基于2M光接口的繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 張海燕 李昆鴻 葛紋伉

繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中用于保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、維護(hù)電力資源有序傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備。因此，在電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，除了要保證繼電設(shè)備自身具有可靠性與靈敏性特點(diǎn)，還要保證裝置在集成與安裝時(shí)線路的精準(zhǔn)性，只有確保信號(hào)線路安裝可滿足裝置的運(yùn)行需求，才能確保電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)對(duì)信號(hào)準(zhǔn)確、高速的識(shí)別與傳輸。

目前，電力市場(chǎng)內(nèi)大部分繼電保護(hù)裝置的通信標(biāo)準(zhǔn)均為2M 光接口協(xié)議，此協(xié)議中明確規(guī)定了與之相關(guān)的遠(yuǎn)程裝置或保護(hù)設(shè)備，在進(jìn)行數(shù)字復(fù)接設(shè)備間通信時(shí)，應(yīng)當(dāng)參照多模光纖標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行通信行為，本文所研究的2M 光接口為對(duì)端通信可提供M×64.0kbit/s 的信道帶寬，可以確保不同廠家設(shè)備應(yīng)用到相同電力系統(tǒng)后的有效通信與相互連接。

2M 光接口技術(shù)是我國(guó)電力市場(chǎng)較早時(shí)期提出的接口規(guī)范，其中包括幀結(jié)構(gòu)規(guī)范、時(shí)鐘定時(shí)規(guī)范與接口標(biāo)準(zhǔn)，幀結(jié)構(gòu)規(guī)范中的格式要求以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力通信信道故障定位過(guò)程的優(yōu)化。然而在實(shí)際應(yīng)用中，2M 光接口占用了較大的機(jī)房空間，此種現(xiàn)象導(dǎo)致電力終端的潛在故障源呈現(xiàn)一種增加趨勢(shì)[1]。為解決與之相關(guān)的問(wèn)題，本文將基于2M 光接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的要求，設(shè)計(jì)一種針對(duì)繼電保護(hù)裝置線路的故障定位方法，以此種方式優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力終端故障定位與故障維護(hù)提供技術(shù)保障。

1 基于2M 光接口的繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法

1.1 基于2M 光接口標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置信號(hào)透明傳輸

為實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置線路的精準(zhǔn)定位，在開(kāi)展相關(guān)設(shè)計(jì)研究前引進(jìn)2M 光接口標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行繼電保護(hù)裝置信號(hào)的透明傳輸研究[2]。在此過(guò)程中，參照ITU-T 標(biāo)準(zhǔn)，將繼電保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)幀在傳輸信道中以字節(jié)的方式進(jìn)行傳輸，將其中的幀結(jié)構(gòu)定義為矩形幀，矩形幀主要是由9行270.0×N 列字節(jié)排列組成，證明裝置在運(yùn)行中的信號(hào)主要是通過(guò)數(shù)據(jù)塊字節(jié)復(fù)用形成的[3]。對(duì)應(yīng)的傳輸模式可用圖1表示。

圖1 基于2M 光接口標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)透明傳輸模式

在進(jìn)行繼電保護(hù)裝置信號(hào)傳輸時(shí)收發(fā)端進(jìn)行信號(hào)的獲取，Tx 用于執(zhí)行信號(hào)的光/電轉(zhuǎn)換，當(dāng)信號(hào)數(shù)據(jù)碼流實(shí)現(xiàn)再生后，復(fù)用功能模塊即可進(jìn)行信號(hào)的恢復(fù)。在上述過(guò)程中，EI 信號(hào)接口可負(fù)責(zé)或用于信號(hào)電平之間的轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)的隔離、信號(hào)波形的映射等。

由于上述所有處理與操作都是在信號(hào)傳輸過(guò)程中發(fā)生的，因此可認(rèn)為此時(shí)信號(hào)的傳輸處于一種透明狀態(tài)。

1.2 提取繼電保護(hù)裝置線路故障測(cè)量信號(hào)

確保繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行中信號(hào)可保持連續(xù)傳輸狀態(tài)后，在前端進(jìn)行裝置線路故障測(cè)量信號(hào)的提取?？紤]到高頻傳輸信號(hào)可能存在特性誤差，此時(shí)線路的電壓行波無(wú)法直接在裝置側(cè)進(jìn)行二次提取，因此，需要通過(guò)地線入地的方式，進(jìn)行行波信號(hào)的分析[4]。對(duì)應(yīng)信號(hào)的表達(dá)為i=c×du/dt，式中：i 表示為繼電保護(hù)裝置線路或?qū)?yīng)裝置母線在運(yùn)行中輸出的電流值；c 表示為裝置電容；u 表示為裝置對(duì)地電壓。

根據(jù)公式可得到母線行波信號(hào)，將此數(shù)值作為電路電壓導(dǎo)出，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)數(shù)頻率越大，證明信號(hào)的傳輸頻率越高[5]。因此，可將測(cè)量信號(hào)的提取過(guò)程作為行波高頻分量的提取過(guò)程。當(dāng)高頻分量達(dá)到一定數(shù)值后，入地電流的故障行波突變更大，也更加有利于后續(xù)的裝置線路故障的分析。按照此種方式，獲取繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行中不同線路或母線的行波突變電流，將獲取的電流進(jìn)行光/電信號(hào)轉(zhuǎn)換，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信號(hào)的提取。

1.3 基于信號(hào)分析的故障識(shí)別與定位

完成上述相關(guān)研究后進(jìn)行故障信號(hào)的分析，通過(guò)對(duì)信號(hào)的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的識(shí)別與定位。假設(shè)在電網(wǎng)終端存在裝置母線運(yùn)行發(fā)生異常，記錄在此種狀態(tài)下行波的達(dá)到時(shí)刻。

當(dāng)線路由于故障或異常發(fā)生跳閘行為時(shí)，需由終端多個(gè)調(diào)度進(jìn)行行波達(dá)到時(shí)間的記錄[6]。根據(jù)行波的達(dá)到時(shí)間可初步定位到發(fā)生故障的裝置線路。在發(fā)生故障線路的兩端任意獲取一側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的計(jì)算，假設(shè)其中一側(cè)數(shù)值表示為1，另一側(cè)數(shù)值表示為2，對(duì)應(yīng)此條線路的故障點(diǎn)定位過(guò)程可表示為：l1=1/2[l+v(t1-t2)]。

式中：l1表示為繼電保護(hù)裝置線路故障點(diǎn)與1之間的距離；l 表示為1經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)后達(dá)到2端的線路最短距離；v 表示為信號(hào)在繼電保護(hù)裝置線路中的傳播速度；t1表示為繼電保護(hù)裝置線路故障信號(hào)到達(dá)1所需要的時(shí)間；t2表示為繼電保護(hù)裝置線路故障信號(hào)到達(dá)2所需要的時(shí)間。按照上述方式，記錄不同條件下故障信號(hào)的達(dá)到時(shí)間，通過(guò)此種方式定位到繼電保護(hù)裝置線路中的故障點(diǎn)，以此完成基于2M 光接口的繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法的設(shè)計(jì)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

上文從三個(gè)方面完成了對(duì)基于2M 光接口的繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法的設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)此方法在市場(chǎng)內(nèi)的推廣與應(yīng)用，下述將通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)此方法的有效性及其在使用中的可行性進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)前，選擇某電力單位作為此次實(shí)驗(yàn)的參與對(duì)象，獲取該企業(yè)內(nèi)繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)終端的集成方式，完成對(duì)電力企業(yè)在市場(chǎng)運(yùn)行中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取。在企業(yè)電力終端對(duì)接本文設(shè)計(jì)的方法，為了證明設(shè)計(jì)的方法可用，應(yīng)在對(duì)方法故障定位功能檢驗(yàn)前進(jìn)行2M 光接口基本參數(shù)的測(cè)試。

測(cè)試中，選擇OPE1Z-2M 光接口板作為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行2M 光接口其中一端傳輸數(shù)字信號(hào)的比特率測(cè)試，測(cè)試裝置包括光電探頭儀器、示波器、SDH-測(cè)試儀器（針對(duì)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的檢測(cè)儀器），完成測(cè)試儀器的準(zhǔn)備后進(jìn)行比特率測(cè)試的連接：SDH 測(cè)試儀（2.5G/10G）-繼電保護(hù)裝置/SDH 裝置（2M 光路）-光電探頭-示波器。

測(cè)試過(guò)程中，按照標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試流程與參照示意圖，使用尾部光路進(jìn)行測(cè)試裝置的規(guī)范化連接，在SDH 測(cè)試儀上，配置一個(gè)168/620/10.0G 的2M 光路執(zhí)行業(yè)務(wù)，為了確保測(cè)試結(jié)果滿足要求，需要在對(duì)應(yīng)的SDH 測(cè)試儀表中配置相同的2M 光路執(zhí)行業(yè)務(wù)，將此業(yè)務(wù)作為支路業(yè)務(wù)。

考慮到測(cè)試儀器需要抽取光線路作為保護(hù)時(shí)鐘，因此，可在測(cè)試中根據(jù)實(shí)際情況選擇是否需要測(cè)試儀器作為支撐。完成測(cè)試后，終端顯示屏顯示光電探頭實(shí)現(xiàn)了將2.0Mbit/s 的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為了對(duì)應(yīng)頻率為2.0MHz 的電壓信號(hào)，此時(shí)2.0Mbit/s 為光信號(hào)的比特率。完成測(cè)試后，將時(shí)鐘與測(cè)試儀顯示的數(shù)值整理成表（表1）。

表1 2M 光接口比特率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與2M 光接口信號(hào)標(biāo)稱比特要求可知，對(duì)應(yīng)接口的比特率有效范圍為2.048×106ppmkb/s±50.0ppm（容差有效范圍），因此，可認(rèn)為2M 光接口信號(hào)比特率標(biāo)準(zhǔn)范圍為2.048×107bit/s±10.03bit/s。將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值與表1中數(shù)值進(jìn)行對(duì)接，可知此次測(cè)試，2M 光接口比特率測(cè)試結(jié)果在光接口有效范圍內(nèi)，證明本文設(shè)計(jì)的基于2M 光接口的繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定可行性。

完成上述研究后，選擇基于ESMD-TEO 的電路故障定位方法作為傳統(tǒng)方法，將其與本文設(shè)計(jì)的定位方法進(jìn)行功能對(duì)比，考慮到此次實(shí)驗(yàn)受到時(shí)間與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，因此，實(shí)驗(yàn)中選擇故障光信號(hào)傳輸距離作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。根據(jù)電力企業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，設(shè)置不同繼電保護(hù)設(shè)備與光傳輸設(shè)備之間的距離為30.0m、50.0m、80.0m、200.0m、500.0m、＞500.0m。

實(shí)驗(yàn)中，分別使用本文方法與傳統(tǒng)方法對(duì)不同距離下的故障信號(hào)進(jìn)行傳輸，根據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果定位前端故障與異常。當(dāng)在超遠(yuǎn)距離下，光信號(hào)可實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)，證明方法可在定位繼電保護(hù)裝置故障時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)管盲點(diǎn)的規(guī)避，反之，當(dāng)光信號(hào)在達(dá)到終端出現(xiàn)傳輸異常時(shí)證明方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)管盲點(diǎn)的規(guī)避，此時(shí)對(duì)于繼電保護(hù)裝置線路故障的定位可能存在偏差。按照上述設(shè)計(jì)的步驟執(zhí)行此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)，獲取顯示端對(duì)光信號(hào)的獲取結(jié)果，將結(jié)果數(shù)據(jù)整理成表格（表2）。

表2 繼電保護(hù)裝置故障線路定位方法對(duì)比結(jié)果

已知傳輸信號(hào)強(qiáng)度的有效范圍在10.0dBm～20.0dBm 之間，根據(jù)表2所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，隨著繼電保護(hù)設(shè)備與光傳輸設(shè)備之間的距離的增加，本文故障定位方法接收信號(hào)強(qiáng)度未發(fā)生顯著變化，對(duì)應(yīng)數(shù)值均在有效取值范圍內(nèi)。而傳統(tǒng)故障定位方法，接收的信號(hào)強(qiáng)度在＞200.0m 后明顯被削弱，當(dāng)繼電保護(hù)設(shè)備與光傳輸設(shè)備之間的距離＞500.0m 時(shí)，顯示端無(wú)法正常顯示接收到的信號(hào)。

因此，可在完成此次實(shí)驗(yàn)后得出對(duì)比實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論：相比基于ESMD-TEO 的電路故障定位方法，本文設(shè)計(jì)的基于2M 光接口的繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法，在實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障定位信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，且傳輸距離不受到外界限制，在定位故障點(diǎn)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)管盲點(diǎn)的規(guī)避，可為終端電力企業(yè)與有關(guān)單位的繼電保護(hù)裝置線路故障定位工作實(shí)施提供參照依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)基于2M 光接口標(biāo)準(zhǔn)的繼電保護(hù)裝置信號(hào)透明傳輸、提取繼電保護(hù)裝置線路故障測(cè)量信號(hào)、基于信號(hào)分析的故障識(shí)別與定位三個(gè)方面，完成對(duì)繼電保護(hù)裝置線路故障定位方法的設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后，通過(guò)基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試，證明了于2M 光接口在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，并選擇基于ESMD-TEO的電路故障定位方法作為傳統(tǒng)方法，對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)方法在使用中的性能，以此種方式，證明了本文方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障定位信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，且傳輸距離不受到外界限制，在定位故障點(diǎn)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)管盲點(diǎn)的規(guī)避。

但是由于此次實(shí)驗(yàn)研究受到時(shí)間與場(chǎng)地的限制，僅僅從一個(gè)方面進(jìn)行了方法有效性的檢驗(yàn)，而未能從多個(gè)測(cè)試指標(biāo)層面進(jìn)行方法綜合性能的評(píng)估。因此，還需要在后續(xù)的研究中從多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)方法的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方法的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)成果在使用與市場(chǎng)推廣中功能的完善。