光纖保護(hù)通道可靠性研究

俞 斌，王同文，張 理，謝 民，邵慶祝

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230022；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230022)

隨著高頻保護(hù)的逐漸退出，光纖保護(hù)已經(jīng)成為當(dāng)下電力系統(tǒng)的主流保護(hù)，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段[1]。

為分析和提高光纖保護(hù)通道的可靠性，文獻(xiàn)[2]基于模糊層次法，考慮通信的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電力通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性管理進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3-5]采用可靠性框圖方法，建立多層次可靠性指標(biāo)進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6-8]分別對(duì)元件復(fù)用、通信環(huán)網(wǎng)、同塔雙回等具體光纖通道應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了可靠性研究；文件[9-11]則提出了環(huán)網(wǎng)、雙通道等手段用于提高光纖通道可靠性。

工程中，目前主要做法是在建設(shè)時(shí)保留備用纖芯，在正常通道損壞時(shí)啟用備用纖芯。但是對(duì)于需要備用多少纖芯才能保證光纖通道合理的可靠性尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[12]建議“二備一”，工程中通常則是“一備一”。由于“雙設(shè)備、雙路由、雙通道”等要求，按照以上原則，備用纖芯也將更多，造成工程投資增大，且出現(xiàn)部分老光纜不能滿足運(yùn)行要求的情況。為對(duì)工程建設(shè)起到支撐作用，有必要對(duì)光纖通道備用芯數(shù)量、備用率對(duì)光纖通道可靠性的影響進(jìn)行研究，明確纖芯備用率與通道可靠性的關(guān)系。本文針對(duì)不同類型、不同備用芯數(shù)量等情況，對(duì)光纖保護(hù)通道可靠性進(jìn)行了定量分析。給出了在不同纖芯可用率情況下，滿足光纖通道可靠性要求的光纖纖芯備用方案，確保光纖通道可靠性的前提下盡可能減少備用芯數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)約投資的目的，具有實(shí)際意義。

1 光纖保護(hù)通道類型

1.1 專用光纖通道

專用光纖通道是指線路兩側(cè)保護(hù)裝置直接通過(guò)光纖傳輸保護(hù)信息，一個(gè)通道具備專用的一收一發(fā)2條纖芯，纖芯內(nèi)只用于傳輸本線路保護(hù)信息，不與其他裝置共用，其傳輸方式如圖1所示。

圖1 專用光纖通道

1.2 復(fù)用光纖通道

復(fù)用光纖通道是指線路兩側(cè)保護(hù)信息以64 kbit/s或2 048 kbit/s電信號(hào)接入通信設(shè)備，與其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)復(fù)用后，在公共光纖通信網(wǎng)上傳輸，須通過(guò)光纜連接專門的數(shù)字接口裝置再進(jìn)行傳輸。一般也具備一收一發(fā)2條纖芯，但不僅僅傳輸本線路相關(guān)信息，也傳輸其他的信息，復(fù)用光纖通道傳輸方式如圖2所示。

圖2 復(fù)用光纖通道

2 不同類型通道可靠性分析

2.1 可靠性分析簡(jiǎn)化模型

專用光纖通道在傳輸過(guò)程中間存在尾纖、跳纖及光纖配線架等設(shè)備，本文重點(diǎn)關(guān)注光纖備用數(shù)量對(duì)光纖通道可靠性的影響，在此將中間環(huán)節(jié)的設(shè)備省略，所有的專用光纖通道可等效為圖3通道模型。

同理，復(fù)用光纖通道中間可能會(huì)有轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，通道也可能是迂回的，將復(fù)用光纖的中間設(shè)備省略后，復(fù)用光纖通道模型可等效為圖4所示簡(jiǎn)化模型。

目前在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，雙重化配置的保護(hù)采用不同路由、不同光纜方式，兩套保護(hù)通道之間沒(méi)有相關(guān)性，后續(xù)可靠性分析針對(duì)單條光纜中的保護(hù)通道進(jìn)行。

圖3 專用光纖通道簡(jiǎn)化模型

圖4 復(fù)用光纖通道簡(jiǎn)化模型

2.2 專用光纖通道可靠性分析

采用專用光纖通道時(shí)，一條光纜中的一對(duì)纖芯作為信號(hào)收發(fā)的傳輸信道，任何一條纖芯損壞，都將導(dǎo)致本保護(hù)通道不可用。當(dāng)線路兩側(cè)存在多套保護(hù)，且多套保護(hù)的纖芯同時(shí)出現(xiàn)損壞時(shí)，如果備用芯不足，將導(dǎo)致部分保護(hù)通道不可用。

假設(shè)線路兩端為變電站A和B，兩站各有n套保護(hù)通過(guò)同一光纜傳輸，且為單通道保護(hù)，采用專用光纖通道時(shí)，需要2n條纖芯，假設(shè)光纜中有m條備用芯。對(duì)于兩側(cè)保護(hù)，如果光纜中損壞的光纖超過(guò)m條，必然會(huì)導(dǎo)致某些保護(hù)通道中斷。因此，可以得到A站和B站間的任何一套線路保護(hù)專用光纖通道的可用率計(jì)算方法如下：

(1)

2.3 復(fù)用光纖通道可靠性分析

采用復(fù)用光纖通道時(shí)，假設(shè)線路兩端分別為變電站A和變電站B，兩站各有n套保護(hù)采用復(fù)用光纖通道，只需要2條光纖，假設(shè)光纜中還有m條備用芯。對(duì)于其中某一套保護(hù)而言，如果光纜中可用纖芯不足2條時(shí)，將造成光纖通道中斷。可以得到復(fù)用光纖通道的可用率計(jì)算方法如下：

R=1-(1-μ)2+m-μ×(1-μ)2+m-1×(2+m)

(2)

3 算例分析

以同塔雙回線路為例，依據(jù)文獻(xiàn)[12]，330 kV以上同塔雙回線路，以及330 kV、220 kV同塔多回線路與重要輸送通道同塔雙回聯(lián)絡(luò)線，一般架設(shè)2條OPGW光纜，每條線路的2套保護(hù)交叉使用這2條OPGW光纜。架設(shè)1條OPGW光纜的線路，應(yīng)采用迂回通道作為備用通道。采用專用光纖方式，同一線路2套保護(hù)裝置分別使用不同的OPGW通道，配置圖如圖5所示；采用復(fù)用光纖方式，同一線路2套保護(hù)裝置分別使用不同的OPGW通道，配置圖如圖6所示。

圖5 同塔雙回線路采用專用光纖通道方式

圖6 同塔雙回線路采用復(fù)用光纖通道方式

3.1 采用專用光纖通道

兩側(cè)變電站各有4套保護(hù)，全部采用專用光纖通道，因此正常需要8條纖芯，每條OPGW光纜各包含4條纖芯。若每條OPGW光纜包含m條備用芯，且OPGW1光纜通道中纖芯損壞時(shí)不能采用OPGW2光纜通道中的備用纖芯，依據(jù)公式可以得到專用光纖通道可用率計(jì)算如下：

(3)

影響光纖可靠性的因素很多，包括產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)水平、自然災(zāi)害等[8]。關(guān)于光纖可靠性的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)較為欠缺，本文采用文獻(xiàn)[8]的可靠性數(shù)據(jù)，即可用率μ=0.999 935。

專用光纖通道長(zhǎng)度為50 km為例，計(jì)算可以得到其纖芯可用率為μ=0.996 755 170 2。因此，專用光纖通道的可用率如下表1所示。

3.2 采用復(fù)用光纖通道

全部采用復(fù)用光纖通道，正常需要2條OPGW光纜，4條纖芯，每條OPGW光纜各包含2條纖芯。若每條OPGW光纜包含m條備用芯，依據(jù)公式可以得到，復(fù)用通道的可用率計(jì)算如式(2)。

表1 不同備用芯數(shù)的通道可用率

復(fù)用光纖通道長(zhǎng)度為50 km為例，其纖芯可用率為μ=0.996 755 170 2。因此，復(fù)用通道的可用性如表2所示。

表2 復(fù)用光纖通道可用率

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

上面計(jì)算結(jié)果可以得到，同塔雙回線路，在備用芯數(shù)量相同情況下，復(fù)用通道具有更高的可用度，圖7為專用光纖(實(shí)線)和復(fù)用光纖(虛線)在不同數(shù)量備用芯的情況下的通道可用率的比較。

另外，在給定的纖芯可用率μ=0.999 935的情況下，在備用芯數(shù)為6時(shí)，無(wú)論專用光纖通道還是復(fù)用光纖通道，其通道可用率在計(jì)算軟件的精度條件下已經(jīng)為1，即可認(rèn)為100%可靠。在實(shí)際應(yīng)用中，可以按照對(duì)通道可用度精度的要求來(lái)選取合適的備用芯數(shù)量。

圖7 不同備用芯數(shù)量的可用率比較

圖8 不同可用率情況下專用光纖通道可用率

圖9 不同可用率情況下復(fù)用光纖通道可用率

3.4 靈敏度分析

3.4.1 纖芯可用率對(duì)通道可用率的影響

影響光纖可靠性的因素很多，光纖纖芯可用率μ變化時(shí)，不同備用芯數(shù)量情況下的通道可用率也將發(fā)生變化。同樣以上節(jié)同塔雙回線路為例，隨著光纖纖芯可用率μ變化時(shí)，不同備用芯數(shù)量情況下通道可用率的變化情況如圖8、圖9所示，圖中m為備用纖芯數(shù)。

可以看到，專用光纖通道在光纖纖芯可用率高于0.9后，備用芯超過(guò)4根時(shí)，通道可用率接近于1。復(fù)用光纖通道在光纖纖芯可用率μ高于0.9后，備用芯超過(guò)2根時(shí)，通道可用率也接近于1。即在實(shí)際工程中的“一備一”方式，備用率為100%時(shí)，可以接受纖芯可用率劣化約0.1～0.9，具有較高的冗余度。

3.4.2 保護(hù)數(shù)量對(duì)通道可用率的影響

專用光纖通道的所需備用芯數(shù)量和兩側(cè)保護(hù)數(shù)量也有關(guān)系，若1條OPGW光纜兩端連接有n套保護(hù)，依據(jù)公式可以計(jì)算不同保護(hù)套數(shù)時(shí)通道可用率，纖芯可用率依舊采用為μ=0.996 755 170 2，可以得到不同保護(hù)套數(shù)時(shí)專用光纖通道可用率隨備用芯數(shù)量變化的曲線，如圖10所示。

圖10 保護(hù)數(shù)不同時(shí)專用通道可用率和備用芯關(guān)系

如果光纖通道的可靠性要求為10年不出現(xiàn)1 h以上的中斷為要求，即可用率R≥1-1/87 600，可以得到表3，表中n為兩端保護(hù)套數(shù)，m為備用芯數(shù)量，黑色區(qū)域表示不滿足通道可靠性要求，1表示滿足可靠性要求，用白色表示。

表3 通道可靠性滿足程度a

另外選取μ=0.95，μ=0.9，計(jì)算通道可用率滿足程度，如表4所示。表中中等灰度區(qū)域?yàn)棣?0.95相對(duì)于μ=0.996 755 170 2新增的不滿足區(qū)域，低等灰度區(qū)域?yàn)棣?0.9對(duì)于μ=0.95新增的不滿足區(qū)域。

表3、表4從不同光纖纖芯可用率μ出發(fā)，給出了不同保護(hù)套數(shù)的情形下，滿足通道可靠性要求的最小備用纖芯數(shù)量，可以作為實(shí)際工程選擇的參考，從而做到根據(jù)實(shí)際光纖纖芯可用率的變化對(duì)備用芯數(shù)量做出增減，保證了經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

表4 通道可靠性滿足程度b

另外，以μ=0.9計(jì)算隨著保護(hù)套數(shù)的增加，滿足通道可靠性要求的光纖纖芯備用率變化情況，得到圖11，可以看出隨著兩側(cè)保護(hù)套數(shù)的增加(盡管實(shí)際不會(huì)傳輸這么多保護(hù))，為滿足通道可靠性所需要的纖芯備用率是逐步下降的，因此在實(shí)際工程中對(duì)兩側(cè)保護(hù)較多的通道可以考慮降低纖芯備用率。

圖11 專用光纖通道纖芯備用率與保護(hù)套數(shù)關(guān)系

4 結(jié)論

本文從工程實(shí)際需要出發(fā)，針對(duì)不同類型保護(hù)光纖通道，給出了專用光纖通道和復(fù)用光纖通道可用率的計(jì)算方法，對(duì)不同數(shù)量備用芯情況下的保護(hù)通道進(jìn)行了可靠性分析，分析了線路兩側(cè)保護(hù)套數(shù)和備用芯數(shù)量對(duì)通道可用率的影響。在文獻(xiàn)可用率指標(biāo)下及在給定的可靠性要求下得出以下結(jié)論。

a.采用專用光纖通道時(shí)，每個(gè)光纜通道備用2根備用芯，能滿足絕大部分情況下可靠性需求，對(duì)于同一光纜中傳輸保護(hù)較多時(shí)，備用3根備用芯就能滿足要求。

b.復(fù)用光纖通道，每對(duì)光纖備用2根纖芯，能滿足可靠性需求。

c.在山區(qū)、光纜運(yùn)行環(huán)境較差的工程，如果纖芯可用率下降較多，需要增加備用芯，并給出了可靠性滿足對(duì)應(yīng)表格。