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電力系統光纖通信若干問題分析

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目前,SDH(Synchronous Digital Hierarchy)光纖通信憑借其安全、經濟、可靠的優勢,已逐步替代了微波通信、電力載波通信等通信方式,成為我國電力系統最重要的通信方式,在其承載的業務中,僅直接與電網安全穩定運行的主要業務就有繼電保護、安全自動裝置、EMS、調度語音、能量計量、故障錄波、電力市場以及集控站控制等等。面對越來越多的系統應用,光纖通信迎來了巨大的發展機遇,但由于電力系統對信號傳輸安全性、可靠性的特殊要求,光纖通信同樣也面臨著嚴峻的挑戰。

1、通信設備自身存在的問題

1.1通信光纜對系統的影響雙登蓄電池

作為電力系統專用的特殊光纜,光纖復合架空地線(OPGW)具有強度高、性能穩定、無電腐蝕等優點,目前在電力系統光纖通信骨干網中應用十分廣泛。但因其與高壓線路同桿架設,且兼做地線,因此,雷擊問題已經成為影響OPGW安全性能的重要因素。

雷擊對OPGW的影響:隨著OPGW大規模投入使用,其易受雷擊的問題已變得越來越突出,國內已發生多起因雷擊導致OPGW外絲斷股進而影響內部光纖性能的事件,而建設單位為了確保所用光纜性能更加穩定,對OPGW更是提出了3級雷擊不斷股的近乎苛刻的要求,因此,如何提高OPGW抗雷擊性能已經成為 OPGW面臨的最嚴峻的挑戰之一。目前較為通用的做法主要有以下2兩點。

1)改善光纜結構和股線形狀,主要是在外層股線和內層股線間留有空氣隙,以防止外層熱量傳導至內層和光纖,這種思想主要是保護內層光纖,對外層雷擊斷股并無實質改善。

2)調整外層股線材料配比,對于雷擊多發區,采用外徑較粗的全鋁包鋼單絲,同時提高導電率,這種思想提高了外層單絲的抗雷擊水平,但增加了光纜的生產成本和自身重量,對鐵塔的承重造成了一定的壓力,同時也加大了施工難度。

1.2通信電源對通信系統的影響

“心臟”,通信電源運行的好壞直接影響著整個系統是否能夠健康穩定運行。回顧通信電源的發展歷程,主要經歷了單電源單母線、單電源雙母線和雙電源雙母線等三種運行方式。

1)單電源單母線運行方式:即將整流模塊輸出、蓄電池組、負載均連接于同一條母線,由于采用這種方式對設備供電安全性較低且維護檢修不便,因此在電壓等級較高的變電站已基本不用。

2)(2)單電源雙母線運行方式:即將一套充電機的整流模塊分成兩組,分別為2條母線供電,同時每條母線配置獨立的蓄電池,以實現2條母線相對獨立供電。該運行方式較好的實現了2條母線的獨立供電,增強了通信電源設備的運行可靠性,同時提高了設備檢修的靈活性,由于2條母線共用同一臺充電機,因此在充電機發生物理損壞的情況下容易導致2條母線同時失電,因此目前也較少使用。

3)(3)雙電源雙母線運行方式:即由兩套充電機分別對2條母線供電,并配置獨立的蓄電池,實現了雙路供電的完全獨立,具有極高的可靠性,是目前電力通信系統中的主要供電方式。

伴隨著通信電源運行方式的改變,南方電網光纖通信骨干網已逐漸摸索出一套適合自身安全需要的供電方式:對于支持雙路電源的設備,采用兩路相互獨立的電源對設備供電,并實現負載均衡;對于只支持單路供電的設備,在設備前端增加電源轉換模塊,實現兩路電源輸入;對于無人值守變電站,除采用上述措施外,采用加大蓄電池組容量的方法以延長故障情況下的設備運行時間。

2、通信設備與業務系統的匹配問題

2.1通道時延對繼電保護及安自業務的影響

繼電保護和安自構成了我國電網安全穩定的三道防線,其主要功能依托通信通道承載,由于相關控制、保護信息對實時性要求很高,因此通信通道的時延將對裝置的動作速動性、可靠性和靈敏性乃至電網的安全穩定速度造成嚴重影響。

2.1.1通道時延對繼電保護的影響

目前,我國線路保護的主保護為線路縱聯保護,根據實現原理,又可以分為線路縱聯距離(方向)保護和線路縱差保護:

對于線路縱聯距離(方向)保護而言,雖然故障方向的判別只是依賴于本側電氣量,判別時間與通道時延沒有關系。但是,通道時延對裝置動作速度的影響是累加的。由于故障范圍的判別決定于兩個因素:一是根據本側電氣量得到的相對于本側裝置的故障方向,二是通過通道得到的相對于對側裝置的故障方向,只有相對于兩側保護裝置的故障方向都確定為正方向,裝置才確定本次故障時區內故障,因此通道時延對裝置動作速度的影響是累加的。雙登蓄電池

1)對于線路縱聯距離(方向)保護,由于故障范圍的判別決定于兩個因素:一是根據取決于本側電氣量得到的相對于本側裝置的故障方向,二是和通過通道得到的相對于對側裝置的故障方向,只有相對于兩側保護裝置的故障方向都確定為正方向,裝置才確定本次故障是區內故障。因此,通過通道得到的相對于對側裝置的故障方向信息對保護動作的正確性至關重要,如果通道延時過長,不僅影響保護的動作速度,很可能造成保護誤動甚至可能造成保護誤動、拒動。運行中,曾多次出現在功率倒向情況下因通道延時過長造成的同塔雙回線保護誤動的案例[3-5]。

對于線路縱差保護,通道時延對動作速度的影響考慮兩個因素。首先,需要根據兩側電氣量來進行差動計算,當前計算的差動電流不是本側當前的電氣量和對側當前的電氣量之和,而是當前收到的對側電氣量和對應的本側的電氣量之和。因此,當前進行差動判據的電氣量需要向前推一段時間(至少包括通道時延+報文長度);其次,為了防止TA斷線造成差動保護誤動,通常保護裝置動作不但需要本側裝置滿足動作條件,同時還需要收到對側的允許動作信號,因此通道時延對線路縱差保護動作速度的影響是雙倍的。

2)對于線路縱差保護,通道時延對動作速度的影響考慮有兩個方面的因素。:首先,在首先,需要根據兩側電氣量來進行差動計算時,當前計算的差動電流不是本側當前的電氣量和對側當前的電氣量之和,而是當前收到的對側電氣量和對應時刻的本側的電氣量之和。,因此,當前進行差動判據的電氣量需要向前推一段時間(至少包括通道時延+報文長度)計算和補償通道延時;其次,為了防止TA斷線造成差動保護誤動,通常保護裝置動作不但需要本側裝置滿足動作條件,同時還需要收到對側的允許動作信號,因此通道時延對線路縱差保護動作速度的影響是雙倍的因此通道時延對線路縱差保護動作速度的影響是雙重的。

為滿足繼電保護信號對速動性的要求,各類保護信號在通道上的最大允許傳輸時間不得大于規定值,其中閉鎖式保護15ms(模擬)/10ms(數字)、允許式20ms(模擬)/10ms(數字)、直跳式40ms(模擬)/10ms(數字),同時220kV及以上線路配置雙重化主保護及適當的后備保護則大大提高了繼電保護信號的可靠性。為減少傳輸時延并提高系統可靠性,目前較為通用的做法是將較大的光纖傳輸網“分割”成多各較小的環網。

3)通道時延對安自裝置的影響

對于安自裝置,其主要控制策略是聯絡線故障后同時切除送電側機組和受電側負荷。一詞系統發生變化,目前都是由就地的安自裝置根據系統狀態變化以及相應的控制策略發出相應的控制命令,從系統狀態變化到控制命令發出這一過程不需要考慮通道時延的影響。通道時延對安穩系統動作速度的影響主要體現在主站發出控制命令對執行站執行命令這一過程。因此,通道時延對安子系統動作速度的影響不是累加的通道時延對安自系統動作速度的影響不是累加的,安自裝置只需要考慮點對點的最大單向時延。

2.2誤碼對繼電保護的影響

在通道發生切換的情況下,通信業務將發生中斷數毫秒,此時保護或者安自信號傳輸過程中必然會出現非完整報文等情況。:對于線路縱差保護,一旦檢測到非完整報文,就重新檢測通道時延,實現兩側裝置采樣數據的再同步。對于單個隨機誤碼,也可能影響報文的完整性,使得線路縱差保護在通道路由沒有發生正在變化的情況下,也重新啟動一個新的同步過程,至少引起線路縱差保護數十毫秒的閉鎖。

1)對于線路縱聯距離或者縱聯方向保護而言,由于其交換的數據僅僅是允許信號由于其交換的數據僅僅是二進制量信號,沒有通道時延一致性方面的要求,不需要同步兩側裝置的采樣時刻,因此通道誤碼會引起當前受影響的通道報文的正確性,但不會影響后續報文的使用。

2)對于線路縱差保護。

①縱差保護采用的兩側電氣量數據必須要求同步,因此,一旦檢測到非完整報文,縱差保護就重新檢測通道時延,實現兩側裝置采樣數據的再同步。這造成單個隨機誤碼也可能影響報文的完整性,使得線路縱差保護在通道路由沒有發生正在重大變化的情況下,也重新啟動一個新的同步過程,至少引起線路縱差保護數十毫秒的閉鎖。

②由于其保護判據使用的是兩側的電氣量,由于通道問題導致當前數據丟失,將會影響到保護判據的后續動作特性。例如,線路縱差保護往往采用異步抗飽和法,防止區外故障TA飽和導致保護誤動。故障初始階段TA不會飽和,保護判據不需要采取任何抗飽和措施,通信正常時線路縱差保護能快速動作。但如果正好在故障初始階段有誤幀,線路縱差保護不能快速動作,其后需要投入抗飽和判據,導致線路縱差保護動作較慢。若線路縱差保護設置為連續幾次滿足差動判據后保護才動作,只要中間有一個誤幀,則將引起差動保護延遲幾幀時間動作,可能會造成嚴重的后果。

3)為防止線路保護因誤碼而誤動,目前在用的保護裝置均具備一定的誤碼檢測功能。

電力系統光纖通信網傳輸繼電保護信息只占業務的一小部分,并且光纖通信網往往先于光纖通信的保護裝置而建設,因此,要求現存的光纖通信網適應保護裝置的難度很大。同時,從保護裝置的角度出發,對通信網誤碼指標也無需超過 G.821標準,原則上在收到對側裝置完整的信息時,線路縱差保護能正常運行;一旦收不到對側完整的信息,包括誤碼,線路縱差保護就只能短暫退出,直到通道恢復正常。從運行的角度,也可以計算由通道質量問題引起的保護日閉鎖時間,來考察通道傳輸繼電保護信號的可靠性。

2.3通道倒換對業務的影響

南方電網光纖通信骨干網采用雙向通道倒換環。,通道倒換環采用“首端橋接、末端倒換”結構,正常情況下通道雙向路由能夠保持一致,雙向時延基本相等。當但是,單根光纖中斷后,通道的雙向路由將不一致,時延也將不一致。經過試驗得出以下結論:

1)通道正常時,雙向通道倒換環能夠保證通道雙向路由一致,雙向時延誤差不超過100us,能夠滿足線路縱差保護對通道雙向時延一致性的要求。

2)、具有自愈功能的雙向通道倒換環,在主用通道中斷后,業務會暫時中斷,中斷時間小于50ms,不會造成裝置通道報警。

3)具有自愈功能的雙向通道倒換環,單纖中斷后通道雙向路由不一致,導致通道雙向時延不一致,不能滿足線路縱差保護對通道雙向時延一致性的要求。

4)、具有自愈功能的雙向通道倒換環,通過網關切除主用電路,雙向業務會先后自動切換到備用通道,雙向先后時間間隔不超過150ms;但是當主用通道故障消失后,備用通道切換回主用通道過程中,將有數秒時間雙向通信經不同路由可能維持數秒傳輸信息,不能滿足線路縱差保護對雙向時延一致性的要求。單業務中斷時間不超過50ms,不會造成裝置報警。

5)繼電保護、安自裝置能檢測到業務的暫時中斷,同時會瞬間退出相關功能,不會造成誤動。

基于以上試驗結果,目前南方電網雙向通道倒換環用于線路縱聯差動保護時,不能采用通道的自愈功能,在線路長度和通道條件滿足時,線路縱差保護最好采用獨立的雙通道,以提高可靠性。而安自裝置和線路縱聯距離(方向)保護以及原跳裝置保護以及遠跳裝置,可以采用通道自愈功能,以提高通道的可靠性。

2.42M通道重定時對通信業務的影響

SDH傳送網有很多的優越性,但是也有缺點,例如 SDH的PDH支路輸出信號不能作為定時基準。當PDH信號異步映射入VC-n時將有碼速調整,傳輸過程中將有指針調整,這些將導致PDH支路輸出信號有較大的抖動和漂移,所以從輸入信號恢復的定時信號質量很差,不能作為定時基準。經研究,線路保護、安自裝置采用2M通道的,通信專業不要打開2M通道輸出重定時功能,線路保護、安自裝置本身的通信時鐘采用“主-主”方式。線路保護、安自裝置采用64k通道的,通信專業也不要打開2M通道的重定時功能,線路保護、安自裝置自身的同心式中必須采用“從-從”方式。

3、結束語

通過對上述問題的分析,保護及自動化專業對光纖通信有了更進一步的了解,通信專業也對保護及自動化專業的業務需求有了更深入的認識。隨著光纖通信在電力系統內應用水平的進一步提高,光纖通信取代微波、電力載波已成為必然,通信專業只有充分理解各專業的業務需求,才能更好的為系統穩定運行保駕護航,作出自己的貢獻。

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