線路光纖保護裝置通道告警及解決對策研究

李春波,牛志民,王啟航,尹 宏,劉守瑞

(國網保定供電公司,河北 保定 071000)

0 引言

隨著通信技術的飛速發展,光纖通信已經在社會各領域得到廣泛應用[1]。光纖通道因其在傳輸容量和可靠性等方面性能優良被廣泛應用于電力系統繼電保護信號傳輸,是目前光纖繼電保護系統中的重要信號傳輸手段[23],實現了由模擬量保護信號向數字量的轉換,提升了信號傳輸的可靠性[4-6]。

針對光纖繼電保護存在的問題,部分學者進行了相關研究并取得了一定的研究成果。文獻[7]針對光纖縱聯保護電路在實際運用過程中出現的一起500 k V 線路保護光纖通道異常情況進行分析,提出了相應的通道異常處理方法。文獻[8]針對縱聯保護系統中光纖通道的通道延時和誤碼率帶來的相關問題進行了分析,結果表明以上2種情況可能會使縱聯差動保護延時動作,嚴重時會導致保護誤動,但是以上2種情況的出現不會影響縱聯距離保護的動作。文獻[9]從光纖通道故障篩查所用的工器具、通道故障處理的環境是否允許和光纖通道故障定位及處理方法等方面對光纖通道發生故障后的應對措施進行分析,并結合實際案例對防范手段進行了總結。文獻[10]針對光纖保護系統中的重復性光纖通道告警問題,結合實際繼電保護場景中信息處理手段和分層方式,設計了一種能夠在線監測光纖通道是否出現故障的設備,并可實現故障斷定位。

1 光纖保護系統及光纖通道傳送保護信號的方式

光纖保護系統指的是利用光纖作為信號傳輸介質的繼電保護系統。在繼電保護中利用光纖進行信號傳輸能夠防止電磁干擾對保護信號的影響,且在一定程度上提升信號傳輸的可靠性和穩定性[11]。光纖保護系統主要包括以下幾個部分。

1)繼電保護裝置。與傳統的繼電保護裝置相同,其作用是當電力系統中某個元件不正常運行或發生故障后,能夠自動發出報警信號或切斷故障元件,保證電網的安全穩定運行。

2)通信設備。其作用是發出和接收信號,實現雙向通信,主要包括數字配線架、光纖配線架和同步數字體系3種。

3)光纖。其作用是用作多個通信設備之間信號傳輸的介質,傳輸容量大、穩定性高。

4)保護與通信接口設備。其作用是實現保護裝置與通信設備之間的連接和信號傳輸。

光纖保護系統按照光纖通道的類型可以分為專用光纖通道和復用光纖通道2種,它們的基本結構如圖1所示。

圖1 光纖保護系統的基本結構

專用光纖通道保護系統指的是繼電保護裝置發出的信號經過接口設備直接通過光纖配線架在光纖上進行傳輸,中間不需要經過其他通信設備。專用光纖通道具有設備少、中間環節少、經濟性好且運維方便等優點,但是由于繼電保護裝置發出信號的功率有限,因此無法適用于通信距離較長的情況,同時也無法實現遠方監控。此外專用光纖通道電纜芯的利用率較低,存在資源浪費情況。

復用光纖通道保護系統指的是繼電保護裝置發出的信號首先通過保護與通信接口設備發送到通信設備上,然后通信設備再將該信號通過數字配線架或同步數字體系在光纖上向對側進行傳輸。復用光纖通道可以在一定程度上增強保護信號的功率,且不會單獨占用光纖芯,一般適用于距離較遠的情況。同時,由于復用光纖通道相對于專用光纖通道增加了中間設備,其出現故障的概率也相對較大,難以快速實現故障點的查找和定位。

2 光纖電流縱聯差動保護延時問題分析

2.1 光纖電流縱聯差動保護

光纖電流縱聯差動保護與傳統的縱聯差動保護原理相同,都是通過對同一時刻本側電流與對側電流進行差值計算,并與設定的動作門檻值進行比對來判定是否動作,其基本結構見圖2。

圖2 光纖電流縱聯差動保護的基本結構

如圖2所示,光纖電流縱聯差動保護是通過光纖通道對電流數據進行傳輸。對于傳統的縱聯差動保護而言兩側數據的同步問題是難點,通常會依據GPS或參考相量解決該問題,但也會存在一定的誤差。

在光纖通道保護系統中常用的信息傳輸網絡是同步數字體系(Synchronous Digital Hierarchy,SDH),其可以將復接、線路傳輸和信號交換等多種功能進行融合,形成整體并由統一的網管系統進行操作,可實現準確的兩端數據同步,正常情況下不存在數據不同步的問題。

2.2 光纖傳輸系統延時

光纖傳輸系統中產生延時的主要情況包括以下3種。

1)傳輸通道延時。通過光纖進行傳輸的信號是光信號,其實質上是電磁波的一種。電磁波的傳輸速度受介質的影響,介質的折射率越大,電磁波的傳播速度越小,光信號在光纖中的傳播速度約為2×108m/s,因此信號在光纖通道中進行傳輸會產生相應的延時。

2)脈沖編碼調制系統(PCM)復用終端設備產生的延時。PCM 設備的模塊主要分為四部分:接入與復用模塊,即將低速業務的模擬信號轉換成數字信號,并裝入1個64 kb/s時隙,然后將32個64 kb/s時隙復用成1路2 Mb/s信號延伸到對端;時隙交叉模塊,即A設備的第1時隙與B設備第2時隙互通,進而實現多方向組網并節省大量設備資源;2 M 線路保護模塊,可分為1+1保護和n∶m保護,其中1+1保護為無損傷保護,n∶m 保護為有損傷保護,可多路保護1路重要的2 M 線路;接口測試模塊,即支持電話、音頻/EM、RS232/422/485、以太網等接口的性能測試。這些模塊的運作會帶來相應的延時,一般時長約為500μs。

3)傳輸設備的延時。在光纖通信系統中采用的光纖配線架、數字配線架或同步數字體系設備在進行數據傳輸的過程中需要完成映射、定位等一系列操作,并進行指針調節和接口處理,會產生一定的延時。

2.3 光纖通道延時對縱聯差動保護影響

下面以長園深瑞繼保自動化有限公司PRS753S光纖電流縱聯差動保護裝置為例,在不同信號接收和發送通道的情況下,對不平衡電流及通道延時進行實驗測試,測試結果見表1。

表1 不同信號接收和發送通道產生的影響

由表1的測試結果可以看出,當繼電保護裝置信號接收和信號發送采用的通道不一致時,保護裝置的不平衡電流會增大。此外,可以看出不論是信號接收還是信號發送,在使用短通道的情況下都可以降低通道延時。

分別針對信號接收和發送通道相同和不同的情況,對繼電保護裝置產生的影響進行分析。信號的傳輸過程分別見圖3、圖4。

圖4 信號接收和發送通道不同時的傳輸過程

圖3中,信號由P側發出并經過時間t a后到達Q側進行接收,然后信號由Q側發出并經過時間t b后達到P側進行接收。信號接收和發送通道相同時有t a=t b。此時的通道延時如式(1)所示。

只有當實現線路兩端電流量時鐘完全同步時才可以對縱聯差動保護中的差動電流和制動電流進行精確計算,也就是需要將圖3中的數據幀t′q6與數據幀t p7、t p8在時鐘上進行精確對準。時鐘對準過程一般可通過將接收到的電流量信號進行特定角度的旋轉來實現,該角度的大小對應于t′q6與數據幀t p7、t p8之間的時間差值。時間差值為xms時需要旋轉的角度大小可通過式(2)進行計算。

圖4中,線路兩側縱聯差動保護裝置的信號接收和發送路由器不一致,導致線路兩側的通道延時會產生一定的誤差,造成數據不同步,同步時間偏差如式(3)所示。

對于線路P側而言是長通道接收,短通道發送,P側接收到t′q6的數據對應于數據幀t p7和t p8之間的時間差值較大,因此需要進行旋轉的角度也較大。這種情況下就會產生較大的不平衡電流。

3 實際案例分析

3.1 案例1

3.1.1 問題分析

2022年1月13日,某220 k V 變電站某條220 k V線路配置的光纖電流縱聯差動保護裝置在運行過程中出現光纖通道告警情況。該保護裝置為長園深瑞繼保自動化有限公司生產的PRS753S型光纖電流縱聯差動保護裝置,根據現場現象及裝置記錄進行現場排查,最終判斷裝置光纖通道告警的原因是該裝置存在光纖數據丟幀情況。

為進一步分析光纖數據丟幀情況,對相關插件的配置進行了現場排查。

1)分別針對繼電保護裝置采用光纖進行自環測試,針對光纖接口處采用2M 線進行自環測試,針對光纖數字配線架進行自環測試,對光纖通道進行中斷恢復、檢查和數據測試,并未有異常情況。

2)根據第2.2節,對現場光纖傳輸系統的延時進行排查。其中復用光纖傳輸通道的通道延時約為0.72 ms,PCM 復用終端設備產生的延時約為0.05 ms,傳輸設備光纖接口處的延時損耗約為0.01 ms,最終可以得出該線路保護裝置使用的復用光纖傳輸通道的總延時約為0.78 ms。

經過上述分析,發現光纖通道延時(0.78 ms)的離散性大于裝置的檢測范圍,使得該保護裝置復用光纖的延時處于光纖延時灰色區域,造成裝置光纖數據丟幀,從而引發光纖通道告警。

在同步采樣法中,線路兩側的保護裝置會以相同的采樣頻率進行采樣,并以相同的時間間隔將采樣數據,經過一定的通道延時后發送到對側的保護裝置。因此,保護裝置在采樣間隔期間會接收來自對側保護裝置的采樣數據,并進行異常數據檢測和采樣數據的同步調整。若光纖傳輸系統的延時大小等于整數倍的采樣間隔時間,那么將會導致對側保護裝置將數據經過通道延時傳到本側裝置時,本側保護裝置處于數據采樣期間,從而無法接收數據并進行相應的處理。因此,可能導致某一個采樣間隔沒有接收到對側的采樣數據,而下一個采樣間隔接收到兩幀采樣數據。這種情況下保護裝置就會認為有2個異常的數據采樣點,從而可能引發保護閉鎖,并發出通道告警。其中通道延時等于整數倍的保護裝置采樣間隔時間的情況即為光纖通道延時灰色區域。

綜上所述,認為該線路保護裝置的采樣間隔時間約為光纖通道延時(0.78 ms)的整數倍,引發通道告警。

3.1.2 應對措施

該線路保護裝置是長園深瑞繼保自動化有限公司的早期設備,當光纖通道延時在0.7~0.8 ms時,裝置對光纖通道延時離散性的檢測較為靈敏,若現場光纖復用通道延時離散性較大,裝置可能出現光纖告警情況;若通道延時較為穩定,則不會告警。

因此,考慮通過對光纖插件進行撥碼配置,改變裝置復用光纖通道延時。經過現場調整發現當使復用光纖通道延時穩定在1 ms時,裝置光纖通道延時離散性較為穩定,并且不再出現光纖丟幀告警情況。現場更改光纖插件撥碼配置后,裝置恢復正常運行,并且經過5 h的運行觀察,沒有出現丟幀告警情況。

3.2 案例2

3.2.1 問題分析

2022年2月5日,某220 k V 變電站某條220 k V 線路配置的光纖電流縱聯差動保護裝置在運行過程中光纖通道B出現通道告警情況。該保護裝置為國電南京自動化股份有限公司生產的PSL603GC型光纖電流縱聯差動保護裝置,該保護裝置的通道A 為專用光纖,通道B為復用光纖通道,根據現場現象及裝置記錄進行現場排查。

1)首先針對PSL603GC型保護裝置通信面板中的發送和接收功率進行測量收集,并將功率數值與裝置說明書中能夠確保裝置在運行過程中不報警的功率最小值進行對比,判斷實際功率是否在正常運行要求的功率范圍內,如果不再要求范圍內則需要對該保護通信插件進行更換。經檢查發現發送和接收功率均為正常。

2)針對光纖通道接口進行檢查,檢測熔纖處是否可靠接觸,光纖接口處是否有異物阻隔造成通道中斷,通過對光纖接口進行檢查并重新拔插光纖“通道告警”并未消除。

3)針對繼電保護裝置采用光纖進行自環測試,在主控室內針對本側的保護裝置和2M 線進行本端光纖自環測試后,通道告警情況并未消失且有光纖數據丟幀情況出現。針對另一端進行自環測試時通道告警情況消失,由此可知引起通告告警的原因在于本側光纖保護裝置側。

3.2.2 應對措施

從實際經驗來看,絕大多數通道告警出現的原因是熔纖不可靠或接口灰塵堆積等光纖接口的相關問題。此外,光線保護的通信裝置一般對線路兩側保護裝置的時鐘同步有嚴格的要求,尤其是對于復用光纖通道一般通過發送統一的時鐘信號進行對時。出現光纖通道告警的情況時,當排除光纖接口的問題后可以分別對線路本側的保護裝置和2M 線進行自環測試,在此基礎上確定故障的區間并進行修復。

在本次故障中經過自環測試可以發現保護裝置和2M 裝置本身出現問題導致光纖通道報警,通過更換本側PSL603GC插件及2M 裝置后通道告警消失。

3.3 其他案例

除了以上案例之外,在變電站中光纖通道告警的案例還有以下不同情況。

1)某光纖差動保護控制回路斷線和保護裝置通道告警同時出現,經過現場檢查發現保護裝置并未發出控制回路斷線的信號。退出該光纖差動保護后所有信號都復位,經檢查發現控制回路斷線信號與裝置告警信號接反,更正后恢復。

2)某光纖差動保護頻發通道異常檢查消缺信號,經現場檢查發現異常原因是通道板上的通道延時撥碼有問題,通道延時造成數據丟幀,通過修改通道延時撥碼對通道延時進行增加后故障消失。

3)某光纖差動保護發出通道異常告警,通過在本側和對側變電站內進行自閉環檢測并未發現異常,對光纖通道進行檢查也未見異常,通過更換2M 通道并重啟光纖差動保護裝置后故障消失。

4 結論

線路光纖縱聯差動保護裝置通道告警會導致線路兩端的光纖縱聯差動保護裝置數據不同步,進而引起不平電流的變化,增大了發生保護誤動情況的可能性。針對線路光纖縱聯差動保護裝置出現光纖通道告警的原因進行了深入研究,并對不同原因引起告警的解決對策進行了分析。主要結論如下。

1)分析了線路光纖保護系統中保護信號的傳送方式以及光纖電流縱聯差動保護的原理,在此基礎上進一步研究了光纖傳輸系統產生延時的原因及其對縱聯差動保護產生的影響。

2)在光纖傳輸系統的延時大小等于整數倍的保護裝置采樣間隔時間的情況下,光纖復用通道延時離散性較大,會使得通道延時落入光纖通道延時灰色區域,即出現線路保護裝置通道中斷及丟幀現象并引發光纖通道告警。通過人為對光纖插件進行撥碼配置并改變裝置復用光纖通道延時可以消除告警。

3)光纖通道延時的大小等于整數倍的保護裝置采樣間隔時,可能會出現數據丟幀并引發通道告警。人為對光纖插件進行撥碼配置并改變裝置復用光纖通道延時可以消除告警。

4)保護裝置插件和2M 裝置本身出現故障會造成光纖通道告警,通過自環測試等手段確定故障區間并對插件進行更換即可消除告警。

5)裝置告警信號接線異常、通道延時撥碼錯誤等也會造成光纖通道報警,對異常接線進行修復、修改通道延時撥碼后可消除告警。