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電力系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)、可靠的優(yōu)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(tǒng)最重要的通信方式,在其承載的業(yè)務(wù)中,僅直接與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要業(yè)務(wù)就有繼電保護(hù)、安全自動裝置、EMS、調(diào)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(tǒng)應(yīng)用,光纖通信迎來了巨大的發(fā)展機(jī)遇,但由于電力系統(tǒng)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1、通信設(shè)備自身存在的問題

1.1通信光纜對系統(tǒng)的影響雙登蓄電池

作為電力系統(tǒng)專用的特殊光纜,光纖復(fù)合架空地線(OPGW)具有強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、無電腐蝕等優(yōu)點,目前在電力系統(tǒng)光纖通信骨干網(wǎng)中應(yīng)用十分廣泛。但因其與高壓線路同桿架設(shè),且兼做地線,因此,雷擊問題已經(jīng)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(guī)模投入使用,其易受雷擊的問題已變得越來越突出,國內(nèi)已發(fā)生多起因雷擊導(dǎo)致OPGW外絲斷股進(jìn)而影響內(nèi)部光纖性能的事件,而建設(shè)單位為了確保所用光纜性能更加穩(wěn)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(jīng)成為 OPGW面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)和股線形狀,主要是在外層股線和內(nèi)層股線間留有空氣隙,以防止外層熱量傳導(dǎo)至內(nèi)層和光纖,這種思想主要是保護(hù)內(nèi)層光纖,對外層雷擊斷股并無實質(zhì)改善。

2)調(diào)整外層股線材料配比,對于雷擊多發(fā)區(qū),采用外徑較粗的全鋁包鋼單絲,同時提高導(dǎo)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(chǎn)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(tǒng)的影響

“心臟”,通信電源運(yùn)行的好壞直接影響著整個系統(tǒng)是否能夠健康穩(wěn)定運(yùn)行;仡櫷ㄐ烹娫吹陌l(fā)展歷程,主要經(jīng)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(yùn)行方式。

1)單電源單母線運(yùn)行方式:即將整流模塊輸出、蓄電池組、負(fù)載均連接于同一條母線,由于采用這種方式對設(shè)備供電安全性較低且維護(hù)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(yùn)行方式:即將一套充電機(jī)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(xiàn)2條母線相對獨立供電。該運(yùn)行方式較好的實現(xiàn)了2條母線的獨立供電,增強(qiáng)了通信電源設(shè)備的運(yùn)行可靠性,同時提高了設(shè)備檢修的靈活性,由于2條母線共用同一臺充電機(jī),因此在充電機(jī)發(fā)生物理損壞的情況下容易導(dǎo)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(yùn)行方式:即由兩套充電機(jī)分別對2條母線供電,并配置獨立的蓄電池,實現(xiàn)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(tǒng)中的主要供電方式。

伴隨著通信電源運(yùn)行方式的改變,南方電網(wǎng)光纖通信骨干網(wǎng)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(shè)備,采用兩路相互獨立的電源對設(shè)備供電,并實現(xiàn)負(fù)載均衡;對于只支持單路供電的設(shè)備,在設(shè)備前端增加電源轉(zhuǎn)換模塊,實現(xiàn)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(shè)備運(yùn)行時間。

2、通信設(shè)備與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的匹配問題

2.1通道時延對繼電保護(hù)及安自業(yè)務(wù)的影響

繼電保護(hù)和安自構(gòu)成了我國電網(wǎng)安全穩(wěn)定的三道防線,其主要功能依托通信通道承載,由于相關(guān)控制、保護(hù)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(wǎng)的安全穩(wěn)定速度造成嚴(yán)重影響。

2.1.1通道時延對繼電保護(hù)的影響

目前,我國線路保護(hù)的主保護(hù)為線路縱聯(lián)保護(hù),根據(jù)實現(xiàn)原理,又可以分為線路縱聯(lián)距離(方向)保護(hù)和線路縱差保護(hù):

對于線路縱聯(lián)距離(方向)保護(hù)而言,雖然故障方向的判別只是依賴于本側(cè)電氣量,判別時間與通道時延沒有關(guān)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(jù)本側(cè)電氣量得到的相對于本側(cè)裝置的故障方向,二是通過通道得到的相對于對側(cè)裝置的故障方向,只有相對于兩側(cè)保護(hù)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(qū)內(nèi)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(lián)距離(方向)保護(hù),由于故障范圍的判別決定于兩個因素:一是根據(jù)取決于本側(cè)電氣量得到的相對于本側(cè)裝置的故障方向,二是和通過通道得到的相對于對側(cè)裝置的故障方向,只有相對于兩側(cè)保護(hù)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(qū)內(nèi)故障。因此,通過通道得到的相對于對側(cè)裝置的故障方向信息對保護(hù)動作的正確性至關(guān)重要,如果通道延時過長,不僅影響保護(hù)的動作速度,很可能造成保護(hù)誤動甚至可能造成保護(hù)誤動、拒動。運(yùn)行中,曾多次出現(xiàn)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(hù)誤動的案例[3-5]。

對于線路縱差保護(hù),通道時延對動作速度的影響考慮兩個因素。首先,需要根據(jù)兩側(cè)電氣量來進(jìn)行差動計算,當(dāng)前計算的差動電流不是本側(cè)當(dāng)前的電氣量和對側(cè)當(dāng)前的電氣量之和,而是當(dāng)前收到的對側(cè)電氣量和對應(yīng)的本側(cè)的電氣量之和。因此,當(dāng)前進(jìn)行差動判據(jù)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(hù)誤動,通常保護(hù)裝置動作不但需要本側(cè)裝置滿足動作條件,同時還需要收到對側(cè)的允許動作信號,因此通道時延對線路縱差保護(hù)動作速度的影響是雙倍的。

2)對于線路縱差保護(hù),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(jù)兩側(cè)電氣量來進(jìn)行差動計算時,當(dāng)前計算的差動電流不是本側(cè)當(dāng)前的電氣量和對側(cè)當(dāng)前的電氣量之和,而是當(dāng)前收到的對側(cè)電氣量和對應(yīng)時刻的本側(cè)的電氣量之和。,因此,當(dāng)前進(jìn)行差動判據(jù)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(bǔ)償通道延時;其次,為了防止TA斷線造成差動保護(hù)誤動,通常保護(hù)裝置動作不但需要本側(cè)裝置滿足動作條件,同時還需要收到對側(cè)的允許動作信號,因此通道時延對線路縱差保護(hù)動作速度的影響是雙倍的因此通道時延對線路縱差保護(hù)動作速度的影響是雙重的。

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

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(lián)絡(luò)線故障后同時切除送電側(cè)機(jī)組和受電側(cè)負(fù)荷。一詞系統(tǒng)發(fā)生變化,目前都是由就地的安自裝置根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化以及相應(yīng)的控制策略發(fā)出相應(yīng)的控制命令,從系統(tǒng)狀態(tài)變化到控制命令發(fā)出這一過程不需要考慮通道時延的影響。通道時延對安穩(wěn)系統(tǒng)動作速度的影響主要體現(xiàn)在主站發(fā)出控制命令對執(zhí)行站執(zhí)行命令這一過程。因此,通道時延對安子系統(tǒng)動作速度的影響不是累加的通道時延對安自系統(tǒng)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(hù)的影響

在通道發(fā)生切換的情況下,通信業(yè)務(wù)將發(fā)生中斷數(shù)毫秒,此時保護(hù)或者安自信號傳輸過程中必然會出現(xiàn)非完整報文等情況。:對于線路縱差保護(hù),一旦檢測到非完整報文,就重新檢測通道時延,實現(xiàn)兩側(cè)裝置采樣數(shù)據(jù)的再同步。對于單個隨機(jī)誤碼,也可能影響報文的完整性,使得線路縱差保護(hù)在通道路由沒有發(fā)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(hù)數(shù)十毫秒的閉鎖。

1)對于線路縱聯(lián)距離或者縱聯(lián)方向保護(hù)而言,由于其交換的數(shù)據(jù)僅僅是允許信號由于其交換的數(shù)據(jù)僅僅是二進(jìn)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(cè)裝置的采樣時刻,因此通道誤碼會引起當(dāng)前受影響的通道報文的正確性,但不會影響后續(xù)報文的使用。

2)對于線路縱差保護(hù)。

①縱差保護(hù)采用的兩側(cè)電氣量數(shù)據(jù)必須要求同步,因此,一旦檢測到非完整報文,縱差保護(hù)就重新檢測通道時延,實現(xiàn)兩側(cè)裝置采樣數(shù)據(jù)的再同步。這造成單個隨機(jī)誤碼也可能影響報文的完整性,使得線路縱差保護(hù)在通道路由沒有發(fā)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(hù)數(shù)十毫秒的閉鎖。

②由于其保護(hù)判據(jù)使用的是兩側(cè)的電氣量,由于通道問題導(dǎo)致當(dāng)前數(shù)據(jù)丟失,將會影響到保護(hù)判據(jù)的后續(xù)動作特性。例如,線路縱差保護(hù)往往采用異步抗飽和法,防止區(qū)外故障TA飽和導(dǎo)致保護(hù)誤動。故障初始階段TA不會飽和,保護(hù)判據(jù)不需要采取任何抗飽和措施,通信正常時線路縱差保護(hù)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(hù)不能快速動作,其后需要投入抗飽和判據(jù),導(dǎo)致線路縱差保護(hù)動作較慢。若線路縱差保護(hù)設(shè)置為連續(xù)幾次滿足差動判據(jù)后保護(hù)才動作,只要中間有一個誤幀,則將引起差動保護(hù)延遲幾幀時間動作,可能會造成嚴(yán)重的后果。

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

電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)傳輸繼電保護(hù)信息只占業(yè)務(wù)的一小部分,并且光纖通信網(wǎng)往往先于光纖通信的保護(hù)裝置而建設(shè),因此,要求現(xiàn)存的光纖通信網(wǎng)適應(yīng)保護(hù)裝置的難度很大。同時,從保護(hù)裝置的角度出發(fā),對通信網(wǎng)誤碼指標(biāo)也無需超過 G.821標(biāo)準(zhǔn),原則上在收到對側(cè)裝置完整的信息時,線路縱差保護(hù)能正常運(yùn)行;一旦收不到對側(cè)完整的信息,包括誤碼,線路縱差保護(hù)就只能短暫退出,直到通道恢復(fù)正常。從運(yùn)行的角度,也可以計算由通道質(zhì)量問題引起的保護(hù)日閉鎖時間,來考察通道傳輸繼電保護(hù)信號的可靠性。

2.3通道倒換對業(yè)務(wù)的影響

南方電網(wǎng)光纖通信骨干網(wǎng)采用雙向通道倒換環(huán)。,通道倒換環(huán)采用“首端橋接、末端倒換”結(jié)構(gòu),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(dāng)?shù)牵瑔胃饫w中斷后,通道的雙向路由將不一致,時延也將不一致。經(jīng)過試驗得出以下結(jié)論:

1)通道正常時,雙向通道倒換環(huán)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(hù)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(huán),在主用通道中斷后,業(yè)務(wù)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(huán),單纖中斷后通道雙向路由不一致,導(dǎo)致通道雙向時延不一致,不能滿足線路縱差保護(hù)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(huán),通過網(wǎng)關(guān)切除主用電路,雙向業(yè)務(wù)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(dāng)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(shù)秒時間雙向通信經(jīng)不同路由可能維持?jǐn)?shù)秒傳輸信息,不能滿足線路縱差保護(hù)對雙向時延一致性的要求。單業(yè)務(wù)中斷時間不超過50ms,不會造成裝置報警。

5)繼電保護(hù)、安自裝置能檢測到業(yè)務(wù)的暫時中斷,同時會瞬間退出相關(guān)功能,不會造成誤動。

基于以上試驗結(jié)果,目前南方電網(wǎng)雙向通道倒換環(huán)用于線路縱聯(lián)差動保護(hù)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(hù)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(lián)距離(方向)保護(hù)以及原跳裝置保護(hù)以及遠(yuǎn)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(yè)務(wù)的影響

SDH傳送網(wǎng)有很多的優(yōu)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(zhǔn)。當(dāng)PDH信號異步映射入VC-n時將有碼速調(diào)整,傳輸過程中將有指針調(diào)整,這些將導(dǎo)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(fù)的定時信號質(zhì)量很差,不能作為定時基準(zhǔn)。經(jīng)研究,線路保護(hù)、安自裝置采用2M通道的,通信專業(yè)不要打開2M通道輸出重定時功能,線路保護(hù)、安自裝置本身的通信時鐘采用“主-主”方式。線路保護(hù)、安自裝置采用64k通道的,通信專業(yè)也不要打開2M通道的重定時功能,線路保護(hù)、安自裝置自身的同心式中必須采用“從-從”方式。

3、結(jié)束語

通過對上述問題的分析,保護(hù)及自動化專業(yè)對光纖通信有了更進(jìn)一步的了解,通信專業(yè)也對保護(hù)及自動化專業(yè)的業(yè)務(wù)需求有了更深入的認(rèn)識。隨著光纖通信在電力系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用水平的進(jìn)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(yè)只有充分理解各專業(yè)的業(yè)務(wù)需求,才能更好的為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航,作出自己的貢獻(xiàn)。

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