光纤通道在继电保护中的运用.ppt

光纤通信在继电保护中的应用 通道现状 220kV线路的主保护 高频通道 采用专用的收发信机 相 地耦合方式 光纤通道 采用点对点直接连接通道 500kV线路的主保护 高频通道 采用载波机复用保护 相 相耦合方式 光纤通道 采用复用PCM方式 经过OPGW传输 220kV线路的主保护的光纤通道示意图 500kV线路的主保护的光纤通道示意图 第一部分光纤通信原理 光纤通信系统的基本组成 一 光纤线路 光纤线路的功能是把光信号尽可能小畸变和衰减地传输到对端 由光纤 光纤接头 光纤连接器组成 容纳许多光纤的为光缆 影响光纤性能的主要指标为损耗和色散 光纤的结构 纤芯 包层和涂敷层 纤芯和包层一般由高纯度二氧化硅掺有适当的杂质构成 包层的折射率略小于纤芯 从而构成光波道效应 使大部分电磁场被束缚在纤芯中传输 涂敷层是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械损伤 同时增加光纤的柔韧性 在涂敷层的外部的塑料套管增加保护作用 常用的光缆由若干光纤组成 光纤的外形 n1 n2 光能量主要纤芯中传输 包层n2 纤芯n1 光纤的分类 根据光纤中的传输模式数量分为 单模光纤 single ModeFiber SM 折射率分布与突变型光纤类似 纤芯直径只有8 10 m 光线以直线沿纤芯中心轴线方向传播 只能传输一个模式 信号畸变小 多模光纤 Multi ModeFiber MM 多模光纤又分为 突变型和渐变型光纤的纤芯直径都很大 可以容纳数百个模式 根据光纤横截面的折射率分布分为 阶跃折射率光纤 step IndexFiber SIF 纤芯折射率为n1保持不变 到包层突变为n2 光以折线传播 渐变折射率光纤 Graded IndexFiber GIF 纤芯中心的折射率为最大n1 沿径向r向外围逐渐变小 直到包层变为n2 光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输 光纤的分类 多模阶跃折射率光纤中的光的传输 不同入射角的光线在光纤中的传播路径不同 不同的光所携带的能量到达终端的时间不同 产生了群时延 限制了该光纤的传输带宽 一般小于200MB S 渐变折射率光纤中光的传输 该光纤具有自聚焦的性质 即有相同的传输时延 适当选择折射率的分布 可使传输带宽达几GB S 对于给定的光纤 存在一个临界波长 c 当 c时 是多模传输 当 c时 是单模传输 这个 c称为截止波长 应用 突变型多模光纤信号畸变大 相应的带宽只有10 20MHz km 只能用于小容量短距离系统 渐变型多模光纤的带宽可达到1 2GHz km 适用于中等容量 中等距离的传输系统 大容量 长距离系统使用单模光纤 光纤的传输性能 衰减 Loss 色散 Dispersion 传输 衰减 Loss 1 衰减 dB 衰减是光纤的一个重要传输参数 它表明了光纤对光能量的传输损耗 对光纤质量的评定和对光纤通信系统的中继距离的确定都起着十分重要的作用 其评定量纲为dB 2 衰减系数 dB km 衰减系数定义为单位长度光纤引起的光功率衰减 其评定量纲为dB Km 光纤的衰减系数与光纤的工作波长有关 但光纤的衰减系数与波长的函数关系与光纤长度无关 传输 衰减 Loss 衰减系数 dB km 0 85 1 3 1 55微米是光纤通信的三个低损耗窗口 损耗分别为1 9db km 0 35db km 0 2db km 传输 色散 Dispersion 在光纤数字通信系统中 由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成份来携带的 这些不同的频率成份和不同的模式成份的传输速度不同 从而引起色散 传输 色散的种类 材料色散波导色散模间色散偏振模色散 PMD 模式色散 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度 材料色散 石英材料的折射率随波长而变化引起不同波长的光传输时延不同 波导色散 对于光纤的某个模式 在不同频率下群速不同 改进措施 采用单模光纤减少模式色散 采用激光器减少谱线宽度 减少材料色散和波道色散 光纤的损耗和色散 在0 85 m 1 31 m和1 55 m有三个低损耗窗口 分别小于2dB km 0 4dB km和0 2dB km 石英光纤在1 31 m色散为零 带宽极大值可达到几十GHz km 通过光纤设计 可以使零色散波长移到1 55 m 实现色散和损耗都最低的色散移位单模光纤 或者设计在1 31 m和1 55 m之间的色散平坦单模光纤 光纤特性的标准 光纤特性的标准 G 651多模渐变光纤 早期使用 G 652常规单模光纤 在1 31 m色散为零 传输距离只受损耗的限制 G 653色散移位光纤 在1 55 m色散为零 损耗最小 G 6541 55 m损耗最小的单模光纤 在1 31 m色散为零 在1 55 m色散为17 20ps nm km 和常规光相同 但损耗更低 是G 653的改进型 G 655是非零色散光纤 是改进的色散移位光纤 损耗的测量 测量通过光纤的传输功率 称剪断法和插入法 测量光纤的后向散射功率 称后向散射法 剪断法 光纤的损耗系数 光缆的结构分类 层绞式光缆骨架式光缆带状式光缆单位式光缆束管式光缆 6芯紧套层绞式光缆 12芯骨架式光缆 直埋 108芯带状光缆 12芯松套层绞式光缆 直埋 OPGW OpticalFiberOverheadGroundWire 光纤接续的种类 永久性连接 固定连接 活动性连接 连接器连接 光纤的活动连接器连接法 对光纤连接器性能的主要要求连接器产生连接损耗的因素结构与种类 对光纤连接器性能的主要要求 插入损耗低 经多次连接和拆卸后 插入变化小 同一种类的连接器应具有互换性 对环境条件如温度 湿度 灰尘 振动等不敏感 结构简单 装卸方便 价格低廉 在多芯连接器中 相互串扰小 连接器产生连接损耗的因素 轴心错位轴心倾斜间隙端面不完整光纤参数的偏差 光纤活动连接器的组成 按功能可以分成以下几部分 连接器插座 PlugConnector 光缆跳线 JumperCable 转换器 Adapor 变换器 Converter 裸光纤转换器 BareFiberAdaptor 在我国一套光纤活动连接器主要指两个连接器插头加一个转换器 法兰盘 光纤活动连接器的结构与类型 FC 平面接触 螺纹连接 PC APC 直接接触 螺纹连接 SC NTT 矩形 直接拔插 ST AT T 带键卡口式 影响光纤接续损耗的因素 固有因素非固有因素 影响光纤接续损耗的固有因素 固有因素主要包括任何两根待接光纤的几何特性和波导特性方面的差异 芯径失配同心度偏差数值孔径失配折射率分布失配模场直径差异 影响光纤接续损耗的非固有因素 非固有因素主要指任何两根待接光纤端面不完善和机械偏移 端面不完善主要包括端面倾斜 端面弯曲和端面粗糙 机械偏移主要包括两根光纤横向偏移 轴向倾斜和纵向分离 二 电端机 模数转换 多路信号复用 将一定码型和帧格式的电信号送入光端机 典型的电端机为PCM设备 PCM设备是数字微波 光纤等数字通信的基群设备 也作为网络通信的终接设备 PCM的含义为脉冲编码调制 即对模拟信号进行采样 保持 量化 编码 把模拟信号转换成数字信号传输 二 电端机 PCM设备介绍 时分多路和PCM设备 f1 t f1 t 时分多路复用的示意图 信道 时分多路和PCM设备 时分多路复用的示意图 f2 t f2 t 信道 时分多路和PCM设备 时分多路复用的示意图 fn t fn t 信道 时分多路和PCM设备 f1 t f1 t 时分多路复用的示意图 信道 PCM以话音为代表 话音的频率为300 3400HZ 考虑防护带 取上限频率为4kHZ 按照取样定理 取样频率为8kHZ 一帧时间为125 s ITU组织规定PCM有两种体制 PCM32 30和PCM24 我国使用前者 规定PCM的一帧时间分成32个时隙 其中30个时隙用来传送语音或数据 另外两个时隙用来实现同步和对告 每个时隙用8比特来表示 时隙速率为 8比特 8kHZ 64kbit s1帧的速率为64kbit s 32时隙 2048kbit s 64kbit s PCM32 30为基群设备 可以传送30路话音 也可以通过同向数据接口 直接传送每时隙为64kbit s的数据 G 703 在数字微波通信中 PCM设备的信号接入微波信道机信进行中频和高频调制后 射频经馈线 天线送出 在光纤通信系统中 PCM设备作为电端机进入光端机经光纤传输 PCM的高次群设备 当通信容量不够时 可使用PCM的高次群设备 多个PCM信号合成一路信号的过程为复接 与复接相反的过程为分接 复接根据时钟源是否同一分为同源复接和异源复接 SDH采用同源复接 即同步数字系统 PDH为异源复接 即准同步数字系统 SDH SynchronousDigitalHierarchy 具有统一的网络节点接口标准化的信息等级结构 即STM模块采用独特的复用技术OAM能力很强SDH自愈混合环形网低阶SDH 高阶SDH 例如 STM 1 STM 4 PDH SDH 采用字节间插复用方式 SDH速率等级 10G 2 5G 622M 155M STM 64 STM 16 STM 4 STM 1 45M 1 5M 2M 34M 140M 分插复用 155Mb s 155Mb s 光接口 光接口 2Mb s 电接口 SDH网络 SDH在电力系统中依靠OPGW构成自愈环网 自愈网 self healingNetwork 无需认为干预 网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复 使用户感觉不到网络已出故障 其基本原理就是使网络具备代替传输路由并重新确立通信的能力 SDH自愈环网示意图 A B C D SDH自愈环网示意图 A B C D C端机故障 使用热备用机器 SDH自愈环网示意图 A B C D AB端机之间线路故障 SDH自愈环网示意图 A B C D AB端机之间线路各自环回 双环变单环 1 网络概况 Alcatel1660SM 图例 乔司变 王店变 瓶窑变 省调1 杭州局 萧山变 兰亭变 甬西变 宁波局 天一变 台南变 瓯海变 双龙变 诸暨变 桐柏厂 台州局 富阳变 嘉兴局 嘉兴二厂 温州局 丽水局 金华局 石窟变 衢州局 北仑厂 绍兴局 湖州局 省调2 STM 16 一环 省网SDH网络介绍 1660SM 图例 STM 16 乔司变 瓶窑变 省调2 萧山变 兰亭变 甬西变 北仑厂 天一变 台南变 临海变 瓯海变 双龙变 诸暨变 桐柏厂 富阳变 二环在省调站点通过S4 1与一环互联 二环 2 alcatelSDH网上的继保PCM 乔司变 王店变 瓶窑变 省调1 萧山变 兰亭变 甬西变 天一变 台南变 临海变 瓯海变 双龙变 诸暨变 富阳变 嘉兴二厂 表示含继保PCM线路 北仑厂 5493 15494 1 5491 15492 1 5418 2 5453 15454 1 5451 1 5401 1 5455 1 5471 1 5463 1 5459 1 5457 15458 1 5418 2 表示5418线第2套保护 一环 二环 表示含继保PCM线路 5418 2 表示5418线第2套保护 乔司变 瓶窑变 省调2 萧山变 兰亭变 甬西变 北仑厂 天一变 台南变 瓯海变 双龙变 诸暨变 富阳变 5493 25494 2 5453 25454 2 5451 25452 1 5403 1 5455 2 5457 25458 2 5471 2 5463 2 5460 1 5491 25492 2 3 alcatelSDH网上的时钟同步 乔司变 王店变 瓶窑变 省调1 杭州局 萧山变 兰亭变 甬西变 宁波局 天一变 台南变 瓯海变 双龙变 诸暨变 桐柏厂 台州局 富阳变 嘉兴 嘉兴二厂 温州局 丽水局 金华局 石窟变 衢州局 北仑厂 绍兴局 外时钟 湖州局 省调2 一环 二环 乔司变 瓶窑变 省调2 萧山变 兰亭变 甬西变 北仑厂 天一变 台南变 临海变 瓯海变 双龙变 诸暨变 桐柏厂 富阳变 二环在省调站点通过S4 1与一环互联 提取S4 1线路时钟 4 一般保护通道告警的处理步骤 A 检查保护PCM2M板告警灯是否告警 是 则为2M通道告警 检查2M的物理跳线和时隙交叉连接 排除相应故障 否 则跳至第二步 B 检查保护PCM64Kbit s板告警灯是否告警 是 则为64Kbit s板未收到来自继保设备的信号 检查64Kbit s板的至光电转换柜的音频跳线 如果物理跳线环回正常 则可能为光电转换柜 继保设备这一段有故障 排除相应故障 否 则跳至第三步 C 做64k时隙的远端环回 并测误码 如有误码 则再做2M的远端环回并测误码 如果2M有误码则为整个光纤通道有误码 换光板 如果2M无误码 则可能是PCM的64k板或2M板有故障 换板 如无误码 则应检查光电转换柜及保护设备是否工作正常 三 光端机 分 光发射和光接收光发射功能 把输入电信号转换为光信号 并用耦合技术 把光信号最大限度地注入光纤线路 光接收 把从光纤线路输出 产生畸变和衰减的光信号转换为电信号 三 光端机 光发送 组成 光源 驱动器 调制器核心为光源 目前广泛使用有半导体光源 发光二极管 激光二极管 谱线宽度很小的动态单模分布反馈激光器 DFB 大功率的激光器掺钕钇铝石榴石 E O转换通过电信号对光信号的调制实现 目前有 直接调制和间接调制 三 光端机 光发送 光调制 三 光端机 光发送 光调制 三 光端机 光接收 组成 光检测器 放大器和相关电路 核心 光检测器 目前广泛使用的有 本征二极管PIN PD和雪崩光电二极管APD O E是通过光检测器实现 分 直接检测和外差检测 指标 灵敏度 第二部分光纤在线路保护中的应用 分相电流差动保护 原理 分相电流差动保护是一种差动保护 它比较被保护线路两侧的电流的大小与相位 对正常运行 区内故障 区外故障作出判别 如判断为区内故障 则发出跳闸命令 从而切除故障 如是区外故障则可靠闭锁保护 保证不动作 分相电流差动保护 原理 电流的相位及幅值是作为保护是否动作的重要依据 为增加保护的可靠性 每相均设有2个电流元件 三相共有6个电流元件 这些电流元件均由计算机进行采样 从而提取出幅值量和相位量 同时附加时间信息 保护每隔5ms向对侧传递一次信息 同时对方也将这些信息传到本侧 这样两侧都可能比较同一时刻的电流幅值与相位 分相电流差动保护 原理 由于信息在通道上传输是以光速进行的 所以时间不可能大于12ms 如果两侧电流信息的时间差大于12ms 则说明通道有问题 差动保护自动闭锁 并发 通道故障 信号 如时间大于200ms 整个保护自动闭锁 REL561保护中还包含距离保护 待通道恢复正常 两侧时间一致同步后 保护又自动恢复正常运行 REL561保护每相的电流比较是独立完成的 这样便可以在任何故障情况下保护正确选相 正确动作 分相电流差动保护 原理 通道如果发生故障 可能在一个时间段内 5ms 内发不出信号或收不到信号 两侧比较可能判别为线路故障从而跳开开关 为了提高可靠性 REL561保护跳闸回路采用四取三跳闸逻辑 即将四次取样电流幅值和相位进行比较判别 如其中有三次满足跳闸条件方才发出跳闸指令 分相电流差动保护 原理 如果故障电流相当大 CT将饱和 CT二次值与一次值将不再是比例对应关系 所以REL561保护在每相回路中加装了CT饱和检测器 当CT饱和时能自动增加制动量 提高保护动作值 并且将CT饱和信息传递给对侧 以防保护误动 分相电流差动保护只能反映两侧CT之间的线路全长 不能作为线路的后备保护 所以 REL561保护还附带了后备保护 距离保护 方向零流保护 分相电流差动保护 点对点通道 保护通道如采用OPGW光纤通道专用光芯 则按如下设备提供 1个光缆端子盒装于屏上3根尾纤1根 每根4芯 250米长金属铠装光缆 点对点通道 1个光缆端子盒装于屏上 3根尾纤 1根 每根4芯 250米长金属铠装光缆 经过避雷线上OPGW 分相电流差动保护 复用PCM通道 保护通道复用PCM终端时 每一套分相电流差动保护分别接用不同基群的一个PCM64kbit 秒同向接口 即如果500kV线路出线2回 每回线配置2套完全独立的主保护 采用光纤通道 分别安排在2台PCM上 每台PCM为继电保护提供2路64kbit s通道 另预留2路通道用于安全自动装置信号 分相电流差动保护 复用PCM通道 分相电流差动保护分别输出光信号 然后经设在通信室内的光电转换接口设备转换为64kbit s电信号 采用G 703同向数据接口复用PCM 与对侧保护交换信息 保护装置与光 电转换设备之间采用光缆连接 光 电转换装置的数字信号接口元件设置在通讯室一条线接口元件装设在一个柜上 分相电流差动保护 复用PCM通道 光电转换接口装置的电源为直流110V 每台装置一路电源 并使用一个110V直流电源小开关MCB 其电源监视元件可借助辅助继电器或数字信号接口设备本身 分相电流差动保护 复用PCM通道 每回线的每一端二套分相电流差动保护的通信接口设备应完全独立 并按如下设备提供 2个数字信号接口装置4个光缆端子盒每根光缆每端一个2根 每根4芯 500米长金属铠装光缆12根尾纤 每个光纤接线盒3根2根屏蔽双绞电缆及接插件 复用PCM通道 光缆端子盒 数字信号接口装置 64kbit s电信号 64kbit s光信号 2Mbit s电信号 155Mbit s光信号 复用PCM通道 500米长金属铠装光缆850nm多模光纤 OPGW 分相电流差动保护 复用PCM通道 对采用分相电流差动的500kV线路 保护远方跳闸信号将通过复用的光通道传输 并通过分相电流差动保护传输 远跳回路具有启动两个断路器的双跳闸线圈的接点 同时具有中央信号 远动信号和事件记录接点 保护屏上应装设通道切换开关 以便在通道试验及维护时退出远跳回路 500KV远方跳闸逻辑电路 在本侧线路断路器失灵时需要发送远方跳闸信号 使对侧断路器跳闸 同时 也需要考虑接收对侧发来的远方跳闸信号 故需要装设远方跳闸逻辑 远方跳闸逻辑电路的安全性主要取决于通道传送远方跳闸信号的安全性 对于光纤复用通道 每回线可通过分相电流差动保护传送 接收端两个取一回路并联后跳闸 分相电流差动保护 点对点通道 同步 0IIIIII0I0 0I0IIIIII0 数据信息格式 数据信息格式 Startflag 01111110 formessagesynchronisationAddressTimingdataforpropagationdelaytimemeasurementStatusandcommandinformationCurrentvectors 3phases AdditionalBias 2ndharmonicP541 P542 StubbusthroughcurrentP544 P546 CyclicredundancyframecheckEndflag 01111110 formessagesynchronization Total24Bytes 点对点通道 同步 内时钟同步 采用专用光纤通道 时钟采用内时钟方式 即两侧的装置发送的时钟工作在 主 主 方式 数据发送采用本机内时钟 接收时钟从接收数据流中提取 传输延时时间的测量 1 tA1 数据信息 继电器 B A 电流向量 tA1 tA2 tA3 tA4 tA5 tB1 tB2 tB3 tB4 tB5 tp1 MiCOM P540 98 传输延时时间的测量 2 传输延时时间tp1 tp2 1 2 tA tA1 td 数据信息 tB1 tB2 tB3 tB4 tB5 tA1 tA2 tA3 tA4 tp1 tA5 电流向量 tA1 电流向量 tB3 tA1 td tp2 MiCOM P540 99 乒乓算法 P541toP544assumetp1 tp2So propagationdelaytpisgivenby Thisvalueisusedtorealignvectors thusallowingphaseandmagnitudeinformationtobecomparedatlineends BUT ForSONETsystems tp1canbedifferentthantp2 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 通道是通过64kbit s同向接口复用PCM 应采用外部时钟方式 工作在 从 从 方式 数据的发送和接收为同一时钟源 均从接收的数码流中提取 两侧的PCM通信设备所复接的2M基群口 应按主 从方式来整定 否则 由于两侧的PCM设备的64kbit s 2M终端接口存在差异 会使保护装置在接收中出现定时滑码现象 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 显然 保护设备的同步依靠PCM设备的同步来完成 PCM设备的同步包括时钟同步 位同步和帧同步 位同步和帧同步 般是同时实现 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 时钟同步 定时恢复 时钟同步要求接收端的时钟频率与发送端的时钟频率保持一致 同时为了在适当的时刻对收到的一位位数字信号进行判决 必须使接收端时钟脉冲与收到的比特流之间有一定的相位关系 这样就能够用较低的错误概率恢复己被接收到的畸变了的数字信号 收端时钟与比特流间的相位差还可以进行调整 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 时钟同步 定时恢复 为了实现上述目的 在PCM数字中继接口 包括PCM基群接收端机 中 一般采用从接收到的比特流中提取定时信息的方式来实现时钟同步 这种方式又叫做收端定时提取 定时恢复的方法包括谐振槽路方式和锁相方式 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 时钟同步 定时恢复 锁相电路 利用锁相环路的这种性质 可使接收端得到与信息比特流相同的频率和具有固定相位差的时钟信号 从而实现数字中继接口在接收PCM数字比特流时的时钟提取 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 时钟同步 定时恢复 帧同步 为了实现帧同步 在比特流中必须插入帧同步标记信号 又叫作帧同步信号或帧同步码组 简称为帧码 这些帧同步码有特定的码型 并按一定的间隔插入 因此 在接收端很容易被识别出来 一旦被识别出来 就可以推确地区分出各路的信号 达到帧同步的目的 分相电流差动保护 复用PCM通道 同步 SDLC同步通信规约 64kbit s G 703同步通信规约 64kbit s G 703同步通信规约 2Mbit s 当PCM接入SDH时 出口为SDH帧格式 速率一般为622Mbit s 采用SDH网络同步 双通道冗余通信 双通道运行 一个通道故障保护自动选择正确的信号 热备用 SONET SDH环网配置 Node5 Node4 Node1 Node2 Node6 Node3 P54