继电保护光纤通信接口技术及标准.doc

继电保护光纤通信接口技术及标准陈建宁1 仲惟师2（1 国网南京自动化研究院 江苏 南京 210003， 2 山东省蓬莱市供电公司 山东 蓬莱 265600）摘要：C37.94标准由IEEE于2002年制定，规范了远方保护设备和数字复用设备之间的光纤通信接口的帧结构、时钟定时等内容。本文首先介绍了继电保护线路纵差保护系统的结构，分析了光纤保护的应用现状及其局限性，然后介绍了IEEE C37.94标准的主要内容和意义，最后以一个典型应用说明了该标准的实际使用情况。关键词：继电保护；远方保护设备；数字复用设备；C37.941概述电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。但由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸方面的原因，电力系统的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保护技术。随着光纤的性价比不断提高，光纤保护在电力系统中获得普遍应用。GB14285继电保护和安全自动装置技术规程中明确规定：“具有光纤通信的输电线路应优先采用光纤作为传送继电保护信息的通道”。一般来说，在变电站或发电厂内，当继电保护装置与电力通信网中的通信设备连接距离大于50m，或通过强电磁干扰区应采用光缆连接。目前，在用光纤传输继电保护信息时，继电保护中所使用的远方保护设备和数字复用设备之间的通信规范往往是由各个继电保护设备厂家自己制定的，并且仅仅使用在自己的设备上。这样就带来了一些问题，如不同厂家的远方保护设备和数字复用设备无法互连，保护专业和通信专业之间的界限不明确等。为此，IEEE的继电保护委员会和电力系统通信委员会于2002年制定了C37.94标准，该标准规范了远方保护设备和数字复用设备之间的光纤接口。本文首先介绍了继电保护线路纵差保护系统的结构，然后分析了光纤保护的应用现状及其局限性，最后介绍了IEEE C37.94标准的主要内容和意义。2线路纵联差动保护系统及光纤保护的应用21线路纵联差动保护系统的结构线路纵联差动保护，简称为纵差保护，是当线路发生故障时，使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置。纵差保护是目前最常用的一种继电保护方式，是线路的主保护。它的基本原理是：以线路两侧判别量（如电流矢量）的特定关系作为判据，即两侧均将判别量借助通信通道传送到对侧，然后两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障，如图1所示。判别量和通信通道是纵联保护装置的主要组成部分。传输继电保护信息的通信通道既可以是专用通道，也可以是复用通道。线路纵差保护系统断 路 器通信通道线路纵差保护装置线路纵差保护装置断 路 器图1线路纵差保护系统专用通道方式是指线路两侧保护装置之间直接通过导引线或光纤传输保护信息。一个通道独占两根导引线或纤芯，由保护装置把保护信息编码后传送到对端，中间不经过任何数字复接设备。复用通道方式是指线路两侧保护装置通过电力通信网传输保护信息。电力通信网不是专用于传输保护信息，还可以传输调度电话、远动、以太网等其他业务。远方保护设备数字复用设备通信设备通信设备传输介质电力通信网数字复用设备远方保护设备断 路 器断 路 器线路纵差保护系统图2 复用通道方式的线路纵差保护系统线路纵差保护装置线路纵差保护装置复用通道方式的线路纵差保护系统如图2所示。远方保护设备安装在保护机房，可以是单独的设备，也可以和线路纵差保护装置为同一设备，而数字复用设备则安装在通信机房。通信机房和保护机房往往是不在一起的，也就是说远方保护设备和数字复用设备之间有一定的距离，这个距离可能是50米、100米、甚至1公里。因此它们之间需要采用一定的方式进行通信，目前使用最多的就是光纤方式。远方保护设备能够将线路纵差保护装置发出的信号变换成适于光纤传输形式的信号及进行反变换，它提供了继电保护和通信电路之间的接口；数字复用设备也是一种光电转换设备，它可以把光信号转换为相应的数字接口信号（电信号），并进行反变换。22光纤保护的应用现状及其局限性20世纪90年代中期，光纤保护就在电网中开始投入使用。从早期单纯的短距离光纤纵差保护演变到近几年开始逐渐占主导地位的光纤允许式保护，从运行情况看令人满意，动作可靠性高，缺陷次数少。在电力通信网络领域中广泛使用的是以时分复用为基本工作原理的SDH/SONET同步数字体系，它具有强大的保护恢复能力和固定的时延性能。光纤网络的传输性能、稳定性及其自适应的保护恢复能力对光纤继电保护工作的可靠性起到关键作用。光纤通道在继电保护技术中得到广泛的应用，它是基于用光导纤维作为传输介质的一种通信手段。光纤通道相对于其他传统通道（如：电缆、微波等）具有如下特点： l 传输质量高，误码率低，一般在10-10以下。这种特点使得光纤通道很容易满足继电保护对通道所要求的“透明度”。即发端保护装置发送的信息，经通道传输后到达收端，使收端保护装置所看到的信息与发端原始发送信息完全一致，不增加或减少任何细节。 l 光的频率高，所以频带宽，传输的信息量大。可以使线路两端保护装置尽可能多的交换信息，从而可以大大加强继电保护动作的正确性和可靠性。l 抗干扰能力强。由于光信号的特点，可以有效的防止雷电、系统故障时产生的电磁方面的干扰，因此，光纤通道最适合应用于继电保护通道。但是，目前在用光纤传输继电保护信息时，远方保护设备和数字复用设备之间的光纤通道在接口特性、码型、码速和帧结构等往往是由各个继电保护设备厂家自己制定的，这样就使得当前应用中存在着很大的局限性，主要表现在以下几点：（1） 保护和通信之间的专业界限不清远方保护设备和数字复用设备都属于继电保护专业的设备，然而数字复用设备却需要安装在通信机房中。由于不同专业的原因，数字复用设备在安装时往往无法得到很好地规划，因此经常会造成机房中的通信设备对数字复用设备的干扰。此外，把保护专业的设备安装在通信专业的机房中也不利于数字复用设备的日常维护。（2） 不同厂家的远方保护设备和数字复用设备无法互连在用光纤传输继电保护信息时，远方保护设备和数字复用设备之间的光纤接口通信规范往往由各个继电保护设备厂家自己制定，并且仅仅使用在自己的设备上。这样，在一个线路纵差保护系统中，必须使用同一厂家的远方保护设备和数字复用设备，不同厂家的设备之间则无法互连。在通信系统日益标准化的今天，这一现象无疑会阻碍光纤通信系统在继电保护信息传输中的应用。（3） 传输通道带宽低或带宽利用率低在继电保护信息传输中，应用最多的是64kbit/s通道和2Mbit/s通道，以后的发展趋势是2Mbit/s通道将会逐步代替64kbit/s通道。由于64kbit/s通道的传输带宽很低，给继电保护信息的传输带来很大的限制。同时在使用64kbit/s通道时，数字复用设备一般采用64K同向接口，这种接口需要经过PCM设备接入电力通信网，增加了信号传输时延和转接过程中可能受到的干扰，从而降低了保护信号传输的快速性、可靠性。而对于2Mbit/s通道而言，由于对通道特性及信息的帧结构没有很好地规划，使得在实际应用中，虽然传输通道的带宽可以达到2Mbit/s，而传输的实际内容往往仅有64kbit/s左右，带宽的利用率非常低。3IEEE C37.94标准的主要内容及其意义31 IEEE C37.94标准的主要内容IEEE C37.94标准提出了利用光纤通道传送继电保护信息时，远方保护设备和数字复用设备之间光纤接口的技术标准，规范了远方保护设备和数字复用设备之间光纤接口，使不同厂家的远方保护设备和数字复用设备，对于N64kbit/s数据的内容，能够在没有任何限制的条件下，采用光纤接口进行互连。C37.94标准中最主要的内容是对帧结构的定义。（1）帧结构192比特通道数据（净负荷）0 125us 250us 375us 500us256比特/帧16比特帧头a b c d e f g h 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 048比特开销数据图3 C37.94标准的帧结构按传输顺序连续256个比特组成一个基本帧，基本帧内各比特依次编为第1至第256比特。每帧以8000 Hz的帧频重复，就成帧和数据传输速率而言，帧结构符合ITU-T的G.704标准，然而其中的数据结构不遵照G.704的数据格式。如图3所示。C37.94标准中的数据帧主要由帧头、开销数据和通道数据组成。比特组合具有大致相等的“1”和“0”的个数，以便于通过耦合的光路进行传输。帧头占用16个比特，其格式为a b c d e f g 0 0 0 0 1 1 1 1。前八个比特a，b，c，d，e，f，g，h构成以下两种组合，每种组合按基本帧传输顺序交替出现。组合1：a b c d e f g h= 1 0 0 1 1 0 1 1 组合2：a b c d e f g h= 1 1 y 1 1 1 1 1其中y为黄告警比特，y= 0表示正常，y=1表示接收到错误信号（LOS）。开销数据有48比特，每个比特后面都跟着它的反码，实际包含有24个信息比特。p、q、r、s用于表示实际所用的64kbit/s通道的数量N，N从1到12。例如p、q、r、s为0001表示N=1，为0010表示N=2，为1100表示N=12。通道数据有192比特，每个比特后面都跟着它的反码，实际包含有96个信息比特。在这96个信息比特中，从开始算起，每连续的8个信息比特用来传输1个64kbit/s的数据。因此，前面的N（N12）个8信息比特就用来传输N个64kbit/s的数据，其余的96-（N8）个信息比特被置为“1”。（2）通信故障定义了信号丢失（LOS）告警的申告和清除原则、信号故障时的动作、路径“黄告警”检测以及链路故障时的响应。（3）时钟同步光信号是按二进制信号（开-关）调制的2048Kbit/s比特流，标准中定义了时钟同步信号的频率、抖动和漂移的指标和特性。（4）其他C37.94标准中还定义了光发送器输出和光接收器灵敏度指标，以及建议采用的光纤连接器类型等。32 IEEE C37.94标准的意义IEEE C37.94标准充分考虑到了光纤保护的应用现状，并尽力克服了当前应用存在的局限性。（1）明确划分保护和通信之间的专业界限采用C37.94标准，可以明确划分继电保护专业和通信专业之间的界限。把远方保护设备划归继电保护专业，而数字复用设备则划归通信专业。这样可以使所有的继电保护设备都安装在继电保护机房中，而所有的通信设备都安装在通信机房中，有利于远方保护设备和数字复用设备的安装和日常维护工作。（2）对于远方保护设备和数字复用设备之间光接口特性制定明确的标准C37.94标准规范了远方保护设备和数字复用设备之间光纤接口特性，使不同厂家的远方保护设备和数字复用设备能够在没有任何限制的条件下，采用光纤接口进行互连互通。这种标准的光纤接口特性符合世界通信系统标准化的趋势，可以大大促进光纤通信系统在继电保护信息传输中的应用。（3）采用2M通道，增加传输带宽C37.94标准中，远方保护设备和数字复用设备之间的通信采用良好规划的、符合ITU-T G.703标准的2Mbit/s通道，不仅增加了传输带宽，使两侧保护装置交换的信息量大幅增加，并且可以使同步时钟设置简单，运行稳定。此外，省略了64kbit/s同向接口，而直接采用2Mbit/s数字接口，可以缩短信号传输时延，同时可以避免转接过程中可能受到的干扰，提高保护信号传输的快速性、可靠性。另外，还可以节约投资，简化通信管理环节。（4）简单而有效的编码方式除帧头外，每个数据比特的后面都跟着其补码，也就是“1”的后面跟着“0”，“0”的后面跟着“1”，这样不仅可以使比特组合具有大致相等的“1”和“0”的个数，而且便于提取帧同步信息。这种编码方式虽然减少了有效的信息比特数，但对于传输继电保护信息来说却是足够了，而且这种编码方式比一些厂家所用的1B4B、曼彻斯特等编码方式更加简单有效。就成帧和数据传输速率而言，帧结构符合ITU-T的G.704标准。以上各点之间并不是完全孤立的，而是互相影响，相辅相成的。例如只有对远方保护设备和数字复用设备之间光接口特性制定了标准，才可以明确划分继电保护和通信之间的专业界限。4IEEE C37.94标准的应用图4 采用C37.94接口的典型继电保护系统结构继电保护设备远方保护设备模块继电保护设备远方保护设备模块数字复用设备数字通信网数字复用设备：C37.94光纤接口IEEE C37.94作为最新的2Mbit/s光接口通信标准，主要应用于继电保护系统中远方保护设备和数字复用设备之间的通信。在实际应用中典型的系统结构如图4所示。由图4可以看出，数字复用设备一般是一个独立的设备，可提供2Mbit/s光接口和2Mbit/s电接口，2Mbit/s光接口符合C37.94标准，2Mbit/s电接口符合G.704标准。远方保护设备一般是一个模块，嵌入在继电保护设备中，使继电保护设备可直接提供标准的2Mbit/s光纤接口。目前，国内外的一些继电保护设备生产厂家已经相继推出了能够提供C37.94标准光纤接口的设备，如ABB公司的IED 670系列产品。国内的一些通信设备厂家也在开发符合标准的远方保护设备模块和数字复用设备，为继电保护厂家提供配套产品。另外，对于一些老的继电保护设备，远方保护设备可以作为一台独立的接口转换设备，把非标准的2Mbit/s或64kbit/s接口转换为C37.94标准接口。5结束语在实际应用中，不同厂家的光纤保护系统的结构是基本相同的，往往都可以支持复用通道方式和专用通道方式。在复用通道方式下，数字复用设备和电力通信网之间的接口一般采用64kbit/s同向接口或2Mbit/s接口；在专用通道方式下，两台远方保护设备之间采用的一般是2Mbit/s光接口。但是，在两端的保护装置互相传递信息时，无论它们之间采用的是64kbit/s通道还是2Mbit/s通道，其通信规范往往是由各个保护设备厂家自己制定的，并且仅仅使用在自己的设备上。这样就会造成不同厂家的设备无法互连。IEEE C37.94标准制定的一个最主要的目的就是统一光接口之间的规范，包括接口类型、信息格式等，使不同厂家的继电保护设备能够互连和交换保护信息。在实际应用中，IEEE C37.94标准既适用于复用通道方式，也适用于专用通道方式，甚至可适用于所有采用2Mbit/s光纤通道进行通信的电力二次设备。参考文献：1 IEEE C37.94, IEEE Standard for N Times 64 Kilobit Per Second Optical Fiber Interfaces Between Teleprotection and Multiplexer Equipment. 20022 ITU-T Rec. G.703 Physical/electrical characteristics of hierarchical digital interfaces. 20013 ITU-T Rec. G.704 Synchronous frame structures used at 1544, 6312, 2048, 8448 and 44736 kbit/s hierarchical levels. 19984 国家标准 GB14285 继电保护和安全自动装置技术规程 1993作者简介：1 陈建宁（1971-），男，安徽砀山人，1998年毕业于南京邮电大学，硕士，高级工程师，现从事电力光纤通信系统以及通信网络管理系统的研究和开发。联系电话机mail：2 仲惟师（1971-），男，山东烟台人，1995年毕业于山东工程学院，学士，工程师，现从事电力通信网管理和维护工作。联系电话箱：Technique and Standard of Optical Fiber Interfaces for Relaying ProtectionChen Jian-ning 1 Zhong Weishi2 (1 Nanjing Automation Research Institute, Nanjing 210003, Jiangsu, China； 2 Shandong Penglai Power Supply Company 265600, Penglai, Shandong, China)Abstract：IEEE constitutes C37.94 Standard in 2002. It describes the frame structure，clock timing,