光纖復用2M保護通道誤碼性能研究

劉 革 ，陳 喆 ，張 穎 ，伍小波

（1.四川省電力公司通信自動化中心 成都 610041;2.中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

電力系統安全運行是電力部門的首要任務，隨著全國聯網的不斷推進和電網規模的不斷擴大，電網的運行管理越來越復雜，其安全穩定運行越來越重要。電力系統繼電保護和安全自動裝置、調度自動化系統、電力市場支持系統、電力通信數據網絡等是電力系統的重要組成部分，是保證電網安全、優質、經濟、高效運行的重要手段，是電網管理自動化、現代化的基礎和重要標志，對提高電網的科技含量和整體效益起著越來越突出的作用。

遠動和繼電保護的實施除需監測、采集和控制設備外，還需要傳輸通道將信息準確、可靠、迅速地傳送出去，使故障在最短的時間內得到控制。隨著通信技術的不斷發展，數字微波將逐漸被光纖通信所替代，光纖通信在電力系統中具有廣闊的發展前景，如何利用光纖通信網以較低誤碼性能來同時傳送語音、遠動和繼電保護等數據信號，是目前需討論和深入研究的問題。

2 光纖復用保護通道系統及誤碼概述

繼電保護是電網安全穩定運行的第一道防線，要求繼電保護快速、可靠切除故障。根據電力二次系統安全防護總體方案的應用系統安全區劃分規定，線路保護屬于安全1區的生產控制業務，主要有光纖電流差動保護（采用光纖通道）、微機高頻方向保護（采用光纖、載波通道）、微機高頻距離保護（采用光纖、載波通道）、遠方跳閘保護（采用光纖、載波通道）等。通道是線路保護的重要組成部分，具有極高的可靠性、穩定性和快速性的要求。

2.1 線路縱聯保護的分類及基本特點

對于線路保護而言，分相電流差動保護具有選相能力和網絡拓撲能力，不受系統振蕩、非全相運行的影響，可以反映各種類型的故障，是理想的線路主保護。目前，光纖差動電流保護廣泛應用，其構成如圖1所示。保護設備根據本側和對側的電流計算差動電流和制動電流，并根據計算結果判別區內故障或區外故障。傳輸線路兩側信息的光纖通道是保護系統的重要組成部分，其可靠、快速和準確地傳輸信號是保護正確動作的前提，其特點如下：

· 能反應全相狀態下的各種對稱和不對稱故障，裝置比較簡單；

· 不反應系統振蕩。在非全相運行狀態下和單相重合閘過程中保護能繼續運行；

·不受電壓回路斷線的影響；

· 對收發信機及通道要求較高，在運行中兩側保護需要聯調；

·當通道或收發信機停用時，整個保護要退出運行，因此需要配備單獨的后備保護。

對于線路保護還有另外兩種保護方式：閉鎖式高頻方向保護和距離保護。閉鎖式高頻方向保護簡稱高頻閉鎖保護，其主要工作方式是：方向高頻保護是比較線路兩端各自看到的故障方向，以綜合判斷是線路內部故障還是外部故障。如果以被保護線路內部故障時看到的故障方向為正方向，則當被保護線路外部故障時，總有一側看到的是反方向。

距離保護是根據被保護線路始端電壓和線路電流的比值而工作的一種保護，這個比值被稱為測量阻抗。線路正常運行時的測量阻抗稱為負荷阻抗，其值較大。當系統發生短路時，測量阻抗等于保護安裝到短路點的線路阻抗，其值較小，而且故障點愈靠近保護安裝處，其值愈小。

目前，光纖電流差動保護應用廣泛，其對通道的要求最高，因此主要對電流差動保護進行理論分析。

2.2 光纖復用保護通道的連接方式

光纖復用保護通道的連接方式根據接口速率的不同，可分為 64 kbit/s和 2 Mbit/s。

當保護裝置采用64 kbit/s接口速率時，需經PCM裝置復用為2 Mbit/s信號接入SDH傳輸系統，遠端將2M信號經PCM解復用后連接至線路對端保護裝置。

當保護裝置采用2 Mbit/s接口速率時，可直接與SDH相連，經光纖線路傳輸至對端。

光纖復用保護通道的具體連接方案如圖2所示。

在光信號轉2M復用方式中，保護裝置的光接口需要特定的接口轉換裝置將光信號轉換成標準的2 Mbit/s數字信號，復用進SDH網絡傳輸。對端將該信號經接口轉換裝置轉換成光信號連接至保護裝置。

2.3 光纖復用保護通道誤碼現狀

在數字通信中，發送和接收序列的任何不一致都叫差錯(error)，又稱為誤碼。誤碼是一種傳輸損傷，即經接收判決再生后，數字流的某些比特發生了差錯，使傳輸信息的質量發生了損傷。傳統上常用長期平均誤比特率(BER)，即某一特定觀察時間內錯誤比特數與傳輸比特總數之比。來衡量信息傳輸的質量。實際誤碼的出現往往具有突發性和隨機性，并且傳輸技術不同，其產生機制和對業務的影響差異較大。

誤碼率是特定時長內的誤比特率，因此，誤碼率指標與測試時長密切相關。光纖通信線路驗收指標中要求通道誤碼為10-7，正常運行條件下線路的誤碼可達到10-9。光纖復用保護通道系統中影響誤碼性能的因素眾多。當光纜線路受到外力破壞、接觸不良、設備故障等異常條件下，光纖復用通道的誤碼率劣化。總體來說，誤碼具有突發性和偶然性，呈泊松分布，而不是均勻分布的。光纖復用通道突發誤碼對線路保護裝置的影響在相關規范中沒有結論，如何確定光纖復用保護通道的誤碼率指標是需要重點研究的。

3 誤碼對保護裝置的影響

誤碼對一般的傳輸系統來說將影響數字傳輸系統的傳輸質量，使音頻信號產生失真，使數據信號丟失信息，產生不準確信息，或減少通過量等。對于保護裝置，各類保護裝置在檢查出誤碼后采取的措施是不完全相同的，通常是將存在誤碼的數據幀刪除，數據系列中這種短缺的數據對保護的影響與裝置設計方案有關。有的只是使保護的動作延遲少量時間，如數毫秒；有的在誤碼后要重新建立同步和數據窗，可能要延遲較長時間。這樣，誤碼對保護性能的影響可能差別很大。電力系統專用電路通道性能的要求很高，但誤碼性能具體指標始終沒有明確，過高的性能指標將會對通信資源的浪費，過低的性能指標將威脅到保護通道的可靠性，因此，針對繼電保護通道的特點，將對通道誤碼進行重新考慮。

對于不同的通信業務，誤碼的影響后果不同。PCM通信方式，對于電話信息的影響是產生噪聲。當誤碼率為l×10-6時，覺察不到干擾；當誤碼率為 l×10-5時，聽到個別“喀嚦”聲，在低語音電平時剛可覺察到干擾；誤碼率為l×10-4時，聽到個別“喀嚦”聲，在低語音電平時感到有些干擾；誤碼率為1×10-3時，在各種語音電平下，都感到有干擾：誤碼率為1×10-2時，語音受到強烈干擾，可懂度顯著降低，但還能分辨人聲：誤碼率為5×10-2時。語音幾乎無法辨析。

數據通信中信息本身幾乎沒有冗余度，只要數據塊錯一個比特，整個數據塊就報廢了，而且數據塊中錯一個比特或是錯多個比特串效果相同。國際標準化組織給出了三大類數據傳輸的最大容許誤字符率，見表1所列。

表1 數據傳輸容許的最大誤字符率

由于光纖通道傳輸繼電保護信號目前沒有相關的標準規范可以參照，通過對現場繼保設備的運行情況進行調研，各個廠家對光纖通道的性能提出了各自的要求，見表2。

由表2可以看出不同廠家的設備對誤碼的容忍程度也不相同，廠家A的保護設備在通道誤碼率較低的情況下依然能夠繼續工作，當誤碼率不斷升高的過程中，保護裝置首先會通道告警，如果通道誤碼繼續增大，則保護裝置會中斷工作，出現嚴重告警。

4 光纖復用保護通道誤碼指標研究

4.1 復用通道誤碼產生原理

光纖通信具有寬帶、高速、可靠、誤碼性能好的特點，是繼電保護信息傳輸的理想通道。實際應用中的光纖通信，由于線路設備及運行維護方面的原因，往往存在局部劣化或失效的現象，導致線路整體誤碼性能惡化，繼電保護采用光纖通信時，必然會受到通道誤碼的影響。為了解光纖復用保護通道在外界干擾下對繼電保護信息傳輸質量的影響，有必要對整個通信系統的誤碼性能進行研究。

表2 部分廠商的繼保設備對通道性能要求比較表

理想的光纖傳輸系統基本不受外界電磁干擾影響，通道性能比較穩定。系統誤碼的主要來源有：傳輸設備及其輔助設備的噪聲、接收機光電檢測器的散彈噪聲、雪崩光電二極管的雪崩倍增噪聲以及放大器的熱噪聲等；電子設備作為終端在外界干擾下的信號畸變；光設備輸入抖動量過大對碼流的影響；色散引起的碼間干擾。

上述誤碼分布服從泊松分布，即系統大部分時間運行穩定，產生嚴重誤碼的幾率極低，絕大部分是單比特誤碼。而更多的實際測量結果表明，光纖系統的誤碼特性呈突發性質，這說明實際光纖系統的誤碼性能并不由內部機理所決定，而是由一些具有突發性能的脈沖干擾源所決定，如外部電磁干擾、靜電放電、設備故障、系統倒換、配線架接觸不良、電源瞬態干擾和人為活動等。

對于光纖復用保護通道，產生誤碼的環節不僅包括光纖通道部分，還包括保護裝置自身的編解碼性能、接口性能、連接配置等環節。在本報告中，假設保護裝置本身及其至通信設備間的連接無誤碼。

4.2 保護通道誤碼參數的深入研究

關于光纖保護通道的誤碼性能要求，目前國際上尚沒有統一的標準。

誤碼指標（無論以比特為單位，還是以塊為單位）的衡量都是在一段相當長的時間中測得的，累計時間越長，測量越準確，因此一般系統的誤碼測量時間必須大于規定值。我國原郵電部已把CCIR的性能指標納為行業標準，但作為綜合數字業務網的CCIR的性能指標，沒有考慮到繼電保護的特殊要求，測量規則對保護通道則不適用。因此，CCIR規定的誤碼指標對于一般數據傳輸可能是適當的，但對于繼電保護信號傳輸則不一定合適，因此有必要從保護角度權衡CCIR誤碼指標是否滿足要求。

由于繼電保護信號是點對點傳輸，距離一般在280 km以內，個別可達400 km。保護通道通常是線路中要求較高的數字段，一般繼電保護動作的時間只是幾十毫秒。誤碼的產生一般不是均勻分布，而是短時突發大量誤碼。長期的誤碼率指標并不能完全說明通道性能，短期的誤碼率指標更能表現保護通道的誤碼性能。因此，誤碼累積時間宜取得較短，例如“分秒”（100 ms）。所以采用“無誤碼分秒”（EFdS）和“嚴重誤碼分秒”（SEdS）等指標，可能是合適的。但按照“分秒”的誤碼累計尚缺實踐統計資料，所以采用“分秒”為計算單位的指標尚待進行大量工作才能提出。

日本電力系統利用微波通道復用保護應用較早，也比較普遍。日本根據運行多年的FM模擬保護已達到的保護閉鎖時間率(10-5)，行業內將日閉鎖時間 0.864 s(24×60×60×10-5)，作為數字保護通道可靠性的評判指標。

對于電流差動保護，目前規定由于傳送保護信號的通道質量造成的對保護裝置的閉鎖為864 ms/日水平。只要保護通道滿足這一要求，可認為通道誤碼性能是可靠的。日閉鎖時間率為

下面我們將通過計算日閉鎖時間推出通道的誤碼指標。

4.3 保護通道誤碼指標的理論推導

四方CSC差動保護裝置的采樣頻率為1200 Hz，每幀報文有20 byte共160 bit，信息量為192 kbit/s。考慮誤碼均勻分布，當檢測到1幀中有1個誤碼時，保護將丟棄該幀，同時閉鎖保護0.833 ms。按照任何月份誤碼引起的保護閉鎖時間應符合下式：

從上式可得 BER≤6×10-9。

但考慮到通信系統的誤碼為突發性誤碼，出現誤碼時多為連續誤碼。對于保護裝置而言，1幀中出現1個誤碼和全部bit錯誤引起的保護閉鎖時間是相同的。因此，6×10-9過于嚴格，不合實際。

若根據丟幀率（EFR）計算日閉鎖時間，每丟1幀閉鎖保護1/1200 s，任何月份丟幀引起的保護閉鎖應符合下式：由上式得出丟幀率應不大于10-5，即要求日丟幀數小于 1037 幀（10-5×1200×24×60×60=1037）。

當一幀中有一個或多個誤碼時，保護信號舍棄該幀，其閉鎖時間就是

（1）當嚴重誤碼秒的誤碼率門限值為 1×10-3，平均誤碼秒的誤碼率為1×10-6，在通道長度為280 km數字段上復用的保護每日閉鎖時間如下

嚴重誤碼秒的誤碼數：

由于 10-3×2.048×106>1200（采樣頻率），按照誤碼平均分配，則1200幀全都有誤碼，相當于：

誤碼秒的誤碼數：

保護每日的閉鎖時間：

因此當嚴重誤碼秒門限值為1×10-3時，280 km通道的保護日閉鎖時間5.3 s，比日本提出的每日保護閉鎖時間（0.864 s）的指標大7倍。因此，1×10-3的嚴重誤碼秒門限值不滿足保護通道的要求。

（2）嚴重誤碼秒的誤碼率門限值提高到為1×10-4，平均誤碼秒的誤碼率為1×10-6時，在通道長度為280 km數字段上復用的保護每日閉鎖時間如下

嚴重誤碼秒的誤碼數：

當嚴重誤碼秒門限值提高到1×10-4時，日閉鎖時間大于0.864 s，不滿足保護通道的要求。

（3）嚴重誤碼秒的誤碼率門限值提高到為9×10-5，平均誤碼秒的誤碼率為1×10-6時，在通道長度為280 km數字段上復用的保護每日閉鎖時間如下

嚴重誤碼秒的誤碼數：

當嚴重誤碼秒門限值提高到9×10-5，平均誤碼秒為1×10-6時，日閉鎖時間為0.85 s，比規定的日閉鎖時間0.864 s小，滿足保護通道的要求。

因此得出高級假設參考數字通道（2500 km）2048 kbit/s輸出端的光纖保護通道誤碼性能指標應滿足如下要求：

·誤碼劣化分：任何月份0.4%以上時間的1 min平均誤碼率不大于1×10-6；

· 高誤碼率指標（嚴重誤碼秒SES）：任何月份0.054%以上時間的1 s平均誤碼率不大于5×10-5；

· 誤碼秒（ES）：任何月份中誤碼秒的積累時間不大于全月的0.32%；

· 殘余誤碼率（RBER）：不大于 5×10-9；

·傳輸繼電保護信息微波通道假設參考數字段（280 km）的可用性指標不小于99.97%。

5 復用通道誤碼性能測試與分析

目前，電力光纖通信網絡主要包括線型網絡、星型網絡、環形網絡和格狀網，而在實際工作中應用最多的當屬線型+環形網絡，因此一般地，可以將繼電保護信號傳輸通道描述成通過線型鏈路穿越電力環網，當電力環網成為一段純粹的光纖線路時，就是典型的點到點傳輸，繼電保護設備也可直接接入環網光設備，環網也可以是簡單的單環或多環相交型。

繼電保護誤碼的響應門限測試：原則上有誤碼，繼電保護終端應該能檢出，但實際運行中，當誤碼率較低時，繼電保護已難保證檢出碼流中零星的誤碼。從通信角度出發，確定繼電保護誤碼的大致門限能更好地保證保護通道的可靠性。

5.1 通道壓力對誤碼的影響測試

通道壓力對誤碼的影響測試可以通過給通道增加一臺可調光衰減器，調節該衰減器使加入通道的光衰值逐漸增大，并且從通道分析儀上讀出通道中的誤碼率大小，觀察保護裝置的變化，直到保護裝置中斷為止，設備連接如圖1所示。

在光纖線路中增加衰減，繼電保護通道配置為2M，將光衰值減小至通道出現誤碼，監測2M的通道性能。兩種儀表的測試結果如圖3所示。

測試步驟：

·按上圖所示連接各測試儀表及設備；

·網元A,B,C間的光纖為雙纖單向連接，在A,B間的一段光纖上串入一臺可調光衰減器；

·開啟MP1590B設置到誤碼率測試模式，從小到大的調節光衰減器，觀察保護裝置對于通道誤碼的反應，并記錄下保護裝置不同反映下的通道誤碼值。

在光纖線路中加載壓力，測得對繼電保護通道性能的影響如圖4和圖5所示。

測試結果表明:LOS和MS-AIS為最嚴重告警信息，將導致通道中斷，保護閉鎖；同樣的加載，對不同容量的線路的目標通道影響也存在差別，比如，對于STM-16，相對于低容量線路，A1A2加載就不敏感，但B2加載則非常敏感，立即能影響通道甚至導致中斷；ERR為10-2,繼電保護顯示通信不穩定 （時斷），對應ES為 90.833%，SES為9.167%；ERR為 10-3，繼電保護顯示正常，對應 ES為99.167%，SES為0.833%，從一個方面反映誤碼秒多，但嚴重誤碼秒少。可見相對而言，繼電保護裝置能容忍一般的誤碼秒，但對嚴重誤碼秒敏感。

5.2 通道誤碼與電力系統的聯動測試

本文將光纖通信網絡、保護裝置與電網相連，進行聯動測試。在保護信號傳輸的一個方向上依次加載誤碼率：1×10-9、1×10-8、1×10-7、5×10-6、1×10-6、5×10-5、1×10-5、1×10-4，模擬不同的通道性能。在不同等級誤碼性能條件下，模擬電網故障，測試保護裝置動作情況。在BKT4發BKT6收的方向上加載LOS告警，觀察保護裝置運行工況；模擬電網故障，測試保護裝置的動作情況。

在光纖線路中增加衰減，繼電保護通道配置為2M，將光衰值減小至通道出現誤碼，監測2M的通道性能。測試儀表的連接如圖3所示。

測試步驟：

按圖6所示連接各設備及測試儀表；通過網管設置，配置從A開始，經過B到C的業務通路；開啟安立測試儀，依次向通道中加入誤碼率為 1×10-9、1×10-8、1×10-7、5×10-6、1×10-6、5×10-5、1×10-5、1×10-4的壓力，直到通道性能劣化到保護裝置出現告警為止。

記錄測試數據，并對測試數據進行分析。

測試結果表明：

· 在通道中加載各種不同程度的誤碼（1×10-9、1×10-8、1×10-7、5×10-6、1×10-6、5×10-5、1×10-5、1×10-4），傳統保護與數字化保護工作正常，區內故障正確選相動作，區外故障沒有發生誤動；

·在通道中加載LOS告警，傳統保護與數字化保護均可靠閉鎖，在2007年度的特高壓繼電保護模擬測試中，發現保護裝置在單向光纖通道加載誤碼時，存在保護裝置誤動的情況，后經檢驗，發現廠家設備對單向通道的誤碼檢測和規避方案存在缺陷。經修正算法后，重新測試無誤動。

6 結束語

通過本文對復用光纖保護通道的誤碼性能的研究，得出以下結論。

·對于G.821定義的誤碼性能，BER要靠離線測量得到，但實際系統特別是在裝置運行過程中，BER是不可能通過在線監視得到的。與G.826／G.828定義的性能參數一樣，保護裝置可以通過以“幀”為基礎的一組參數，用于不停業務監視。當一幀內的任意比特發生差錯，就稱該幀為差錯幀或誤幀，檢測誤幀的最常用方法是CRC校驗。

·同樣的加載，對不同容量的線路的目標通道影響也存在差別，比如，對于STM-16，相對于低容量線路，A1A2加載就不敏感，但B2加載則非常敏感，立即能影響通道甚至導致中斷。因此，通道誤碼不能完全體現通道性能。在通道維護中，應檢查所有的告警信息，對于各類誤碼告警應盡快消除安全隱患。

·10-4附近是被測繼電保護設備的通道告警臨界狀態。在本實驗環境，當通道誤碼在10-7～10-8間時，繼電保護已能檢出明顯的誤碼。

·對于單個誤碼，保護裝置能夠檢出并采取響應措施，但對于嚴重誤碼秒，對繼電保護傳輸影響更大，應提高重視。

· 高級假設參考數字通道（2500 km）2048 kbit/s輸出端的光纖保護通道誤碼性能指標應滿足如下要求：詳見企標 《DL/T 5062-1996微波電路傳輸繼電保護信息設計技術規定》。

·誤碼劣化分：任何月份0.4%以上時間的1 min平均誤碼率不大于10-6。

·高誤碼率指標 （嚴重誤碼秒SES）：任何月份0.054%以上時間的1 s平均誤碼率不大于510-5。

· 誤碼秒（ES）：任何月份中誤碼秒的積累時間不大于全月的0.32%。

· 殘余誤碼率（RBER）：不大于 5×10-9。

·誤碼指標簡化后得出平均誤碼率為410-7。鑒于目前光纖通道性能指標優于10-7，建議采用110-7作為光纖復用保護通道的誤碼性能指標。

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