（计算机应用技术专业论文）光纤通道传输继电保护信号的研究.pdf

中国电力科学研究院硕士学位论文 摘要 随着电网建设的发展，继电保护信号对通道的要求日益提高。目前电力光纤网络 受到继保通信行业广泛关注。它依附于电力线路走廊，安全可靠，不受电磁干扰，成 为继保通道的首选方案。但利用光纤通道传输继电保护信号缺少相应的依据及测试方 法。本论文通过模拟测试，对光纤通道性能能否满足继保信号的高可靠性、实时性要 求展开研究，提出适用于光纤通道传输继保信号的测试方法和最低性能指标。 本文结合继电保护信号在电网中的重要性及其特点，提出继保信号对传输通道的 基本要求，简要分析了目前国内外使用的导引线、电力线载波、微波和光纤等保护通 道类型及发展方向。由于我国光纤保护通道的应用时间较短，经验不足，技术不成熟， 且多采用与光纤网络独立的专用方式，因此对光纤网络传输继电保护信号的通道性能 进行深入系统研究具有重要意义和实用价值。 本文利用光传输设备和继保设备搭建实验平台，模拟光纤保护通道现场运行状 况，对光纤通道传输继电保护信号的通道性能及其影响展开研究，主要工作包括：第 一，首次系统测试了光纤通道传输继电保护信号的通道性能，研究了专用光纤保护通 道和复用光纤保护通道的通道性能对继电保护信号的影响；第二，明确提出光纤保护 通道的误码指标，并通过实验室测试和计算论证其合理性；第三，详细考察了抖动漂 移对继保信号传输性能的影响，总结出光纤保护通道的抖动漂移指标；第四，对时延 进行全面测试，包括各种速率等级的端口、网元、不同规模的链路以及环网的传输时 延，并研究了环网自动倒换时问对继保信号传输性能的影响；第五，开发光纤保护通 道传输性能的仿真软件，对光纤保护通道的部分重要性能进行计算，为继保通道建设 和电力光纤网络规划提供参考。 本论文经过研究，提出适用于光纤保护通道( 专用和复用方式) 的测试方法及传 输通道的最低性能指标；强调了通道时延的重要性，建议具有一定规模的s d h 环网 应限制节点数目，保证工作通道故障前后的传输时延满足要求；对于复用光纤保护通 道，继保终端宜采用2 m b s 接口，从而尽量减少误码、时延等的产生环节。 关键词：继电保护信号光纤同步数字传送网保护通道误码抖动漂移传输时延 自动倒换 中国i 乜力科学研究院坝l ：学位论文a b s 订a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w c rn e t w o r k t h ep r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l s d e m a n df o rb e t t e rc h a n n e l s t h ep o w e ro p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hc a n m a k et h eb e s tu s eo fp o w e rl i n er e s o u r c e s 。t r a n s p o r to nt h es a f es i d e ，a n dr e s i s t e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f c r e n c e ，w i l lb eap r e f e r r e dt y p eo fc h a n n e l st ot r a n s p o r tr e l a y i n g p r o t e c t i v es i g n a l s t h et e c h n o l o g yo f p r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l so v e ro p t i c a lf i b e rc h a n n e l s i sl a c ko ft e s t i n ga n de n g i n e e r i n gs t a n d a r d s i nt h i sp a p e r , w em a k eas t u d yo fw h e t h e rt h e p e r f o r m a n c e so ff i b e rc h a n n e lc a nm e e tt h ed e m a n d so fr e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m eo rn o t a d v a n c et h em e a s u r e m e n t sa n dp e r f o r m a n c et h r e s h o l da p p l i e df o rf i b e rc h a n n e lw i t h p r o t e c t i v er e l a y i n gi n f o r m a t i o n a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h es i g n i f i c a n c eo fp r o t e c t i v er e l a y i n g i n f o r m a t i o ni np o w e rs y s t e ma n dt h eb a s i cr e q u e s t so ft h ep r o t e c t i v er e l a y i n gc h a n n e l s ，w e a n a l y z et h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fp r o t e c t i v ec h a n n e l s ，i n c l u d i n gp i l o t w i r ec h a n n e l 、p o w e rl i n ec a r r i e ro v e rt h et r a n s m i s s i o nl i n e 、m i c r o w a v ec h a n n e la n do p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s i n c et h ea p p l i c a t i o no fp r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l st h r o u g h f i b e rc h a n n e l si ss h o r to ft i m ea n de x p e r i e n c e s ，t h et e c h n o l o g yh a sn o tb e e ng r o w nu pa n d t h em a j o r i t yo ff i b e rp r o t e c t i v ec h a n n e l sa r ei nd e d i c a t e dm o d e t h e r e f o r e 。i t sn e c e s s a r yt o i n v e s t i g a t et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e so fp o w e rf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t h p r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l sd e e p l y s e v e r a ll a b o r a t o r ys t u d i e sh a v eb e e nc o n d u c t e dt od e t e r m i n et h ef i b e rc h a n n e l p e r f o r m a n c e si n t h i sp a p e r , w i t ht h eu s eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t sa n d p r o t e c t i v er e l a y i n gd e v i c e s t h ec o n t e n t sa r ea sf o i l o w s ：t h ef i r s t ，c h a n n e lp e r f o r m a n c e so f o p t i c a lf i b e rn e t w o r kw i t hp r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l sw e r eb e i n gm e a s u r e ds y s t e m i c a l l y , t h a th a v en e v e rb e e nc a m e do u tb e f o r e t h ei m p a c t so ff i b e rc h a n n e lc h a r a c t e r so n p r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l sw e r es t u d i e d ；t h es e c o n d ，e r r o rb i t r a t eo ff i b e rp r o t e c t i x e c h a n n e lw a si n d i c a t e dd e f i n i t e l ya n dp r o v e dt ob er a t i o n a lb yl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n t sa n d c a l c u l a t i o n ；t h et h i r d ，t h ei m p a c t so f j i t t e ra n dw a n d e ro np r o t e c t i v er e l a y i n gi n f o r m a t i o n w e r ei n v e s t i g a t e di np a r t i c u l a r , a n ds o m ec o n c l u s i o n sa b o u tj i t t e ra n dw a n d e rw e r ed r a w n o u t ；t h ef o r t h t h et r a n s m i s s i o nd e l a y so fd i f r e r e n tp o r t s ，n e te l e m e n t s ，l i n e a rl i n k sa n d n e t w o r ki nr i n gt o p o l o g yw e r et e s t e di nd e t a i la n dt h ee f f e c t so fa u t o m a t i cp r o t e c t i x e s w i t c ht i m eo nt h ep r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l st r a n s m i s s i o nw e r er e s e a r c h e d ；t h ef i f t h ， s o f t w a r ew h i c hc a nc a k ：u t a t et h et r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n dt r a n s m i s s i o nd e l a yf o ro p t i c a l f i b e rc h a n n e lw i t hp r o t e c t i v er e l a y i n gi n f o r m a t i o nh a sb e e nc o m p i l e d i no r d e rt os u p p l y r e f e r e n c e st oc o n s t r u c t i o n so fp r o t e c t i v er e l a y i n gc h a n n e l sa n dd e s i g n sf o ran e wp o w e r f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e re l i c i t sm e a s u r e m e n t sa n dp e r f o r m a n c et h r e s h o l da p p l i e df o rf i b e rc h a n n e l w i t hp r o t e c t i v er e l a y i n gi n f o r m a t i o n ，s u g g e s t st h a tt h en u m b e ro fn e t w o r ke l e m e n t ss h o u l d b el i m i t e dt og u a r a n t e et r a n s m i s s i o nd e l a ym e e tt h ed e m a n d si na n yc a s e ，a n ds u g g e s t st h a t w e ，db e t t e ru s e2 m b si n t e r f a c eo ft e r m i n a lu n i tt ot r a n s m i tp r o t e c t i v es i g n a l s ，w i t ht h e p u r p o s eo f r e d u c i n gt h ef a c t o r so f e r r o rb i ta n d t r a n s m i s s i o nd e l a y k e y w o r d s ：p r o t e c t i v er e l a y i n gs i g n a l s ，s d ho p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k p r o t e c t i v ec h a n n e l ，e r r o rb i t ，j i t t e ra n dw a n d e r ，t r a n s m i s s i o nd e l a y ，a u t o m a t i cp r o t e c t i v e s w i t c h ( a p s ) n 中周电力科学研究院硕士学位论文 氍述 第一章概述 电力通信网是保证电力系统安全、稳定、经济运行的专网。在电力通信网中传送 的业务有远动信号、数据采集信号、监视控制信号、继电保护信号和调度电话以及行 政电话、会议电话和会议电视、管理信息数据等业务i 。其中继电保护信号是电网安 全稳定运行的哨兵，继电保护信号体现了电系统发生故障时的电流、电压、相位等 参数的变化量，保护装置通过对线路两端电7 ( 参数进行比较后动作。因此继电保护信 号具有允许传输时问短、通道发送几率低、发送时间不确定等特点，这就对保护通道 的传输性能提出了严格的要求。目前利用光纤通道传输继电保护信号的可靠性尚存疑 虑，本论文将针对光纤通道传送继电保护信号的误码、抖动、漂移、时延和自动倒换 等性能展开研究。 1 1 继电保护的基本概念 继电保护所承担的任务为睇j ： ( 1 ) 当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速 准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断 开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响， 并满足电力系统的某些特定要求( 如保持电力系统的暂态稳定性等) 。 ( 2 ) 反应电气设备的不正常工作情况并根据不正常工作情况和设备运行维护 条件的不同( 例如有无经常值班人员) 发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置 自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工 作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。 线路纵联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， 是线路的主保护。它以线路两侧判别量的特定关系作为判据，即两侧均将判别量借助 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。因此，判别量和通道是纵联保护装置的主要组成部分。 电力通信网上传输的纵联继保信号主要何： ( 1 ) 闭锁信号。它是阻止保护动作于跳阐的信号，即无闭锁信号是保护作用于 跳闸的必要条件。只有同时满足本端保护元件动作和无闭锁信号两个条件时，保护才 作用于跳闸。 ( 2 ) 允许信号。它是允许保护动作于跳闸的信号，即有允许信号是保护动作于 跳闸的必要条件。只有同时满足本端保护元件动作和有允许信号两个条件时，保护才 动作于跳闸。 ( 3 ) 跳闸信号。它是直接引起跳闸的信号。此时与保护元件是否动作无关，只 中国电力科学研究鲩颈上学位论文 要收到跳闸信号，保护就作用于跳闸，远方跳闸式保护就是利用跳闸信号。 1 2 继电保护通道的类型 随着电网结构不断变化，继电保护设备不断改进，相应的保护通道类型也不断发 展。继电保护通道大致经历了三个阶段： 第一阶段，在模拟电力线载波上复用继电保护信号，或通过微波设备，利用模拟 四线通道传输继电保护信号。 第二阶段，使用同向6 4 k b s 数据接口利f 丑光传输设备、微波设备，或其混合通 道传输继电保护信号，实现了继电保护信号| j j 模拟传输向数字传输的过渡。 第三阶段，继保信号利用2 m b ，s 和6 4 k b ，s 数据接口，复用进光纤或微波网络进 行传输，或经专用通道传输。 以上仅是根据变化趋势进行的粗略划分，而实际上根据各地区投资力度和侧重点 不同，目前各种形式是并存的。 保护系统工作原理如图卜l 所示。按照f 0 输媒质主要分为电力线载波保护通道、 微波保护通道和光纤保护通道。 图1 1 保护系统工作原理 ( 1 ) 电力线载波保护通道 电力线载波通信利用电力线路进行通信d 】，具有通道投资少、见效快、与电网建 设同步等优点。其工作原理是利用载波枧将低频话音信号调制成4 0 k h z 以上的高频 信号，通过专门的结合设备耦合到电力线上使信号沿电力线传输，到达对方终端后， 采用滤波器将高频信号和工频信号分开：而对应于4 0k h z 以上的工频谐波电流，是 5 0 h z 电流的8 0 0 次以上谐波。其幅值已很小，对话音信号的干扰已减至可接受的程 度。 由于电力线载波依靠电力线来传输信号，其传输质量受电力线路状况的影响较 大，易受干扰，且载波通信频带( 4 0 5 0 0 k h z ) 有限。 目前电力线载波保护通道的使用仍占据主要地位，总体运行情况比较稳定可靠， 误动作的原因主要是外部干扰和运行环境不适。 ( 2 ) 微波保护通道 微波保护通道是利用微波通道传送被保护线路两侧继电保护的比较信号。自2 0 世纪5 0 年代以来，许多国家就开始在电力系统中利用微波通道作为继电保护通道。 2 中闺r u 儿辩学研究院颂j ：学位论文 微波通道主要由收发信机、连接电缆、互感器和方向性天线等组成。由发信机发出信 号，经定向天线发射，然后经空间传播，被对方的天线接收，再经过连接电缆收到收 信机中【3 l 。目前继电保护所用的微波波长为( 1 0 1 ) c m ，即频率为( 3 0 0 0 3 0 0 0 0 ) m 隧z 。 信号衰落是微波信号不容忽视的问题，当变电所之间的距离超过( 4 0 6 0 ) k m 左右时，需架设微波中继站；由于微波中继站和变电站不在一起，增加了维护的困难。 同时中继站增加使得继保信号的传输时延也增加。但微波保护通道的优点也是不容置 疑的：如不需要装设与输电线路直接相连的高频加工设备，与输电线无关，频带较宽， 可以传送多路信号等吲。 目前微波通信在我国电力通信传输网中的发展速度在减缓，微波保护通道的使用 越来越慎重。 ( 3 ) 光纤保护通道 光纤保护通道在本文中指利用光纤媒质传输继电保护信号。现将光纤通信的主 要特性列于表1 1 【4 j o 表1 1 光纤通信优缺点一览表 影响其特性的土要冈素 光纤通信的优点光纤通信的缺点 因使用光进行通信引起的 l 信息传输最大1 需要光电和电光变换 2 ，无电磁干扰 3 无短路引起的事故 4 不发生火花 5 接地设计容易 因使川光纤而引起的1 传输损耗小 1 弯曲仁径不育太小 2 传输频带宽2 需要高级融接技术 3 无电磁感应障碍 3 分路瓤合不方便 4 可忽略串音 5 重量轻 6 线径细 7 耐火、耐水 8 资源丰富 冈使 j 光半导体元件而引1 响应速度快 起的2 方向性强 3 ，光功率人 从表中可以明显看出，由于光纤通信方式抗电磁干扰能力强、没有因短路引起的 事故和接地设计容易等，所以如能利用光纤通道传输运行在变电站、发电厂强电磁坏 中国电力科学研究院顾七学位论文 境中的继电保护信号，将会有较突出的优越性。串音干扰可以忽略不计，通信质量良 好，使继电保护系统的可靠性和安全性得以保证。 另外，电力特种光缆( 特别是光纤复合架空地线( o p g w ) 和全介质自承式光缆 ( a d s s ) ) 受外力破坏的可能性小，可靠性高，可以依托于电力系统自身的线路走廊 直接敷设在电力线上，无需另开沟道或专门架设，既经济又不受电磁干扰，而且光纤 资源丰富，抗化学腐蚀，避免了在频率资源、路由协调、电磁兼容等方面与外界的矛 盾，有很大的主动灵活性。随着电力特种光缆制造及工程设计的日臻成熟和光通信技 术的不断发展，在今后的继电保护通信中，光纤通信将以其特有的优势和可观的发展 潜力发挥强大的作用。 1 3 光纤保护通道的现状 光纤通信是电力通信的发展趋势，用光纤通道传输继电保护信号成为热门技术 受到国内外继保通信行业的广泛关注。 1 3 1 国外现状 上世纪末，通过对北美继电保护通道使用情况的调研，得到表1 2 中的结果f 5 1 。 结果表明国外使用的保护通道类型主要有：电力线载波、光纤通道、微波通道等。 表1 2 保护通道类型 t y p e so f c h a n n e l si n s l a l l e a t n u m b e r u s i n g o d 6 c a lc h a r m , s5 2 w i f c p a i r l o wv o l t a g ec a b l c3 0 h i g hv o l t a g ec a b l e 7 p o w e rl i n ec 锄r r i c r6 0 m i c r o w a v ec h 栅n e l s4 4 l z a s o dc h a m m l s4 5 其中电力线载波和光纤通道的使用率较高。在诸多通道类型中，最具有发展前景 的保护方案当属光纤通道传输电流相位差动保护【5 h 们。早期的线路差动保护使用导引 线交换两端的电流值，由于受导引线电阻、外部感应电压等因素影响，其最大传输距 离仅为0 8 k m 。随着数字通信技术的到来，继保信号可以通过专用连接和复用连接两 种方式传输，其中复用连接方式可以将继保信号、语音信号、图像信号、数据等一起 用高速光信号通过s d h 传输。一般情况下s d h 环网具有自愈能力，在发生断缆的条 件下也能保证信号的正常传输【8 】。据表1 3 的不完全调查统计口i ，在上个世纪术期已 经使用光纤通道传输继保信号的占4 7 ( 5 2 1 1 0 ) ，计划一年内新建的保护通道中， 光纤通道类型占6 1 ( 6 5 1 0 6 ) 。 4 中固电力科学研究院硕i ：学位论文 表1 3 光纤通道使刖率 y e s n o u s i n go p t i c a lc h a n n e l sn o w 5 25 8 p l a n n i n go p t i c a lc h a n n e l s ： 6 5 4 l w i t h i n l y e a r 4 2 w i 山i n 2 y 娜1 2 。 w i 山i n5 y 9 由于光纤能克服其他通信媒质的缺点，以及各种保护设备越来越多地采用光接 口，光纤造价下降，光纤保护通道将逐渐成为保护通道的发展方向。山于专用光纤的 性价比不高，因此复用光纤保护通道具有良好的发展潜力。 1 3 2 国内现状 2 0 世纪9 0 年代中期，光纤保护通道在华北、华南、西北、南方电网等区域投入 试运行，使用方式主要有光纤电流差动保护和光纤闭锁式、允许式纵联保护两种。表 1 4 是对广东电网5 0 0 k v 保护通道使用情况的调研结果： 表1 , 4 广东电网5 0 0 k v 保护通道使川现状统计表 保护通道类掣数鹫所i i l 白分比 光纤 2 42 4 4 9 微波 o0 0 0 载波7 47 5 5 1 共计9 81 0 0 从广东电网5 0 0 k v 电力线路所使用保护通道的不完全统计结果来看电力线载 波保护通道广泛使用在5 0 0 k v 的高压线路上，光纤保护通道的使用仅占l 4 ，基本不 使用微波通道做为5 0 0 k v 线路的保护通道。 本文对广东各地1 1 0 k v 、2 2 0 k v 的保护通道进行了调研，调研数据如表1 5 所列。 从调研资料来看，这些光纤保护通道从早期单纯的短距离光纤纵差保护演变到近两年 占主导地位的光纤允许式保护，从实际运行情况看令人满意，动作可靠性高，缺陷次 数少。 表1 5j “东1 1 0 k v 、2 2 0 k v 保护通道使h j 现状统计表 专h j 光纤复h j 光纤微波专h j 载波复瑚载波 云浮 1 80o1 2 0 东莞 6 佛山l o l21 4 惠州3 6o8o 串国电力辩学研究院硕士学位论文 江门 6 3 o09 梅州 g 3o2 0 消远l ooo20 汕头 2 2lii 韶芙92003 肇庆 70o8o 中山9906 广州1 205 共计 1 0 0 ( 4 5 8 7 、2 6 ( i i 9 3 )3 0 3 8 嗡7 6 ( 3 4 8 6 i3 ( s 9 6 从调研结果看到，专用光纤作为保护通道的比例将近1 2 ，专用载波保护通道占 了大约1 3 ，微波保护通道的使用仅1 多，复用光纤的使用大于1 1 0 。从这些结果 来看，以前广泛使用的载波通道和微波通道i f 逐步向光纤保护通道过渡。调研材料中 还包括现场工程师对各保护通道的运行情况的评价，具体如下： 1 ) 数字微波：误码率低。但受天气影q 较大，雷甫前会出现短时中断。各地工 程师均不建议使用。 2 ) 专用载波：设备专一，经济，但误石，5 率较大，可靠性较差，虽然实施了反抗 措施，但受雷击影响较大，维护测试工作量犬，受气候、线路状况影喻，容易引起中 断，建议逐步取消。 3 ) 复用载波，无须架设专门通信线路，f 避受环境、天气影响较大。已逐步淘汰。 4 ) 对于专用光纤，普遍认为该保护通逝可靠、维护方便，信号传输质量好，干 扰小，故障率极低，独立性好，不受其它通信线路影响，但对纤芯资源需求量大，资 源利用率不高。 5 ) 对于复用光纤，信号传输质量好，干扰小，误码率低，节省纤芯资源，可以 对传输通道实现倒换，但增加p c m 设备及光电转换设备使得故障可能性增加，维护 难度较大，且光端设备不是保护专用，不利于通信设备检修。 从以上观点得出，光纤通道成为保护专j l t 推荐使用的通信媒质，但多采用与其它 网络隔离的专用光纤来实现，较少使用复用_ 兜纤保护通道。经过理论分析，专用光纤 保护通道并不满足全网长远发展的需求，这是因为：考虑到满足保护信号的要求，必 须留有5 0 的冗余度，浪费了大量的光纤资源：当专用光纤发生断缆后，将无法实现 继保信号的传输，因此，专用光纤必须与其他保护通道配合使用：另外，随着联网步 伐的加快，电网结构变化日新月异，专用光纤无法随电网结构的变化而灵活改变。面 对于复用光纤保护通道来说，虽然节点多，似其通道的传输性能好。最显著的自动倒 换功能能够实现主用通道故障后信号的传输不受影响( 已成功应用于般业务的传 输) ，若能应用于继保信号的传输，则继保通信无需另外敷设专用线路，可利用已有 的光网络进行传输，节省投资；复用光纤保护通道组网灵活，能够满足电网结构的变 化和扩张，还能够充分利用资源，具有发展的持续性。 6 中国电力科学研究院硕士学位论文 1 4 光纤保护通道存在的问题 。我国光纤通信技术在电力部门的应用起步较晚，但是发展十分迅速。近年来电力 专用通信网，主要是光纤通信的发展，特别是s d h 光纤通信网络的发展，使通信质 量获得更大的改善，利用光纤通道传输继电保护信号的技术具有良好的发展潜力。但 目酊该技术还不成熟，存在一些问题。 首先，通信专业本身没有考虑到电力特殊业务对通道传输性能的要求。在研究利 用光纤通信道传输继电保护信号的特殊要求以前，在国际、国内对通信设备及其接口 已有多项建议和规定，如果为了更好地传输继电保护信号，对设备进行更新和对接口 进行改造都不易做到。 其次，缺少电力专网时延指标，造成通信系统中继保通道传输实时性的疑问，特 别是当s d h 系统发挥自己独特的自动倒换功能时，继电保护信号在通信系统中可能 发生迂回传输，实时性的要求显得更加迫切。为了保证电力系统的安全运行，电力部 门需要根据自己的实际情况，研究光纤通道传输继电保护信号的可行性，制定出自己 的标准j 这将是最可行的办法。 另外，根据各地区的投资力度、技术、地理情况等不同，我国的电力光纤网络的 发展不平衡。目前，虽然光纤保护通道己在华北、华中、华南等地投入试运行，尚处 于探索阶段，技术尚未成熟，各个地区对光纤网络传输继电保护信号的网络性能要求、 测试方法也参差不齐，保护专业对其运行的可靠性存在怀疑。因此需要对光纤通道传 输继保信号的可靠性、快速性、同步等方面做深入研究。 由于缺少权威性的规定和证明，光纤保护通道设计初期并没有相应的技术规范和 标准可以遵循，各地区投入运行的光纤保护通道只能是根据各地区的特点和行业经 验，参照相关行业的规定。一些地区的光纤通道性能实际上并不完全满足保护通道的 要求，但却承载了保护业务，是电力系统的安全隐患；另一些地区的光纤通道性能良 好，实际上已经满足了保护通道的要求，但由于缺少理论或实验依据而没有承载保护 业务，这虽然杜绝了安全隐患，却极大的浪费了资源。光纤保护通道性能的参差不齐、 测试方法的不规范，制约了该技术的应用，长此以往，必将成为光纤保护通道健康、 持续发展的瓶颈。为了使光纤保护通道得到更广泛的发展，光纤保护通道的标准化问 题也就显得十分迫切。 1 5 。本论文的主要内容及所做工作 本论文利用光传输系统和继保终端设备搭建实验环境，模拟现场光纤保护通道的 实际运行情况，系统全面地对光纤保护通道的传输性能进行研究。具体工作是结合实 际的电力光纤网络，提出保证继电保护信息准确、快速传输的光纤通道的性能指标( 主 7 中国电力科学研究院硕士学位论文 概述 要包括误码、抖动、漂移、时延和自动倒换等) 和适用于光纤保护通道的测试方法、 测试要求等，使各区域光纤保护通道具有统一的通道性能指标及相应的测试方法，为 以后适应网络的拓展提供条件；同时可以规范产品的测试、工程验收、设备投产及只 常运行维护所必须进行的测试，为光纤保护通道的使用提供测试依据。 本文创新点主要有：第一，首次系统测试了光纤通道( 专用通道和复用通道) 传 输继电保护信号的通道性能：第二，提出光纤保护通道的最低误码指标；第三，提出 光纤保护通道的抖动漂移指标；第四，对时延进行全面测试，尤其是对s d h 光纤环 网自动倒换时间对继保信号传输性能的影响进行研究：第五，开发光纤保护通道传输 性能的仿真软件，对光纤保护通道的重要性能进行计算。 具体工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对光纤网络的分析，概括出电力典型光纤网络模型。 ( 2 ) 通过查阅大量资料并对广东电网保护通道的使用情况进行调研，参照电力 系统继电保护、安全自动化和r r u t 的相关技术标准，总结出继电保护信号的重要性、 特殊性及其对通道性能的最低要求。 ( 3 ) 设计并搭建光传输网络实验平台，全面系统地对光纤通道误码、抖动漂移、 传输时延、s d h 环网自动倒换等性能及其对继电保护设备的误码、丢帧、闭锁、保 护告警等工作状态的影响进行研究。 ( 4 ) 提出适用于光纤保护通道误码性能的测试方法，以及误码的最低指标。 ( 5 ) 提出适用于光纤保护通道的抖动漂移性能的测试方法，以及抖动漂移的相 关指标。 ( 6 ) 提出光纤保护通道时延的测试方法，具体包括各种网元设各处理信号的时 延、链路传输时延以及各种保护切换时延等，并得出相关结论。 ( 7 ) 对于专用光纤保护通道2 m b s 和6 4 k b s 的两种速率接口进行对比测试，研 究何种速率接口性能较好。 ( 8 ) 开发光纤通道传输继电保护信号的仿真系统，实现对光纤保护通道误码、 时延等性能的计算仿真。 中国电力科学研究院硕士学位论文 继电保护与电力专用光纤嘲络 第二章继电保护与电力专用光纤网络 继电保护装置是当电力系统中的电力元件( 如发电机、线路等) 或电力系统本身 发生故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直 接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化设备。它需要通 信通道传输线路两端的电气参数进行比较计算，根据计算结果判断是否动作。目前越 来越多的保护通道采用电力专用光纤网络，因此，电力光纤网络的通道性能直接影响 了保护系统动作的正确性。 2 1 继保信号的特点 由予继电保护主要是要能够正确地区分系统正常运行与发生故障或不正常运行 状态之间的差别，因此继电保护信号有一系列的特点【3 1 = ( 1 ) 要求信号传输时延和判别时间短，达到快速可靠切除故障的目的。 ( 2 ) 通道发送信号的几率低，而且电压等级越高，其故障也就越少。因此对于 电力系统中的复用保护通道和保护装置必须保证正常时不发信号，而一旦出现故障就 必须准确发送信号，而且要求装置与通道的性能和监测手段都必须相应完备和十分可 靠。 ( 3 ，信号发送时间的随机性。 结合继电保护的作用和上述特点，对保护通道的性能有如下的要求【3 】： ( 1 ) 要求通道安全、可靠，即要求抗干扰能力强。由于电力系统电磁环境恶劣， 远方保护装置和通道对外界的干扰敏感，因此要求保护通道具有强大的抗干扰能力。 当发送端没有发送保护命令时，接收端不应该由于干扰而接收虚假命令信号，造成误 动。电力系统一旦发生故障，远方保护通道就应该传送保护命令，不应受外界干扰而 拒动：拒发命令或丢失命令。其中丢失命令信号有下面几种情况： 继电保护装置完全没有从远方保护通道的接收端收到保护命令信号。 接收到了命令信号，但是时白j 太迟，超过了继电保护要求的最长允许时问。 收到的命令信号长度不够，未能满足继电保护要求的命令长度，不足以使继 电保护启动。 ( 2 ) 要求传输速度快。快速的切除故障可以提高电力系统并行运行的稳定性， 减少用户在电压降低情况下的工作时间，以及缩小故障对电气设备的损坏程度。因此 在发生故障时，应力求迅速切除故障。对于远方保护而言，从检测判断出故障到故障 切除的总时间为( 4 7 1 9 0 ) 塔，如图2 - 1 所示。具体整定时间要根据电压等级、保护 方式而定。 9 中国电力科学研究院硕士学位论文 继电保护与电力专用光纤嗍络 一 保护系统故障切除时间4 7 1 9 0 m s 一 一 t 1 一 远方保护系统总动作时间7 7 0 m s 保护继远方保护发信机通信远方保护接收机隙护继 断路器 电器一复用保护通道电路一复用保护通道i 电器 故障识别起动命令时问判决时o 起的鼍置孥翟1 动作 时间 时间 间包括附加h “”1时日 一q ，靠令镍，廷 电器 3 0 8 0 m s 1 0 - 3 0 m si - 5 m s e t o m s p 2 嘶o - l o r e s j tol 一一_ 额定传播时间，不包括传播时延 7 - 6 5 m s 图2 1 远方保护动作时间 上述所讲的安全性、可靠性和快速性既相互联系。又相互矛盾，原则上讲，要使 这三方面同时达到较高指标是不可能的。如果要强调可靠性，希望在任何恶劣条件下 都不漏掉命令信号，那么就有可能将干扰信号误当作命令信号接收进来，这样就降低 了安全性；反之，如果强调安全性，不允许接收虚假命令，就需要严格检验判别、排 除可疑信号，这样又会将受到干扰而发生畸变的命令信号丢失，从而降低可靠性。而 为了严格区分干扰和命令，又需要一定的鉴别时问，这样又会影响速度，由此可见这 三者是矛盾的。 在不同的传输系统中安全性和可靠性的影响因素不同。当采用复用光纤保护通道 传输继电保护信号时，其可靠性和安全性主要受光纤保护通道的误码和抖动漂移性能 的影响。误码的产生环节为传输系统中使用设备的工作机理( 复用、定位、映射等) 和与传输系统设备有关的外部干扰( 电源等) ，而抖动漂移的产生环节为信号传输过 程中所作的处理以及温度的影响；当采用专用光纤保护通道时，其可靠性、安全性主 要受光纤本身的传输特性影响。 快速性就体现为继保信号的传输时延，是保护通道的重要指标。长途光通信是专 用光纤和复用光纤通道中影响传输速度的共同因素。当采用复用光纤保护通道传输继 电保护信号时，传输时延的影响环节还包括光信号经过保护设备接e l 和传输网元设备 的处理时间。当采用专用光纤保护通道时，信号在保护设备接口处的时间不容忽视。 1 0 中田电力科学研究院硕士学位论文 继电保护与电力专用光纤网络 2 2 电力专用光纤网络的概述 2 2 1 电力专用光纤网络的现状 光纤通信以其容量大、抗干扰能力强、衰减小，适合远距离传输大量信息等优势， 得到电力通信部门的青睐，成为电力通信的发展方向。同包括邮电公用通信在内的各 个行业部门相比，在电力系统中发展光纤通信具有得天独厚的资源优势，可以用最少 的投资、最快的速度，建设一个覆盖全国的、具有高可靠性和易于维护的现代电力光 纤通信网络。这些资源优势包括覆盖全国城乡的5 0 0 k v 、3 3 0 k v 、2 2 0 k v 和1 1 0 k v 线路，共计约3 1 00 0 0 公里：另外电力系统还有大量的3 5k v 、1 0k v 线路可供利用。 以上线路资源可以用来架设电力系统特种光缆，免除了复杂的征地手续和大量的基础 设施建设，而且在输电线路杆塔上架设光缆具有非常高的可靠性。在电网上架构光网 能够更好的发挥电力工业的特殊优势，做到国家资源的合理配置和利用。 “十五”期间，电力通信网主干电路的建设以光纤通信方式为主，其他通信方式为 辅，j 电路上采用s d h 传输体制，新建的5 0 0k v 线路及重要2 2 0k v 线路与o p g w 光 纡电路同步架设。目前电力通信网逐步发展成为覆盖各区域、省的全国性光通信网络。 另外各个地区也正在实现s d h 光纤环网化，如广东电力光纤通信网从无到有，从简 单的点对点准同步数字系列( p d h ) 制式发展到全网的同步数字系列( s d h ) 自愈环， 以珠江三角洲为中心的电力光纤网络已成规模。这些基础建设为实现光纤通道传输继 电保护信号提供了条件。 2 2 2 电力专用光纤网络的传输性能 2 2 2 1 误码性能 信宿与信源的信号比特不一致时，就认为信号质量产生损伤，产生了误码。误码 是影响传输性能的重要因素，轻则使系统稳定性下降，重则导致传输中断( 1 0 3 以上) 。 误码的产生主要有以下两个方面【l o 】：1 ) 内部机理产生的误码：系统的此种误码 包括由各种噪声源产生的误码；定位抖动产生的误码；复用器、交叉连接设备和交换 机产生的误码：以及由光纤色散产生的码间干扰引起的误码，此类误码会由系统长时 间的误码性能反应出来。2 ) 脉冲干扰产生的误码：由突发脉冲诸如电磁干扰、设备 故障、电源瞬态干扰等原因产生的误码。此类误码具有突发性和大量性，往往系统在 突然问出现大量误码，可通过系统的短期误码性能反映出来。 传统误码性能是度量6 4 k b s 的通道在2 7 5 0 0 k m 全程端到端连接的数字参考电路 的误码性能，是以比特的错误情况为基础。高比特率通道的具体参数有误块、误块秒 中国电力科学研究院颂士学位论史缝电保护与电力专用光纤网络 ( e s ) 和误块秒比( e s r ) 、严重误块秒( s e s ) 和严重误块秒比( s e s r ) 、不可用 时间、背景误块( b b e ) 和背景误块比( b b e r ) 【“h 13 1 。其中严重误块秒可以反映系 统的抗干扰能力，与环境条件和系统自身的抗干扰能力有关。而与线路速率关系不大； 而背景误块比往往反映的是设备内部产生的误码情况，与设备采用器件的性能稳定性 有关。 2 2 2 2 抖动漂移性能 抖动是一个数字信号的有效瞬间在时间上偏离其理想位置的短期的、非积累性的 偏离。所谓“短期的”、“非积累性”的偏离是指偏离随时问较快的变化，通常认为变化 频率高于1 0 h z 就属于较快的变化。而漂移指数字信号的有效瞬间在时间上偏离其理 想位置的长时间的、非积累性的偏离，所谓长时间是指变化频率低于1 0 h z 的相位变 化【1 4 】1 15 1 。抖动和漂移会使收端出现信号溢出或取空，从而导致信号滑动损伤。 在s d h 网中除了具有其他传输网的共同抖动源各种噪声源，定时滤波器失 谐，再生器固有缺陷( 码间干扰、限幅器门限漂移) 等，还有两个s d h 网特有的抖 动源： ( 1 ) 在将支路信号装入v c ( v i r t u a lc h a n n e l ) 时，加