基于2M光接口技術(shù)的繼電保護裝置與通信設(shè)備直連研究與測試

安凱月，陳 思，李鵬程，張 躍，陳 穎

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司 信息通信分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

作為電網(wǎng)的重要組成部分，繼電保護裝置對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用[1]。為保障其運行可靠穩(wěn)定、動作靈敏準確，在相關(guān)繼電保護國家和行業(yè)標準中，明確將光纖作為承載繼電保護信息的優(yōu)先方式[2-4]。

光纖承載方式通常包括光纖專用通道和2M復(fù)用通道。其中2M復(fù)用通道是將保護信號通過電力通信網(wǎng)進行傳輸，具有傳輸距離長、纖芯資源使用少、業(yè)務(wù)自愈能力強等特點，已經(jīng)成為承載繼電保護業(yè)務(wù)的主要方式[5]。繼電保護2M復(fù)用光纖通道連接方式如圖1所示。

圖1 繼電保護2M復(fù)用光纖通道框圖

在2M復(fù)用方式下，通過光電轉(zhuǎn)換裝置連接繼電保護裝置與通信設(shè)備，保護信號需要經(jīng)過2M電纜，沒有實現(xiàn)光纖的全過程傳輸。近幾年的電網(wǎng)運行情況表明，光電轉(zhuǎn)換裝置是2M復(fù)用保護通道的薄弱環(huán)節(jié)。針對此問題，南方電網(wǎng)、國家電網(wǎng)相繼開展通過2M光接口技術(shù)取代光電轉(zhuǎn)換器的研究及測試[6-10]。考慮到繼電保護通道的極端重要性，內(nèi)蒙古電網(wǎng)在具備A/B雙接口的保護裝置上開展基于2M光接口技術(shù)的直連研究與測試工作。

本文分析了內(nèi)蒙古電網(wǎng)繼電保護通道的2M復(fù)用保護趨勢和2M復(fù)用保護方式下使用光電轉(zhuǎn)換器存在的問題，在實際線路中搭建了基于2M光接口技術(shù)的繼電保護裝置與通信設(shè)備直連測試系統(tǒng)，測試并驗證了該項技術(shù)的可行性，為下一步在內(nèi)蒙古電網(wǎng)推廣應(yīng)用該技術(shù)提供依據(jù)。

1 現(xiàn)狀及存在問題

1.1 保護通道現(xiàn)狀

近年來，各省網(wǎng)公司正大力推進繼電保護通道光纖化工作，通道光纖化率逐年提高。以內(nèi)蒙古電網(wǎng)為例，目前500 kV線路保護通道的光纖化率為100%，220 kV線路保護通道的光纖化率為99%。上述光纖通道中，500 kV、220 kV系統(tǒng)復(fù)用通道占比分別為87%、47%，電壓等級越高，復(fù)用通道應(yīng)用率越高。

目前，內(nèi)蒙古電網(wǎng)在運光電轉(zhuǎn)換裝置共計1 916套，未來幾年隨著線路保護雙通道技術(shù)的全面推廣，使用量還將大幅增長。繼電保護雙復(fù)用光纖通道如圖2所示。

圖2 繼電保護雙復(fù)用光纖通道框圖

1.2 存在問題

近些年的運行情況表明，光電轉(zhuǎn)換裝置是整個復(fù)用通道的薄弱環(huán)節(jié)，運行中主要存在如下問題[11,12]。

（1）接地可靠性問題。一般情況下，光電轉(zhuǎn)換裝置布置在通信機房，通過2M同軸電纜接入通信數(shù)字配線架（Digital Distribution Frame，DDF），如果光電轉(zhuǎn)換裝置距離DDF架較遠或地網(wǎng)設(shè)置不合理，流過通信機房的大地工頻電流可能阻斷2M同軸電纜通道，造成保護拒動。

（2）供電可靠性問題。光電轉(zhuǎn)換裝置通常以單電源方式供電，而單路電源失效則會造成保護通道中斷。另外，對于220 kV及以上雙重化的系統(tǒng)，兩套光電轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)來自不同的直流系統(tǒng)，且與所接保護裝置一一對應(yīng)，然而在設(shè)計和實施環(huán)節(jié)很容易忽視，且此類隱患很難暴露。

（3）故障率高問題。光電轉(zhuǎn)換裝置增加了保護業(yè)務(wù)的中間傳輸環(huán)節(jié)，故障率高。另外，使用的2M接頭需要人工焊接，工藝得不到保障，影響運行的穩(wěn)定性。

（4）監(jiān)控盲區(qū)和故障處理困難。目前技術(shù)無法對光電轉(zhuǎn)換裝置進行遠程監(jiān)控，屬于監(jiān)控盲區(qū)，出現(xiàn)問題時需要人工現(xiàn)場排查定位。另外，故障處理涉及保護、通信兩個專業(yè)，由不同的運維隊伍負責(zé)，影響故障處理速度。

（5）空間資源占用問題。光電轉(zhuǎn)換裝置至少占用兩面通信機柜，進一步加劇了機房空間資源緊張問題。

因此，如果能將2M光接口技術(shù)應(yīng)用于繼電保護通道中，則可有效改善采用傳統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換裝置帶來的弊端。

2 2M光接口技術(shù)

IEEE C37.94最早提出2M光接口技術(shù)標準，可用于繼電保護的光纖專用方式，但應(yīng)用于同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）設(shè)備中則成幀機構(gòu)復(fù)雜且利用率低[13]。與傳輸?shù)?M光接口技術(shù)標準不同，本次采用的2M光接口標準采用非成幀不歸零碼（Non Return Zero，NRZ），非成幀方式對保護裝置發(fā)送的信號無編碼要求，通過添加時鐘信號進行同步，保護信號可以在SDH系統(tǒng)中透明傳輸，既可以滿足通信設(shè)備和保護裝置的互聯(lián)互通，又可以提高數(shù)據(jù)的處理效率，降低時延。為了提高數(shù)據(jù)的時鐘提取準確度，2M光接口信號中“0”和“1”不能連續(xù)超過4個[14]。

2M光接口裝置的原理如圖3所示。此項技術(shù)避開了光電轉(zhuǎn)換裝置，利用光纖具備的高抗干擾特性從根本上解決了上述問題。

圖3 2 M/s光接口裝置原理框圖

3 測試平臺搭建

為驗證2M光接口承載保護業(yè)務(wù)的可靠性，結(jié)合線路停電或保護退出，實地選取烏蘭察布地區(qū)烽火傳輸設(shè)備承載的220 kV汗團I線PSL-603UA-G、巴彥淖爾地區(qū)中興傳輸設(shè)備承載的220 kV天安線CSC-103A-G保護進行現(xiàn)場測試。下面以220 kV汗團I線PSL-603UA-G保護測試為例說明。

本次采用烽火780B設(shè)備（配置2M光接口板）搭建測試平臺，在汗海至團結(jié)建立10G“1+1”主備用光路，為直達路由，距離為76.8 km，連接至保護裝置A口；利用汗海-前進-杭寧達萊-玉嶺-慶云-團結(jié)建立10G“1+0”，為迂回路由，距離為233.5 km，連接至保護裝置B口，如圖4所示。

圖4 測試平臺連接示意圖

保護裝置方面，選用具備雙接口功能的“九統(tǒng)一”保護裝置。本次測試選用的國電南自裝置不支持光接口直連方式測試，廠家技術(shù)人員提前對保護裝置光口配置文件進行升級，通過修改底層光口速率配置文件，將傳輸速率修改為2.028 Mb/s后進行試驗。

4 測試內(nèi)容及結(jié)果

測試過程中，利用SDH分析儀、繼電保護測試儀等工具從光接口性能、互通性、通信網(wǎng)管的告警監(jiān)測、傳輸設(shè)備切換以及通道切換5個方面展開測試。

4.1 光接口性能測試

對烽火780B設(shè)備進行光接口性能測試。測試結(jié)果表明：2M光接口的比特率、工作波長、發(fā)送功率、最差靈敏度等物理指標均優(yōu)于標稱值，滿足通信設(shè)備和保護裝置互通要求。

4.2 互通性測試

現(xiàn)場將通信2M光接口與保護裝置直連進行互通性測試，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明：保護通道正常，可以建立正常通信，保護裝置縱聯(lián)通道延時穩(wěn)定，線路區(qū)內(nèi)故障時繼電保護裝置能夠正確動作。

表1 互通性測試結(jié)果

4.3 通信網(wǎng)管的告警監(jiān)測測試

對烽火780B設(shè)備進行網(wǎng)管監(jiān)測功能測試。測試結(jié)果表明：保護裝置故障、保護裝置與傳輸設(shè)備互聯(lián)故障和傳輸通道故障時都能夠產(chǎn)生LOS或AIS等正確告警信號，通道恢復(fù)后，保護裝置復(fù)歸。通過網(wǎng)管對2M光接口板查詢或配置時，通信正常，響應(yīng)正確。

4.4 傳輸設(shè)備切換測試

對烽火780B設(shè)備進行傳輸設(shè)備切換測試。測試結(jié)果表明：2M光接口盤與2M電口盤可以使用同一塊冗余板卡，實現(xiàn)2M盤1∶N保護；冗余配置的主用主控盤、交叉盤、光口盤、2M盤故障或熱插拔，出現(xiàn)不同程度的丟幀或誤碼情況，但保護裝置均保持正常通信狀態(tài)。

4.5 通道切換測試

本項測試包含復(fù)用段保護（Multiplex Section Protection，MSP）切換、子網(wǎng)連接保護（SubNetwork Connection Protection，SNCP）切換、雙通道切換3項測試，驗證在不同切換機制下保護裝置的運行狀態(tài)。

對烽火780B設(shè)備進行MSP切換測試，雙光路采用76.8 km直連方式。測試結(jié)果表明：保護裝置的通道告警、通道延時在切換前后均保持不變，切換過程中未出現(xiàn)丟幀、誤碼等情況，光路MSP切換不影響保護裝置運行狀態(tài)。

對烽火780B設(shè)備進行SNCP切換測試，保護通道由從76.8 km直連路由切換為233.5 km迂回路由方式。測試結(jié)果表明：切換前后保護裝置出線通道失步、通道異常、通道中斷閃告，未出現(xiàn)丟幀、誤碼等情況，通道時延增加0.5 ms左右（由966 μs增加到1 466 μs），通道SNCP雙向切換后，保護裝置正常通信。

對保護裝置的雙通道切換測試。測試結(jié)果表明：主用通道（A口通道）故障后，保護裝置自動切換到備用通道（B口通道）運行，雙通道正常切換，保護裝置動作正常，未出現(xiàn)保護裝置通信中斷。

5 結(jié) 論

現(xiàn)場測試結(jié)果顯示2M光接口技術(shù)應(yīng)用性能穩(wěn)定、通道切換正常，滿足繼電保護裝置對通道的各項要求，驗證了2M光接口技術(shù)在繼電保護通道中應(yīng)用的可行性及合理性，為下一步2M光接口技術(shù)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)內(nèi)推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

該技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)繼電保護裝置與光端機設(shè)備直接連接，省去光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，減少通道傳輸節(jié)點，避免光電轉(zhuǎn)換裝置由于失電、故障等原因造成保護通道中斷風(fēng)險，實現(xiàn)繼電保護通道路由全程網(wǎng)管監(jiān)控，提升業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行水平。同時，減少光電轉(zhuǎn)換裝置使用，可釋放更多屏位及電源資源，為通信設(shè)備等各類設(shè)備增設(shè)、擴容創(chuàng)造有利條件，為電網(wǎng)帶來諸多益處。不足之處是2M光接口板卡占用傳輸設(shè)備槽位，槽位緊張的地方無法應(yīng)用。應(yīng)進一步強化不同傳輸設(shè)備、保護裝置之間的測試工作以及2M光接口單側(cè)應(yīng)用的測試工作，改進測試手段。