基于2M光接口技术的继电保护装置与通信设备直连研究与测试

安凯月，陈 思，李鹏程，张 跃，陈 颖

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司 信息通信分公司，内蒙古 呼和浩特 010020；2.内蒙古电力（集团）有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

作为电网的重要组成部分，继电保护装置对电网安全稳定运行起到至关重要的作用[1]。为保障其运行可靠稳定、动作灵敏准确，在相关继电保护国家和行业标准中，明确将光纤作为承载继电保护信息的优先方式[2-4]。

光纤承载方式通常包括光纤专用通道和2M复用通道。其中2M复用通道是将保护信号通过电力通信网进行传输，具有传输距离长、纤芯资源使用少、业务自愈能力强等特点，已经成为承载继电保护业务的主要方式[5]。继电保护2M复用光纤通道连接方式如图1所示。

图1 继电保护2M复用光纤通道框图

在2M复用方式下，通过光电转换装置连接继电保护装置与通信设备，保护信号需要经过2M电缆，没有实现光纤的全过程传输。近几年的电网运行情况表明，光电转换装置是2M复用保护通道的薄弱环节。针对此问题，南方电网、国家电网相继开展通过2M光接口技术取代光电转换器的研究及测试[6-10]。考虑到继电保护通道的极端重要性，内蒙古电网在具备A/B双接口的保护装置上开展基于2M光接口技术的直连研究与测试工作。

本文分析了内蒙古电网继电保护通道的2M复用保护趋势和2M复用保护方式下使用光电转换器存在的问题，在实际线路中搭建了基于2M光接口技术的继电保护装置与通信设备直连测试系统，测试并验证了该项技术的可行性，为下一步在内蒙古电网推广应用该技术提供依据。

1 现状及存在问题

1.1 保护通道现状

近年来，各省网公司正大力推进继电保护通道光纤化工作，通道光纤化率逐年提高。以内蒙古电网为例，目前500 kV线路保护通道的光纤化率为100%，220 kV线路保护通道的光纤化率为99%。上述光纤通道中，500 kV、220 kV系统复用通道占比分别为87%、47%，电压等级越高，复用通道应用率越高。

目前，内蒙古电网在运光电转换装置共计1 916套，未来几年随着线路保护双通道技术的全面推广，使用量还将大幅增长。继电保护双复用光纤通道如图2所示。

图2 继电保护双复用光纤通道框图

1.2 存在问题

近些年的运行情况表明，光电转换装置是整个复用通道的薄弱环节，运行中主要存在如下问题[11,12]。

（1）接地可靠性问题。一般情况下，光电转换装置布置在通信机房，通过2M同轴电缆接入通信数字配线架（Digital Distribution Frame，DDF），如果光电转换装置距离DDF架较远或地网设置不合理，流过通信机房的大地工频电流可能阻断2M同轴电缆通道，造成保护拒动。

（2）供电可靠性问题。光电转换装置通常以单电源方式供电，而单路电源失效则会造成保护通道中断。另外，对于220 kV及以上双重化的系统，两套光电转换装置应来自不同的直流系统，且与所接保护装置一一对应，然而在设计和实施环节很容易忽视，且此类隐患很难暴露。

（3）故障率高问题。光电转换装置增加了保护业务的中间传输环节，故障率高。另外，使用的2M接头需要人工焊接，工艺得不到保障，影响运行的稳定性。

（4）监控盲区和故障处理困难。目前技术无法对光电转换装置进行远程监控，属于监控盲区，出现问题时需要人工现场排查定位。另外，故障处理涉及保护、通信两个专业，由不同的运维队伍负责，影响故障处理速度。

（5）空间资源占用问题。光电转换装置至少占用两面通信机柜，进一步加剧了机房空间资源紧张问题。

因此，如果能将2M光接口技术应用于继电保护通道中，则可有效改善采用传统光电转换装置带来的弊端。

2 2M光接口技术

IEEE C37.94最早提出2M光接口技术标准，可用于继电保护的光纤专用方式，但应用于同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）设备中则成帧机构复杂且利用率低[13]。与传输的2M光接口技术标准不同，本次采用的2M光接口标准采用非成帧不归零码（Non Return Zero，NRZ），非成帧方式对保护装置发送的信号无编码要求，通过添加时钟信号进行同步，保护信号可以在SDH系统中透明传输，既可以满足通信设备和保护装置的互联互通，又可以提高数据的处理效率，降低时延。为了提高数据的时钟提取准确度，2M光接口信号中“0”和“1”不能连续超过4个[14]。

2M光接口装置的原理如图3所示。此项技术避开了光电转换装置，利用光纤具备的高抗干扰特性从根本上解决了上述问题。

图3 2 M/s光接口装置原理框图

3 测试平台搭建

为验证2M光接口承载保护业务的可靠性，结合线路停电或保护退出，实地选取乌兰察布地区烽火传输设备承载的220 kV汗团I线PSL-603UA-G、巴彦淖尔地区中兴传输设备承载的220 kV天安线CSC-103A-G保护进行现场测试。下面以220 kV汗团I线PSL-603UA-G保护测试为例说明。

本次采用烽火780B设备（配置2M光接口板）搭建测试平台，在汗海至团结建立10G“1+1”主备用光路，为直达路由，距离为76.8 km，连接至保护装置A口；利用汗海-前进-杭宁达莱-玉岭-庆云-团结建立10G“1+0”，为迂回路由，距离为233.5 km，连接至保护装置B口，如图4所示。

图4 测试平台连接示意图

保护装置方面，选用具备双接口功能的“九统一”保护装置。本次测试选用的国电南自装置不支持光接口直连方式测试，厂家技术人员提前对保护装置光口配置文件进行升级，通过修改底层光口速率配置文件，将传输速率修改为2.028 Mb/s后进行试验。

4 测试内容及结果

测试过程中，利用SDH分析仪、继电保护测试仪等工具从光接口性能、互通性、通信网管的告警监测、传输设备切换以及通道切换5个方面展开测试。

4.1 光接口性能测试

对烽火780B设备进行光接口性能测试。测试结果表明：2M光接口的比特率、工作波长、发送功率、最差灵敏度等物理指标均优于标称值，满足通信设备和保护装置互通要求。

4.2 互通性测试

现场将通信2M光接口与保护装置直连进行互通性测试，测试结果如表1所示。测试结果表明：保护通道正常，可以建立正常通信，保护装置纵联通道延时稳定，线路区内故障时继电保护装置能够正确动作。

表1 互通性测试结果

4.3 通信网管的告警监测测试

对烽火780B设备进行网管监测功能测试。测试结果表明：保护装置故障、保护装置与传输设备互联故障和传输通道故障时都能够产生LOS或AIS等正确告警信号，通道恢复后，保护装置复归。通过网管对2M光接口板查询或配置时，通信正常，响应正确。

4.4 传输设备切换测试

对烽火780B设备进行传输设备切换测试。测试结果表明：2M光接口盘与2M电口盘可以使用同一块冗余板卡，实现2M盘1∶N保护；冗余配置的主用主控盘、交叉盘、光口盘、2M盘故障或热插拔，出现不同程度的丢帧或误码情况，但保护装置均保持正常通信状态。

4.5 通道切换测试

本项测试包含复用段保护（Multiplex Section Protection，MSP）切换、子网连接保护（SubNetwork Connection Protection，SNCP）切换、双通道切换3项测试，验证在不同切换机制下保护装置的运行状态。

对烽火780B设备进行MSP切换测试，双光路采用76.8 km直连方式。测试结果表明：保护装置的通道告警、通道延时在切换前后均保持不变，切换过程中未出现丢帧、误码等情况，光路MSP切换不影响保护装置运行状态。

对烽火780B设备进行SNCP切换测试，保护通道由从76.8 km直连路由切换为233.5 km迂回路由方式。测试结果表明：切换前后保护装置出线通道失步、通道异常、通道中断闪告，未出现丢帧、误码等情况，通道时延增加0.5 ms左右（由966 μs增加到1 466 μs），通道SNCP双向切换后，保护装置正常通信。

对保护装置的双通道切换测试。测试结果表明：主用通道（A口通道）故障后，保护装置自动切换到备用通道（B口通道）运行，双通道正常切换，保护装置动作正常，未出现保护装置通信中断。

5 结 论

现场测试结果显示2M光接口技术应用性能稳定、通道切换正常，满足继电保护装置对通道的各项要求，验证了2M光接口技术在继电保护通道中应用的可行性及合理性，为下一步2M光接口技术在内蒙古电网内推广应用提供依据。

该技术的应用可实现继电保护装置与光端机设备直接连接，省去光电转换设备，减少通道传输节点，避免光电转换装置由于失电、故障等原因造成保护通道中断风险，实现继电保护通道路由全程网管监控，提升业务稳定运行水平。同时，减少光电转换装置使用，可释放更多屏位及电源资源，为通信设备等各类设备增设、扩容创造有利条件，为电网带来诸多益处。不足之处是2M光接口板卡占用传输设备槽位，槽位紧张的地方无法应用。应进一步强化不同传输设备、保护装置之间的测试工作以及2M光接口单侧应用的测试工作，改进测试手段。