù)通道中的轉(zhuǎn)換設(shè)備。獨(dú)立通道如果全部采用傳輸網(wǎng)，則分別承載在傳輸A網(wǎng)和傳輸B網(wǎng)上。

中山電網(wǎng)應(yīng)用的線路保護(hù)通信通道主要有光纖、E1、載波三種，如圖1所示。其中：

(1) 光纖電流差動(dòng)保護(hù)采用光纖通道（專用或復(fù)用）；

(2) 高頻距離保護(hù)采用光纖通道（專用或復(fù)用）或載波通道；

(3) 高頻方向保護(hù)采用光纖通道（專用或復(fù)用）或載波通道。

圖1 線路保護(hù)通信通道類型

專用通道方式是指線路兩側(cè)保護(hù)裝置之間直接通過導(dǎo)引線或光纖傳輸保護(hù)信息。一個(gè)通道獨(dú)占2根導(dǎo)引線或纖芯，由保護(hù)裝置把保護(hù)信息編碼后傳送到對(duì)端，中間不經(jīng)過任何數(shù)字復(fù)接設(shè)備。復(fù)用通道方式是指線路兩側(cè)保護(hù)裝置通過電力通信網(wǎng)傳輸保護(hù)信息。

目前，中山電力通信網(wǎng)承載著中山電網(wǎng)71條輸電線路的繼電保護(hù)業(yè)務(wù)，其中 500kV的輸電線路 8條；220kV的輸電線路57條；110kV的輸電線路6條。且每條500kV線路配置兩套主保護(hù)和兩套過電壓遠(yuǎn)跳輔助保護(hù)；每條220kV線路配置兩套主保護(hù)；每條110kV線路配置一套主保護(hù)。應(yīng)用的保護(hù)主要有微機(jī)高頻方向保護(hù)、微機(jī)高頻距離保護(hù)、光纖電流差動(dòng)保護(hù)等。

2.2 存在問題

2.2.1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題

目前，中山電網(wǎng)運(yùn)行的光纖通信網(wǎng)主要基于SDH/MSTP技術(shù)體制，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以環(huán)網(wǎng)為主、鏈型為輔，正常情況下滿足“N-1”通信通道保障。基于SDH/MSTP技術(shù)體制的傳輸網(wǎng)絡(luò)缺乏智能化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹I(yè)務(wù)路由和業(yè)務(wù)帶寬都是預(yù)先設(shè)置并固定的，缺乏靈活性。在線路、設(shè)備檢修期間，難以滿足網(wǎng)絡(luò)“N-1”通道保護(hù)功能，導(dǎo)致線路保護(hù)業(yè)務(wù)存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 專用光纖通道的問題

目前，中山電網(wǎng)運(yùn)行的線路專用光纖通道均按照主備用配置，所以每條線路的每條專用光纖通道獨(dú)占4根纖芯，消耗大量的纖芯資源，因此對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、冗余度都有很高的要求。由于光纖網(wǎng)存在一些瓶頸，對(duì)于配置了兩套專用纖芯保護(hù)的線路，經(jīng)常出現(xiàn)難以安排不同物理路由的通道的情況。

2.2.3 復(fù)用2M通道的問題

目前在中山電力通信網(wǎng)傳輸繼電保護(hù)信息的實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)用通道采用E1線路保護(hù)方式，通道由同步數(shù)字系列（SDH）光傳輸網(wǎng)提供。復(fù)用通道方式下保護(hù)裝置與通信SDH設(shè)備之間連接如圖2所示。

圖2 保護(hù)裝置與通信傳輸設(shè)備連接示意圖

由圖2可知，因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置和通信設(shè)備之間沒有統(tǒng)一的光接口直接連接，在保護(hù)裝置與通信設(shè)備間還需光電轉(zhuǎn)換設(shè)備（如MUX2M等）來實(shí)現(xiàn)接口匹配，即通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將保護(hù)裝置產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成2Mbit/s電信號(hào)，再通過同軸電纜連接通信SDH設(shè)備的2Mbit/s電接口，從而將2Mbit/s信號(hào)傳送給通信SDH設(shè)備，然后通過通信SDH光傳輸網(wǎng)將保護(hù)信號(hào)傳輸至對(duì)端保護(hù)裝置。這種方式的應(yīng)用存在如下問題：

(1) 設(shè)備連接復(fù)雜，光電轉(zhuǎn)換設(shè)備不能網(wǎng)管監(jiān)控，故障率高。從繼電保護(hù)裝置端到端通信連接來看，信號(hào)中間轉(zhuǎn)換過程十分復(fù)雜，大量的光電轉(zhuǎn)換、跳線、跳纖使得工程實(shí)施復(fù)雜，可維護(hù)性差。此外，目前一套接口裝置只能對(duì)應(yīng)一條線路保護(hù)通道，如果通道數(shù)量多必須配置多套接口，投資增加且占用機(jī)房屏位。

(2) 不同廠家的遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備和數(shù)字復(fù)用設(shè)備無法互連。在用光纖傳輸繼電保護(hù)信息時(shí)，遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備和數(shù)字復(fù)用設(shè)備之間的光纖接口通信規(guī)范往往由各個(gè)繼電保護(hù)設(shè)備廠家制定，并且僅僅使用在本廠的設(shè)備上。因此在一個(gè)線路縱差保護(hù)系統(tǒng)中，必須使用同一廠家的遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備和數(shù)字復(fù)用設(shè)備。隨著通信系統(tǒng)日益標(biāo)準(zhǔn)化，這一現(xiàn)象阻礙了光纖通信系統(tǒng)在繼電保護(hù)信息傳輸中的應(yīng)用。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及故障定位困難。互聯(lián)后，如保護(hù)裝置出現(xiàn)誤碼或通道異常告警后，由于復(fù)用通道經(jīng)過各級(jí)通信設(shè)備，很難區(qū)分到底是哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題（共有8個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)問題），只能通過分段自環(huán)的方式檢查，且必須變電站兩側(cè)均派人檢查，檢查工作會(huì)同時(shí)涉及通信專業(yè)和保護(hù)專業(yè)，尤其在線路兩側(cè)分屬不同部門時(shí)，需要各單位各專業(yè)密切配合才能檢查出問題。有時(shí)各段自環(huán)沒有問題，但是互聯(lián)后就有問題，此時(shí)就更難檢查問題出在哪里，導(dǎo)致人力物力的浪費(fèi)。

3 2M光接口

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，許多新技術(shù)在電網(wǎng)二次設(shè)備中得到了應(yīng)用和嘗試。近年來，尤其是61850標(biāo)準(zhǔn)逐步推廣，中山電網(wǎng)三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站改造成功，各類控制系統(tǒng)在廠站端趨向融合。針對(duì)中山市電力通信線路保護(hù)業(yè)務(wù)存在的問題，線路保護(hù)業(yè)務(wù)的發(fā)展在現(xiàn)有通信要求上，提出了接口光纖化的新要求。如繼電保護(hù)與自動(dòng)化在站端使用同一網(wǎng)絡(luò)，信息共享等業(yè)務(wù)發(fā)展也對(duì)通信提出接口光纖化的要求。2M光接口的應(yīng)用可以很好地解決了2.2節(jié)所述的問題。

3.1 2M光接口應(yīng)用研究

在中山，電網(wǎng)光纖差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用越來越廣泛，500kV、220kV線路都作為主要繼電保護(hù)方式。GB 14285《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定：“具有光纖通信的輸電線路應(yīng)優(yōu)先采用光纖作為傳送繼電保護(hù)信息的通道”。傳輸繼電保護(hù)信息的通信通道既可以是專用通道，也可以是復(fù)用通道。

利用2Mbit/s光接口，變電站之間保護(hù)裝置通過電力通信網(wǎng)的通信通道組織如圖3所示。

圖3 變電站之間保護(hù)裝置通信連接示意圖

2Mbit/s光信號(hào)在A、B站保護(hù)裝置之間的收發(fā)過程如圖4所示。首先，A站保護(hù)裝置對(duì)保護(hù)信號(hào)進(jìn)行編碼并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)稱速率為2048 kb/s的光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)?A站通信傳輸設(shè)備的 2Mbit/s光接口，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理后對(duì)2Mbit/s電信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘信息提取，所得的時(shí)鐘信息用來保證A站和B站通信傳輸設(shè)備信號(hào)傳輸?shù)耐叫?；兩站同步后，A站通信設(shè)備對(duì)2Mbit/s電信號(hào)進(jìn)行復(fù)用，形成STM-N電信號(hào)，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換變成STM-N光信號(hào)，通過通信通道傳輸至B站，再通過光電轉(zhuǎn)換、解復(fù)用、解碼等步驟，最終B站保護(hù)裝置接收到A站保護(hù)裝置發(fā)送的保護(hù)信號(hào)；B站對(duì)信號(hào)分析處理后，以同樣的方式發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)至A站，從而達(dá)到A、B站保護(hù)裝置相互通信的目的。

圖4 2Mbit/s光信號(hào)收發(fā)過程示意圖

3.2 2M光接口業(yè)務(wù)模型

中山電網(wǎng)運(yùn)行的500kV線路保護(hù)有主1保護(hù)、主2保護(hù)、輔A、B保護(hù)，均為雙通道配置。通信通道有三種組合方式：全部采用復(fù)用光纖2M方式，共6個(gè) 2Mb/s；采用專用光纖+復(fù)用光纖 2M 方式，共 3對(duì)纖芯、3個(gè)2Mb/s；采用復(fù)用載波+復(fù)用光纖2M方式，共3對(duì)復(fù)用載波機(jī)、3個(gè)2Mb/s。

如果將復(fù)用光纖2M方式改造成2M光接口，復(fù)用載波改造成專用光纖或者2M光接口方式，中山電網(wǎng) 500kV線路保護(hù)業(yè)務(wù)通信通道典型配置模型如圖5(a)、(b)所示。主要有以下兩種組合：① 全部采用復(fù)用光纖2M方式，共6個(gè)2Mb/s；② 采用專用光纖+復(fù)用光纖2M方式，共3對(duì)纖芯、3個(gè)2Mb/s。

圖5 500kV線路保護(hù)通信通道典型配置模型

中山電網(wǎng)運(yùn)行的220kV線路保護(hù)有主1保護(hù)、主2保護(hù)，分別配置獨(dú)立的通道。通信通道有兩種組合方式：① 采用專用光纖+復(fù)用光纖2M方式，共1對(duì)纖芯，1個(gè)2Mb/s；② 全部采用專用光纖方式，共2對(duì)纖芯。如果將復(fù)用光纖2M方式改造成2M光接口，或考慮纖芯資源緊張的情況，中山電網(wǎng)220kV線路保護(hù)業(yè)務(wù)通信通道典型配置模型如圖6所示，有(a)、(b)、(c)三種組合。

圖6 220kV線路保護(hù)通信通道典型配置模型

在纖芯資源緊張的情況下，500kV、220kV、110kV線路保護(hù)業(yè)務(wù)均可采用2M光接口的方式。500kV共6個(gè)2Mb/s；220kV共2個(gè)2Mb/s；110kV共1個(gè)2Mb/s。

上述500kV、220kV線路保護(hù)通信通道典型配置模型中，500kV線路每套主保護(hù)采用兩組完全獨(dú)立的通道，不會(huì)因一條通信線路或一臺(tái)通信設(shè)備故障，使線路同時(shí)失去一套或兩套主保護(hù)；500kV每套過電壓遠(yuǎn)跳輔助保護(hù)的信號(hào)傳輸通道按雙重化原則配置，遠(yuǎn)跳裝置的信號(hào)傳輸采用兩組完全獨(dú)立的通道；220kV線路兩套主保護(hù)分別采用不同物理路由的通道，各自相互獨(dú)立，不會(huì)因一條通信線路或一臺(tái)通信設(shè)備出現(xiàn)故障，使線路同時(shí)失去兩套主保護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著統(tǒng)一的2M光接口的應(yīng)用，線路保護(hù)與其他控制系統(tǒng)在廠站端更加趨向融合。保護(hù)裝置與通信設(shè)備之間通過2M光接口直接連接，使線路保護(hù)業(yè)務(wù)設(shè)備之間互連更加簡(jiǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、日常運(yùn)行維護(hù)更加容易，并且可用于指導(dǎo)通信網(wǎng)規(guī)劃和線路保護(hù)業(yè)務(wù)接入通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施。因此，2M光接口在變電站生產(chǎn)業(yè)務(wù)接入中具有很好的發(fā)展前景。

[1] 李瑞生.光纖電流差動(dòng)保護(hù)與通道實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2] 陳志軍.國(guó)內(nèi)外變電站無人值守的比較與思考[J].廣東電力,2006,19(1):35-38.

[3] 蔡春元.中山電網(wǎng)EMS安全管理及安全對(duì)策研究[D].成都：電子科技大學(xué),2009年.

[4] 張世翔.電力企業(yè)信息化[M].北京:中國(guó)水力出版社,2008.