《硅谷》杂志：电力系统光纤通信若干问题分析 |
| 2013-02-13 16:45 作者：李 玮 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，随着光纤通信在电力系统内应用水平的进一步提高，光纤通信取代微波、电力载波已成为必然。以南方电网光纤通信骨干网为例，介绍电力系统专用光缆、通信电源、参数匹配及业务倒换等方面的现状，分析存在的问题，并在此基础上提出解决问题的措施及思路。
关键词：通信电缆；通信电源；参数匹配；业务倒换
0引言
目前，SDH（synchronousdigitalhierarchy）光纤通信凭借其安全、经济、可靠的优势，已逐步替代了微波通信、电力载波通信等通信方式，成为我国电力系统最重要的通信方式，在其承载的业务中，仅直接与电网安全稳定运行的主要业务就有继电保护、安全自动装置、EMS、调度语音、能量计量、故障录波、电力市场以及集控站控制等等。面对越来越多的系统应用，光纤通信迎来了巨大的发展机遇，但由于电力系统对信号传输安全性、可靠性的特殊要求，光纤通信同样也面临着严峻的挑战。
本文以南方电网光纤通信骨干网为例，就专用光缆、通信电源、参数匹配及业务倒换等方面对电力系统现状进行简要介绍，分析存在的问题，并讨论解决问题的措施及思路。
1通信设备自身存在的问题
1.1通信光缆对系统的影响
作为电力系统专用的特殊光缆，光纤复合架空地线（OPGW）具有强度高、性能稳定、无电腐蚀等优点，目前在电力系统光纤通信骨干网中应用十分广泛。但因其与高压线路同杆架设，且兼做地线，因此，雷击问题已经成为影响OPGW安全性能的重要因素。
雷击对OPGW的影响：随着OPGW大规模投入使用，其易受雷击的问题已变得越来越突出，国内已发生多起因雷击导致OPGW外丝断股进而影响内部光纤性能的事件，而建设单位为了确保所用光缆性能更加稳定，对OPGW更是提出了3级雷击不断股的近乎苛刻的要求，因此，如何提高OPGW抗雷击性能已经成为OPGW面临的最严峻的挑战之一。目前较为通用的做法主要有以下2两点。
1）改善光缆结构和股线形状，主要是在外层股线和内层股线间留有空气隙，以防止外层热量传导至内层和光纤，这种思想主要是保护内层光纤，对外层雷击断股并无实质改善。
2）调整外层股线材料配比，对于雷击多发区，采用外径较粗的全铝包钢单丝，同时提高导电率，这种思想提高了外层单丝的抗雷击水平，但增加了光缆的生产成本和自身重量，对铁塔的承重造成了一定的压力，同时也加大了施工难度。
1.2通信电源对通信系统的影响
“心脏”，通信电源运行的好坏直接影响着整个系统是否能够健康稳定运行。回顾通信电源的发展历程，主要经历了单电源单母线、单电源双母线和双电源双母线等三种运行方式。
1）单电源单母线运行方式：即将整流模块输出、蓄电池组、负载均连接于同一条母线，由于采用这种方式对设备供电安全性较低且维护检修不便，因此在电压等级较高的变电站已基本不用。
2）(2)单电源双母线运行方式：即将一套充电机的整流模块分成两组，分别为2条母线供电，同时每条母线配置独立的蓄电池，以实现2条母线相对独立供电。该运行方式较好的实现了2条母线的独立供电，增强了通信电源设备的运行可靠性，同时提高了设备检修的灵活性，由于2条母线共用同一台充电机，因此在充电机发生物理损坏的情况下容易导致2条母线同时失电，因此目前也较少使用。
3）(3)双电源双母线运行方式：即由两套充电机分别对2条母线供电，并配置独立的蓄电池，实现了双路供电的完全独立，具有极高的可靠性，是目前电力通信系统中的主要供电方式。
伴随着通信电源运行方式的改变，南方电网光纤通信骨干网已逐渐摸索出一套适合自身安全需要的供电方式：对于支持双路电源的设备，采用两路相互独立的电源对设备供电，并实现负载均衡；对于只支持单路供电的设备，在设备前端增加电源转换模块，实现两路电源输入；对于无人值守变电站，除采用上述措施外，采用加大蓄电池组容量的方法以延长故障情况下的设备运行时间。
2通信设备与业务系统的匹配问题
2.1通道时延对继电保护及安自业务的影响
继电保护和安自构成了我国电网安全稳定的三道防线，其主要功能依托通信通道承载，由于相关控制、保护信息对实时性要求很高，因此通信通道的时延将对装置的动作速动性、可靠性和灵敏性乃至电网的安全稳定速度造成严重影响。
2.1.1通道时延对继电保护的影响
目前，我国线路保护的主保护为线路纵联保护，根据实现原理，又可以分为线路纵联距离（方向）保护和线路纵差保护：
对于线路纵联距离（方向）保护而言，虽然故障方向的判别只是依赖于本侧电气量，判别时间与通道时延没有关系。但是，通道时延对装置动作速度的影响是累加的。由于故障范围的判别决定于两个因素：一是根据本侧电气量得到的相对于本侧装置的故障方向，二是通过通道得到的相对于对侧装置的故障方向，只有相对于两侧保护装置的故障方向都确定为正方向，装置才确定本次故障时区内故障，因此通道时延对装置动作速度的影响是累加的。
1）对于线路纵联距离（方向）保护，由于故障范围的判别决定于两个因素：一是根据取决于本侧电气量得到的相对于本侧装置的故障方向，二是和通过通道得到的相对于对侧装置的故障方向，只有相对于两侧保护装置的故障方向都确定为正方向，装置才确定本次故障是区内故障。因此，通过通道得到的相对于对侧装置的故障方向信息对保护动作的正确性至关重要，如果通道延时过长，不仅影响保护的动作速度，很可能造成保护误动甚至可能造成保护误动、拒动。运行中，曾多次出现在功率倒向情况下因通道延时过长造成的同塔双回线保护误动的案例[3-5]。
对于线路纵差保护，通道时延对动作速度的影响考虑两个因素。首先，需要根据两侧电气量来进行差动计算，当前计算的差动电流不是本侧当前的电气量和对侧当前的电气量之和，而是当前收到的对侧电气量和对应的本侧的电气量之和。因此，当前进行差动判据的电气量需要向前推一段时间（至少包括通道时延＋报文长度）；其次，为了防止TA断线造成差动保护误动，通常保护装置动作不但需要本侧装置满足动作条件，同时还需要收到对侧的允许动作信号，因此通道时延对线路纵差保护动作速度的影响是双倍的。
2）对于线路纵差保护，通道时延对动作速度的影响考虑有两个方面的因素。：首先，在首先，需要根据两侧电气量来进行差动计算时，当前计算的差动电流不是本侧当前的电气量和对侧当前的电气量之和，而是当前收到的对侧电气量和对应时刻的本侧的电气量之和。，因此，当前进行差动判据的电气量需要向前推一段时间（至少包括通道时延＋报文长度）计算和补偿通道延时；其次，为了防止TA断线造成差动保护误动，通常保护装置动作不但需要本侧装置满足动作条件，同时还需要收到对侧的允许动作信号，因此通道时延对线路纵差保护动作速度的影响是双倍的因此通道时延对线路纵差保护动作速度的影响是双重的。
为满足继电保护信号对速动性的要求，各类保护信号在通道上的最大允许传输时间不得大于规定值，其中闭锁式保护15ms（模拟）／10ms（数字）、允许式20ms（模拟）／10ms（数字）、直跳式40ms（模拟）／10ms（数字），同时220kV及以上线路配置双重化主保护及适当的后备保护则大大提高了继电保护信号的可靠性。为减少传输时延并提高系统可靠性，目前较为通用的做法是将较大的光纤传输网“分割”成多各较小的环网。
3）通道时延对安自装置的影响
对于安自装置，其主要控制策略是联络线故障后同时切除送电侧机组和受电侧负荷。一词系统发生变化，目前都是由就地的安自装置根据系统状态变化以及相应的控制策略发出相应的控制命令，从系统状态变化到控制命令发出这一过程不需要考虑通道时延的影响。通道时延对安稳系统动作速度的影响主要体现在主站发出控制命令对执行站执行命令这一过程。因此，通道时延对安子系统动作速度的影响不是累加的通道时延对安自系统动作速度的影响不是累加的，安自装置只需要考虑点对点的最大单向时延。
2.2误码对继电保护的影响
在通道发生切换的情况下，通信业务将发生中断数毫秒，此时保护或者安自信号传输过程中必然会出现非完整报文等情况。：对于线路纵差保护，一旦检测到非完整报文，就重新检测通道时延，实现两侧装置采样数据的再同步。对于单个随机误码，也可能影响报文的完整性，使得线路纵差保护在通道路由没有发生正在变化的情况下，也重新启动一个新的同步过程，至少引起线路纵差保护数十毫秒的闭锁。
1）对于线路纵联距离或者纵联方向保护而言，由于其交换的数据仅仅是允许信号由于其交换的数据仅仅是二进制量信号，没有通道时延一致性方面的要求，不需要同步两侧装置的采样时刻，因此通道误码会引起当前受影响的通道报文的正确性，但不会影响后续报文的使用。
2）对于线路纵差保护。
①纵差保护采用的两侧电气量数据必须要求同步，因此，一旦检测到非完整报文，纵差保护就重新检测通道时延，实现两侧装置采样数据的再同步。这造成单个随机误码也可能影响报文的完整性，使得线路纵差保护在通道路由没有发生正在重大变化的情况下，也重新启动一个新的同步过程，至少引起线路纵差保护数十毫秒的闭锁。
②由于其保护判据使用的是两侧的电气量，由于通道问题导致当前数据丢失，将会影响到保护判据的后续动作特性。例如，线路纵差保护往往采用异步抗饱和法，防止区外故障TA饱和导致保护误动。故障初始阶段TA不会饱和，保护判据不需要采取任何抗饱和措施，通信正常时线路纵差保护能快速动作。但如果正好在故障初始阶段有误帧，线路纵差保护不能快速动作，其后需要投入抗饱和判据，导致线路纵差保护动作较慢。若线路纵差保护设置为连续几次满足差动判据后保护才动作，只要中间有一个误帧，则将引起差动保护延迟几帧时间动作，可能会造成严重的后果。
3）为防止线路保护因误码而误动，目前在用的保护装置均具备一定的误码检测功能。
电力系统光纤通信网传输继电保护信息只占业务的一小部分，并且光纤通信网往往先于光纤通信的保护装置而建设，因此，要求现存的光纤通信网适应保护装置的难度很大。同时，从保护装置的角度出发，对通信网误码指标也无需超过G.821标准，原则上在收到对侧装置完整的信息时，线路纵差保护能正常运行；一旦收不到对侧完整的信息，包括误码，线路纵差保护就只能短暂退出，直到通道恢复正常。从运行的角度，也可以计算由通道质量问题引起的保护日闭锁时间，来考察通道传输继电保护信号的可靠性。
2.3通道倒换对业务的影响
南方电网光纤通信骨干网采用双向通道倒换环。，通道倒换环采用“首端桥接、末端倒换”结构，正常情况下通道双向路由能够保持一致，双向时延基本相等。当但是，单根光纤中断后，通道的双向路由将不一致，时延也将不一致。经过试验得出以下结论：
1）通道正常时，双向通道倒换环能够保证通道双向路由一致，双向时延误差不超过100us，能够满足线路纵差保护对通道双向时延一致性的要求。
2）、具有自愈功能的双向通道倒换环，在主用通道中断后，业务会暂时中断，中断时间小于50ms，不会造成装置通道报警。
3）具有自愈功能的双向通道倒换环，单纤中断后通道双向路由不一致，导致通道双向时延不一致，不能满足线路纵差保护对通道双向时延一致性的要求。
4）、具有自愈功能的双向通道倒换环，通过网关切除主用电路，双向业务会先后自动切换到备用通道，双向先后时间间隔不超过150ms；但是当主用通道故障消失后，备用通道切换回主用通道过程中，将有数秒时间双向通信经不同路由可能维持数秒传输信息，不能满足线路纵差保护对双向时延一致性的要求。单业务中断时间不超过50ms，不会造成装置报警。
5）继电保护、安自装置能检测到业务的暂时中断，同时会瞬间退出相关功能，不会造成误动。
基于以上试验结果，目前南方电网双向通道倒换环用于线路纵联差动保护时，不能采用通道的自愈功能，在线路长度和通道条件满足时，线路纵差保护最好采用独立的双通道，以提高可靠性。而安自装置和线路纵联距离（方向）保护以及原跳装置保护以及远跳装置，可以采用通道自愈功能，以提高通道的可靠性。
2.42M通道重定时对通信业务的影响
SDH传送网有很多的优越性，但是也有缺点，例如SDH的PDH支路输出信号不能作为定时基准。当PDH信号异步映射入VC-n时将有码速调整，传输过程中将有指针调整，这些将导致PDH支路输出信号有较大的抖动和漂移，所以从输入信号恢复的定时信号质量很差，不能作为定时基准。经研究，线路保护、安自装置采用2M通道的，通信专业不要打开2M通道输出重定时功能，线路保护、安自装置本身的通信时钟采用“主－主”方式。线路保护、安自装置采用64k通道的，通信专业也不要打开2M通道的重定时功能，线路保护、安自装置自身的同心式中必须采用“从－从”方式。
3结束语
通过对上述问题的分析，保护及自动化专业对光纤通信有了更进一步的了解，通信专业也对保护及自动化专业的业务需求有了更深入的认识。随着光纤通信在电力系统内应用水平的进一步提高，光纤通信取代微波、电力载波已成为必然，通信专业只有充分理解各专业的业务需求，才能更好的为系统稳定运行保驾护航，作出自己的贡献。 |
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