光纤自愈网应用于输电线路纵联差动保护的研究

郭侨 沈晗阳 胡诚

一、绪论

1.1 研究背景

继电保护主要是在输电线路上采用纵联保护的模式，纵联保护需要在输电线路两侧开关间建立有效的通信连接，以传送输电线路两侧的保护信号，同时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，并进行相应的动作，从而保证单个输电线路单元的安全供电。

以往传统纵联保护一般采用高频载波的方式建立通信信道，近年多采用光纤通信的方式，但往往只是短距离点对点使用，未能充分利用SDH（同步数字体系）光纤通信网络的自愈特性进行大规模联网。

1.2 研究目的和意义

光纤传输通道与高频载波通道相比具有抗干扰性好、传输速率快、可靠性高等优点，目前点对点的光纤保护在电网系统的输电线路保护中得到了广泛的应用，已成为保护信号传输通道的首选。

同时随着光纤通信技术在电网系统的广泛应用，在变电站与变电站之间已经拥有了非常丰富的光缆资源。基于多业务复用技术的现代光纤通信系统可以依靠这些丰富的光缆资源组成自愈网，光纤通信系统组成自愈网后可以在其中一条或多条光纤输电线路出现故障时迅速自愈恢复，比传统单点到单点的信号传输方式更加安全可靠。

基于上述几点，如果可以利用 SDH光纤自愈网传送输电线路两侧的继电保护信号，一方面可以增加继电保护传送通道的可靠性，另一方面也可以对现网已经形成的光纤资源和光纤传输设备进行合理利用，这两点都具有非常巨大的实用价值。

二、相关原理简要说明

2.1光纤通道方式下的电流差动保护原理

光纤通道方式下的电流差动保护系统的典型结构如下图所示：

当输电线路在正常运行或发生区外故障时，输电线路两侧电流相位是反向的。如上图所示，假设M侧为送电端，N侧为受电端，则M侧电流作为母线流向输电线路，N侧电流作为输电线路流向母线，两侧的电流应大小相等且方向相反，此时输电线路两侧的电流差应为零；但当输电线路发生区内故障时，故障电流都是从母线流向输电线路，方向会相同，同时输电线路两侧的电流差也将不再为零，保护装置就会发出跳闸命令以快速将切除故障。两侧信号通过光纤通道进行传输。

2.2 光纤保护通道的特点

与以往在电网系统中应用普遍的高频载波通道相比，光纤传输通道使用光纤作为传输媒介，天然就具备抗电磁干扰能力强、与电场绝缘、传输损耗较低、传输容量较大等优点。光纤传输通道在线路纵联保护中的应用，为电流差动保护在电网系统的大力推广也提供了非常强大的技术支撑。由于光纤传输通道在实际工程应用中比较低的故障率，对于相关设备的日常运维及线路保护的可靠性要求都具有非常大的优势，因此光纤传输通道将会作为保护通道的主流。

同时，光纤电流差动保护能够很好的使线路保护实现单元化，其原理简单，而且不受电网系统运行方式变化的影响。光纤通道模式下的电流差动保护在继承了电流差动保护诸多优点的同时，也以其非常可靠稳定的光纤传输通道，保证了保护信号能正确可靠地传送到对侧，从而也保证了保护的正确动作。

2.3 光纤保护专用通道与复用通道的对比与说明

2.3.1专用通道与复用通道的说明

电网系统输电线路纵联保护主要采用两种光纤传输通道：一种是为传输线路保护信号专门敷设的专用光纤传输通道。另一种是复用已有的SDH光纤通信网络，目前主要采用2M/E1复用。

（1）专用光纤通道方式

专用光纤通道方式需为线路纵联保护敷设独立的专用光纤传输通道，通信速率约为几十Kbps，主要传输三相电流信息及相关的控制、定时及地址信息。专用方式的优点是不需附加其它设备，可靠性高而且由于不涉及通信调度，管理比较方便。缺点是对光纤的利用率不高，传输距离有限。同时在专用光纤通道的基础上还需要再留一条备用通道，以防止专用的光纤通道故障，如断纤等。

（2）复用SDH光纤通信网络方式

复用SDH光纤通信网络方式是充分，利用现有的光纤传输通道及SDH光传输设备，实现对线路纵联保护信号的传输。

具体实现方式是采用2M/E1接口直接接入现有SDH光纤网络系统，或者是利用64kbit/s的数字接口经PCM终端设备接入后，通过PCM终端设备将64kbit/s的数字信号复用进2M/E1接口再接入SDH光纤网络系统，不再需要为线路纵联保护业务单独敷设专用光缆，此种模式下，传输距离也会随着SDH光传输的传送能力提高而大大提高，甚至可以通过SDH光传输网络延伸到网络的每一个需要的通信接点。

实际工程应用中，目前多采用2M/E1接口方式。2M/E1接口方式中，保护装置直接通过2M复用接口装置直接连接到SDH设备，中间不经过PCM复用设备，减少了中间环节，从而使系统的可靠性大大提高，而且2M的速率也增加了传输带宽，可以传输的保护信息也更多。

2.3.2 专用通道与复用通道的对比

在电网系统中采用SDH光纤自愈环网传送输电线路纵联保护信号与专用光纤通道方式相比，主要具有以下几点优越性：

（1）由于除保护业务以外，尚有大量业务采用了光纤自愈环网，因此采用SDH光纤自愈环网传输保护信号，不占用额外光纤资源，也不需要再额外增加成本；

（2）SDH光纤自愈环网的强大自愈功能，决定其传输性能的稳定，即使发生局部网络故障如断纤及单点设备故障等，业务传输也不会中断；

（3）SDH光纤自愈环网可以解决长距离传输的问题，专用光纤通道保护方式中的备用通道一般距离比较远，直接点对点利用光纤通信往往存在障碍；

（4）SDH光纤自愈环网的远程监控预警能力强，一旦通道出现异常情况就会立刻报警，而专用光纤通道保护方式远程监测能力严重不足，一般需要配备专门人员值班看护。

2.3.3光差保护对复用通道方式的技术要求

复用保护通道作为线路纵联保护的传输通道，在技术要求上是比较严格的，在评价或选用复用保护通道时，一般应考虑如下几方面：

（1）要求有较快的传输速度、满足保护要求，一般用通道的整个传输时间来衡量。传输时间包括三个部分：其一是通道的传输时延，它主要是指通道时延和设备内交叉、复用及解复用时延的累加，通道时延受线路长度决定，设备内时延则由容量和站点数决定，这在设计上是要作通盘考虑的。其二是判别时间，它可视保护要求和保护方式而白行调整。判别时间越长安全性就越高，而可靠性就越降低。判别电路设计的优劣，决定了时间代价换来安全性效益的大小。其三是接口电路的时延，这主要是由继电器的动作速度决定，目前最快的动作时间小于lms。

（2）要求通道双向路由一致，根据DL/T 364-2010规程要求和国网十八项反措规定，通道双向路由一致是确保保护装置在同步校验过程中能够快速使两侧进入同步，并在计算时能真实地反映差动电流，继而使保护装置进入正常运行状态。

（3）要求有极低误码率，光差保护最主要的任务是在线路故障时要计算两侧电流的数值，而该数值是要通过光纤通道传输进行交换的，要求有极高的精准性，任何的误码都会破坏这种精准。

2.3.4 光差保护对复用通道的一般原则

目前线路纵联保护的主流趋势是采用光纤通道进行电流差动保护，本文简称为光差保护。电流差动保护相比一般的允许式/闭锁式纵联保护，对通道具有非常强的依赖性。所以光差保护对复用通道的选择必须需要遵循一定的原则。

2.3.3.1 保护通道应优先使用 SDH 的2M/E1复用通道

光差保护通道应优先使用 SDH 设备的2M/E1复用通道，这是根据《DL/T 364-2010》“4.1 继电保护用光纤通道应稳定可靠，满足继电保护的技术要求”的规定，应优先使用SDH 设备的 2 Mbit/s 复用通道，主要原因就是 SDH 光传输系统的技术成熟稳定、相关接口规范标准、网管能力强大、功能非常齐全。

2.3.3.2 根据条件有选择地应用 SDH 光传输网络的自愈功能

在输电线路纵联保护上可以根据条件有选择的使用 SDH光传输网络，主要需要具备以下几个前提条件：

一是切换前后路由一致以避免时间差，而且要切换时间短。目前只有双纤双向通道倒换环能满足其要求，因为其收、发路由在切换前后保持一致，且切换时间快，满足纵联保护时间要求（≤30ms），关于双纤双向通道保护环的详细技术分析见本文3.2.2。

二是考虑到与现网大部分设备的兼容性，自愈的业务是以低阶复用器（VC12）为单位，不建议使用高阶复用器（VC4）140 Mbit/s 作为业务的倒换单位。

在上述两个原则的基础上，将SDH光纤自愈网应用于电网系统线路纵联保护已成为主流趋势，特别是随着网络建设的扩张，其网络构架将不断增强，光纤复用通道的备用资源会形成一定规模，其自我愈合能力和网络自我恢复功能会逐步加强，能具备抵御一些系统的突发故障以及自然灾害的能力，可以作为输电线路纵联保护通道的首选，再通过与输电线路纵联保护装置的双重化配置一起配合，基本上就可以构成一套安全可靠稳定的输电线路纵联保护支撑系统。

三、几种自愈网的比较及选择

SDH光纤自愈网根据自愈原理主要分为通道保护和复用段保护两大类，根据业务正常时收发运行方向是否相同可分为单向环网和双向环网。

复用段保护环使用自动保护倒换协议（APS）控制倒换，需要全网设备均启用APS协议，而由于APS协议尚未标准化，复用段保护环不能满足多个厂家产品之间互相兼容的要求，而且因为要运行APS协议，相关通道切换备用的路由较长，业务倒换时间也较长，不适用于电网系统的线路纵联保护。

单向环网与双向环网保护对比，唯一的不同在于双向环网的正常接收方向路由一致。根据电网差动保护需要收发路由一致的要求，只能采用双向环网。

在实际应用中，不一定是非要采用环网，在不成环的情况下，链路1+1也可看成是环网，或者说是通道的1+1备份。或者也可以简单理解为不管网络如何，只要从A到B设置1+1两条不同路由的冗余路径，两个不同路径中的的收和发都路由一致，两条路径采用“并发优收”的原则，倒换与否取决于接收端收到的主用通道信号的传输质量（即是否收到简单的AIS信号来决定该通道是否进行倒换，如果收到，那么就将通道切换到备用通道上去），操作起来也简单明了。因为实现简单，所以倒换时间很快，可以满足电网差动保护的倒换时间要求。

综上所述，再结合实际应用，如果是将SDH光纤自愈网应用于输电线路纵联保护，必须采用双向通道1+1保护，且建议两个站点之间的正常路由及备用路由上均不要超过6个光方向，防止因为通信设备故障造成多条220KV线路的保护通道故障。

四、基于光纤自愈网的线路保护在黄冈输电线路的实例应用

4.1 光纤自愈网应用于输电线路纵联保护的优点

结合上述章节，可从理论上分析出SDH光纤自愈环网应用于输电线路纵联保护主要有以下会优点：

（1）SDH光纤自愈环网应用到电网系统线路纵联保护中，光纤不怕超高压与电磁干扰、与电力场绝缘、频带较宽和衰耗较低、可以远距离传输，敷设方便，抗腐蚀，不易受潮。

（2）通信容量大，传输速度快。

（3）保护性能好：光信号是通过信号码来区别保护装置的，不受输电线上的高频信号影响。

（4）光纤传输通道为常发信道，网管能力也非常强大、通道相关情况可以实现实时监测，不需人工进行检测。

（5）SDH光纤自愈网具有安全可靠性高、业务切换时间短、建网经济性好，并且能够提供较长的传输距离。

正是考虑到上述诸多优点，黄冈电网输电线路保护通道最近几年进行了大量的改造，逐步形成了以SDH自愈网为基础的输电线路保护网络。

4.2 光纤自愈网在黄冈输电线路保护的应用

黄冈110KV蔡西线是黄冈电网首批采用的光差保护线路，于2006年11月投产送电时就加用了光差保护，由于建设较早，标准较低，采用普通光缆的光差保护路由，现阶段，由于工业园区的大力开发，普通光缆遭受外力破坏，出现多次中断，难以满足保护装置通道的要求。

2015年黄冈地调下令采用投退硬压板的方式将光差保护退运，同时向黄冈供电公司报告希望设计、通信、检修等部门配合，尽快恢复蔡西线光差保护。

经过组织相关班组的讨论，考虑普缆不宜作为专用纤芯光差保护的通道路由，结合黄冈通信网络现状，宜采用在蔡城、西河变电站分别增加光路的方式，同时在蔡城、西河增加通信接口柜，将蔡西线专用纤芯保护改为复用2M保护，从而形成自愈网。接入拓扑图如图2。

在进行保护通道联调前，通信人员对通道主要参数进行测试，包括两大部分，一是设备部分，包括通道误码、通道时延、发光功率、饱和光功率、收光功率、接收灵敏度、消光比测试等。二是线路部分，主要是光缆通道反射曲线报告、线路长度、线路衰耗和线路接头位置等，当这些指标在合格范围内后确定通道合格，出具调试报告后再交予保护专业人员调试。

上述改造完成后，系统已稳定至今，暂未发生因通道问题而引起保护的误动作。我们以此次线路改造为基础，阅读了大量的科技文献，查阅了相关资料，参考了国内外类似的线路保护配置方式，分析了近年来国内外保护误动、拒动的典型案例，结合本地区的实际情况，建立了一套统一的光差保护接入模式，并形成流程贯穿于其中。

在以后的电网建设前期可研阶段，我们积极参与，在电网管理部门的协调下，与设计和继保部门沟通和探讨，在确保电网安全、经济和高效的前提下，结合现场的实际情况和周边的电网布局以及通信网的结构，根据正确的理论分析和相关国家、行业和地方标准的支撑，提出了自己成熟的设计思想，纳入到整个工程的设计体系中去，为后面的电网建设中光差保护设计提供了可借鉴的成熟经验，而后投产的蕲春、黄泥湖、狮岗等220kV变电站配套的220kV线路都大量采用了光纤自愈环网的通道，也无一例外地没有发生过一起误动。

4.3 新应用模式面临主要问题及解决方案

4.3.1 光纤传输通道干扰

光纤传输通道在使用过程中也会遇到一些干扰，可以对光纤传输通道造成干扰的主要因素如下：

1）当光缆受到外力破坏、接口接触不良等异常情况时，光纤的性能指标会劣化、损耗会增高，这些情况会干扰到线路保护信号的稳定传输。

2）在光纤传输通道中，光纤自身的折射率分布、光纤截面的几何尺寸、以及结构有可能会沿光纤长度变化而变化，从而引起光纤偏振态的改变，进而引起光纤通道的线性畸变。而光纤通道的线性畸变可能会造成不同信号之间的相互干扰，从而使业务传输出现差错。

3）通信机房内来自于其它设备的干扰，如配线架接地不好等。

4.3.2 时间同步问题

保护装置与SDH光传输设备时间同步的问题，是光纤复用通道应用于电流差动保护需要面临的主要技术问题。

在光纤复用通道的线路保护中，保护装置与SDH光传输设备时间同步的问题，对于线路保护的正确运行起非常关键作用，目前光纤差动电流保护大都采用主从方式，以保证保护装置与SDH光传输设备时钟的同步。

4.3.3 工程应用问题

光纤自愈网应用于输电线路纵联保护时，光纤传输通道的安全稳定是线路保护正确动作的基础，如果光纤传输通道故障，线路纵联保护将无法正常工作。

实际工程应用中，光纤传输通道的安全可靠性虽然比较高，但也不排除有损坏的可能性，比如光缆断纤、熔纤时施工质量不好、尾纤跳线接头松动、尾纤受潮或接头不干净导致衰耗增大等。比如在实际工程应用中，光纤传输还需要经过光纤配线架、光端机、数字配线架等连接环节，并且光纤的熔接施工质量要求高，如果在线路保护装置投入运行之前的施工测试中存在误差，将会导致线路保护装置误动作，进而影响电网的安全稳定。

考虑光纤传输通道也有可能损坏，为了保证输电线路的安全运行，作为主要保护的纵差保护不致由于光纤通道故障而退出运行，实在有必要规定严格的施工规范，严抓工程施工质量。

无论采用专用光纤专用通道还是复用SDH光纤自愈网通道，在工程设计中，实际敷设的光缆一定要留有备用纤芯，以便当工作的纤芯由于故障导致业务传输误码率增大甚至中断时，可切换至备用的纤芯继续进行业务通信，以提高电网系统的供电安全性。

4.3.4 主要问题解决方案总结

针对上述问题，并结合实际工程情况，如果要大面积在SDH光传输自愈网上传送线路保护业务，还需重点注意并做好以下几点：

（1）提前做好网络规划：由于SDH自愈环网的建设将不再是简单的点到点的通道，其复杂性更高，因此需要在建网之初就考虑全网进行网络规划。

（2）抗干扰措施：做好光传输设备相关的二次电缆的抗电磁干扰措施，如相关配线设备的防雷接地等。

（3）严抓光缆施工质量。提高相关施工人员水平。

光纤接续是一项细致的工作，特别在端面制备、熔接、盘纤等环节，要求操作者仔细观察，周密考虑，操作规范。熔接过程中需要加强OTDR测试仪表的监测，确保光纤的熔接质量、减小因盘纤带来的附加损耗和封盒可能对光纤造成的损害。在整个接续工作中，必须严格执行OTDR测试仪表的四道监测程序：1）熔接过程中对每一芯光纤进行实时跟踪监测，检查每一个熔接点的质量；2）每次盘纤后，对所盘光纤进行例检，以确定盘纤带来的附加损耗；3）封接续盒前对所有光纤进行统一测定，以查明有无漏测和光纤预留空间对光纤及接头有无挤压；4）封盒后，对所有光纤进行最后监测，以检查封盒是否对光纤有损害。

4.4 制度建设问题说明

随着光差保护在黄冈电网的大量应用，保护专业与通信专业相互衔接的日益紧密，保护专业与通信专业管理界面也日益难以区分，如果不从制度建设上解决这一问题，则有可能直接影响到光差保护的安全可靠运行。

比如，通信专业人员不了解复用光纤保护设备的投退情况，经常对线路保护设备采取不管不顾的态度，这肯定不利于光通信传输系统的安全稳定运行，也对电网系统保护的安全带来了许多隐患。

另外光纤传输通道中涉及到的技术环节比较多，有时候线路保护装置通道产生告警后，很难区分是线路保护的问题，还是通信专业的问题。

上述情况就需要加强两个专业之间的理解和沟通，理顺两个专业间的工作界面，同时也需规范各专业人员的检修作业规范。

4.4.1复用保护的光纤通信的职责分工

（1）对于分芯共缆复用方式，以保护设备光入口端子为界，光通信配线架至保护设备光入口端子之间的光缆由保护专业负责维护，通信专业配合。

（2）对于共光端机分2M口的复用方式，以复接设备（SDH、PDH）上的数字配线架（DDF）为界面，数字配线架以及对通信设备侧的设备由通信专业维护。从数字配线架到保护设备的电缆（光缆）及保护装置由保护专业负责，通信专业配合维护，数字配线架到通信设备侧的设备由通信专业负责。

（3）一端光通信配线架至对端变电站光通信配线架之间的光路由由通信专业和线路专业共同负责，其中，OPGW和ADSS光缆光纤芯的测试、熔接、维修由通信专业负责，线路的维护、巡视由线路部门负责；普通光缆的维护由通信部门负责。

（4）VDF、DDF和配线端子排的接线由通信专业人员负责施工。其接线改线时，保护专业人员必须在场配合施工。

4.4.2复用保护的光纤通道的检修规范

（1）在复用保护的通信电路上工作，检修单位应提前3个工作日向地调通信调度报工作申请。通信调度接到申请应报电网调度，在得到电网调度“保护已停用”的答复后方可批准该项工作。通信电路恢复后，检修部门向通信调度报完工，通信调度确认无误后报告电网调度通信电路已具备复用保护条件。电网调度待现场变电运行单位验收保护通道合格后及时回复通信调度，该项通信工作方可正式完工。

（2） 可能影响OPGW光缆或ADSS光缆线路运行的工作，线路运行部门除向电网调度报送停电申请外，还应向通信调度报送OPGW光缆或ADSS光缆停用申请。通信调度接到申请后，应根据所停用光缆线路上承载的业务向省级通信调度报告，或送地调方式、保护、自动化等专业进行会签，并及时将会签意见回复线路运行部门。工作完毕验收合格后，线路运行部门应及时向通信调度报完工。

五、结论

本文通过阐述光纤保护通道的原理，以及输电线路纵联保护原理，讨论和分析纵联保护对通信通道的要求及原因。重点针对光纤自愈网在输电线路纵联保护方面所面临的优势和问题做了研究和总结，并提出光纤自愈网在实际应用中可采取的解决方法和实际运行中所注意的各种问题。同时进行了实际组网测试，为纤自愈网应用于输电线路纵联保护提供理论指导和实践意见。

经过大量的研究、分析、及实际组网验证，本文认为是光纤自愈网应用于输电线路纵联保护是绝对可行的，而且随着相关问题的解决，也会逐渐成为实际应用的主流趋势。

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