光纖電流差動(dòng)保護(hù)通道告警問(wèn)題研究

徐 聰，張鵬程，林思海

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200120；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司通州供電公司，北京 101100）

0 引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)復(fù)雜程度也大大增加。光纖電流差動(dòng)保護(hù)以其絕對(duì)的選擇性、更高的靈敏度和天然的選相能力等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到220 kV及以上輸電線(xiàn)路的主保護(hù)之中。然而，在光纖電流差動(dòng)保護(hù)實(shí)際運(yùn)行中，常因光纖損耗過(guò)大、光纖損壞、保護(hù)接口裝置故障等問(wèn)題，導(dǎo)致通道告警問(wèn)題頻繁出現(xiàn)。由于保護(hù)與通訊分屬兩個(gè)專(zhuān)業(yè)，因此如果通道告警問(wèn)題分析不清，會(huì)對(duì)保護(hù)裝置及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患。

1 電力光纜概述

電力光纜是電力系統(tǒng)中一種兼顧電力傳輸和信息通信的特種光纜，常用的電力光纜有3種[1]。

a）全介質(zhì)自承式光纜ADSS（all dielectric self-supporting optical fiber cable）。光纜使用全介質(zhì)材料，利用現(xiàn)有高壓輸電桿塔，與電力線(xiàn)路同桿架設(shè)，具有造價(jià)低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但容易受高壓電腐蝕，實(shí)際應(yīng)用中一般建議懸掛點(diǎn)運(yùn)行電位不超過(guò)25 kV。

b） 光纖復(fù)合架空相線(xiàn) OPPC（optical fiber composition phase conductor），將光纖單元復(fù)合在相線(xiàn)中，具有相線(xiàn)和通信雙重功能。由于OPPC長(zhǎng)期承載電力傳送，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮運(yùn)行溫度對(duì)光纖性能和壽命的影響，同時(shí)高壓運(yùn)行環(huán)境對(duì)光電絕緣也有特殊要求。

c）架空地線(xiàn)復(fù)合光纜OPGW（optical fiber composite overhead ground wire），將光纜復(fù)合在中空的架空地線(xiàn)內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)形式具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性同時(shí)兼具地線(xiàn)和通信雙重功能。OPGW在新建線(xiàn)路中應(yīng)用具有較高的性?xún)r(jià)比。

電力光纜內(nèi)的光纖單元一般有2種：支持多種傳播路徑或橫向模式的多模光纖MMF（multimode optical fiber）和僅支持橫向模式單模光纖SMF（single mode fiber）。多模光纖的纖芯直徑通常是50 μm或62.5 μm，典型的傳輸速度是100 M/s，傳輸距離可達(dá)2 km，1 G/s可達(dá)1 000 m、10 G/s可達(dá)550 m，主要用于短距離光纖通信。單模光纖的纖芯直徑通常是8～10 μm。單模光纖運(yùn)行在100 M/s或1 G/s的數(shù)據(jù)速率，傳輸距離都可以達(dá)到至少5 km。通常情況下，單模光纖用于遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸。光纖信號(hào)傳輸方式如圖1所示。

圖1 光纖信號(hào)傳輸方式

在電力系統(tǒng)中，輸電線(xiàn)路輸送距離通常都在數(shù)十公里以上，因此一般選用9 μm纖芯直徑的單模光纖。實(shí)際使用的單模光纖有1 310 nm和1 550 nm 2個(gè)低損耗傳輸波長(zhǎng)區(qū)，由文獻(xiàn) [1]可知，1 310 nm波長(zhǎng)的光纖每公里損耗一般為0.35 dBm，1 550 nm波長(zhǎng)的光纖每公里損耗一般為0.22 dBm。就兩種波長(zhǎng)比較而言，1 310 nm單模光纖在信號(hào)傳輸過(guò)程中損耗大，但色散小，一般應(yīng)用于40 km以?xún)?nèi)的傳輸（1 310 nm單模光纖加大發(fā)送功率傳輸距離可達(dá)80 km）；而1 550 nm波長(zhǎng)的光信號(hào)傳輸過(guò)程中損耗小，但色散大，一般用于40 km以上的長(zhǎng)距離傳輸，無(wú)中繼最遠(yuǎn)可以直接傳輸120 km。

值得注意的是，根據(jù)文獻(xiàn) [1]的研究，當(dāng)光纖存在一定程度的彎曲時(shí)，光纖的損耗在1 550 nm波長(zhǎng)要比在1 310 nm波長(zhǎng)大；特別是在彎曲半徑小于15 mm的時(shí)候，在同樣的彎曲半徑下，1550 nm波長(zhǎng)的損耗要比1 310 nm波長(zhǎng)的損耗有明顯的增大。1 550 nm波長(zhǎng)對(duì)于彎曲敏感的特性，可以為光纖通道斷線(xiàn)或彎曲的具體故障檢查提供判斷依據(jù)。

2 光纖電流差動(dòng)保護(hù)原理

2.1 光纖電流差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖電流差動(dòng)保護(hù)的工作原理文獻(xiàn) [2]已作詳細(xì)分析，此處不再贅述，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

2.2 光纖電流差動(dòng)保護(hù)的通道方式

光纖電流差動(dòng)保護(hù)的通道連接方式有兩種：專(zhuān)用光纖通道方式和復(fù)用光纖通道方式[3]。

CB—斷路器；TA—電流互感器；IMU、V、W—M 側(cè)U、V、W三相電流；INU、V、W—N側(cè)U、V、W三相電流

專(zhuān)用光纖通道方式如圖3所示，線(xiàn)路保護(hù)裝置的保護(hù)信號(hào)直接在光纖通道上傳輸，不經(jīng)過(guò)通信設(shè)備，一般采用64 kbit/s或2 Mbit/s同步通信格式，這種方式中間環(huán)節(jié)少，可靠性高，運(yùn)行維護(hù)方便，但需要專(zhuān)用光纖通路資源。

圖3 專(zhuān)用光纖通道連接方式

圖4 復(fù)用光纖通道連接方式

保護(hù)裝置將保護(hù)光信號(hào)發(fā)送到通信接口裝置并由后者完成光電轉(zhuǎn)換；接著接口裝置將轉(zhuǎn)換后的保護(hù)電信號(hào)傳輸?shù)酵ㄐ旁O(shè)備；然后通信設(shè)備將保護(hù)信號(hào)通過(guò)同軸電纜發(fā)送給同步數(shù)字體系SDH（synchronous digital hierarchy）復(fù)用設(shè)備[4]；最后SDH復(fù)用設(shè)備將保護(hù)信號(hào)發(fā)送到對(duì)側(cè)，對(duì)側(cè)保護(hù)和通信接口裝置進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的逆過(guò)程，完成整個(gè)信號(hào)交換流程。該方式下保護(hù)電信號(hào)傳輸同樣有64 kbit/s或2 Mbit/s2種速率可選，這種方式中間環(huán)節(jié)多，降低了可靠性，運(yùn)行維護(hù)不便，但保護(hù)信號(hào)通過(guò)光同步復(fù)用器傳輸距離更遠(yuǎn)，且不單獨(dú)占用光纖資源。

另外，根據(jù)上海市電力公司對(duì)上海地區(qū)高壓輸電線(xiàn)路微機(jī)保護(hù)雙重化配置的要求，220 kV線(xiàn)路的2套保護(hù)裝置分別使用單通道連接且都采用專(zhuān)用光纖的連接方式，但第1條通道采用本側(cè)、對(duì)側(cè)直連方式，第2條通道采用本側(cè)、對(duì)側(cè)之間經(jīng)第3個(gè)變電站迂回的連接方式。500 kV線(xiàn)路的每套保護(hù)裝置都使用雙通道連接，第1條通道采用專(zhuān)用光纖連接方式，第2條通道采用復(fù)用光纖通道連接方式。

2.3 光纖電流差動(dòng)保護(hù)通信時(shí)鐘設(shè)置

數(shù)字差動(dòng)保護(hù)的關(guān)鍵是線(xiàn)路兩側(cè)裝置之間的數(shù)據(jù)交換，目前常用的保護(hù)裝置采用同步通信方式。差動(dòng)保護(hù)裝置發(fā)送和接收數(shù)據(jù)采用各自的時(shí)鐘，分別為發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘。保護(hù)裝置的接收時(shí)鐘固定從接收碼流中提取，保證接收過(guò)程中沒(méi)有誤碼和滑碼產(chǎn)生。發(fā)送時(shí)鐘可以有兩種方式，第一種采用內(nèi)部晶振時(shí)鐘，第二種采用接收時(shí)鐘作為發(fā)送時(shí)鐘。前者稱(chēng)為主時(shí)鐘（內(nèi)時(shí)鐘）方式，后者稱(chēng)為從時(shí)鐘（外時(shí)鐘）方式。兩側(cè)裝置的時(shí)鐘設(shè)置方式如表1所示。

表1 通信時(shí)鐘設(shè)置

3 通道異常處理

3.1 通道告警產(chǎn)生原因

光纖電流差動(dòng)保護(hù)作為線(xiàn)路的主保護(hù)，是保證快速切除故障和穩(wěn)定系統(tǒng)的技術(shù)保障。但其對(duì)通道的依賴(lài)性強(qiáng)，一旦通道故障可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，因此保護(hù)裝置出現(xiàn)通道故障時(shí)必須將差動(dòng)保護(hù)或該套保護(hù)裝置或相應(yīng)通道停用。檢修人員立刻到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行通道故障緊急缺陷處理[5]。

引起保護(hù)裝置報(bào)通道告警的原因很多，包括保護(hù)裝置時(shí)鐘、通道控制字、標(biāo)識(shí)碼、主從方式等設(shè)置錯(cuò)誤；光源發(fā)送功率異常；光纖通道衰耗過(guò)大；光傳輸網(wǎng)干擾過(guò)大以及保護(hù)接口設(shè)備、數(shù)字傳輸設(shè)備故障等。

3.2 通道告警的一般處理方法

通道缺陷處理經(jīng)常涉及到保護(hù)和通信2個(gè)專(zhuān)業(yè)、2個(gè)變電站、如果是跨地區(qū)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)還涉及2個(gè)單位，處理起來(lái)比較棘手。因此處理通道故障缺陷應(yīng)當(dāng)遵循一定的原則[6]，技術(shù)人員根據(jù)工作中缺陷處理方法和相關(guān)文獻(xiàn)歸納得出“一查看、二測(cè)試、三確定”的處理原則。

一查看，主要是利用外部監(jiān)視手段，比如查看監(jiān)控后臺(tái)軟報(bào)文是發(fā)信有問(wèn)題還是收信有問(wèn)題；查看保護(hù)裝置丟幀情況以及裝置收發(fā)狀態(tài)是否正常；對(duì)于復(fù)用通道可借助通信專(zhuān)業(yè)監(jiān)視手段，向管轄通道故障線(xiàn)路通信管理部門(mén)查看通信網(wǎng)關(guān)相關(guān)信息，以判斷是通道傳輸問(wèn)題還是保護(hù)設(shè)備問(wèn)題。

二測(cè)試，在動(dòng)手做測(cè)試時(shí)，首先檢查回路中相關(guān)光纖接頭是否接觸牢靠，然后使用光功率計(jì)測(cè)試保護(hù)裝置收發(fā)光功率數(shù)據(jù)是否在技術(shù)要求范圍內(nèi)，如表2所示。對(duì)于采用復(fù)用通道的光纖保護(hù)，一般采用通道逐級(jí)自環(huán)試驗(yàn)方式檢查通道問(wèn)題，進(jìn)一步縮小故障點(diǎn)范圍。差動(dòng)保護(hù)光纖通道自環(huán)檢測(cè)方法有以下幾方面。

表2 光纖通道功率衰耗允許范圍

3.2.1 專(zhuān)用光纖方式自環(huán)檢測(cè)

通道采用專(zhuān)用光纖方式連接時(shí)，在計(jì)算功率裕度應(yīng)滿(mǎn)足要求后，可以進(jìn)行通道自環(huán)試驗(yàn)[7]。

a）本端光自環(huán)。將相關(guān)通道的“通信內(nèi)時(shí)鐘”控制字置1，將保護(hù)裝置通道工作方式修改為自環(huán)方式（RCS-931裝置將兩側(cè)“縱聯(lián)標(biāo)識(shí)碼”整定為相同值；CSC-103裝置將“通道環(huán)回控制字”置“1”）。如圖3所示，用尾纖將M側(cè)保護(hù)裝置的光收、發(fā)短接，觀(guān)察一段時(shí)間，若裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?hào)，證明M側(cè)保護(hù)裝置無(wú)異常。

b）遠(yuǎn)端光自環(huán)。裝置時(shí)鐘和控制字設(shè)置與本端光自環(huán)相同，如圖3所示，用尾纖將N側(cè)保護(hù)裝置的光收、發(fā)短接，本端保護(hù)裝置接至光纖通道，遠(yuǎn)端光纖出線(xiàn)經(jīng)光配架短接，觀(guān)察一段時(shí)間，若裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?hào)，證明M側(cè)保護(hù)裝置和光纖通道都無(wú)異常。

對(duì)于專(zhuān)用光纖通道上的衰耗可借助光時(shí)域反射儀OTDR （optical time domain reflectometer），以圖形顯示方式檢測(cè)整條線(xiàn)路光纜長(zhǎng)度和總的光衰耗，與設(shè)計(jì)參數(shù)比較，能方便快捷地判斷出問(wèn)題是否在通道上[8]。

3.2.2 復(fù)用光纖方式自環(huán)檢測(cè)

由于光纖差動(dòng)保護(hù)通道大多使用的是2M復(fù)用方式，這里就2M復(fù)用方式試驗(yàn)作介紹[9]。

a）本端光自環(huán)。與專(zhuān)用光纖方式本端自環(huán)同理，用以證明M側(cè)保護(hù)裝置無(wú)異常。

b）近端2M電自環(huán)。如圖4所示，在M側(cè)通信機(jī)房?jī)?nèi)，進(jìn)行保護(hù)接口裝置自環(huán)。保持保護(hù)裝置自環(huán)方式的標(biāo)識(shí)碼和控制字設(shè)置，保護(hù)裝置的光纜正常連接，在通信接口裝置的同軸電纜連接端自環(huán)。為了便于維護(hù)和故障處理，CSC-186B裝置提供通道環(huán)回測(cè)試功能，只需要將“環(huán)回選擇”撥碼開(kāi)關(guān)打到“自環(huán)”的位置即可。自環(huán)后觀(guān)察一段時(shí)間，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?hào)，證明M側(cè)保護(hù)裝置、保護(hù)接口裝置和二者之間尾纖都無(wú)異常[10]。

c）遠(yuǎn)端2M電自環(huán)。如圖4所示，M側(cè)光纜正常連接，保持保護(hù)裝置自環(huán)方式的標(biāo)識(shí)碼和控制字設(shè)置，將N側(cè)通信機(jī)房?jī)?nèi)相應(yīng)通道的保護(hù)接口裝置同軸電纜連接端自環(huán)。觀(guān)察M側(cè)裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異常”告警信號(hào)，證明M側(cè)保護(hù)裝置至N側(cè)保護(hù)接口裝置之間都無(wú)異常。

d）遠(yuǎn)端光自環(huán)。如圖4所示，M側(cè)至N側(cè)光配架光纜正常連接，保持保護(hù)裝置自環(huán)方式的標(biāo)識(shí)別碼和控制字設(shè)置，將N側(cè)光配架上相應(yīng)通道自環(huán)，觀(guān)察M側(cè)裝置收、發(fā)正常，不出現(xiàn)“通道異?！备婢盘?hào)，證明M側(cè)保護(hù)裝置至N側(cè)光配架之間都無(wú)異常[11]。注意測(cè)試完畢后將裝置恢復(fù)到測(cè)試開(kāi)始前的狀態(tài)。

三確定，通過(guò)查看和測(cè)試，基本能夠鎖定故障點(diǎn)區(qū)域。如果是保護(hù)裝置和尾纖故障可更換備品直接處理，如果是通道故障需要聯(lián)系線(xiàn)路通道管理部門(mén)，由他們使用專(zhuān)業(yè)工具檢查具體故障點(diǎn)位置，然后進(jìn)行相應(yīng)消缺處理。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)通道告警處理過(guò)程

2017年10月 26日，500 kV亭衛(wèi)站練亭5147線(xiàn)路第2套保護(hù)B通道告警，運(yùn)行人員將第2套保護(hù)改信號(hào)狀態(tài)后由繼保專(zhuān)業(yè)進(jìn)行檢修。練亭5147線(xiàn)路采用雙重化保護(hù)配置，第1套保護(hù)為PCS-931GMM_HD光纖電流差動(dòng)保護(hù)，其通道A采用專(zhuān)用光纖通道，通道B采用2M復(fù)用光纖通道方式；第2套保護(hù)為CSC-103A光纖電流差動(dòng)保護(hù)，其通道A采用專(zhuān)用光纖通道，通道B采用2M復(fù)用光纖通道方式。故障處理過(guò)程如下。

a）由于第2套保護(hù)B通道是2M復(fù)用方式，繼保專(zhuān)業(yè)首先確認(rèn)時(shí)鐘方式設(shè)置是否正確，經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)時(shí)鐘方式都為主時(shí)鐘方式，時(shí)鐘方式設(shè)置正確。

b）查看告警信息，報(bào)文顯示“通道B通信中斷”，“通道信息”菜單顯示通道B丟幀（誤碼）數(shù)600幀F(xiàn)PS(frames per second)，由此初步判斷，通道告警是由于通道嚴(yán)重誤碼導(dǎo)致的。

c）第3步進(jìn)行功率裕度測(cè)試，和對(duì)側(cè)配合進(jìn)行。首先進(jìn)行本端測(cè)試，保持對(duì)側(cè)正常連接，取下本側(cè)保護(hù)裝置發(fā)送端TX（translate）光纖接頭，用尾纖將保護(hù)裝置TX連接至光功率計(jì)，光功率計(jì)波長(zhǎng)設(shè)置為1 310 nm，測(cè)量得到本側(cè)發(fā)信功率-9 dBm；然后取下保護(hù)裝置接收端RX（receive）光纖接頭連接至光功率計(jì)，測(cè)量得到本側(cè)收信功率-36.4 dBm，本側(cè)功率裕度和靈敏度滿(mǎn)足要求。然后恢復(fù)本端正常連接，由對(duì)側(cè)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)側(cè)告知測(cè)試數(shù)據(jù)為發(fā)信功率-7.5 dBm，收信功率-34.1 dBm，數(shù)據(jù)也滿(mǎn)足功率裕度和靈敏度要求。

d）進(jìn)行自環(huán)測(cè)試，按照3.2章節(jié)所述方法在保護(hù)小室內(nèi)先進(jìn)行本端光自環(huán)，保護(hù)裝置報(bào)文顯示“通道B通信恢復(fù)”；然后在通信機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行近端電自環(huán)，CSC-186B裝置提供通道環(huán)回測(cè)試功能，自環(huán)后保護(hù)裝置報(bào)文顯示“通道B通信恢復(fù)”，至此初步判斷本側(cè)保護(hù)裝置和接口裝置工作正常，故障源在2 M數(shù)據(jù)網(wǎng)或?qū)?cè)。

e）由經(jīng)驗(yàn)判斷2 M數(shù)據(jù)網(wǎng)故障概率較低，因此決定先由對(duì)側(cè)進(jìn)行自環(huán)檢測(cè)。與對(duì)側(cè)檢修人員聯(lián)系，由對(duì)側(cè)進(jìn)行本端光自環(huán)和近端電自環(huán)，對(duì)側(cè)進(jìn)行本端光自環(huán)時(shí)保護(hù)裝置報(bào)文顯示“通道B通信恢復(fù)”；進(jìn)行近端電自環(huán)時(shí)，保護(hù)裝置報(bào)文顯示“通道B通信中斷”，丟幀數(shù)600幀?？梢赃M(jìn)一步判斷故障點(diǎn)在對(duì)側(cè)，并且在通信接口裝置到保護(hù)裝置光纖接口之間。

f）對(duì)側(cè)檢查保護(hù)室到通信機(jī)房這段光纜有無(wú)問(wèn)題。更換保護(hù)室到通信機(jī)房這段光纜的備用光纖芯線(xiàn)，并清潔尾纖頭，更換后，仍然報(bào)警。由此，故障點(diǎn)可以定位到通信接口裝置上。

g）最后對(duì)側(cè)更換通信接口裝置，兩側(cè)恢復(fù)保護(hù)裝置設(shè)置，報(bào)警消失，保護(hù)裝置正常工作。練亭5147線(xiàn)路第2套保護(hù)B通道隨后恢復(fù)運(yùn)行。在光纖保護(hù)通道實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常發(fā)生由通信接口裝置引起的保護(hù)信號(hào)告警問(wèn)題[12]。保護(hù)裝置有自身的通道誤碼監(jiān)視和告警功能，而通信接口裝置雖然自身有通道告警功能，但其設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，僅僅能判斷通道物理上的中斷，不能提供通道內(nèi)部同步、誤碼、時(shí)延等重要信息，所以在此次事件中，通信接口裝置無(wú)告警，未能第一時(shí)間確定為通信接口裝置故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

通道告警屬于二次嚴(yán)重缺陷，上海電網(wǎng)500 kV亭衛(wèi)變電站練亭5147線(xiàn)路第2套保護(hù)B通道告警問(wèn)題的處理過(guò)程中，查明了故障原因?yàn)橥ㄐ沤涌谘b置損壞，歸納了“一查看，二測(cè)試，三確定”的通道故障問(wèn)題的一般處理方法，該方法能夠?yàn)槔^電保護(hù)人員快速定位故障點(diǎn)，盡快消除缺陷提供參考。