光纖保護通道可靠性研究

俞 斌，王同文，張 理，謝 民，邵慶祝

(1.國網安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230022；2.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230022)

隨著高頻保護的逐漸退出，光纖保護已經成為當下電力系統的主流保護，是保證電網安全穩定運行的重要手段[1]。

為分析和提高光纖保護通道的可靠性，文獻[2]基于模糊層次法，考慮通信的各個環節對電力通信網絡的可靠性管理進行了研究；文獻[3-5]采用可靠性框圖方法，建立多層次可靠性指標進行分析；文獻[6-8]分別對元件復用、通信環網、同塔雙回等具體光纖通道應用場景進行了可靠性研究；文件[9-11]則提出了環網、雙通道等手段用于提高光纖通道可靠性。

工程中，目前主要做法是在建設時保留備用纖芯，在正常通道損壞時啟用備用纖芯。但是對于需要備用多少纖芯才能保證光纖通道合理的可靠性尚未有統一的標準，文獻[12]建議“二備一”，工程中通常則是“一備一”。由于“雙設備、雙路由、雙通道”等要求，按照以上原則，備用纖芯也將更多，造成工程投資增大，且出現部分老光纜不能滿足運行要求的情況。為對工程建設起到支撐作用，有必要對光纖通道備用芯數量、備用率對光纖通道可靠性的影響進行研究，明確纖芯備用率與通道可靠性的關系。本文針對不同類型、不同備用芯數量等情況，對光纖保護通道可靠性進行了定量分析。給出了在不同纖芯可用率情況下，滿足光纖通道可靠性要求的光纖纖芯備用方案，確保光纖通道可靠性的前提下盡可能減少備用芯數量，從而達到節約投資的目的，具有實際意義。

1 光纖保護通道類型

1.1 專用光纖通道

專用光纖通道是指線路兩側保護裝置直接通過光纖傳輸保護信息，一個通道具備專用的一收一發2條纖芯，纖芯內只用于傳輸本線路保護信息，不與其他裝置共用，其傳輸方式如圖1所示。

圖1 專用光纖通道

1.2 復用光纖通道

復用光纖通道是指線路兩側保護信息以64 kbit/s或2 048 kbit/s電信號接入通信設備，與其他數據業務復用后，在公共光纖通信網上傳輸，須通過光纜連接專門的數字接口裝置再進行傳輸。一般也具備一收一發2條纖芯，但不僅僅傳輸本線路相關信息，也傳輸其他的信息，復用光纖通道傳輸方式如圖2所示。

圖2 復用光纖通道

2 不同類型通道可靠性分析

2.1 可靠性分析簡化模型

專用光纖通道在傳輸過程中間存在尾纖、跳纖及光纖配線架等設備，本文重點關注光纖備用數量對光纖通道可靠性的影響，在此將中間環節的設備省略，所有的專用光纖通道可等效為圖3通道模型。

同理，復用光纖通道中間可能會有轉發設備，通道也可能是迂回的，將復用光纖的中間設備省略后，復用光纖通道模型可等效為圖4所示簡化模型。

目前在電網實際運行中，雙重化配置的保護采用不同路由、不同光纜方式，兩套保護通道之間沒有相關性，后續可靠性分析針對單條光纜中的保護通道進行。

圖3 專用光纖通道簡化模型

圖4 復用光纖通道簡化模型

2.2 專用光纖通道可靠性分析

采用專用光纖通道時，一條光纜中的一對纖芯作為信號收發的傳輸信道，任何一條纖芯損壞，都將導致本保護通道不可用。當線路兩側存在多套保護，且多套保護的纖芯同時出現損壞時，如果備用芯不足，將導致部分保護通道不可用。

假設線路兩端為變電站A和B，兩站各有n套保護通過同一光纜傳輸，且為單通道保護，采用專用光纖通道時，需要2n條纖芯，假設光纜中有m條備用芯。對于兩側保護，如果光纜中損壞的光纖超過m條，必然會導致某些保護通道中斷。因此，可以得到A站和B站間的任何一套線路保護專用光纖通道的可用率計算方法如下：

(1)

2.3 復用光纖通道可靠性分析

采用復用光纖通道時，假設線路兩端分別為變電站A和變電站B，兩站各有n套保護采用復用光纖通道，只需要2條光纖，假設光纜中還有m條備用芯。對于其中某一套保護而言，如果光纜中可用纖芯不足2條時，將造成光纖通道中斷。可以得到復用光纖通道的可用率計算方法如下：

R=1-(1-μ)2+m-μ×(1-μ)2+m-1×(2+m)

(2)

3 算例分析

以同塔雙回線路為例，依據文獻[12]，330 kV以上同塔雙回線路，以及330 kV、220 kV同塔多回線路與重要輸送通道同塔雙回聯絡線，一般架設2條OPGW光纜，每條線路的2套保護交叉使用這2條OPGW光纜。架設1條OPGW光纜的線路，應采用迂回通道作為備用通道。采用專用光纖方式，同一線路2套保護裝置分別使用不同的OPGW通道，配置圖如圖5所示；采用復用光纖方式，同一線路2套保護裝置分別使用不同的OPGW通道，配置圖如圖6所示。

圖5 同塔雙回線路采用專用光纖通道方式

圖6 同塔雙回線路采用復用光纖通道方式

3.1 采用專用光纖通道

兩側變電站各有4套保護，全部采用專用光纖通道，因此正常需要8條纖芯，每條OPGW光纜各包含4條纖芯。若每條OPGW光纜包含m條備用芯，且OPGW1光纜通道中纖芯損壞時不能采用OPGW2光纜通道中的備用纖芯，依據公式可以得到專用光纖通道可用率計算如下：

(3)

影響光纖可靠性的因素很多，包括產品質量、運行環境、維護水平、自然災害等[8]。關于光纖可靠性的基礎性數據較為欠缺，本文采用文獻[8]的可靠性數據，即可用率μ=0.999 935。

專用光纖通道長度為50 km為例，計算可以得到其纖芯可用率為μ=0.996 755 170 2。因此，專用光纖通道的可用率如下表1所示。

3.2 采用復用光纖通道

全部采用復用光纖通道，正常需要2條OPGW光纜，4條纖芯，每條OPGW光纜各包含2條纖芯。若每條OPGW光纜包含m條備用芯，依據公式可以得到，復用通道的可用率計算如式(2)。

表1 不同備用芯數的通道可用率

復用光纖通道長度為50 km為例，其纖芯可用率為μ=0.996 755 170 2。因此，復用通道的可用性如表2所示。

表2 復用光纖通道可用率

3.3 計算結果分析

上面計算結果可以得到，同塔雙回線路，在備用芯數量相同情況下，復用通道具有更高的可用度，圖7為專用光纖(實線)和復用光纖(虛線)在不同數量備用芯的情況下的通道可用率的比較。

另外，在給定的纖芯可用率μ=0.999 935的情況下，在備用芯數為6時，無論專用光纖通道還是復用光纖通道，其通道可用率在計算軟件的精度條件下已經為1，即可認為100%可靠。在實際應用中，可以按照對通道可用度精度的要求來選取合適的備用芯數量。

圖7 不同備用芯數量的可用率比較

圖8 不同可用率情況下專用光纖通道可用率

圖9 不同可用率情況下復用光纖通道可用率

3.4 靈敏度分析

3.4.1 纖芯可用率對通道可用率的影響

影響光纖可靠性的因素很多，光纖纖芯可用率μ變化時，不同備用芯數量情況下的通道可用率也將發生變化。同樣以上節同塔雙回線路為例，隨著光纖纖芯可用率μ變化時，不同備用芯數量情況下通道可用率的變化情況如圖8、圖9所示，圖中m為備用纖芯數。

可以看到，專用光纖通道在光纖纖芯可用率高于0.9后，備用芯超過4根時，通道可用率接近于1。復用光纖通道在光纖纖芯可用率μ高于0.9后，備用芯超過2根時，通道可用率也接近于1。即在實際工程中的“一備一”方式，備用率為100%時，可以接受纖芯可用率劣化約0.1～0.9，具有較高的冗余度。

3.4.2 保護數量對通道可用率的影響

專用光纖通道的所需備用芯數量和兩側保護數量也有關系，若1條OPGW光纜兩端連接有n套保護，依據公式可以計算不同保護套數時通道可用率，纖芯可用率依舊采用為μ=0.996 755 170 2，可以得到不同保護套數時專用光纖通道可用率隨備用芯數量變化的曲線，如圖10所示。

圖10 保護數不同時專用通道可用率和備用芯關系

如果光纖通道的可靠性要求為10年不出現1 h以上的中斷為要求，即可用率R≥1-1/87 600，可以得到表3，表中n為兩端保護套數，m為備用芯數量，黑色區域表示不滿足通道可靠性要求，1表示滿足可靠性要求，用白色表示。

表3 通道可靠性滿足程度a

另外選取μ=0.95，μ=0.9，計算通道可用率滿足程度，如表4所示。表中中等灰度區域為μ=0.95相對于μ=0.996 755 170 2新增的不滿足區域，低等灰度區域為μ=0.9對于μ=0.95新增的不滿足區域。

表3、表4從不同光纖纖芯可用率μ出發，給出了不同保護套數的情形下，滿足通道可靠性要求的最小備用纖芯數量，可以作為實際工程選擇的參考，從而做到根據實際光纖纖芯可用率的變化對備用芯數量做出增減，保證了經濟性和可靠性。

表4 通道可靠性滿足程度b

另外，以μ=0.9計算隨著保護套數的增加，滿足通道可靠性要求的光纖纖芯備用率變化情況，得到圖11，可以看出隨著兩側保護套數的增加(盡管實際不會傳輸這么多保護)，為滿足通道可靠性所需要的纖芯備用率是逐步下降的，因此在實際工程中對兩側保護較多的通道可以考慮降低纖芯備用率。

圖11 專用光纖通道纖芯備用率與保護套數關系

4 結論

本文從工程實際需要出發，針對不同類型保護光纖通道，給出了專用光纖通道和復用光纖通道可用率的計算方法，對不同數量備用芯情況下的保護通道進行了可靠性分析，分析了線路兩側保護套數和備用芯數量對通道可用率的影響。在文獻可用率指標下及在給定的可靠性要求下得出以下結論。

a.采用專用光纖通道時，每個光纜通道備用2根備用芯，能滿足絕大部分情況下可靠性需求，對于同一光纜中傳輸保護較多時，備用3根備用芯就能滿足要求。

b.復用光纖通道，每對光纖備用2根纖芯，能滿足可靠性需求。

c.在山區、光纜運行環境較差的工程，如果纖芯可用率下降較多，需要增加備用芯，并給出了可靠性滿足對應表格。