光纖通信在110 kV線路縱聯(lián)差動保護上的應(yīng)用與研究

黎 林

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司能源動力分公司，四川攀枝花 617000）

引言

光纖通信是用光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式，具有抗電磁干擾能力強、通道容量大、傳輸距離長、傳輸質(zhì)量高、高保密性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)中。

隨著攀鋼釩110 kV線路建設(shè)和發(fā)展，光纖通信也得到了大量應(yīng)用，多種配置方案也得以實施。2009年新建的110 kV新方、新振線開始采用OPGW作為縱聯(lián)差動保護的專用光纖通道，2010 年新建的110 kV熱施一線首次采用ADSS作為縱聯(lián)差動保護的專用光纖通道，2015 年110 kV 西紅一、二線改造工程采用ADSS 和光通信設(shè)備SDH 為縱聯(lián)差動保護提供復(fù)用光纖通道，至今攀鋼釩11 條110 kV 線路已有9 條使用了光纖縱聯(lián)差動保護，現(xiàn)運行狀況良好。但在光纖通信的建設(shè)、運行和維護等方面也出現(xiàn)過一些問題，因此有必要對光纖縱聯(lián)差動保護用光纖通信進行研究、總結(jié)。

1 光纖縱聯(lián)差動保護的特點

光纖縱聯(lián)差動保護通過光纖通道實現(xiàn)線路兩側(cè)電氣量信號的相互傳輸，使線路兩側(cè)或多側(cè)的保護裝置實時完成電氣量計算和故障信息交換，達(dá)到快速切除本線路故障的目的。當(dāng)為本線路區(qū)外故障時，各側(cè)保護裝置能夠準(zhǔn)確判別、保護不動作。

當(dāng)線路發(fā)生單相或兩相故障時，光纖通道均不會像高頻載波通道那樣發(fā)生通道阻塞，也不存在高頻載波的信號干擾問題。光纖通道的數(shù)據(jù)傳輸速率一般采用復(fù)用2 Mb/s，保證了線路兩側(cè)保護裝置間的開關(guān)量、電流數(shù)據(jù)和故障信息的同步交換。

由于光纖通道為數(shù)字通道，傳輸信號為成幀數(shù)字信息，且有CRC 數(shù)據(jù)校驗等手段保證傳輸信息的正確性，使得基于光纖通道的縱聯(lián)保護比載波通道有更好的可靠性[1]。因而，采用光纖通信的微機縱聯(lián)差動保護裝置得到廣泛認(rèn)可。

2 光纖縱聯(lián)差動保護的通信方式

光纖縱聯(lián)差動保護的通信方式，一般采用以下3種：

（1）保護裝置之間以64 kbps/2 Mbps 速率通過光纖直接連接，即專用光纖方式（如圖1所示）。

圖1 專用光纖方式

此連接方式簡單可靠，其不足之處為：傳送距離≤50 km，若＞80 km 則需增加專用光放大器；獨占2 芯光纖，低利用率是光纖資源的浪費?，F(xiàn)攀鋼釩9 條使用光纖縱聯(lián)差動保護的110 kV 線路，有8條采用該通信方式。

（2）保護裝置之間以64 kbps/2 Mbps 速率按ITU-TG.703 標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用通信系統(tǒng)同向接口，即復(fù)用PCM 方式（如圖2 所示）。這種方式不獨占2 芯光纖，提高了光纖資源的利用率，而缺點是：中間環(huán)節(jié)增多，通信故障率增大；用64 kb/s數(shù)字通道，縱聯(lián)差動保護通道中即要傳送電流的幅值，又要傳送時間同步信號，通道資源緊張，要求數(shù)據(jù)的誤碼效驗位不能過長，避免影響誤碼效驗的精度[2]。在早期采用較多，在攀鋼釩110 kV線路上未采用。

圖2 采用復(fù)用PCM方式

（3）保護裝置之間通過光通信設(shè)備SDH 的2M口進行數(shù)據(jù)傳輸（如圖3所示）。這種連接方式較復(fù)用PCM方式減少了PCM設(shè)備及連線，降低了通信故障率，速率由64 kb/s 提高到2 Mb/s，為縱聯(lián)差動保護提供了更大的通信傳輸容量，現(xiàn)在多采用該方式。另外，變電站可通過站內(nèi)SDH 光端機的實現(xiàn)站間光纖環(huán)網(wǎng)，即使2個變電站之間的光纖中斷，站間通信也不會中斷，可滿足保護裝置之間的正常通信。攀鋼釩110 kV西紅二線上已有應(yīng)用。

圖3 采用復(fù)接SDH方式

3 通道延時對保護影響

DL/T 769-2001《電力系統(tǒng)微機繼電保護技術(shù)導(dǎo)則》4.6.3 條規(guī)定，“當(dāng)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)時鐘同步并滿足同步要求時，微機繼電保護裝置可不采取其他同步措施?！惫饫w縱聯(lián)差動保護的差動電流計算是采用基于通道收發(fā)延時相等的“等腰梯形”算法對兩側(cè)保護裝置進行同步調(diào)整的，若通道收發(fā)延時不一致，將影響差動電流計算精度，降低縱聯(lián)差動保護靈敏度。若通道延時超過表1 要求時，將影響兩側(cè)保護裝置同步調(diào)整，保護裝置將報故障、閉鎖差動保護，導(dǎo)致光纖縱聯(lián)差動保護不能正常使用。

表1 光纖縱聯(lián)差動保護對通道傳輸延時的要求

通道延時可分為橫向不對稱延時和縱向?qū)ΨQ延時。如圖4所示，信息從保護裝置A到保護裝置B的延時td1為發(fā)送延時，從保護裝置B 到保護裝置A的延時td2為接收延時，Td=︱td1-td2︱稱為橫向不對稱延時，簡稱橫向延時；Td1=（td1+td2）/2 稱為縱向?qū)ΨQ延時，簡稱縱向延時。

圖4 專用通道方式通道延時

4 電力光纜的應(yīng)用

電力行業(yè)常用光纜主要有OPGW、ADSS和普通光纜三類。OPGW、ADSS 屬于特種光纜，廣泛用于大檔距、高電壓環(huán)境，如35 kV及以上線路。普通光纜則是相對于特種光纜而言，泛指電信常用的無金屬光纜，多用于站內(nèi)通信或6～10 kV架空線。

4.1 OPGW

OPGW（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire）：光纖復(fù)合架空地線的簡稱，由內(nèi)到外為容納光纖的中空不銹鋼管、鋁包鋼單絲、鋁合金單絲組成，兼具通信光纜與地線雙重功能，被安裝在電力架空線桿塔頂部，截面圖見圖5。

圖5 OPGW型光纜截面圖

4.2 ADSS

ADSS(All Dielectric Self-Supporting Optical Fiber Cable)：全介質(zhì)自承式光纜的簡稱，由內(nèi)到外為FRP加強芯、容納光纖的松套管/填充繩、內(nèi)護套、芳綸紗、外護套，截面圖見圖6。

4.3 OPGW與ADSS應(yīng)用比較

OPGW 在新建、改造線路工程多為首選方案。2008年攀鋼110 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程，新建的2條110 kV 新方、新振線均采用新建鐵塔，OPGW 就作為縱聯(lián)差動保護的專用光纖通道一并設(shè)計、施工。

圖6 ADSS型光纜截面圖

但在已有線路上采用OPGW 替換地線的改造工程中，由于OPGW 與鋼絞地線的機械力學(xué)特性不同，因此在施工前必須對原有桿塔的承載進行校驗。若桿塔不能滿足承載要求，就必須對桿塔進行改造，這會增加改造費用和施工難度，并使線路停電時間延長，特別是在變電站出線附近，單根OPGW無法承受線路接地電流時，則需架設(shè)另一根良導(dǎo)體進行分流，導(dǎo)致原單桿線路桿塔更換為雙桿的工程量和改造費用將更大。在這種情況下，用ADSS 代替OPGW 就能避免單桿換雙桿的改造工作，且ADSS 能實現(xiàn)不停電施工，縮短了線路停電時間[3]。2010 年新建110 kV 熱施一線利用了大量已有鐵塔，形成鐵塔雙回布線，考慮到鐵塔的承載能力和另一回110 kV線路停電對生產(chǎn)的影響，首次采用了ADSS作為縱聯(lián)差動保護的專用光纖通道。

5 實際應(yīng)用及問題整改

5.1 光纜選型問題

光纜的選型應(yīng)從桿塔承載能力、地理狀況和功能需求等多方面考慮：

（1）110 kV 新建線路，宜采用OPGW；新老混合架空線路，可采用OPGW+ADSS方式，也可全線架設(shè)ADSS，具體應(yīng)根據(jù)新線路的長度、比重和停電影響而定。

（2）110 kV OPGW 的截面較小，通常采用小直徑的鋁合金外層單絲，耐雷擊水平有限，因此在重雷區(qū)采用ADSS更好。

（3）ADSS 護套選擇是減少故障的重要因素。ADSS 隨輸電線路敷設(shè)，一般掛接在的桿塔中部，在強電場腐蝕作用下，ADSS金具末端與光纜接觸的位置是電腐蝕產(chǎn)生的主要部位，因此110 kV及以上線路應(yīng)采用AT護套，而不是PE護套。

（4）光纖按傳輸模式可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖的傳輸衰耗值最小，波長1.31 μm 處是光纖的一個低損耗窗口，所以繼電保護用光纖均使用單模光纖，使用1.31 μm 的波長段[4]，若采用多模光纖則無法實現(xiàn)通信傳輸。

（5）光纜內(nèi)纖芯芯數(shù)選擇應(yīng)根據(jù)實際和業(yè)務(wù)發(fā)展需求基數(shù)，再按雙倍冗余或更多考慮。2013 年110 kV 熱施一線24 芯ADSS 被松鼠啃斷8 芯，造成55 MW 發(fā)電機至四川省電力調(diào)度的通信中斷（縱聯(lián)差動保護用專用纖芯未受影響），經(jīng)測試后換用備用纖芯恢復(fù)通信；而110 kV 新方、新振線OPGW 均只有4 芯，新建時按2 用2 備設(shè)計，在新方線采用3端“T”接光纖縱聯(lián)差動保護后4 芯均被使用，已無備用。

5.2 光纖通道問題

由于光纖縱聯(lián)差動保護的動作完全依賴光纖通道，因此通道的安全性就顯得尤其重要。近幾年，攀鋼釩110 kV線路縱聯(lián)差動保護用光纖通道也出現(xiàn)過問題，使管理措施和技術(shù)工作得到了改進。

（1）光纜通廊定期巡檢、維護不到位，導(dǎo)致光纖故障。2013 年110 kV 熱施一線24 芯ADSS 發(fā)生松鼠啃斷8 芯的原因是：光纜通廊下方的橡皮樹在雨季期間長勢快、未及時修剪，導(dǎo)致松鼠爬上光纜將光纜6根束管中的2根（共8芯）啃斷。故障處理后，產(chǎn)權(quán)單位對熱施一線光纜通廊全線巡查，修剪樹枝、排除其他隱患，并在日常運行管理中加強巡檢、維護力度，再未發(fā)生類似故障。

（2）不同線路光纖通道在站內(nèi)存在交叉環(huán)節(jié)，未相互獨立，造成故障處理時擴大影響。2015 年110 kV 新方線光纖縱聯(lián)差動保護通信中斷，經(jīng)光纖檢測后，將斷點定位在新冶煉變電所側(cè)OPGW 進站光纖配線盒內(nèi)。但因該光纖配線盒為110 kV新方、新振線2 條OPGW 共用，在重新熔接新方線斷點光纖時就損傷了新振線光纖，造成新振線光纖縱聯(lián)差動保護通道中斷、閉鎖保護，擴大了事故影響，也降低了新振線運行可靠性。因此，在以后的光纖通道建設(shè)中，應(yīng)避免不同線路光纖通道出現(xiàn)交叉環(huán)節(jié)。

（3）雙回110 kV線路光纖縱聯(lián)差動保護使用同一條光纜，通道故障將影響雙回線路。通過一回線路采用專用光纖方式、另一回線路采用復(fù)接SDH 方式解決，當(dāng)光纜出現(xiàn)問題，只影響專用光纖通信，復(fù)接SDH 仍能通過光纖環(huán)網(wǎng)保持通信，確保其中一回線路光纖縱聯(lián)差動保護正常投運。2015 年110 kV西紅一、二線改造工程就采用的該組合方式，確保了線路和東方紅變電所供電可靠性。

5.3 通道配置及調(diào)試

在光纖縱聯(lián)差動保護及光纖通道配置和調(diào)試時，應(yīng)該對保護裝置及光纖通道的各個環(huán)節(jié)，包括通道連接設(shè)置、采樣同步設(shè)置、通道狀況及通道衰減等進行檢測。以RCS-943A裝置為例說明如下。

5.3.1 通信連接設(shè)置

保護裝置內(nèi)置光端機的通信速率為64 kb/s 和2 Mb/s 兩類，通信連接可通過保護裝置的“專用光纖”控制字選擇專用或復(fù)接連接方式?？刂谱譃?，為64 kb/s 或2 Mb/s 專用纖芯通信方式；控制字為0，則為64 kb/s或2 Mb/s復(fù)用設(shè)備通信方式。

5.3.2 采樣同步設(shè)置

光纖縱聯(lián)差動保護動作原理在于實時比較線路兩端電流的大小、相位，因此要保證計算的準(zhǔn)確，就必須進行同步調(diào)整。采樣時刻調(diào)整法、時鐘校正法和采樣序號調(diào)整等常用的數(shù)據(jù)通道同步方法，均需要對兩側(cè)的保護裝置確定一端為參考端（主站）另一端為同步端（從站），由參考端對同步端進行調(diào)整，又稱主從確定。

1999 年，東北伊敏至馮屯500 kV 甲乙兩線電流差動保護裝置上的“IN-SERVICE”指示燈在甲線上每隔61 s閃滅1次，乙線每隔23 s閃滅1次，表示保護裝置周期性地出現(xiàn)瞬時故障。這就是由于保護裝置時鐘的“主”、“從”方式設(shè)置錯誤引起保護裝置異常的典型事例[5]。

因此，光纖縱聯(lián)差動保護投運前必須進行主從確定，將一側(cè)裝置作為參考端（控制字“主機方式”整定為1），另一側(cè)裝置則為同步端（控制字“主機方式”整定為0）。同步條件為：通道單相最大傳輸時延≤15 ms，且通道的收發(fā)路由一致（發(fā)送延時和接收延時相同）。

5.3.3 通道狀況判斷

通過保護裝置狀態(tài)及信號，可判斷光纖通道是否良好。其判斷方式為：

（1）無“通道異?！备婢１Ｗo裝置“通道異?！睙魬?yīng)不亮，事件記錄中無“通道異?！卑l(fā)生。

（2）保護裝置功能菜單“保護狀態(tài)”→“通道狀態(tài)”中通道狀態(tài)計數(shù)應(yīng)保持不變（長時間可能有略微增加，但以每天＜10個為宜）。

當(dāng)以上兩點均滿足時，可判定光纖通道通信良好，縱聯(lián)差動保護具備投入使用條件。

5.4 定期檢驗要求

（1）保護用光纖通道定期測試。新投運的光纖通信，在投運滿1年后應(yīng)進行光纖測試，用以檢測投運初期、受外應(yīng)力作用的衰減變化；已投運的光纖通信，應(yīng)與保護裝置周期檢驗同步調(diào)進行光纖測試；當(dāng)保護光纖通道告警時，應(yīng)立即停用相關(guān)光纖保護，并進行光纖通道檢測，分析原因后進行處理。

（2）電平衰減測試是光纖特性測試的主要項目，測量儀器應(yīng)使用光時域反射計（OTDR）或光功率計。

（3）每根光纖均應(yīng)進行雙向測量，并取雙向測量的平均值。測量內(nèi)容應(yīng)包括：線路衰耗、熔接點損耗、光纖長度等。

5.5 專用工具配置需求

繼電保護專業(yè)應(yīng)根據(jù)光纖縱聯(lián)差動保護應(yīng)用需要，配置光纖通道檢驗的基本專用工具。包括：光功率計、光衰耗儀、光誤碼儀、光源及繼電保護測試儀[6]。

6 結(jié)束語

光纖縱聯(lián)差動保護作為110 kV 線路的主保護已經(jīng)成為一種趨勢，從事繼電保護的專業(yè)人員也需要掌握光纖及通信方面的知識。通過對近年來光纖縱聯(lián)差動保護在攀鋼釩110 kV 線路上的應(yīng)用分析，總結(jié)光纖通信在建設(shè)、運行和維護的要求及注意事項，提高保護裝置和光纖通信管理水平，才能在故障時快速有效地排查、處理，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。