继电保护与通信设备光口直连技术的研发和应用

李敏，年安君，王洁，徐晓明

（国网安徽电力有限公司蚌埠供电公司，安徽蚌埠 233000）

随着科技的发展，我国通信领域的发展突飞猛进。针对继电保护过程来说，有效的通信能够提高继电保护的效率。在继电保护过程中，光纤通信设备的通道有两种类型，一种是专用通道，另一种是复用通道。二者的区别在于连接通信设备后完成数据传输距离的长短，通常情况下，专用通道的通信设备有效传输距离较短，复用通道的通信设备的传输距离较长[1-2]。

通信设备的光口是用于连接光纤线缆的物理接口，处于常更新状态。继电保护与通信设备光口直连技术取消了传统的光电转换设备和同轴电缆，大幅简化了本地接入连接方式，其优势明显：一是取消了信息传输中间环节，提升抗电磁干扰能力，提高了电力保护系统的运行可靠性；二是取消了光电转换设备，消除中间设备无网管的管理盲区，运维检修更加便捷高效；三是减少了通信设备数量，降低功耗和通信电源负载，节省机房空间，有利于工程建设和电力运维检修工作的降本增效。在通信设备的光口处应用直连技术，使通信设备的传输效率得到提高，进一步提高电力设备的继电保护效果。

为此，提出基于继电保护与通信设备光口的直连技术，并完成相应的实例应用分析，验证该技术的可行性。

1 光信号编码

继电保护的意义是在电力系统或者通信设备出现异常时，通过一定的功能触发，使系统或者设备维持稳定运行。如果出现故障，就使电力系统和通信设备线路中的故障进行隔离和清除，最大程度地保证电力系统和设备的安全性，避免故障的持续发展[3]。

通信设备光口信号编码的目的是为光口信息的安全检验提供便利。如果光口传播的数据出现问题，可以快速查询到信息的发送地址，从而开展后期安全处理。设备光信号编码的规范是要求信号编码处理后，设备直连光口的传输速率不可低于2 048 kbit/s，速度误差不可以超过50 kbit/s，并且编码的格式必须符合光信号的发生要求（编码的每一位都是0 或者1）[4-5]。需要特别注意的是，一旦电力设备光口的信号编码出现3 个或者3 个以上的长连“0”和长连“1”时，光口传递的信号才具有意义。

2 继电保护与通信设备帧结构

继电保护与通信设备的帧结构是一个特殊结构的矩形帧，以字节作为基本单位完成传输，每段数据帧的传播速度都可以达到8 000 帧每秒。设备光口的数据帧每列最多可以达到上千字节，主要由区域开销数据帧和管理单元指针数据帧组成。

区域开销指的是光口所连接通信设备的网络开销、维护，此段的数据帧可以监测设备光口的性能，一旦性能出现偏差，数据帧的字节数量就会发生改变[6-7]。

管理单元指针数据帧的作用是为通信设备光口直连技术提供净负荷数据帧的第一个字节位置。继电保护与通信设备帧结构要经过光信号的映射、位置定位校准以及复用3 个操作流程，才能形成一个数据帧结构，并且一个通信设备光口的数据帧结构是唯一的。如果出现多个数据帧结构，光纤通信设备光口将失效[8]。数据帧形成的具体流程如图1 所示。

图1 数据帧形成流程

1）设备光口节点的映射处理。在提取出需要直连处理的多个继电保护与通信设备内的节点后，按照字节的有效光信号编码顺序，通过错位交换完成多个通信设备光口节点的映射处理。

2）位置定位校准处理。读取少量通信设备中的数据流，并用指针指示的第一个字节在再生段网络开销或管理单元指针段中的起始位置。

3）复用操作是一种将多个低速率的支路信号适配成高速率等级的支路信号的过程。将通信设备光口的信号传输路径的低速率路径进行适配，每次适配都会将信号的传输速率提高一定的数值，重复操作直到设备帧结构的传播速率达到要求即可[9-12]。

3 继电保护与通信设备直连技术

继电保护与通信设备直连技术不仅可以保证连接通信设备光口的异常处理，而且还可以控制通信设备光口的性能参数[13-14]。

经过以上对继电保护与通信设备的速率和光信号编码分析可知，继电保护与通信设备直连的技术原理是由基尔霍夫的设备通信电流定理支撑的，将需要直连的通信设备光口看作一个节点，然后提取出需要直连的各个节点的时钟信息。如果两个通信设备的光口时钟信息不具备相似的特征，则在每个通信设备直连接口处安装一个模块作为公共连接点，即可完成继电保护与通信设备直连。

时钟信息使得被连接的通信设备的信号传输具有同步性[15]，具体不同节点的相似时钟特征提取公式如下：

其中，IN表示一个节点的门槛值；m表示节点数量；μ表示通信设备光口节点的波长；f表示节点更新的频率；IM表示另一个节点的门槛值[16]。

通信设备的光口与通信设备内部的各个零件和技术都是不相同的，在将需要连接的通信设备光口初步直连成功后，将以上分析的继电保护技术、通信设备光信号编码以及设备速率技术融入到通信设备直连的两个光口上。

在设计全部通信设备直连的架构后，利用其中的一个通信设备对信号进行分析处理，然后以同样的方式发送相应的信号至另一个通信设备内，从而实现两个或者多个通信设备之间的通信。通信数据传输通道如图2 所示。

图2 通信数据传输通道

由于继电保护与通信设备光口直连技术是将两个或者多个通信设备进行直连，所以要保证每个通信设备输出参数的实时性。为达到此目的，该研究在通信设备需要直连的设备光口上进行时延处理，从而完成继电保护与通信设备光口直连技术的集成。光口的时延主要受到通信媒介的影响、通信设备相互排异的影响以及网络因素的影响。受到通信媒介的影响时，光口的传播时延可以表示为如下形式：

其中，c=3×105km/s，其表示信号在空气中的传播速度，n表示信号的受阻率，根据该文通信设备研究的类型，n的代表值为1.48。

被直连的通信设备在运行过程中由于自身传输方式不同，光口在直连后就会出现排异反应，降低实时的光口性能参数值。由于难以将不同通信设备的网络模式进行统一，所以不同的网络模式会导致直连的通信设备接收和发送行为的频道不同，从而形成光口性能的时延。

对于上述3 种类型的设备光口时延的影响力，通过公式对直连通信设备的光口进行时延校验，将直连光口的时延误差降到最低，保证通信设备光口的性能。校验公式如下：

其中，TPCM表示通信设备的解复用；TSDH表示通信设备直连光口的排异时延；I表示通信设备需要直连成的个数；N表示需要直连通信设备的个数；TI表示被直连通信设备中间节点的传播时延；To表示传播信号在光纤中的传输时延。其余变量意义同上。

如果相连的通信设备处于正常的工作状态，设备连接光口的差动电流始终为零；一旦相连的通信设备的工作状态出现异常或者故障，设备光口直连设备的运行电流值会出现波动，使得通信设备线路内的电流差动值不等于零，如果电流波动差值大于规定的界限，继电保护模块会立即切断异常区域的通信设备光口连接，检验并切除故障，实现继电保护处理。

4 实例分析

为验证上述继电保护与通信设备光口直连技术的有效性，设计如下实验。

按照我国通信设备光口的规范和研发要求，通过实例分析检验继电保护与通信设备光口直连技术的应用效果。实例测试的样本采用某家通信设备生产厂家，要求生产厂家按照该文的研究流程制作继电保护与通信设备光口直连的设备光口，以该样本作为待测样本。另外，分别随机采取2 Mbit/s 的通信设备光口和普通通信设备光口，作为对比测试的样本，共同完成实例的分析。

实例分析的测试原理是通过对比不同级别的通信设备光口进行参数测试，检验继电保护与通信设备光口直连技术的设备光口性能。为了使测试结论更具有说服力，通信设备光口性能影响因素采用光口互通性、稳定性、网管监测性以及光口的参数作为测试因素。设备参数如表1 所示。

表1 设备参数

通信设备光接口的参数是指通信设备执行命令发送或者接收数据、文件时的传输速率、发送功率、过载量、数据带宽等物理参数，通过这些参数可以直观地认定通信设备接口的性能。

通信设备光口的监测性是指在保证数据保密的基础上对于通信设备接口所传输数据的规范性进行监测。光口的互通性指的是光口的连接性，通过测试被连接的两个或者多个通信设备的数据接收情况即可测试。接口的稳定性实质是通信设备光口工作的误码率，误码率越高，光口的稳定性越差。按照该文继电保护与通信设备光口直连技术生产的通信设备光口一共需要5个，以防止因意外的发生影响测试进度。各种测试器件准备完成后，通过专业仪器对3 种通信设备光口的各个性能影响因素进行测试，最终的测试结果如表2 所示。

表2 实验测试结果

根据以上测试数据可知，该文研究的继电保护与通信设备光口直连技术所依附的设备光口性能比传统的光口性能要高，证明了该文技术的应用效果。另外，通过以上测试参数可以直观地看出，通信设备光口直连技术可以准确地传输信号，并且保护装置可以准确反映出信号的命令，通信设备接口不会对传输的数据进行更改，也不会产生乱码影响通信设备的工作，完全可替代目前保护装置与通信设备之间通过转换装置连接的方式。

5 结束语

该研究首先分析通信设备光口的发展状况并根据实时技术分析设备光口直连技术的应用背景，然后进一步分析继电保护与通信设备光口的光信号编码、通信设备接口速率，最终集成继电保护技术和通信设备光口的参数设计，完成对继电保护与通信设备直连技术的研究。经过实例分析，验证了设计的继电保护与通信设备光口直连技术具有较好的通信效果，可以投入使用。以上述研究内容作为论述基础，可以进一步分析通信设备的接口直连技术，使通信设备具有功能化特点。