繼電保護光纖復用技術應用探究

艾永俊，盧坤，韋照艷

（廣東水電云南投資有限公司，云南 紅河 661100）

0 前言

1 繼電保護光纖復用技術

繼電保護是電力系統(tǒng)中非常重要的一部分，其作用是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過對故障信號進行檢測、判斷和處理，保護電力設備的安全運行。繼電保護的主要任務是在故障發(fā)生時迅速切除故障部分，保護電力設備不受進一步損壞，同時確保電力系統(tǒng)的可靠運行。

在傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)中，通信方式主要采用硬線傳輸，即通過電纜或導線進行信號傳輸。然而，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和擴大，傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)已經無法滿足日益增長的通信需求。光纖復用技術作為一種新興的通信技術，逐漸應用于繼電保護系統(tǒng)中，以滿足系統(tǒng)的高可靠性和高效性需求[3]。

光纖復用技術是指通過將多個信號在不同頻率上進行復用，通過光纖傳輸進行傳輸?shù)募夹g。它可以將不同的繼電保護信號進行合并傳輸，提高信號傳輸?shù)男屎涂煽啃浴９饫w復用技術可以實現(xiàn)多信號同時傳輸，避免了傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)中需要大量的傳輸線路的問題，同時還可以提供更高的帶寬和更低的傳輸損耗[4]。

繼電保護光纖復用技術的應用不僅可以提高信號傳輸?shù)男屎涂煽啃?，還可以減少傳輸線路的數(shù)量和占用的空間。此外，光纖復用技術還具有抗電磁干擾、抗干擾能力強的特點，能夠更好地適應復雜的電力系統(tǒng)環(huán)境。

2 光纖復用技術繼電保護系統(tǒng)

光纖復用技術的核心是光纖復用器，其主要功能是將多個繼電保護通道的信號進行復用，并通過一根光纖進行傳輸。光纖復用器具有多個輸入通道和一個輸出通道，每個輸入通道對應一個繼電保護通道。在復用器內部，通過光纖復用技術將多個輸入通道的信號進行復用，然后通過一根光纖將復用后的信號傳輸?shù)竭h端的解復用器[5]，如圖1 所示。

圖1 繼電保護裝置和SDH光傳輸系統(tǒng)示意圖

2.1 繼電保護的基本原理

在電力系統(tǒng)中，繼電保護主要分為兩類，一類是主保護，一類是后備保護。主保護是指在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，第一時間啟動的保護設備，其作用是迅速切除故障部分，保證電力系統(tǒng)的正常運行。后備保護是指在主保護失效或無法滿足保護要求時啟動的保護設備，其作用是提供備用的保護措施，保證電力系統(tǒng)的安全運行。繼電保護的工作原理主要基于電力系統(tǒng)的電流和電壓的測量，通過比較測量值和設定值的差異來判斷是否存在故障，然后根據(jù)故障的類型和位置來采取相應的保護措施。

2）督導評價。教學督導人員通常由校內專業(yè)技術水平高、教學經驗豐富的高年資教師擔任，監(jiān)督“教”“學”并引導教師提高教學水平和指導學生提升學習效率。高校成立專門的教學督導隊伍，督導人員通過隨機聽課、跟蹤聽課、觀摩教學、教學檢查等形式參與實踐教學，對教學質量進行評價，并及時將評價意見反饋給師生，指出存在問題，提出改進建議，幫助教師和學生增強“教”“學”效果。

在繼電保護中，光纖復用技術主要用于傳輸保護信號和故障信息。傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)需要使用多條獨立通道來傳輸不同的保護信號，造成光纖資源的浪費。而光纖復用技術可以將多個保護信號通過一條光纖傳輸，節(jié)省了光纖資源，提高了系統(tǒng)的可靠性和經濟性[6]。此外，光纖復用技術還可以實現(xiàn)對保護信號的監(jiān)測和調度，提高了繼電保護系統(tǒng)的運行效率。

2.2 SDH光傳輸設備的基本原理

繼電保護光纖復用技術是一種將繼電保護信號通過光纖傳輸?shù)募夹g，它可以有效解決傳統(tǒng)繼電保護系統(tǒng)中存在的信號干擾、傳輸距離受限等問題。而SDH 光傳輸設備作為繼電保護光纖復用技術的關鍵組成部分，具有重要的作用。

SDH（Synchronous Digital Hierarchy） 光傳輸設備是一種同步數(shù)字層次傳輸技術，它基于光纖傳輸介質，通過光電轉換和數(shù)字調制等技術，將繼電保護信號轉換為數(shù)字信號，并通過光纖進行傳輸。SDH 光傳輸設備采用同步傳輸?shù)姆绞?，能夠實現(xiàn)高速、可靠的信號傳輸，具有很高的抗干擾能力和傳輸距離受限小的特點。在繼電保護光纖復用技術中，SDH 光傳輸設備起到了連接繼電保護設備和光纖傳輸網(wǎng)絡的橋梁作用，能夠將繼電保護信號傳輸?shù)竭h距離的終端設備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制[7]。

SDH 光傳輸設備的應用廣泛，不僅可以用于繼電保護系統(tǒng)中，還可以用于電力、通信、鐵路等領域的數(shù)據(jù)傳輸。在繼電保護光纖復用技術中，SDH 光傳輸設備可以與繼電保護設備相配合，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的快速故障檢測和定位，提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[5]。同時，SDH 光傳輸設備還可以用于通信領域，實現(xiàn)電話、寬帶等數(shù)據(jù)的高速傳輸。在鐵路領域，SDH 光傳輸設備可以用于信號控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的監(jiān)控和控制[8]。

2.3 光纖復用技術的基本原理

光纖復用技術是一種在光纖通信系統(tǒng)中利用一根光纖傳輸多個信號的技術。它通過在不同波長或時間上將多個信號合并在一根光纖中傳輸，實現(xiàn)了光纖資源的高效利用。光纖復用技術主要分為波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM） 和時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）兩種[9]。

波分復用是指利用不同波長的光信號傳輸多個獨立的信道。在波分復用系統(tǒng)中，光信號經過調制器調制成不同波長的光，在光纖中傳輸，最后經過解調器解調還原成原始信號。波分復用技術具有傳輸容量大、靈活性高、擴展性強的優(yōu)點，廣泛應用于長距離光纖通信系統(tǒng)中[9]。

時分復用是指通過將多個信號按照時間片的方式分時傳輸，實現(xiàn)多個信號在同一根光纖中傳輸。在時分復用系統(tǒng)中，每個信號在不同的時間段內傳輸，通過光開關控制信號的接收和發(fā)送時間。時分復用技術具有傳輸效率高、系統(tǒng)簡單可靠的優(yōu)點，適用于短距離光纖通信系統(tǒng)[10]。

光纖復用技術的應用可以提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸能力和資源利用率，滿足日益增長的通信需求。在繼電保護系統(tǒng)中，光纖復用技術可以實現(xiàn)多個保護通道在同一根光纖中傳輸，提高通信帶寬和可靠性。同時，光纖復用技術還可以減少光纖敷設的成本和維護費用，提高繼電保護系統(tǒng)的經濟性和可持續(xù)發(fā)展能力。

3 應用案例分析

3.1 應用場景

某電廠電力通信網(wǎng)傳輸A 網(wǎng)2011 年投運，業(yè)務涵蓋了水情業(yè)務、自動化業(yè)務、繼電保護與安全自動裝置控制信息、電力調度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、調度會議系統(tǒng)等,承擔著某電廠安全生產、辦公等重要業(yè)務的基礎通信服務。2022 年云南電網(wǎng)規(guī)劃建設研究中心文件要求，需對地區(qū)220 kV線路進行加強工程規(guī)劃建設。目前某電廠的調度傳輸A 網(wǎng)已使用了10 年之久，由于相關廠家停止了設備的更新，缺乏有效的技術支持和維護。因此，引入新技術應用成為最終解決方案，以確保數(shù)據(jù)高效傳輸和設備的安全、可靠運行。

3.2 技術應用

根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃意見及電廠現(xiàn)狀得知，項目規(guī)劃建設后，220 kV 某電廠的電力線路情況由220 kV 開關站改接至500 kV 開關站，線路全長發(fā)生改變。目前220 kV 某電廠所使用的A 網(wǎng)SDH 光傳輸設備最小的光接口速率為STM-1（155 Mbit/s）的2 Mbit/s 電信號（E1，HDB3 碼），并不支持2 Mbit/s 光接口。由于繼電保護裝置（如PSL-603UA2-N-Z 保護裝置）只能傳輸（2Mbit/s）光，因此它們不能和SDH光傳輸設備進行有效的聯(lián)系，必須使用光電轉換設備（如MUX2M）來有效地連接其光傳輸設備。通過MUX2M，我們可以將光信號轉換成2 Mbit/s 的電信號，并通過同軸電纜傳輸?shù)絊DH 光傳輸設備的E1 接口。然后，SDH 光傳輸裝置將這些電信號重新映射成VC-4 信號，通過電光轉換實現(xiàn)高階光信號的傳輸。如果信號傳輸過來，我們可以通過反向運算來實現(xiàn)信號的傳輸，從而使得信號能夠被傳送給指定的繼電保護設備[11]，如圖2 所示。

圖2 繼電保護裝置和SDH光傳輸系統(tǒng)連接圖

根據(jù)圖2 分析，繼電保護裝置通過SDH 光傳輸網(wǎng)絡與對側保護裝置連接的情況，這種連接方式有8 個隱患點。一旦保護通道出現(xiàn)故障，就很難檢查哪個環(huán)節(jié)出了問題。必須派人到開關站兩端及發(fā)電廠側進行聯(lián)合調整，并通過分段自環(huán)定位故障。此外，應急維修不僅涉及通信和保護部門的工作人員，而且線路兩側屬于不同的供電公司，將導致需要兩個單位和四個部門或更多的人力來長時間的聯(lián)系、調試和消除故障。且繼電保護裝置不能直接與SDH 光傳輸設備連接，接口標準不統(tǒng)一，協(xié)議編碼轉換過多，這些是影響繼電保護通道可靠性的主要因素[12]。

所以，解決220 kV 某電廠安全可靠運行的關鍵是：減少中間光電轉換設備、優(yōu)化繼電保裝置業(yè)務和SDH 光傳輸設備連接方式[13]，如圖3 所示。

圖3 繼電保護裝置和SDH光傳輸設備通過2M光接口直連

3.3 應用效果

1）繼電保護光纖復用技術的應用，實現(xiàn)了地區(qū)電網(wǎng)對電力系統(tǒng)中各個繼電保護設備的監(jiān)控和管理。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，對繼電保護設備的監(jiān)控和管理往往需要人工進行，效率低下且容易出現(xiàn)人為錯誤。而繼電保護光纖復用技術的應用可以實現(xiàn)對繼電保護設備的遠程監(jiān)控和管理。通過光纖的傳輸和復用，可以將各個繼電保護設備的狀態(tài)信息實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控人員可以通過監(jiān)控中心對繼電保護設備進行遠程監(jiān)控和管理，大大提高了監(jiān)控的效率和準確性。

2）通過對繼電保護光纖復用技術的應用，與傳統(tǒng)電接口方式相比，其通信接口屏、DDF數(shù)字配線架以及光傳輸網(wǎng)2M 端子板等節(jié)點設備設施減少，不僅有效節(jié)省了機房屏位空間，簡化了電網(wǎng)業(yè)務信號的編解碼環(huán)節(jié)，減少了設備連接線纜的數(shù)量，而且還解決了保護業(yè)務的光電轉換設備不能遠程網(wǎng)管監(jiān)控的問題，不會因中間線纜或光電轉換裝置發(fā)生故障而影響系統(tǒng)業(yè)務。

3）使各廠家之間保護裝置實現(xiàn)有效互通，打破原有技術壁壘，提高通道可靠性，推進設備國產化，節(jié)約投資，專業(yè)運維界面更加清晰，增加電力系統(tǒng)間業(yè)務通道保障的靈活性，優(yōu)化電力通信網(wǎng)絡環(huán)境。

3.4 經濟效益

由于新技術的應用，減少了人力資源的投入，降低了通信設施成本和維護成本，提高了資金利用效率。同時，地區(qū)電網(wǎng)通過對發(fā)電廠的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，能夠及時獲取發(fā)電廠的運行狀態(tài)，提高發(fā)電效率和能源利用率，進一步減少了成本，獲得了良好的經濟效益。

2022-2023 年，繼電保護光纖復用技術在某電廠獲得應用，并順利投運，完成了南方電網(wǎng)云南紅河地區(qū)電網(wǎng)的應用先例。

4 結束語

本文研究了繼電保護光纖復用技術的應用，并對研究結果進行了總結和歸納。通過對相關文獻的綜述和實證研究，我們得出以下結論：

首先，光纖復用技術可以大大提高繼電保護的傳輸能力。傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)通常使用銅纜進行信號傳輸，但銅纜的傳輸能力有限，無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)中龐大信號量的要求。而光纖復用技術可以將多個信號同時傳輸，大大提高了信號的傳輸能力。例如，通過使用波分復用技術，可以將多個信號同時傳輸在一個光纖上，從而節(jié)省了大量的傳輸資源。這使得繼電保護系統(tǒng)能夠同時處理多個故障信號，提高了系統(tǒng)的響應速度和處理能力。

其次，光纖復用技術還可以提高繼電保護的可靠性。在傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)中，信號傳輸過程中容易受到外界干擾和電磁干擾的影響，從而導致信號的傳輸質量下降。而光纖復用技術采用的是光信號傳輸，不受外界電磁干擾的影響，可以保證信號的傳輸質量和穩(wěn)定性。此外，光纖復用技術還具有較低的傳輸損耗和較長的傳輸距離，可以在繼電保護系統(tǒng)中實現(xiàn)遠距離傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

最后，光纖復用技術還可以提高繼電保護系統(tǒng)的可擴展性。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和擴大，繼電保護系統(tǒng)的規(guī)模也會逐漸增大。而傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)往往需要大量的傳輸資源和設備來滿足系統(tǒng)的擴展需求，增加了系統(tǒng)的成本和復雜性。而光纖復用技術可以通過在現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡中增加光纖復用設備，實現(xiàn)對繼電保護系統(tǒng)的擴展，節(jié)省了傳輸資源和設備的使用，降低了系統(tǒng)的成本和復雜性。

綜上所述，繼電保護光纖復用技術的應用具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。一方面，光纖復用技術的應用可以提高繼電保護的傳輸效率和抗干擾能力，保證電力設備的安全運行。另一方面，研究繼電保護光纖復用技術的應用探究，有助于深入理解光纖復用技術在繼電保護領域中的作用機制和應用特點，為繼電保護技術的進一步創(chuàng)新和發(fā)展提供理論指導和實踐依據(jù)。