光纖自愈網應用于輸電線路縱聯差動保護的研究

郭僑 沈晗陽 胡誠

一、緒論

1.1 研究背景

繼電保護主要是在輸電線路上采用縱聯保護的模式，縱聯保護需要在輸電線路兩側開關間建立有效的通信連接，以傳送輸電線路兩側的保護信號，同時按照對側與本側判別量之間的關系來判別區內故障或區外故障，并進行相應的動作，從而保證單個輸電線路單元的安全供電。

以往傳統縱聯保護一般采用高頻載波的方式建立通信信道，近年多采用光纖通信的方式，但往往只是短距離點對點使用，未能充分利用SDH（同步數字體系）光纖通信網絡的自愈特性進行大規模聯網。

1.2 研究目的和意義

光纖傳輸通道與高頻載波通道相比具有抗干擾性好、傳輸速率快、可靠性高等優點，目前點對點的光纖保護在電網系統的輸電線路保護中得到了廣泛的應用，已成為保護信號傳輸通道的首選。

同時隨著光纖通信技術在電網系統的廣泛應用，在變電站與變電站之間已經擁有了非常豐富的光纜資源。基于多業務復用技術的現代光纖通信系統可以依靠這些豐富的光纜資源組成自愈網，光纖通信系統組成自愈網后可以在其中一條或多條光纖輸電線路出現故障時迅速自愈恢復，比傳統單點到單點的信號傳輸方式更加安全可靠。

基于上述幾點，如果可以利用 SDH光纖自愈網傳送輸電線路兩側的繼電保護信號，一方面可以增加繼電保護傳送通道的可靠性，另一方面也可以對現網已經形成的光纖資源和光纖傳輸設備進行合理利用，這兩點都具有非常巨大的實用價值。

二、相關原理簡要說明

2.1光纖通道方式下的電流差動保護原理

光纖通道方式下的電流差動保護系統的典型結構如下圖所示：

當輸電線路在正常運行或發生區外故障時，輸電線路兩側電流相位是反向的。如上圖所示，假設M側為送電端，N側為受電端，則M側電流作為母線流向輸電線路，N側電流作為輸電線路流向母線，兩側的電流應大小相等且方向相反，此時輸電線路兩側的電流差應為零；但當輸電線路發生區內故障時，故障電流都是從母線流向輸電線路，方向會相同，同時輸電線路兩側的電流差也將不再為零，保護裝置就會發出跳閘命令以快速將切除故障。兩側信號通過光纖通道進行傳輸。

2.2 光纖保護通道的特點

與以往在電網系統中應用普遍的高頻載波通道相比，光纖傳輸通道使用光纖作為傳輸媒介，天然就具備抗電磁干擾能力強、與電場絕緣、傳輸損耗較低、傳輸容量較大等優點。光纖傳輸通道在線路縱聯保護中的應用，為電流差動保護在電網系統的大力推廣也提供了非常強大的技術支撐。由于光纖傳輸通道在實際工程應用中比較低的故障率，對于相關設備的日常運維及線路保護的可靠性要求都具有非常大的優勢，因此光纖傳輸通道將會作為保護通道的主流。

同時，光纖電流差動保護能夠很好的使線路保護實現單元化，其原理簡單，而且不受電網系統運行方式變化的影響。光纖通道模式下的電流差動保護在繼承了電流差動保護諸多優點的同時，也以其非常可靠穩定的光纖傳輸通道，保證了保護信號能正確可靠地傳送到對側，從而也保證了保護的正確動作。

2.3 光纖保護專用通道與復用通道的對比與說明

2.3.1專用通道與復用通道的說明

電網系統輸電線路縱聯保護主要采用兩種光纖傳輸通道：一種是為傳輸線路保護信號專門敷設的專用光纖傳輸通道。另一種是復用已有的SDH光纖通信網絡，目前主要采用2M/E1復用。

（1）專用光纖通道方式

專用光纖通道方式需為線路縱聯保護敷設獨立的專用光纖傳輸通道，通信速率約為幾十Kbps，主要傳輸三相電流信息及相關的控制、定時及地址信息。專用方式的優點是不需附加其它設備，可靠性高而且由于不涉及通信調度，管理比較方便。缺點是對光纖的利用率不高，傳輸距離有限。同時在專用光纖通道的基礎上還需要再留一條備用通道，以防止專用的光纖通道故障，如斷纖等。

（2）復用SDH光纖通信網絡方式

復用SDH光纖通信網絡方式是充分，利用現有的光纖傳輸通道及SDH光傳輸設備，實現對線路縱聯保護信號的傳輸。

具體實現方式是采用2M/E1接口直接接入現有SDH光纖網絡系統，或者是利用64kbit/s的數字接口經PCM終端設備接入后，通過PCM終端設備將64kbit/s的數字信號復用進2M/E1接口再接入SDH光纖網絡系統，不再需要為線路縱聯保護業務單獨敷設專用光纜，此種模式下，傳輸距離也會隨著SDH光傳輸的傳送能力提高而大大提高，甚至可以通過SDH光傳輸網絡延伸到網絡的每一個需要的通信接點。

實際工程應用中，目前多采用2M/E1接口方式。2M/E1接口方式中，保護裝置直接通過2M復用接口裝置直接連接到SDH設備，中間不經過PCM復用設備，減少了中間環節，從而使系統的可靠性大大提高，而且2M的速率也增加了傳輸帶寬，可以傳輸的保護信息也更多。

2.3.2 專用通道與復用通道的對比

在電網系統中采用SDH光纖自愈環網傳送輸電線路縱聯保護信號與專用光纖通道方式相比，主要具有以下幾點優越性：

（1）由于除保護業務以外，尚有大量業務采用了光纖自愈環網，因此采用SDH光纖自愈環網傳輸保護信號，不占用額外光纖資源，也不需要再額外增加成本；

（2）SDH光纖自愈環網的強大自愈功能，決定其傳輸性能的穩定，即使發生局部網絡故障如斷纖及單點設備故障等，業務傳輸也不會中斷；

（3）SDH光纖自愈環網可以解決長距離傳輸的問題，專用光纖通道保護方式中的備用通道一般距離比較遠，直接點對點利用光纖通信往往存在障礙；

（4）SDH光纖自愈環網的遠程監控預警能力強，一旦通道出現異常情況就會立刻報警，而專用光纖通道保護方式遠程監測能力嚴重不足，一般需要配備專門人員值班看護。

2.3.3光差保護對復用通道方式的技術要求

復用保護通道作為線路縱聯保護的傳輸通道，在技術要求上是比較嚴格的，在評價或選用復用保護通道時，一般應考慮如下幾方面：

（1）要求有較快的傳輸速度、滿足保護要求，一般用通道的整個傳輸時間來衡量。傳輸時間包括三個部分：其一是通道的傳輸時延，它主要是指通道時延和設備內交叉、復用及解復用時延的累加，通道時延受線路長度決定，設備內時延則由容量和站點數決定，這在設計上是要作通盤考慮的。其二是判別時間，它可視保護要求和保護方式而白行調整。判別時間越長安全性就越高，而可靠性就越降低。判別電路設計的優劣，決定了時間代價換來安全性效益的大小。其三是接口電路的時延，這主要是由繼電器的動作速度決定，目前最快的動作時間小于lms。

（2）要求通道雙向路由一致，根據DL/T 364-2010規程要求和國網十八項反措規定，通道雙向路由一致是確保保護裝置在同步校驗過程中能夠快速使兩側進入同步，并在計算時能真實地反映差動電流，繼而使保護裝置進入正常運行狀態。

（3）要求有極低誤碼率，光差保護最主要的任務是在線路故障時要計算兩側電流的數值，而該數值是要通過光纖通道傳輸進行交換的，要求有極高的精準性，任何的誤碼都會破壞這種精準。

2.3.4 光差保護對復用通道的一般原則

目前線路縱聯保護的主流趨勢是采用光纖通道進行電流差動保護，本文簡稱為光差保護。電流差動保護相比一般的允許式/閉鎖式縱聯保護，對通道具有非常強的依賴性。所以光差保護對復用通道的選擇必須需要遵循一定的原則。

2.3.3.1 保護通道應優先使用 SDH 的2M/E1復用通道

光差保護通道應優先使用 SDH 設備的2M/E1復用通道，這是根據《DL/T 364-2010》“4.1 繼電保護用光纖通道應穩定可靠，滿足繼電保護的技術要求”的規定，應優先使用SDH 設備的 2 Mbit/s 復用通道，主要原因就是 SDH 光傳輸系統的技術成熟穩定、相關接口規范標準、網管能力強大、功能非常齊全。

2.3.3.2 根據條件有選擇地應用 SDH 光傳輸網絡的自愈功能

在輸電線路縱聯保護上可以根據條件有選擇的使用 SDH光傳輸網絡，主要需要具備以下幾個前提條件：

一是切換前后路由一致以避免時間差，而且要切換時間短。目前只有雙纖雙向通道倒換環能滿足其要求，因為其收、發路由在切換前后保持一致，且切換時間快，滿足縱聯保護時間要求（≤30ms），關于雙纖雙向通道保護環的詳細技術分析見本文3.2.2。

二是考慮到與現網大部分設備的兼容性，自愈的業務是以低階復用器（VC12）為單位，不建議使用高階復用器（VC4）140 Mbit/s 作為業務的倒換單位。

在上述兩個原則的基礎上，將SDH光纖自愈網應用于電網系統線路縱聯保護已成為主流趨勢，特別是隨著網絡建設的擴張，其網絡構架將不斷增強，光纖復用通道的備用資源會形成一定規模，其自我愈合能力和網絡自我恢復功能會逐步加強，能具備抵御一些系統的突發故障以及自然災害的能力，可以作為輸電線路縱聯保護通道的首選，再通過與輸電線路縱聯保護裝置的雙重化配置一起配合，基本上就可以構成一套安全可靠穩定的輸電線路縱聯保護支撐系統。

三、幾種自愈網的比較及選擇

SDH光纖自愈網根據自愈原理主要分為通道保護和復用段保護兩大類，根據業務正常時收發運行方向是否相同可分為單向環網和雙向環網。

復用段保護環使用自動保護倒換協議（APS）控制倒換，需要全網設備均啟用APS協議，而由于APS協議尚未標準化，復用段保護環不能滿足多個廠家產品之間互相兼容的要求，而且因為要運行APS協議，相關通道切換備用的路由較長，業務倒換時間也較長，不適用于電網系統的線路縱聯保護。

單向環網與雙向環網保護對比，唯一的不同在于雙向環網的正常接收方向路由一致。根據電網差動保護需要收發路由一致的要求，只能采用雙向環網。

在實際應用中，不一定是非要采用環網，在不成環的情況下，鏈路1+1也可看成是環網，或者說是通道的1+1備份。或者也可以簡單理解為不管網絡如何，只要從A到B設置1+1兩條不同路由的冗余路徑，兩個不同路徑中的的收和發都路由一致，兩條路徑采用“并發優收”的原則，倒換與否取決于接收端收到的主用通道信號的傳輸質量（即是否收到簡單的AIS信號來決定該通道是否進行倒換，如果收到，那么就將通道切換到備用通道上去），操作起來也簡單明了。因為實現簡單，所以倒換時間很快，可以滿足電網差動保護的倒換時間要求。

綜上所述，再結合實際應用，如果是將SDH光纖自愈網應用于輸電線路縱聯保護，必須采用雙向通道1+1保護，且建議兩個站點之間的正常路由及備用路由上均不要超過6個光方向，防止因為通信設備故障造成多條220KV線路的保護通道故障。

四、基于光纖自愈網的線路保護在黃岡輸電線路的實例應用

4.1 光纖自愈網應用于輸電線路縱聯保護的優點

結合上述章節，可從理論上分析出SDH光纖自愈環網應用于輸電線路縱聯保護主要有以下會優點：

（1）SDH光纖自愈環網應用到電網系統線路縱聯保護中，光纖不怕超高壓與電磁干擾、與電力場絕緣、頻帶較寬和衰耗較低、可以遠距離傳輸，敷設方便，抗腐蝕，不易受潮。

（2）通信容量大，傳輸速度快。

（3）保護性能好：光信號是通過信號碼來區別保護裝置的，不受輸電線上的高頻信號影響。

（4）光纖傳輸通道為常發信道，網管能力也非常強大、通道相關情況可以實現實時監測，不需人工進行檢測。

（5）SDH光纖自愈網具有安全可靠性高、業務切換時間短、建網經濟性好，并且能夠提供較長的傳輸距離。

正是考慮到上述諸多優點，黃岡電網輸電線路保護通道最近幾年進行了大量的改造，逐步形成了以SDH自愈網為基礎的輸電線路保護網絡。

4.2 光纖自愈網在黃岡輸電線路保護的應用

黃岡110KV蔡西線是黃岡電網首批采用的光差保護線路，于2006年11月投產送電時就加用了光差保護，由于建設較早，標準較低，采用普通光纜的光差保護路由，現階段，由于工業園區的大力開發，普通光纜遭受外力破壞，出現多次中斷，難以滿足保護裝置通道的要求。

2015年黃岡地調下令采用投退硬壓板的方式將光差保護退運，同時向黃岡供電公司報告希望設計、通信、檢修等部門配合，盡快恢復蔡西線光差保護。

經過組織相關班組的討論，考慮普纜不宜作為專用纖芯光差保護的通道路由，結合黃岡通信網絡現狀，宜采用在蔡城、西河變電站分別增加光路的方式，同時在蔡城、西河增加通信接口柜，將蔡西線專用纖芯保護改為復用2M保護，從而形成自愈網。接入拓撲圖如圖2。

在進行保護通道聯調前，通信人員對通道主要參數進行測試，包括兩大部分，一是設備部分，包括通道誤碼、通道時延、發光功率、飽和光功率、收光功率、接收靈敏度、消光比測試等。二是線路部分，主要是光纜通道反射曲線報告、線路長度、線路衰耗和線路接頭位置等，當這些指標在合格范圍內后確定通道合格，出具調試報告后再交予保護專業人員調試。

上述改造完成后，系統已穩定至今，暫未發生因通道問題而引起保護的誤動作。我們以此次線路改造為基礎，閱讀了大量的科技文獻，查閱了相關資料，參考了國內外類似的線路保護配置方式，分析了近年來國內外保護誤動、拒動的典型案例，結合本地區的實際情況，建立了一套統一的光差保護接入模式，并形成流程貫穿于其中。

在以后的電網建設前期可研階段，我們積極參與，在電網管理部門的協調下，與設計和繼保部門溝通和探討，在確保電網安全、經濟和高效的前提下，結合現場的實際情況和周邊的電網布局以及通信網的結構，根據正確的理論分析和相關國家、行業和地方標準的支撐，提出了自己成熟的設計思想，納入到整個工程的設計體系中去，為后面的電網建設中光差保護設計提供了可借鑒的成熟經驗，而后投產的蘄春、黃泥湖、獅崗等220kV變電站配套的220kV線路都大量采用了光纖自愈環網的通道，也無一例外地沒有發生過一起誤動。

4.3 新應用模式面臨主要問題及解決方案

4.3.1 光纖傳輸通道干擾

光纖傳輸通道在使用過程中也會遇到一些干擾，可以對光纖傳輸通道造成干擾的主要因素如下：

1）當光纜受到外力破壞、接口接觸不良等異常情況時，光纖的性能指標會劣化、損耗會增高，這些情況會干擾到線路保護信號的穩定傳輸。

2）在光纖傳輸通道中，光纖自身的折射率分布、光纖截面的幾何尺寸、以及結構有可能會沿光纖長度變化而變化，從而引起光纖偏振態的改變，進而引起光纖通道的線性畸變。而光纖通道的線性畸變可能會造成不同信號之間的相互干擾，從而使業務傳輸出現差錯。

3）通信機房內來自于其它設備的干擾，如配線架接地不好等。

4.3.2 時間同步問題

保護裝置與SDH光傳輸設備時間同步的問題，是光纖復用通道應用于電流差動保護需要面臨的主要技術問題。

在光纖復用通道的線路保護中，保護裝置與SDH光傳輸設備時間同步的問題，對于線路保護的正確運行起非常關鍵作用，目前光纖差動電流保護大都采用主從方式，以保證保護裝置與SDH光傳輸設備時鐘的同步。

4.3.3 工程應用問題

光纖自愈網應用于輸電線路縱聯保護時，光纖傳輸通道的安全穩定是線路保護正確動作的基礎，如果光纖傳輸通道故障，線路縱聯保護將無法正常工作。

實際工程應用中，光纖傳輸通道的安全可靠性雖然比較高，但也不排除有損壞的可能性，比如光纜斷纖、熔纖時施工質量不好、尾纖跳線接頭松動、尾纖受潮或接頭不干凈導致衰耗增大等。比如在實際工程應用中，光纖傳輸還需要經過光纖配線架、光端機、數字配線架等連接環節，并且光纖的熔接施工質量要求高，如果在線路保護裝置投入運行之前的施工測試中存在誤差，將會導致線路保護裝置誤動作，進而影響電網的安全穩定。

考慮光纖傳輸通道也有可能損壞，為了保證輸電線路的安全運行，作為主要保護的縱差保護不致由于光纖通道故障而退出運行，實在有必要規定嚴格的施工規范，嚴抓工程施工質量。

無論采用專用光纖專用通道還是復用SDH光纖自愈網通道，在工程設計中，實際敷設的光纜一定要留有備用纖芯，以便當工作的纖芯由于故障導致業務傳輸誤碼率增大甚至中斷時，可切換至備用的纖芯繼續進行業務通信，以提高電網系統的供電安全性。

4.3.4 主要問題解決方案總結

針對上述問題，并結合實際工程情況，如果要大面積在SDH光傳輸自愈網上傳送線路保護業務，還需重點注意并做好以下幾點：

（1）提前做好網絡規劃：由于SDH自愈環網的建設將不再是簡單的點到點的通道，其復雜性更高，因此需要在建網之初就考慮全網進行網絡規劃。

（2）抗干擾措施：做好光傳輸設備相關的二次電纜的抗電磁干擾措施，如相關配線設備的防雷接地等。

（3）嚴抓光纜施工質量。提高相關施工人員水平。

光纖接續是一項細致的工作，特別在端面制備、熔接、盤纖等環節，要求操作者仔細觀察，周密考慮，操作規范。熔接過程中需要加強OTDR測試儀表的監測，確保光纖的熔接質量、減小因盤纖帶來的附加損耗和封盒可能對光纖造成的損害。在整個接續工作中，必須嚴格執行OTDR測試儀表的四道監測程序：1）熔接過程中對每一芯光纖進行實時跟蹤監測，檢查每一個熔接點的質量；2）每次盤纖后，對所盤光纖進行例檢，以確定盤纖帶來的附加損耗；3）封接續盒前對所有光纖進行統一測定，以查明有無漏測和光纖預留空間對光纖及接頭有無擠壓；4）封盒后，對所有光纖進行最后監測，以檢查封盒是否對光纖有損害。

4.4 制度建設問題說明

隨著光差保護在黃岡電網的大量應用，保護專業與通信專業相互銜接的日益緊密，保護專業與通信專業管理界面也日益難以區分，如果不從制度建設上解決這一問題，則有可能直接影響到光差保護的安全可靠運行。

比如，通信專業人員不了解復用光纖保護設備的投退情況，經常對線路保護設備采取不管不顧的態度，這肯定不利于光通信傳輸系統的安全穩定運行，也對電網系統保護的安全帶來了許多隱患。

另外光纖傳輸通道中涉及到的技術環節比較多，有時候線路保護裝置通道產生告警后，很難區分是線路保護的問題，還是通信專業的問題。

上述情況就需要加強兩個專業之間的理解和溝通，理順兩個專業間的工作界面，同時也需規范各專業人員的檢修作業規范。

4.4.1復用保護的光纖通信的職責分工

（1）對于分芯共纜復用方式，以保護設備光入口端子為界，光通信配線架至保護設備光入口端子之間的光纜由保護專業負責維護，通信專業配合。

（2）對于共光端機分2M口的復用方式，以復接設備（SDH、PDH）上的數字配線架（DDF）為界面，數字配線架以及對通信設備側的設備由通信專業維護。從數字配線架到保護設備的電纜（光纜）及保護裝置由保護專業負責，通信專業配合維護，數字配線架到通信設備側的設備由通信專業負責。

（3）一端光通信配線架至對端變電站光通信配線架之間的光路由由通信專業和線路專業共同負責，其中，OPGW和ADSS光纜光纖芯的測試、熔接、維修由通信專業負責，線路的維護、巡視由線路部門負責；普通光纜的維護由通信部門負責。

（4）VDF、DDF和配線端子排的接線由通信專業人員負責施工。其接線改線時，保護專業人員必須在場配合施工。

4.4.2復用保護的光纖通道的檢修規范

（1）在復用保護的通信電路上工作，檢修單位應提前3個工作日向地調通信調度報工作申請。通信調度接到申請應報電網調度，在得到電網調度“保護已停用”的答復后方可批準該項工作。通信電路恢復后，檢修部門向通信調度報完工，通信調度確認無誤后報告電網調度通信電路已具備復用保護條件。電網調度待現場變電運行單位驗收保護通道合格后及時回復通信調度，該項通信工作方可正式完工。

（2） 可能影響OPGW光纜或ADSS光纜線路運行的工作，線路運行部門除向電網調度報送停電申請外，還應向通信調度報送OPGW光纜或ADSS光纜停用申請。通信調度接到申請后，應根據所停用光纜線路上承載的業務向省級通信調度報告，或送地調方式、保護、自動化等專業進行會簽，并及時將會簽意見回復線路運行部門。工作完畢驗收合格后，線路運行部門應及時向通信調度報完工。

五、結論

本文通過闡述光纖保護通道的原理，以及輸電線路縱聯保護原理，討論和分析縱聯保護對通信通道的要求及原因。重點針對光纖自愈網在輸電線路縱聯保護方面所面臨的優勢和問題做了研究和總結，并提出光纖自愈網在實際應用中可采取的解決方法和實際運行中所注意的各種問題。同時進行了實際組網測試，為纖自愈網應用于輸電線路縱聯保護提供理論指導和實踐意見。

經過大量的研究、分析、及實際組網驗證，本文認為是光纖自愈網應用于輸電線路縱聯保護是絕對可行的，而且隨著相關問題的解決，也會逐漸成為實際應用的主流趨勢。

參 考 文 獻

[1]LI R， LU G， WANG Q. Transformer saturation criterion for line differential protection Electric Power Automation Equipment， 2004， 4： 023.

[2]Optical Fiber Telecommunications Volume VIA： Components and Subsystems Academic press， 2013.

[3]Wheatley J M. A microprocessor based current differential protection[C]//Developments in Power Protection， 1989.， Fourth International Conference on. IET， 1989： 116-120.

[4] ZHANG Z， LIU H， ZHANG R. Research on optical-fiber line differential protection between digitized substation and traditional substation[J]. Power System Protection and Control， 2010， 38（3）： 58-60.

[5] Zheng G， Jiali H. RESEARCH OF RELAY PROTECTION OF THREE-TERMINAL POWER TRANSMISSION LINES USING OPTICAL FIBER CHANNEL [J][J]. Automation of Electric Power Systems， 2003， 10： 012.

[6]陳慧. SDH 自愈環保護機制及比較[J]. 中國數據通信網絡， 2000， 2（7）： 18-22.丁慧霞. 光纖傳輸通道傳輸繼電保護信號的研究[D]. 北京： 中國電網科學研究院， 2007.

[7]房芳. 光纖通信在繼電保護中的應用[J]. 寧夏電網， 2006 （1）： 32-34.

[8]高會生， 付建敏， 孫逸群， 等. 電網通信網光纖保護通道風險評估[J]. 繼電器， 2007， 35（15）： 32-34.

[9]高新中， 高晨. 主干光纖 WDM 自愈網狀網研究及應用[J]. 電網系統通信， 2011， 32（8）： 4-12.

[10]谷昕. 利用光纖通信網絡傳送繼電保護信號[J]. 電網系統通信， 2004， 25（7）： 34-37.

[11]郭征， 賀家李. 輸電線縱聯差動保護的新原理[J]. 電網系統自動化， 2004， 28（11）： 1-5.