IEEE-C37.94標準在繼電保護設備中的應用

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標準在繼電保護設備中的應用

劉革明，余 冬，朱曉彤

(南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

為提高繼電保護裝置的光纖通道故障監(jiān)測能力和定位能力，嘗試將IEEE-C37.94光接口標準應用到繼電保護裝置，并研究該標準應用到繼電保護裝置中的優(yōu)勢及局限性。通過解讀IEEE-C37.94光接口標準幀格式的協(xié)議，結合國內(nèi)繼電保護裝置的光纖傳輸要求，驗證該標準可以允許不同廠家的保護設備與數(shù)字復接接口設備在光接口處能夠互通，并且對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題，寬松的校驗措施也給其應用于繼電保護設備帶來了一些局限性。實際應用情況表明，IEEE-C37.94標準應用于繼電保護設備是可行的。

C37.94;繼電保護;通信故障;故障定位

光纖在繼電保護領域得到了廣泛的應用。它不僅可以傳送開關量信號，還能傳送電流、電壓等模擬量信號，構成了光纖縱聯(lián)距離/方向、光纖差動等不同原理的主保護［1］。目前國內(nèi)主流繼電保護廠家的保護設備采用了互不相同的光接口標準，對于專用通道，這樣的做法對維護、測試影響不大;但對于復用通道就帶來一些問題，如發(fā)生通道異常后很難直觀地進行故障定位［2］;不同廠家的保護設備與數(shù)字復接接口設備不能互通［3］;數(shù)字復接接口設備對通道質(zhì)量的監(jiān)測力度不夠等。

IEEE于2002年制定了C37.94標準，該標準規(guī)范了保護設備與數(shù)字復接接口設備之間的光纖接口［4］，以便允許不同廠家生產(chǎn)的保護設備與數(shù)字復接接口設備在光接口處能夠互通，同時能提高通道故障定位及監(jiān)測的水平。本文從目前光纖復用通道中存在的問題出發(fā)，介紹了C37.94標準的主要內(nèi)容，并分析了該標準應用于繼電保護設備的優(yōu)勢及局限性。

1 目前存在的問題

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

復用通道方式下的數(shù)字復接接口設備與電力通信網(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，復用通道的連接方式如圖1所示。目前實際應用中主要存在以下幾個方面的問題。

圖1 繼電保護2M復用通道的連接方式

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

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

c. 數(shù)字復接接口設備對通道質(zhì)量的監(jiān)測力度不夠。目前各廠家的光接口一般為不成幀信號，這樣數(shù)字復接接口設備通常只能檢測通道通、斷，而對檢測誤幀無能為力。

2 C37.94 標準介紹

IEEE-C37.94規(guī)定了保護設備與數(shù)字復接接口設備之間采用統(tǒng)一的標準進行通信，提供了N(N=1，2，…，12) ×64 kbit/s的傳輸帶寬，使不用廠家的保護設備與數(shù)字復接接口設備能夠互連。另外，C37.94標準中規(guī)定了相對嚴格的幀格式，所以對通道故障定位起到積極作用。

2.1 幀結構 (見圖2)

圖2 IEEE-C37.94標準幀結構

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表示對側裝置接收到 (LOS)。

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

數(shù)據(jù)頭部分有48個bit，每個后面都跟著它的反碼。

前8 bit中的p，q，r，s表示實際所用的通信數(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攜帶大量的時鐘信息，可在接收端用于時鐘恢復。

數(shù)據(jù)部分由192 bit組成，每個比特后面跟著它的反碼。從第1個數(shù)據(jù)位開始，連續(xù)N×8個數(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)則設為1。C37.94標準規(guī)定每秒傳送8 000幀，其中每幀傳輸N個通道，每個通道有效數(shù)據(jù)為8 bit，所以通信傳輸帶寬為N×64 kbit/s。

2.2 信號故障

C37.94定義了LOS、YELLOW、AIS三種告警來反應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)檢測到2幀或2幀以上的錯幀即判別為LOS。

LOS清除條件:接收器在檢測到連續(xù)8幀正確幀。

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

“黃色告警bit”y清除條件:保護裝置判斷無LOS、AIS、傳輸異常時，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且接收信號正常 (無LOS)。

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

AIS產(chǎn)生條件:數(shù)字復接設備在光口接收LOS后，用全“1”填充(原碼、補碼更替)數(shù)據(jù)頭及數(shù)據(jù)部分。保護裝置識別全“1”數(shù)據(jù)即判斷為AIS。

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

3 C37.94標準在保護設備中的特色及局限性

3.1 優(yōu)勢

圖3 通信鏈路故障位置示意圖

a. 它為不同廠家的保護裝置及數(shù)字復接接口設備之間通信提供了統(tǒng)一標準，用戶只需要維護一種通信接口設備。

b. 提高通道故障定位自動化能力及通道監(jiān)測水平。

如圖3，不同通道故障位置 (1～5)情況下，根據(jù)C37.94標準協(xié)議規(guī)定，保護設備的響應如表1所示。除了故障位置2和3無法區(qū)分外，其余故障位置都能根據(jù)兩側保護設備的通道狀態(tài)響應情況識別出來，大大提高了通道故障檢測水平。

表1 保護設備在不同通信故障位置下的反應

c. C37.94的幀格式有嚴格的通道監(jiān)測手段及同步信息。C37.94的幀頭分奇偶交替，并且數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)位都含補碼校驗。出現(xiàn)誤碼時，C37.94幀格式很容易被破壞，數(shù)字復接接口設備及保護設備都很容易檢測出誤碼。

另外，C37.94每一幀數(shù)據(jù)的0、1位個數(shù)基本相等，不會出現(xiàn)長串的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標準規(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、穩(wěn)控設備。

b. C37.94標準主要用于復用通道，在專用光纖應用場合無法體現(xiàn)互通以及通信故障定位優(yōu)勢。

c. C37.94標準中對于數(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備在該部分做不同的處理可能會影響彼此之間的互通。

d. C37.94標準某些通信故障判別相對寬松(如LOS判別條件)，但保護設備對于光纖接收信息的正確性校驗非常嚴格，任一幀錯誤信息都不能使用。這樣保護設備不能直接利用C37.94標準校驗結果，必須在高級應用層實現(xiàn)一些更完善的CRC校驗處理。

4 C37.94標準的應用情況

目前國外的一些繼電保護廠商已經(jīng)推出支持C37.94標準的保護設備，如GE公司的L90、ABB公司的IED670，SUNSET公司也推出了C37.94標準的測試儀。

國內(nèi)繼電保護廠商也開發(fā)出基于IEEEC37.94標準的差動保護裝置，并且已投入東北電網(wǎng)遼沙2號線 (500 kV線路)運行，至今運行情況良好，經(jīng)歷了多次區(qū)外故障的考驗，同時經(jīng)歷了1次區(qū)內(nèi)故障并且保護裝置正確動作。區(qū)內(nèi)外故障期間，保護裝置未發(fā)現(xiàn)裝置出現(xiàn)誤幀或丟幀等現(xiàn)象，證明了支持該標準的保護裝置能夠成功應用于高電壓等級輸電線路。

5 結束語

目前，國內(nèi)各繼電保護設備采用了互不相同的光接口標準，給維護、管理等方面帶來一些問題。C37.94是一個N*64k速率的國際光接口規(guī)范，它規(guī)范了繼電保護的接口標準，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、誤碼檢測等功能。國內(nèi)研制的基于C37.94標準通信的保護裝置運行情況良好，為今后提高保護裝置通道告警監(jiān)測能力提供了一個參考手段。

［1］ 陳強林，李瑞生，馬全霞，等.繼電保護通道檢測平臺在光纖差動保護測試中的應用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(8):83-85.

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

［3］ 陳建寧，仲惟師.繼電保護光纖通信接口技術及標準［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.提高極端氣候條件下繼電保護通道可靠性的方案 ［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(9):106-108.

［7］ 姚慶華，賀則銘，單慶元.線路保護裝置通道異常告警的典型處理［J］.華北電力技術，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)繼電保護方面的研究。

2013-01-09)