基于2M光接口的线路保护通信通道设计与应用

蔡勇超，吕华良，曹小冬

(广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

0 引 言

继电保护装置是保障电力线路安全稳定运行的基础，在现代电力系统中有着不可替代的作用[1]。保护装置在线路两端成对安装，装置之间实时通信，主要的通信方式有微波、电力载波和光纤等。随着电网智能化和自动化水平的提高[2]，电力系统对通信的稳定性、可靠性和及时性要求也逐步提升[3]，微波和载波等方式已不能满足现代电网的需求。在当前的继电保护技术标准中，明确将光纤通信作为首选的通信方式[4]。

用光纤传输继电保护信号有两种方式：光纤直连和光纤复用。光纤直连就是将线路两端保护装置直接用光纤连接，这种方式简洁高效、稳定可靠，但是需要占用较多的纤芯资源，光缆故障时通道转移灵活性较差，需人工干预，不利于快速抢修[5]。

传统的光纤复用通道是将保护装置发出的光信号转换成2M电信号后复用到光传输设备，再通过光纤传输到对端。这种方式在电力系统中应用广泛，但是也存在如光电转换设备厂家众多、无统一标准、且一般都为单电源供电以及可靠性不高等弊端[6]。近年来，2M光接口技术日趋成熟，并在佛山供电局的保护通道改造项目中成功应用，很好地解决了传统光纤复用通道存在的问题，产生了良好的经济和社会效益。

1 线路保护光纤通道现状

1.1 光纤直连方式

光纤直连保护通道如图1所示，线路两端的保护装置通过联络光缆连接到通信光缆ODF处，再经过变电站之间的直连光缆和对端保护装置互联。

图1 光纤直连保护通道示意图

光纤直连是保护通道最常用的通信方式，早先的单通道保护装置基本上都采用这种结构。该方式连线简单、中间环节少、方便故障查找，但是通道路由固定，一旦光缆中断不能主动切换到备用通道，需人工调整到应急迂回路由[7]，抢修时间长。

1.2 光纤复用方式

由于光纤直连方式占用大量纤芯传输低速的继电保护信号，造成资源浪费。随着保护通道双重化的发展趋势，占用的纤芯资源会越来越多，因此光纤复用通道是解决纤芯资源不足的重要方式。

如图2所示，保护装置发出的光信号经光电转换设备MUX机后变成2M电信号，再复用进电力传输专网SDH中，对端再解复用出2M电信号，同样要经光电转换后送到保护装置。

图2 光纤复用保护通道示意图

这种方式使得光缆利用率大幅提升，一对纤芯能够传输多条线路保护通道，同时通道的灵活性很高，传输网有多条备用路由可选，通道故障时可自动切换到备用通道或经网管远程调整到其他通道。

但是，这种方式信号经过的中间节点较多，传输效率低，增加了通道的故障点，特别是光电转换设备厂家型号众多，无远程网管功能，且大多为单电源，存在一定安全隐患。

2 2M光接口技术原理

2.1 技术背景

2M光接口技术规范最早出现在IEEE制定的C37.94标准中，目的是规范保护设备和通信设备之间的光纤接口，使得不同厂商的继电保护设备和通信设备能够互联互通。在该标准中，2M光信号与E1电信号的帧结构相似，都是由256 bit组成一个包括帧头、开销数据和通道数据的基本帧，但用于传输信息净负荷的只有96 bit，通道带宽利用率仅为37.5%[8]。

南方电网公司在C37.94技术规范的基础上，集成其主要思想，联合主流通信和继电保护设备厂商推出了新的2M光接口企业标准，不仅满足继电保护装置和通信设备的直连互通要求，且进一步提高通道利用率。采用非成帧不归零码(NRZ)的2M光信号，所有32个时隙都能传输信号，且对继电保护设备侧的信号编码没有要求，兼容性更强，通过获取并添加同步时钟信号，可以实现由不同厂家的SDH网络直接透传[9]。

2.2 技术原理

如图3所示，2M光接口装置由2M光电转换模块、时钟提取及恢复模块、信号复用/映射模块及信号解复用/解映射模块组成。从保护装置发出的2 Mbit/s光信号首先来到2M光接口板的Rx接收端口，完成光电转换，此时的电信号还没有时钟信息，通过时钟恢复模块将定时时钟信号加入2M数据码流中，从而进行时钟再生、完成码流重定时，恢复正常2M信号时钟[10]，形成标准2 Mbit/sNRZ码流。信号复用/映射模块与传统SDH传输体制复用过程完全相同，完成2 Mbit/sNRZ-TU12-VC12-VC-4的映射[11]，至此2M光信号复用到SDH进行传输，解复用过程则相反。

图3 2M光接口装置原理框图

3 通道设计与应用

3.1 基于2M光接口的保护通道模型

如图4所示，2 Mbit/s光接口板和电接口板类似，一般占用两到三个槽位(不同厂家的板件规格不同)，安装在传输网设备的核心机框上，取代原有的 2 Mbit/s 电接口板。保护装置发出的2 Mbit/s 光信号，通过两根尾纤接至保护室光纤配线单元，经保护室和通信室联络光缆连接到传输设备上的 2M 光接口板的光纤接口，然后直接进行2M信号的光电转化，这样的通道模式较传统光纤复用模式省去了单独的光电转换装置，不仅能够节省机房屏位空间，简化继电保护信号的编解码环节，减少继电保护设备和通信设备间的连接线缆，而且解决光电转换设备不能远程网管监控的问题，不会因为中间线缆或光电转换装置发生故障而影响继电保护业务。

图4 2M光接口保护通道模型图

3.2 2M光接口技术应用实例

当前，佛山供电局正大力推进保护通道双通道改造，其中利用2M光接口技术的通道占到一半。典型的应用方案如图5所示，某条220 kV线路共有A、B两套保护装置，每套保护装置有2个通信通道，则该条220 kV线路共有4条保护通道。主一保护通道一为光纤直连通道，主一保护通道二和主二保护通道二都为基于2M光接口技术的光纤复用通道，主二通道一为传统的光纤复用通道。其中传输A网和传输B网是不用厂家设备独立组成，四条保护通道通过3个独立光缆路由传输[12]，确保保护通道能抗光缆N-2风险(即变电站出站光缆中的3条断了2条也能保障保护通道不中断)。

图5 典型220 kV线路保护通道方式

四条通道采用三种不用的通信方式，能够避免单一通信方式带来的设计缺陷，提高保护通道的稳定性和抗风险能力[13]，同时也能最大限度地节约通信光纤资源。

3.3 2M光接口信号测试方法

2M光信号的测试方法与2M电信号的测试方法类似，都要用到2M误码仪，不同的是2M光信号测试仪可以直接测试光信号[14]。测试方式主要有离线对测、离线环测和本地自测，测试内容包括光功率、灵敏度、传输时延和稳定性等参数[15]。

如图6所示，离线对侧就是在变电站A、B两侧通信设备2M光接口处各连接2M光误码测试仪，测试通道的传输性能。离线环测是其中一端在通信设备2M光接口处将收发端口连接，对端人员用2M光误码测试仪连接到相应的2M光接口，用于测试通道的通断、误码和时延等性能。本地测试主要测量设备的发光功率，用于判断设备收发光模块是否正常、收发光功率是否满足要求。

图6 2M光信号测试方式

3.4 2M光信号测试结果分析

采用离线测试模式对2M光接口进行误码测试，需要选择正确的信道编码，根据编码规则，1B4B和曼彻斯特编码最大连0或1为2，对应的检测门限应设为3，而CMI编码最大连0或1为3，其对应的检测门限应为4，并且选择内时钟为发送时钟。下面分析离线环测和离线对测两种方式的测试结果，连接方式如图6所示。

离线环测是远端设备自环，本端测试仪表检测正常，没有告警和误码，证明2M光信号通道正常。远端解开自环，本端仪表显示AIS告警和误码，说明两端接口对应正确。如仪表有LOP告警和误码，则发光频谱偏离正常范围。因为频谱出现异常偏离，导致光电转换输出的电平值只有0没有1，所以测试仪的伪随机码，不能同步信号时钟。若光功率低于最小灵敏度或高于过载点，则仪表显示误码，此时应通过加大光功率或增加衰减器将光功率调节至合理范围。若时钟恢复模块故障，信号速率异常，仪表报AIS告警。这是因为2M光接口从接受信号恢复出的时钟偏离标准的速率，2M信号无法映射/复用到VC12，本端SDH设备向下游SDH设备插入AIS告警，经环回后回到仪表。

离线对侧是两台仪表分别连接本端和远端，正常情况下两台仪表都没有告警和误码，若其中一台仪表插入LOS告警或者断开连接线，另一侧的仪表应有相应的AIS告警和误码，否则两端接口对应不正确。

3.5 应用成效

2M光接口技术在佛山供电局保护设备双通道改造项目中得到大力应用，主要取得如下成效。

(1) 提高光缆纤芯利用率，解决通信光缆纤芯资源不足的问题，助力佛山局推进保护通道双重化改造。以往继电保护通道大多采用光纤直连方式，占用大量纤芯资源，且业务单一，纤芯利用率不高，不利于后期通信网络建设。

(2) 解决MUX装置不能网管的问题。MUX装置作为一种第三方的光电转换装置，厂家型号较多，接口不统一，没有统一网管功能，往往是保护通道故障的多发点[16]。

(3) 解决保护通道路由较长、节点较多时通道时延过大问题[17]。减少信号的中间转换环节，提高了传输效率，信号时延更低，稳定性更高。

(4) 解决保护通道故障抢修时间过长的问题。采用光纤直连的保护通道，若光缆故障时，需要通信、继电保护设备检修人员去现场把保护通道转移到备用通道，耗时耗力。若采用2M光接口技术，当光缆故障时，只需通信网管人员在网管系统进行业务路由调整即可，大大缩短抢修时间。

(5) 解决通信机房空间不足的问题。现有通信机房特别是老旧机房，空间资源有限，若采用2M光接口技术可减少MUX设备屏柜，为后期通信网的建设预留空间。

综上所述，2M光接口技术解决了传统光纤复用保护通道存在的一系列弊端，是保护通道通信方式的一次技术革命。

4 结束语

本文针对传统光纤复用保护通道存在的一些不足，设计了基于2M光接口技术的保护通道应用新方式，给出了2M光信号的测试方法，并将该技术在实际运用中带来的效果进行了验证。目前广东电网220 kV线路保护通道双重化率约为53%，根据南方电网提出的保护通道“永不中断”计划，保护通道双重化改造势在必行，应用2M光接口技术将能够节省投资，提高光纤利用率，减少施工环节，降低改造难度。