2M光接口及其在電力通信線路保護業務中的應用研究

姜紹艷

（廣東中山供電局）

1 概述

電力系統線路繼電保護是指高壓輸電線路繼電保護裝置間傳遞的遠方數字信號，要求極高的可靠性、安全性和較短的傳輸時延，是電力系統安全、穩定運行的可靠保證。電力系統由于受自然的、人為的因素影響，不可避免地會發生各種形式的短路故障和出現異常狀態，這些狀況都可能在電力系統中引起事故。繼電保護的任務就是當電力系統出現故障時，給控制設備（如輸電線路、發電機、變壓器等）的斷路器發出跳閘信號，將發生故障的主設備從系統中切除，保證無故障部分繼續運行。在電力系統中，線路繼電保護應用在輸電線路上，包括500kV、220kV和部分110kV線路。

2 中山電網電力通信線路保護業務現狀及存在問題

2.1 業務現狀

對通信通道的需求，線路保護優先選擇光纖通道作為主通道，采用專用光纖或E1通道，可盡量減少保護通道中的轉換設備。獨立通道如果全部采用傳輸網，則分別承載在傳輸A網和傳輸B網上。

中山電網應用的線路保護通信通道主要有光纖、E1、載波三種，如圖1所示。其中：

(1) 光纖電流差動保護采用光纖通道（專用或復用）；

(2) 高頻距離保護采用光纖通道（專用或復用）或載波通道；

(3) 高頻方向保護采用光纖通道（專用或復用）或載波通道。

圖1 線路保護通信通道類型

專用通道方式是指線路兩側保護裝置之間直接通過導引線或光纖傳輸保護信息。一個通道獨占2根導引線或纖芯，由保護裝置把保護信息編碼后傳送到對端，中間不經過任何數字復接設備。復用通道方式是指線路兩側保護裝置通過電力通信網傳輸保護信息。

目前，中山電力通信網承載著中山電網71條輸電線路的繼電保護業務，其中 500kV的輸電線路 8條；220kV的輸電線路57條；110kV的輸電線路6條。且每條500kV線路配置兩套主保護和兩套過電壓遠跳輔助保護；每條220kV線路配置兩套主保護；每條110kV線路配置一套主保護。應用的保護主要有微機高頻方向保護、微機高頻距離保護、光纖電流差動保護等。

2.2 存在問題

2.2.1 通信網絡架構的問題

目前，中山電網運行的光纖通信網主要基于SDH/MSTP技術體制，網絡結構以環網為主、鏈型為輔，正常情況下滿足“N-1”通信通道保障。基于SDH/MSTP技術體制的傳輸網絡缺乏智能化，網絡拓撲、業務路由和業務帶寬都是預先設置并固定的，缺乏靈活性。在線路、設備檢修期間，難以滿足網絡“N-1”通道保護功能，導致線路保護業務存在可靠性風險。

2.2.2 專用光纖通道的問題

目前，中山電網運行的線路專用光纖通道均按照主備用配置，所以每條線路的每條專用光纖通道獨占4根纖芯，消耗大量的纖芯資源，因此對光纖網絡的覆蓋范圍、冗余度都有很高的要求。由于光纖網存在一些瓶頸，對于配置了兩套專用纖芯保護的線路，經常出現難以安排不同物理路由的通道的情況。

2.2.3 復用2M通道的問題

目前在中山電力通信網傳輸繼電保護信息的實際應用中，復用通道采用E1線路保護方式，通道由同步數字系列（SDH）光傳輸網提供。復用通道方式下保護裝置與通信SDH設備之間連接如圖2所示。

圖2 保護裝置與通信傳輸設備連接示意圖

由圖2可知，因為保護裝置和通信設備之間沒有統一的光接口直接連接，在保護裝置與通信設備間還需光電轉換設備（如MUX2M等）來實現接口匹配，即通過光電轉換設備將保護裝置產生的光信號轉換成2Mbit/s電信號，再通過同軸電纜連接通信SDH設備的2Mbit/s電接口，從而將2Mbit/s信號傳送給通信SDH設備，然后通過通信SDH光傳輸網將保護信號傳輸至對端保護裝置。這種方式的應用存在如下問題：

(1) 設備連接復雜，光電轉換設備不能網管監控，故障率高。從繼電保護裝置端到端通信連接來看，信號中間轉換過程十分復雜，大量的光電轉換、跳線、跳纖使得工程實施復雜，可維護性差。此外，目前一套接口裝置只能對應一條線路保護通道，如果通道數量多必須配置多套接口，投資增加且占用機房屏位。

(2) 不同廠家的遠方保護設備和數字復用設備無法互連。在用光纖傳輸繼電保護信息時，遠方保護設備和數字復用設備之間的光纖接口通信規范往往由各個繼電保護設備廠家制定，并且僅僅使用在本廠的設備上。因此在一個線路縱差保護系統中，必須使用同一廠家的遠方保護設備和數字復用設備。隨著通信系統日益標準化，這一現象阻礙了光纖通信系統在繼電保護信息傳輸中的應用。

(3) 現場調試及故障定位困難。互聯后，如保護裝置出現誤碼或通道異常告警后，由于復用通道經過各級通信設備，很難區分到底是哪個環節出現問題（共有8個環節可能出現問題），只能通過分段自環的方式檢查，且必須變電站兩側均派人檢查，檢查工作會同時涉及通信專業和保護專業，尤其在線路兩側分屬不同部門時，需要各單位各專業密切配合才能檢查出問題。有時各段自環沒有問題，但是互聯后就有問題，此時就更難檢查問題出在哪里，導致人力物力的浪費。

3 2M光接口

隨著計算機技術、通信技術、信息技術的飛速發展，許多新技術在電網二次設備中得到了應用和嘗試。近年來，尤其是61850標準逐步推廣，中山電網三鄉數字化變電站改造成功，各類控制系統在廠站端趨向融合。針對中山市電力通信線路保護業務存在的問題，線路保護業務的發展在現有通信要求上，提出了接口光纖化的新要求。如繼電保護與自動化在站端使用同一網絡，信息共享等業務發展也對通信提出接口光纖化的要求。2M光接口的應用可以很好地解決了2.2節所述的問題。

3.1 2M光接口應用研究

在中山，電網光纖差動保護應用越來越廣泛，500kV、220kV線路都作為主要繼電保護方式。GB 14285《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中明確規定：“具有光纖通信的輸電線路應優先采用光纖作為傳送繼電保護信息的通道”。傳輸繼電保護信息的通信通道既可以是專用通道，也可以是復用通道。

利用2Mbit/s光接口，變電站之間保護裝置通過電力通信網的通信通道組織如圖3所示。

圖3 變電站之間保護裝置通信連接示意圖

2Mbit/s光信號在A、B站保護裝置之間的收發過程如圖4所示。首先，A站保護裝置對保護信號進行編碼并將其轉換為標稱速率為2048 kb/s的光信號，通過光纖傳輸到 A站通信傳輸設備的 2Mbit/s光接口，經過光電轉換處理后對2Mbit/s電信號進行時鐘信息提取，所得的時鐘信息用來保證A站和B站通信傳輸設備信號傳輸的同步性；兩站同步后，A站通信設備對2Mbit/s電信號進行復用，形成STM-N電信號，然后經過光電轉換變成STM-N光信號，通過通信通道傳輸至B站，再通過光電轉換、解復用、解碼等步驟，最終B站保護裝置接收到A站保護裝置發送的保護信號；B站對信號分析處理后，以同樣的方式發送相應的信號至A站，從而達到A、B站保護裝置相互通信的目的。

圖4 2Mbit/s光信號收發過程示意圖

3.2 2M光接口業務模型

中山電網運行的500kV線路保護有主1保護、主2保護、輔A、B保護，均為雙通道配置。通信通道有三種組合方式：全部采用復用光纖2M方式，共6個 2Mb/s；采用專用光纖+復用光纖 2M 方式，共 3對纖芯、3個2Mb/s；采用復用載波+復用光纖2M方式，共3對復用載波機、3個2Mb/s。

如果將復用光纖2M方式改造成2M光接口，復用載波改造成專用光纖或者2M光接口方式，中山電網 500kV線路保護業務通信通道典型配置模型如圖5(a)、(b)所示。主要有以下兩種組合：① 全部采用復用光纖2M方式，共6個2Mb/s；② 采用專用光纖+復用光纖2M方式，共3對纖芯、3個2Mb/s。

圖5 500kV線路保護通信通道典型配置模型

中山電網運行的220kV線路保護有主1保護、主2保護，分別配置獨立的通道。通信通道有兩種組合方式：① 采用專用光纖+復用光纖2M方式，共1對纖芯，1個2Mb/s；② 全部采用專用光纖方式，共2對纖芯。如果將復用光纖2M方式改造成2M光接口，或考慮纖芯資源緊張的情況，中山電網220kV線路保護業務通信通道典型配置模型如圖6所示，有(a)、(b)、(c)三種組合。

圖6 220kV線路保護通信通道典型配置模型

在纖芯資源緊張的情況下，500kV、220kV、110kV線路保護業務均可采用2M光接口的方式。500kV共6個2Mb/s；220kV共2個2Mb/s；110kV共1個2Mb/s。

上述500kV、220kV線路保護通信通道典型配置模型中，500kV線路每套主保護采用兩組完全獨立的通道，不會因一條通信線路或一臺通信設備故障，使線路同時失去一套或兩套主保護；500kV每套過電壓遠跳輔助保護的信號傳輸通道按雙重化原則配置，遠跳裝置的信號傳輸采用兩組完全獨立的通道；220kV線路兩套主保護分別采用不同物理路由的通道，各自相互獨立，不會因一條通信線路或一臺通信設備出現故障，使線路同時失去兩套主保護。

4 結束語

隨著統一的2M光接口的應用，線路保護與其他控制系統在廠站端更加趨向融合。保護裝置與通信設備之間通過2M光接口直接連接，使線路保護業務設備之間互連更加簡化，現場安裝調試、日常運行維護更加容易，并且可用于指導通信網規劃和線路保護業務接入通信網絡的實施。因此，2M光接口在變電站生產業務接入中具有很好的發展前景。

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