智能變電站光纖鏈路在線監(jiān)測與自動化測試系統(tǒng)設計

張 峰, 韓 偉, 宋 闖, 喬利紅, 賈曉紅

(1.國網(wǎng)河南省電力公司 電力科學研究院,河南 鄭州 450052; 2.深圳市君創(chuàng)惠儀科技有限公司,廣東 深圳 518000)

光纖鏈路作為智能變電站中信號傳輸?shù)闹饕锢磔d體,能否完整傳輸光信號已成為變電站中保測裝置正常運行、準確測控的重要影響因素[1-6]。當前智能站光纖數(shù)量多,光纖鏈路問題導致的繼電保護不正常事件屢有發(fā)生[6],如2017年西藏某110 kV站由于光纖通道異常造成線路保護閉鎖,發(fā)生全站停電事故,最終引起故障范圍擴大。為加強對此類事件的防范,國家及電網(wǎng)公司制定的大量相關標準[7-9]都對智能變電站光纖鏈路提出了明確的性能指標和測試要求。

目前光纖鏈路的測試是沿用通信領域方法,主要采取人工手動方式、分離設備進行單通道測量。例如測試單通道光口接收靈敏度時,測試過程中將智能電子設備(intebligent electronic device,IED)串接光功率衰減器至其他智能IED設備光口,人工不斷手動調(diào)節(jié)衰減光口功率,直至觀察到智能IED設備報警信息,并反向調(diào)節(jié)衰減功率至判斷臨界光口衰減功率值,此時拔掉光纖接至光功率計,人工讀取功率數(shù)值,單個通道測試時間大約10 min。這種傳統(tǒng)方法有明顯的缺點:測試效率低，人工肉眼判斷測試接收靈敏度臨界功率不夠精確,且只能針對停運設備開展,反復插拔易造成光口污穢及折損，受環(huán)境影響因素大。而對于光纖鏈路狀態(tài)的診斷,雖然已有部分廠家在保護裝置里添加了光功率越限告警,但仍為單裝置的分布式布置,完成一次巡視過于分散,不利于集中管理處置。

針對上述問題,本文研究設計了一種變電站光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng)與繼保光纖智能測試儀。光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng)由分布式智能診斷中心和在線監(jiān)控后臺組成,集成了光纖鏈路的光口功率實時在線測量及狀態(tài)診斷功能,可直接對運行設備發(fā)送光口功率全壽命周期的在線實時監(jiān)測信號;繼保光纖智能測試儀主要針對停運設備實現(xiàn)多通道(8通道)、全自動、一鍵式自動化測試光口接收靈敏度、光口發(fā)送功率等功能,極大地減少了現(xiàn)場運維人員工作量。

1 變電站光纖傳統(tǒng)測量方法的不足

光纖作為信息通道的物理介質(zhì),具有對電場絕緣、傳輸容量大、頻帶寬、衰耗低、抗雷電電磁干擾等優(yōu)點,隨著電力光纖網(wǎng)絡的逐步完善,光纖在智能變電站中得到了越來越廣泛的應用。

按照傳輸模式數(shù)量不同,光纖可分為多模光纖和單模光纖。多模光纖可傳輸多種模式光信號,但傳輸距離較短、模間色散較大,適用于對衰耗要求不高的過程層傳輸。單模光纖只能傳輸一種模式的光信號,不存在模間時延差,模間色散很小、傳輸衰耗小,適用于遠距離傳輸。光口功率(包括發(fā)送光功率、接收靈敏度)是反應光纖鏈路狀態(tài)的直觀指標,在變電站基建調(diào)試及運維檢修時,通常會對裝置的光口功率進行測量,并將其符合相關標準的結(jié)果作為正常運行的必備條件。

光口功率計算公式如下:

P=10lg(P輸入/P輸出)

(1)

光口性能指標[10-11]見表1所列。

表1 光口性能指標

現(xiàn)場對光口發(fā)送功率和光口接收靈敏度的測量是采用傳統(tǒng)的人工手動調(diào)節(jié)、分離設備的單通道光口測量方法。傳統(tǒng)光口發(fā)送功率測試方法與流程如圖1、圖2所示,其中發(fā)送光口功率=X3+X1-X2;傳統(tǒng)光口接收靈敏度測試方法如圖3、圖4所示,其中,X4為光口接收靈敏度。

圖1 光纖回路損耗測試方法

圖2 人工單通道分離設備光口發(fā)送功率測試方法

圖3 光口接收靈敏度臨界功率判定

圖4 光口接收靈敏度臨界功率數(shù)據(jù)記錄

該傳統(tǒng)測量方法有以下缺點:

(1) 效率低且測試工期較長。據(jù)統(tǒng)計,單個光纖鏈路發(fā)送功率、光口接收靈敏度測試需要10 min,目前典型500 kV智能變電站中光纖鏈路有1 500多根,典型220 kV則有600多根。采用當前單通道、人工手動、分離設備測試模式,按1個工作日8 h連續(xù)不間斷測試計算,500 kV整站光纖測試工期需要31個工作日,220 kV整站需要13個工作日。測試流程的復雜性及人工測試的低效率性嚴重影響智能變電站調(diào)試進度和調(diào)試質(zhì)量。

(2) 投運后智能設備光口狀態(tài)無法實時監(jiān)測。傳統(tǒng)分離設備的光口功率測量方式只能針對停運設備進行,無法對正在運行的智能IED設備光口發(fā)送功率進行實時監(jiān)測、獲取光纖鏈路狀態(tài)。這種被動的測量方式易導致智能變電站運行中存在的通訊隱患無法被及時發(fā)現(xiàn)并處理,只有當光纖鏈路中斷時才告警,不利于全站的穩(wěn)定運行。

(3) 需要反復插拔光纖,容易造成光口污穢及折損,難以保證測量后光口功率的持續(xù)穩(wěn)定,影響光纖的使用壽命。

(4) 現(xiàn)有光功率計分辨率太低,同時由于依靠人工肉眼判斷光口發(fā)送功率、光口接收靈敏度，人為主觀影響因素影響較大。

2 光纖鏈路在線監(jiān)測與自動化測試

對于光纖鏈路的研究,已有科研人員做了大量研究工作[12-16]。文獻[14]對專用、復用光纖通道分別進行了模擬測試,分析了光纖差動保護在通信自愈環(huán)網(wǎng)應用中存在的問題，并提出了相應的改進措施;文獻[15]針對光纖迂回通道的繼電保護業(yè)務,提出了一種基于安全性的最佳路徑選擇方法;文獻[16]提出了一種通過在線監(jiān)測光纖保護裝置及通信接口裝置的物理鏈路和通信幀新型誤碼情況的方法,以實現(xiàn)通道故障的快速準確定位。

本文提出了一種智能光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了在不影響變電站運行的情況下,平均每60 s完成一次全站所有智能IED設備光口功率的實時測量與診斷,并能根據(jù)相關標準智能判斷光口是否滿足運行要求,實現(xiàn)實時預警。運維巡檢人員僅在后臺監(jiān)控便可及時發(fā)現(xiàn)光纖鏈路不正常狀態(tài),迅速跟進處理,真正推動光纖鏈路故障這一頑疾從“事后應付”到“事前預防”的轉(zhuǎn)變。

由于光口接收靈敏度測試要考察智能IED設備通信告警臨界功率數(shù)值,影響到變電站正常運行,必須待變電站停運或投運前進行光口接收靈敏度測試。針對傳統(tǒng)光口接收靈敏度測試方法的不足,本文研究了繼保光纖智能測試儀,實現(xiàn)了一鍵式、自動化、多通道(8通道)、高精度(0.01 dB)光口接收靈敏度的測試,平均8通道測試時間約為3 min,其500 kV測試由傳統(tǒng)測試的31個工作日縮減到1個工作日,220 kV測試由傳統(tǒng)的13個工作日縮減至0.5 個工作日,大大提高了現(xiàn)場調(diào)試的效率。

2.1 光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng)由智能診斷中心和在線監(jiān)測后臺組成,整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示,其中智能診斷中心布置在保護小室,在線監(jiān)測系統(tǒng)布置在主控室。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

智能診斷中心采用分布式結(jié)構(gòu)布置,其集成的測量功能使得單裝置即可完成多路(本文系統(tǒng)設計為12路光口,涵蓋ST/SC/LC常用光纖接口)光口功率的實時測量。對于每一路光口而言,單個智能診斷中心用光纖串接在原待測裝置和接收裝置之間,不影響變電站智能IED設備正常運行。為方便起見,智能診斷中心可采用通用的1U型機箱,就近直接加裝在屏柜上,對屏柜內(nèi)的裝置光口進行測量診斷,靈活布置。

智能診斷中心與監(jiān)測系統(tǒng)通過RJ45接口相連,利用IEC61850規(guī)約、站控層網(wǎng)絡傳輸MMS報文,將測量和診斷結(jié)果實時傳遞給后臺主機。同時開放USB接口,進行信息交互及后期功能拓展。利用建立的涵蓋全站光纖鏈路的在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示各光口的發(fā)送功率及光纖鏈路狀態(tài),達到實時監(jiān)測功能。

2.1.1 智能診斷中心

智能診斷中心為本文系統(tǒng)的核心構(gòu)成,其裝置實物圖和功能連接示意圖如圖6所示。

圖6 光纖鏈路智能診斷中心裝置實物圖和功能示意圖

原發(fā)送裝置、接收裝置均與智能診斷中心通過光纖連接,智能診斷中心將入射光物理分光,進行測量診斷。智能診斷中心根據(jù)各光口的發(fā)送功率與預先設置的報警、斷鏈閾值對比,將判斷結(jié)果在集成面板通過不同顏色的指示燈顯示出來,便于運維巡檢人員及早發(fā)現(xiàn)光纖鏈路不正常狀態(tài),迅速跟進處理。智能診斷中心有如下重要模塊。

(1) 分光轉(zhuǎn)換模塊。物理分光器將對應光通道的輸入光分為2路,其中一路作為信號傳輸?shù)妮敵龉?另一路作為光功率測量光。測量光功率為原輸入光的3%,作為進行光功率監(jiān)測的光,進行光電轉(zhuǎn)換、放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出到CPU自動測量診斷模塊;輸出光的光功率為原輸入光功率的97%,其繼續(xù)向后信號傳輸,可以在不影響光纜工作的同時最大程度地保證信息完整地傳輸,實現(xiàn)光功率的測量診斷。

(2) 診斷測量模塊。CPU自動測量診斷模塊根據(jù)光功率測量結(jié)果進行狀態(tài)診斷,劃分為正常、越限告警、故障3個狀態(tài)。實際運行經(jīng)驗表明,光纖使用過程中會因多種原因使得傳輸功率出現(xiàn)損耗,該值越小,表明傳輸?shù)墓庑盘柶焚|(zhì)越差,可用性越低。為了在光纖鏈路信號不可用之前起到警示作用,將報警閾值A設置為大于故障閾值B。光功率測量數(shù)值T與報警閾值A、故障閾值B進行大小比較,根據(jù)三者的比較結(jié)果作出光纖鏈路狀態(tài)的判斷,并通過集成面板燈用不同顏色燈光顯示出來。3種比較結(jié)果如下:①T>A,光纖鏈路正常,集成面板燈顯示“正常(綠色)”狀態(tài);②B

2.1.2 在線監(jiān)測后臺

全站所有配置的智能診斷中心通過標準RJ45以太網(wǎng)接口與在線監(jiān)測系統(tǒng)連接,可將光功率測量結(jié)果、光纖鏈路狀態(tài)診斷結(jié)果直接傳輸給后臺集中顯示。在線監(jiān)測系統(tǒng)布置在變電站主控室,通過站控層網(wǎng)絡收集全站所有智能診斷中心傳送來的數(shù)據(jù)MMS報文,在數(shù)據(jù)庫中對這些數(shù)據(jù)分類、保存、管理,實時顯示全站的光口功率及光纖鏈路狀態(tài)。除基本數(shù)據(jù)保存、管理功能外,還可根據(jù)需要在后期擴展數(shù)據(jù)評估、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)互聯(lián)的功能,為進一步實現(xiàn)廣域泛在、數(shù)據(jù)挖掘做鋪墊。

綜上可知,本文設計的智能在線診斷監(jiān)測系統(tǒng)具備以下典型優(yōu)點:

(1) 實現(xiàn)全站運行設備光口的發(fā)送功率實時測量。如全站600個光纖鏈路光口效率,平均每60 s刷新1次,實時監(jiān)測全站運行設備光口發(fā)送功率的數(shù)值是否滿足相關標準的要求,以提前發(fā)現(xiàn)問題,實現(xiàn)從事后應付到事前預防的重大轉(zhuǎn)變,在不影響變電站正常運行的情況下實時監(jiān)測光口鏈路狀態(tài)。

(2) 采用分布式的智能診斷中心更方便配置。單個智能診斷中心可實現(xiàn)12路光口功率的測量,匯集全站智能診斷中心數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測系統(tǒng),平均60 s即可實現(xiàn)對所有光口發(fā)送功率的測量及診斷,大幅提升了測量效率,且系統(tǒng)規(guī)模越龐大,效率提升越明顯，兩者呈指數(shù)增長。

(3) 智能診斷中心根據(jù)光纖發(fā)送功率的測量結(jié)果與預先設置的報警、斷鏈閾值對比,將光纖鏈路的狀態(tài)劃分為“正常”、“越限告警”、“故障”3種狀態(tài),并通過指示燈顯示出來,直觀明了。該方式便于運維檢修人員及時發(fā)現(xiàn)不正常狀態(tài)以迅速處理,將問題發(fā)現(xiàn)由“事后”變?yōu)椤笆轮小被蛘摺笆虑啊?提升了及時性。

(4) 在線監(jiān)測系統(tǒng)除可實時測量顯示全站光口功率外,還能夠?qū)⒐饫w鏈路診斷結(jié)果通過后臺主機顯示出來,便于主控值班室對全站光纖鏈路狀態(tài)的集中掌握。

2.2 繼保光纖測試儀系統(tǒng)

光纖繼保測試儀裝置與測試界面如圖7所示。

圖7 繼保光纖測試儀裝置與測試界面

繼保光纖測試儀集成了多通道光功率測試模塊、多通道光功率衰減模塊、IEC61850解析模塊、人機界面模塊、CPU模塊等,測試儀主要在變電站投運前或者變電站停運后,將儀器串接在不同的智能IED設備通信鏈路之間,通過一鍵啟動后,多通道光功率衰減模塊采用二分法,自動按照預定設置步長(最小可實現(xiàn)0.01 dB)進行光功率的衰減,將傳統(tǒng)測試精度提高了10倍;當智能IED設備光纖鏈路告警后,繼保光纖測試儀通過MMS網(wǎng)絡獲取所有智能IED設備的告警信息,IEC61850解析模塊解析智能設備的APPID,并自動匹配測試間隔,告警后自動反向調(diào)節(jié),直至自動測試出裝置的光口接收靈敏度的臨界光功率。在實驗室進行綜合測試,8通道光口接收靈敏度測試僅需5 min,使完成500 kV變電站1 500根光纖鏈路的測試從31個工作日縮短至2個工作日,220 kV變電站600根光纖鏈路的測試從13個工作日縮短至不到1個工作日。

繼保光纖測試儀功能結(jié)構(gòu)如圖8所示,光纖鏈路多通道自動化測試方案示意圖如圖9所示。

圖8 繼保光纖測試儀功能結(jié)構(gòu)

圖9 光纖鏈路多通道自動化測試方案示意圖

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)本文研究已開發(fā)出實物樣機,并在實驗室進行了系統(tǒng)運行測試。測試環(huán)境如圖10所示。

圖10 實驗室測試環(huán)境

依托實驗室典型500 kV變電站保護配置,測試對象為電科變220 kV母線間隔(一臺智能診斷中心)。

實驗室一次系統(tǒng)主接線如圖11所示。其中母線間隔主要接收來自母線PT、母聯(lián)CT、出線CT以及變壓器220側(cè)引出線CT的SV采樣數(shù)據(jù),而不向這些間隔發(fā)送數(shù)據(jù),故智能診斷中心只連接了各通道對應的TX口,不連接對應的RX口。

圖11 實驗室一次系統(tǒng)主接線

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗及與保護設計人員溝通,將越限告警閾值A設置為-22 dBm,故障閾值B設置為-40 dBm(為初步測試數(shù)值,尚未形成統(tǒng)一標準)。為驗證智能診斷監(jiān)測系統(tǒng)的功能,在運行前對P1的發(fā)送光口TX進行一定的人為物理彎折污損處理,其他光口正常發(fā)送,整套系統(tǒng)試運行1個月。智能診斷中心及在線監(jiān)測系統(tǒng)的測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)測試結(jié)果

在系統(tǒng)測試期間,智能診斷中心前集成面板上的“P1 TX”黃色指示燈亮,對應的在線監(jiān)測系統(tǒng)光字牌也出現(xiàn)了“P1 光口母線電壓SV TX光功率低告警”結(jié)果,監(jiān)測光功率為-23.7 dBm。由于設置的該通道光纖彎折污損,長時間運行,光衰耗不斷增大,功率逐步降低,達到越限告警的閾值,系統(tǒng)自動診斷出該結(jié)果。當進一步推廣現(xiàn)場運行時,保護小室內(nèi)的智能診斷中心及主控室的在線監(jiān)測系統(tǒng)都會將此越限告警信號報出,可在光纖鏈路由于光衰減過大、光纖鏈路斷鏈前進行風險提示,便于運維巡檢人員及時跟進處理。

而P2～P7的發(fā)送光口TX一直正常運行,智能診斷中心集成面板指示燈顯示為綠色;各自通道接收光口RX以及P8～P12由于并未接入光纖,系統(tǒng)判斷為故障(斷鏈),對應的智能診斷中心集成面板指示燈顯示為紅色,在線監(jiān)測系統(tǒng)光字牌也報出了對應結(jié)果。數(shù)據(jù)庫歷史監(jiān)測記錄結(jié)果如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)庫歷史監(jiān)測記錄

考慮到最惡劣的情況,智能IED設備光口突然失效,造成光纖鏈路從正常運行狀態(tài)直接進入斷鏈狀態(tài),而未經(jīng)過告警狀態(tài),程序?qū)⑦M行應急控制處理,使后臺界面進行不間斷閃爍告警,以便運行人員及時處理更換備用光纖;同時從停運狀態(tài)轉(zhuǎn)到投入狀態(tài),光纖鏈路從斷鏈狀態(tài)直接進入正常運行狀態(tài)。這種情況程序?qū)⑦M行歷史事件查詢,對光口狀態(tài)變化進行標記,以便運行人員記錄和查詢。

4 結(jié) 論

本文聚焦當下智能變電站光纖鏈路光口接收靈敏度、光口發(fā)送功率測試效率低、光口發(fā)送功率無法實時監(jiān)測的問題,提出了一種變電站光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng)與繼保光纖智能測試儀。

光纖鏈路在線監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的分布式智能診斷中心對入射光進行物理分光,利用3%的入射光進行光功率的測量,根據(jù)測量結(jié)果與預先設置的報警、斷鏈閾值對比,將光纖鏈路的狀態(tài)劃分為“正?！?、“越限告警”、“故障”3種狀態(tài),并通過指示燈顯示出來,直觀明了,便于運維檢修人員及時發(fā)現(xiàn)不正常狀態(tài)以迅速跟進處理。匯集全站智能診斷中心數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對所有光口功率的在線監(jiān)測及診斷,平均每分鐘實現(xiàn)全站光口發(fā)送功率的測量與智能診斷,避免了調(diào)試過程中的反復插拔光纖帶來的折損以及人為因素帶來的干擾問題,推動光纖鏈路故障這一頑疾從“事后應付”轉(zhuǎn)為“事前預防”。該系統(tǒng)具備靈活分布連接的特點,可直接對運行設備、停運設備進行監(jiān)測,做到全壽命周期的光口發(fā)送功率在線監(jiān)測診斷。根據(jù)研究開發(fā)的系統(tǒng)裝置進行了實驗室系統(tǒng)測試,驗證了該系統(tǒng)的有效性。

當然,本系統(tǒng)還有許多待完善之處。智能診斷中心由于串接在直接相連的2個設備之間,會對原有數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生時延,并對原有的光功率進行分光,提前對系統(tǒng)造成了一部分功率的損失。此外,裝置本身的可靠性對系統(tǒng)的影響還需要進一步研究。