保護(hù)繼電器在以太網(wǎng)中的應(yīng)用探討

王浩

摘 要：本文結(jié)合保護(hù)繼電器、通訊系統(tǒng)和監(jiān)視儀器在變電所內(nèi)設(shè)計(jì)完成一套完整且實(shí)時(shí)的環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)。由繼電器提供的相關(guān)信息，以及由監(jiān)視器所捕捉到的畫面經(jīng)過光纖傳輸?shù)狡聊簧?，使繼電器室內(nèi)部和周邊實(shí)況得以監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；繼電器；光纖；通訊

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、載波繼電器系統(tǒng)應(yīng)用于通訊技術(shù)

在通訊系統(tǒng)中按通訊介質(zhì)（如光纖、微波、銅軸電纜）、資料存取的同步/異步和調(diào)變的技術(shù)來分類。目前主要應(yīng)用于電力保護(hù)繼電器系統(tǒng)中?按通信頻道方式可分為：（1）電力線載波；（2）音頻通訊；（3）微波通訊；（4）光纖通訊。

其中光纖系統(tǒng)組成主要包括：

1.光源（發(fā)送部分）2.光纖電纜傳輸部分3.檢光器（接收部分），如圖①所示入口連結(jié)是一調(diào)幅式紅外線載送系統(tǒng)提供雙重運(yùn)作于光纖兩端之上。每一光纖將調(diào)適一聲音波道（550 ～3200Hz），其傳送距離由光纖衰減特性而定。光纖接口組件包含一發(fā)射電路和另一接收器電路。在發(fā)射電路中，新進(jìn)的音頻信號(hào)被放大驅(qū)動(dòng)一發(fā)光二極管使產(chǎn)生一輸出量音訊信號(hào)強(qiáng)度成正比的紅外線。由光纖的受光角所匯集的圓柱幾何錐體，稱為光纖孔徑（Numerical Aperture；NA）提供入射路徑，此舉使入射紅外光線得以在光纖內(nèi)受引導(dǎo)全反射行進(jìn)至接收端，同時(shí)提供溫度及失真補(bǔ)償，消除由LED 輸出所衍生者。在接收電路中調(diào)幅（AM） 光波訊號(hào)被引導(dǎo)到PN（Positive Intrinsic negative）檢光器偵檢訊號(hào)，此訊號(hào)被放大且溫度被補(bǔ)償， 預(yù)備供調(diào)整增益因數(shù)（GainFactor），接收器增益控制波被使用來調(diào)整輸出準(zhǔn)位，光接口組件能夠直接地連接單一或多重功能音頻機(jī)到電訊保護(hù)波道。為提高光纖的使用頻率，減少投資費(fèi)用，通常在光纖傳輸系統(tǒng)中采用多任務(wù)制，亦即在同一光纖波道上，同一時(shí)刻提供許多使用者同時(shí)運(yùn)作，運(yùn)作方式可分為多重光波及多重電波兩種。

（A）多重光訊模式：通常采用多重光波波長分波器，將不同的光波長 λ1、λ2、λ3…等同時(shí)在同一光纖上作光波傳輸，此種方式可應(yīng)用于視訊寬帶訊號(hào)作多重傳輸，或?qū)⒁曈嵟c信息兩種不同性質(zhì)之訊號(hào)多重在一起傳輸，可獲多重分離特點(diǎn)。

（B）多重電訊模式：可分為分頻多任務(wù)（Frequency Division Multiplex；FDM）和分時(shí)多任務(wù)（Time Division Multiplexing；TDM）兩種。

（a）分頻多任務(wù)（FDM）：

用頻率分隔信號(hào)的技術(shù)稱為分頻多任務(wù)。假設(shè)輸入的信號(hào)皆為低通型態(tài)，在每一個(gè)輸入訊號(hào)后面有一個(gè)低通濾波器。這些濾波后的信號(hào)被送到調(diào)變器，將這些訊號(hào)頻率范圍移到彼此不同的頻率區(qū)間。進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)變（Direct Intensity Modulation；DIM），在設(shè)計(jì)上只要應(yīng)用LED 反映出輸入電能大小，則須予脈波間隔調(diào)變（Pulse Interval Modulation；PIM），將輸入訊號(hào)調(diào)制成適于光波傳送的型態(tài)。由于LED 或LD（Laser Diode）的震蕩頻率、相位均不甚穩(wěn)定，故調(diào)制方式不論為調(diào)頻（FM）在接收端檢光器上僅能施予直接解調(diào)光能強(qiáng)度的方式。此種方式將光能強(qiáng)弱大小施以比例解調(diào)檢測出原有電流的變化量，稱為直接檢波。

（b）分時(shí)多任務(wù)（TDM）：

分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)理論是讓多數(shù)的獨(dú)立信號(hào)原在不互相干擾下共同利用一個(gè)共同通道。信號(hào)樣本的傳輸在同一周期性的基礎(chǔ)上，排定通信通道只是取樣期之一部分時(shí)間，并且以此方式在分享時(shí)間的基礎(chǔ)上，兩個(gè)相鄰樣本之間的部分時(shí)間可清除給其他獨(dú)立信號(hào)源來使用。分時(shí)多任務(wù)的概念為信號(hào)輸入時(shí)先經(jīng)由一個(gè)低通前置復(fù)合重迭濾波器來除去某些頻率，這些頻率對(duì)于適當(dāng)?shù)男盘?hào)表示并不重要，每個(gè)輸入信號(hào)首先被限制帶寬。然后此低通濾波器輸出倍加到一個(gè)“轉(zhuǎn)換器”，此通常適用電子交換電路來做。換向器有兩個(gè)功能：（1）在N個(gè)輸入信息中，取一個(gè)狹窄的樣本，取樣速率fs 稍高于2W，其中W 是前置復(fù)合重迭濾波器的截止頻率。（2）在取樣期Ts 里，交叉N 個(gè)樣本。隨著換向過程，多任務(wù)之信號(hào)被加到一個(gè)脈波調(diào)變器上。在系統(tǒng)接收端，接收到的信號(hào)被加到一個(gè)脈波解調(diào)器上。脈波解調(diào)器產(chǎn)生的狹窄樣本經(jīng)“解轉(zhuǎn)向器”，被分配入適當(dāng)?shù)闹亟V波器中，該解換向器與傳送器的換向器必須同步。

在光纖系統(tǒng)中，先將輸入的類比訊號(hào)，無論是音訊（Audio） 或數(shù)據(jù)（Data），將取樣、量化、編碼過程予以數(shù)位化，然后將訊號(hào)、數(shù)據(jù)兩者組合，同時(shí)傳輸于數(shù)位通訊系統(tǒng)上，此種類比訊號(hào)數(shù)位化的方式稱為脈波加碼調(diào)變（Pulse Code Modulation；PCM）。所有數(shù)位式多任務(wù)制均采用此種調(diào)變方式，即每取一類比訊號(hào)量立即置放在某一數(shù)位式波道上。在通訊系統(tǒng)中，以系統(tǒng)功能的觀點(diǎn)來看接收訊號(hào)功率的大小及接收到的訊號(hào)與噪聲的比值（SNR）是極為重要的指標(biāo)。在考慮光纖系統(tǒng)功能之前，必須先了解整體光纖系統(tǒng)的損失到底發(fā)生在哪里？噪聲是從何處來？而其噪聲幾乎均在接收器上混入訊號(hào)中，檢波器及第一級(jí)放大器為噪聲的最主要來源，這些噪聲可以分成兩部分，即是投射雜訊與溫度噪聲。而我們在設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)時(shí)，通常以下列式子為計(jì)算準(zhǔn)則：

PT-PR-M≧L×D+Ls×Ns+Lc×Nc+Ld×D

PT：光源輸出功率

PR：檢波器的最小收訊值

M：光纖系統(tǒng)余裕值

L：光纖電纜每公里損失值（dB/km）

D：光纖長度

Ls：光纖絞合器損失（dB/個(gè)）

Ns：絞合器數(shù)量

Lc：光纖接頭損失（dB/個(gè)）

Nc：接頭數(shù)量

Ld：光纖電纜每公里損失的變動(dòng)值（dB/km）一般為0.2 dB/km

E/O（電/光）轉(zhuǎn)換器

在考慮光纖頻道直接用于繼電器保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，這里建議兩種方法供繼電器規(guī)劃，可充分利用光纖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。一種方式是使用音頻基于光纖系統(tǒng)，則光纖系統(tǒng)將有許多頻道可供利用于繼電器保護(hù)系統(tǒng)及其他用途，以共同分擔(dān)成本；另一種方式為光纖直接驅(qū)動(dòng)輸出到繼電器系統(tǒng)，此種方式光纖只能使用于保護(hù)繼電器一種功能。顯然，光纖只使用于繼電器保護(hù)、系統(tǒng)此方式是極不經(jīng)濟(jì)的，是對(duì)于光纖頻寬的一種浪費(fèi)，但是使用單一用途光纖系統(tǒng)，可以很有效的提高保護(hù)繼電器系統(tǒng)的可靠度。一種解決上述困擾的方法為使用雙重用途光纖系統(tǒng)，此種光纖被制成可以傳送兩種頻道訊號(hào)，通常傳送頻帶訊號(hào)為成對(duì)的850/1300nm 或1300/1550nm，保護(hù)繼電器使用較低波長者，高波長者則使用高密度的通訊傳輸。光纖通訊優(yōu)點(diǎn)：不受電磁感應(yīng)干擾；不產(chǎn)生雜音，不受雜音干擾；不怕受潮；絕緣能力佳；容量大；耐久性高。

二、保護(hù)繼電器在以太網(wǎng)絡(luò)（inLAN/EAN）中的運(yùn)用

在國外有些27KV 饋線等級(jí)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是利用5個(gè)主變電站，和37個(gè)負(fù)載饋線在以太網(wǎng)絡(luò)為通訊媒介行成一個(gè)封閉的保護(hù)電力系統(tǒng)。而在設(shè)計(jì)的27KV 饋線網(wǎng)絡(luò)中，通訊系統(tǒng)由繼電器和10BaseF 的以太網(wǎng)絡(luò)交換器和同步光網(wǎng)（SONET）所組成環(huán)狀?樸結(jié)構(gòu)。在這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，繼電器不只提供了電力系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作，更進(jìn)一步提供系統(tǒng)狀況的控制及監(jiān)視和系統(tǒng)現(xiàn)況的資料獲??；以太網(wǎng)絡(luò)交換器則是在變電所內(nèi)繼電器之間不只提供了變電所內(nèi)繼電器彼此之間區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的通訊橋梁，更是作為和以SONET 為主干所組成的廣域網(wǎng)絡(luò)之間的通訊接口。這個(gè)控制和保護(hù)系統(tǒng)將被使用在保護(hù)高壓設(shè)備、遠(yuǎn)距離監(jiān)視電流的變化量、設(shè)備在負(fù)載模式時(shí)的狀態(tài)和變電所內(nèi)外的狀況。在這個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)主要變電所之間內(nèi)部使用了人性化機(jī)械接口（HMI Human /Machine Interface）的工作站做控制界面，每一個(gè)HMI 將允許每個(gè)操作人員監(jiān)視和控制全部系統(tǒng)的工程模式，像是保護(hù)系統(tǒng)的標(biāo)置更改和內(nèi)部智能型電子設(shè)備的軟件安裝等。在27KV 配電系統(tǒng)的操作可以由區(qū)域電力控制中心經(jīng)SCADA 系統(tǒng)來下達(dá)控制指令，除此之外這個(gè)工作站可以驅(qū)動(dòng)有主從關(guān)系的遠(yuǎn)程附屬SCADA 系統(tǒng)。在這個(gè)變電所里的HMI 工作站不但經(jīng)由繼電器傳送控制指令來動(dòng)作受控的設(shè)備，并且做系統(tǒng)監(jiān)視和資料收集。而每一個(gè)工作站到電力系統(tǒng)的SCADA 之間所連結(jié)的調(diào)變/解調(diào)變器其通訊協(xié)議為DNP3.0。在27KV 電力系統(tǒng)中利用UCA （Utility Communication Architecture）來架構(gòu)一套完整的通訊協(xié)議。UCA 處理通訊信號(hào)是架構(gòu)在對(duì)等位置上，而在繼電器的實(shí)時(shí)控制訊號(hào)是利用MMS（Manufacturing Message Specification）來交換彼此間的信號(hào)。

UCA 利用的對(duì)象模式為變電所和開關(guān)場通用的對(duì)象模式，用來表示實(shí)體上或邏輯上的對(duì)象。在UCA 結(jié)構(gòu)中有一個(gè)主要的服務(wù)是主動(dòng)提供事件發(fā)生的通知，在MMS中此種服務(wù)的資料模式被稱為GOOSE（Generic Object Orientated Substation Event）訊息。表1為UCA 在變電所通訊結(jié)構(gòu)中所定義的基本架構(gòu)圖。

網(wǎng)絡(luò)層：TCP/IP 是在網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)上使用普遍的一種網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。應(yīng)用層：MMS 為符合ISO 9506 的標(biāo)準(zhǔn)，是被選擇出最適合資料來源的通訊協(xié)定。GOOSE 訊息的本質(zhì)是一個(gè)異步的報(bào)告存在于智能型電子裝置（IED）和網(wǎng)絡(luò)上對(duì)等的IED 里。這個(gè)信息報(bào)告使用數(shù)位是二位（0、1 信號(hào)）對(duì)象傳遞模式。其工作像是“生產(chǎn)者”和“訂購者”的模式。此種模式中，傳送設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一個(gè)GOOSE 訊息傳送給“訂購者”。而為了確保收到訊息的可靠度，訊息會(huì)一再被重復(fù)傳送。而下列三種狀況下，GOOSE 訊息不需要被承認(rèn)下能被多重路徑傳送：（a）當(dāng)打開IED 設(shè)備電源啟動(dòng)準(zhǔn)備工作時(shí)，會(huì)通知所有“訂購者”設(shè)備，傳送現(xiàn)在數(shù)位的狀況。（b）當(dāng)發(fā)射一個(gè)GOOSE 訊息時(shí)，剛好遇到表示現(xiàn)在的二位狀態(tài)正在改變。（c）當(dāng)接受設(shè)備被用戶設(shè)備為接收一個(gè)周期性訊號(hào)，則GOOSE 將不被承認(rèn)。上述的三種狀況是基于接受設(shè)備在近期內(nèi)沒有接收到變動(dòng)的可變狀態(tài)，“訂購者”設(shè)備無法判定“生產(chǎn)者”設(shè)備是否還存在使用中。當(dāng)接受設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在預(yù)期時(shí)間內(nèi)接收到預(yù)期傳來的訊息，接受器將會(huì)誤判而宣布傳送設(shè)備故障信號(hào)，而被設(shè)定不去執(zhí)行接受到的訊號(hào)。在廣域的保護(hù)繼電器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)是不可或缺的組成結(jié)構(gòu)之一，它不只傳送實(shí)時(shí)的控制信號(hào)，也將資料管理分配給每一個(gè)所需的設(shè)備。而當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，實(shí)時(shí)的跳脫信號(hào)能將該動(dòng)作的保護(hù)繼電器在其應(yīng)該動(dòng)作的時(shí)間內(nèi)完成保護(hù)動(dòng)作，將故障點(diǎn)完全的隔離，以避免故障電流持續(xù)存在并危及到其他設(shè)備和線路系統(tǒng)，故選擇的通訊網(wǎng)絡(luò)必須是有速度性、堅(jiān)固性、可靠性的運(yùn)作系統(tǒng)。在27KV 系統(tǒng)中利用同步光纖網(wǎng)絡(luò)（SONET：Synchronous Optical Network）系統(tǒng)可靠的特性來架構(gòu)整個(gè)通訊結(jié)構(gòu)。這個(gè)通訊系統(tǒng)選用傳輸速率為51.84Mbps， 以太網(wǎng)絡(luò)的SONET OC1（Optical Carrier 1）系統(tǒng)，SONET 網(wǎng)絡(luò)不只支持10Mbps 的以太網(wǎng)絡(luò)，并且支持環(huán)狀拓樸和雙SONET 環(huán)狀，連結(jié)全部的變電所和負(fù)載模式。使用環(huán)狀拓樸的優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)通訊在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間失去聯(lián)系時(shí)，通訊連結(jié)可以切換至所設(shè)定的保護(hù)路徑上，并且可在4ms 內(nèi)快速切換。在時(shí)間同步方面由全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器直接接收同步時(shí)間并分送給全部的IED 和HMI。這個(gè)時(shí)間訊號(hào)是利用IRUG-B 調(diào)變信號(hào)傳送至整個(gè)SONET網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中使用類似共線電話卡和輸出為使用No.18 雙絞線相互聯(lián)系IED設(shè)備。這個(gè)訊號(hào)會(huì)定期自動(dòng)更新IED內(nèi)部的時(shí)間。同步光纖網(wǎng)絡(luò)SONET其標(biāo)準(zhǔn)傳送速率由51.84Mb/s 至9.953Gb/s。同步光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)包含四層：（a）光子層（photonic layer）：這是實(shí)體層，包含光纖型式、最低雷射功率、雷射光色散特性、接收器靈敏度的規(guī)格設(shè)定。（b） 片段層（section layer） ：這是SONET 的第二層，它產(chǎn)生碼框（frames）并將墊子信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。（c）線層（line layer）：第三層處理資料的同步與多任務(wù)，并執(zhí)行保護(hù)、維護(hù)及交換的功能。（d）路徑層（path layer）：第四層調(diào)整點(diǎn)對(duì)點(diǎn)資料傳輸?shù)乃俾?。SONET 的基本方塊為STS-1（Synchronous Transport Signal-Level 1）框，它的結(jié)構(gòu)為9 列×90 行共810 組，每組有8 個(gè)位，每隔125μs 以51.84Mb/s 傳送資料。這些基本單位以同步字節(jié)可以間插產(chǎn)生任意基本速率的倍數(shù)。例如STS 信號(hào)可以用3 個(gè)STS-1 間插產(chǎn)生155.52Mb/s。

三、結(jié)論

在電力系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)的選用多以經(jīng)濟(jì)因素、線路繼電器保護(hù)或因地形障礙，而使用不同系統(tǒng)。在電子科技如此進(jìn)步的現(xiàn)在，以往的傳統(tǒng)式電磁式繼電器也逐漸被靜態(tài)式繼電器所取代，更進(jìn)一步發(fā)展為智能型電子裝置（IED）。

如果將變電所內(nèi)部各個(gè)數(shù)位型繼電器結(jié)合光纖網(wǎng)絡(luò)使得繼電器保護(hù)系統(tǒng)可以在控制室里直接通過計(jì)算機(jī)經(jīng)通訊協(xié)議來直接對(duì)繼電器做相關(guān)的繼電器標(biāo)志更改、繼電器功能的設(shè)定，不只如此，更可以通過通訊傳輸直接監(jiān)視、擷取目前運(yùn)轉(zhuǎn)的電壓及電流值，形成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。如再結(jié)合Internet 和電力公司自身的通訊系統(tǒng)可以架構(gòu)一套更完整的全方位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得未來相關(guān)工作人員只需在辦公室通過網(wǎng)絡(luò)便可直接監(jiān)視到繼電器內(nèi)部情形。

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