光纖縱聯(lián)電流差動保護通道異常.doc

1概述 光纖縱聯(lián)電流差動保護是近年來發(fā)展相當快的輸電線路保護之一，它借助光纖通道傳送輸電線路兩端的信息，以基爾霍夫電流定律為依據(jù)，能簡單、可靠地判斷出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。對于線路保護來說，分相電流差動保護具有天然的選相能力和良好的網(wǎng)絡拓撲能力，不受系統(tǒng)振蕩、非全相運行的影響，可以反映各種類型的故障，是理想的線路主保護。光纖通信與輸電線無直接聯(lián)系，不受電磁干擾的影響，可靠性高，通信容量大。光纖縱聯(lián)電流差動保護既利用了分相電流差動的良好判據(jù)，又克服了傳統(tǒng)導引線方式的種種缺陷，具有其他保護無以比擬的優(yōu)勢，因此，近年來國內(nèi)外各大公司均加強在該領域的研究開發(fā)，各自相繼推出了此類保護產(chǎn)品。 就光纖縱差保護的應用環(huán)境來說，隨著國家電力工業(yè)的發(fā)展，通訊技術的日新月異，光纜及光纖設備費用的急劇下降，光纖通訊網(wǎng)在電力系統(tǒng)的架設越來越普遍。如廣東目前已建成了光纜1300km，SDH（Synchronous Digital Hierarchy）站點30多個，以珠江三角洲為中心的SDH自愈環(huán)電力光纖網(wǎng)絡。目前，許多地方都把發(fā)展光纖通信主干網(wǎng)作為電力通信的發(fā)展方向和重要任務，這都為繼電保護所需要的穩(wěn)定、可靠的數(shù)字化信息傳輸通道創(chuàng)造了有利條件。在光纖網(wǎng)絡敷設的光纜中，除提供數(shù)據(jù)共用光纖通道接口，滿足數(shù)據(jù)通信、寬帶多媒體、圖像信息等的需求外，還提供了繼電保護專用的纖芯，這為高壓輸電線的電流縱聯(lián)差動保護提供了復用光纖通道（與SDH共用的數(shù)據(jù)通道）和專用光纖通道（利用光纖網(wǎng)絡中繼電保護用纖芯構成）。另外，由于光纖電流差動保護簡單、可靠，不受線路運行方式的影響，在城網(wǎng)和短輸電線路中大量采用。如上海電網(wǎng)已把采用光纖分相電流縱差保護作為電網(wǎng)繼電保護“十五”規(guī)劃的一個重要配置原則來執(zhí)行，目前已投運和即將投運的光纖電流差動保護達194套。因城網(wǎng)中輸電線大多較短，光纖芯直接接入不需附加復接設備，管理也較方便，故在城網(wǎng)中光纖電流差動保護以專用光纖通道方式為多。 光纖傳輸通道的穩(wěn)定與否是光纖縱聯(lián)差動保護正確工作的基礎，一旦光纖傳輸通道發(fā)生故障，光纖縱聯(lián)差動保護將不能正常工作。實際上，為提高保護裝置的可靠性，當光纖傳輸通道發(fā)生故障時，保護裝置會將電流縱聯(lián)差動保護自動退出。光纖通道的可靠性雖然較高，但也有損壞的可能性，如光纜斷芯、熔纖質量不好、光纖跳線接頭松動、光纖受潮或接頭積灰導致?lián)p耗增大等。如1999年6月7日，塘鎮(zhèn)站到機場站的2158/2159兩條220kV線路光纖保護告警，故障原因是：線路龍門架上OPGW（Optical Fiber Composition Ground Wire）與站內(nèi)普通光纜接線盒由于雨天受潮引起一束光纖（4根芯）衰耗增大。2000年7月20日，吳涇第二發(fā)電廠到長春站4410線的兩套光纖差動保護均通道告警，原因是該線OPGW光纜中有幾芯熔接質量不好，光纖調(diào)換到備用芯后恢復正常。 考慮光纖信息傳輸通道有可能損壞，為保證高壓輸電線的安全運行，作為主保護的縱差保護不致由于通道故障而退出運行，確實有必要為同一套縱差保護裝置配置備用光纖通道。不論采用專用光纖通道或復用通道，在工程設計中，敷設的光纜要留有一定的備用芯線，當工作的纖芯由于受潮或斷芯等故障導致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率增大或中斷時，可切換到備用芯線繼續(xù)進行數(shù)據(jù)通信，提高供電安全性。2光纖備用的幾種方式 由于光纖差動保護的動作行為完全依賴于光纖通道，通道的安全性十分重要，應考慮通道的雙重化，對于普通光纜，一般要求敷設兩根光纜，且兩根光纜最好不要置于一根管道中。對于OPWG光纜，安全性較高，可只配備一根光纜?？紤]到經(jīng)濟性，在敷設的光纜中增加備用纖芯是通道冗余的一種常用方法，為線路保護敷設專用光纖通道時，選擇光纜時除保證主用通道所需的纖芯外，還應考慮備用通道的纖芯數(shù)。選擇備用通道的纖芯數(shù)時，最好按100%后備考慮，采用一備一的方式，即一根工作纖芯應配置一根備用纖芯。例如，當一條220kV高壓輸電線路的兩套主保護（一套主保護為分相光纖差動保護，另一套主保護為高頻距離加光纖接口裝置）都采用專用光纖通道傳送數(shù)據(jù)時，光纖縱聯(lián)電流差動保護裝置的收、發(fā)訊各占一根纖芯，高頻距離保護的光纖接口裝置的收、發(fā)訊也各占一根纖芯，則兩套保護共需4根工作纖芯，當采用一備一方式時，應有4根備用纖芯，因此至少應選擇8芯光纜。 當縱聯(lián)電流差動保護裝置采用復用光纖通道方式進行通信時，也應考慮備用通道的問題。當復用通道為光纖通道時，可利用光纜中預留給繼電保護的芯線或備用芯線，構建專用光纖通道作為復用通道方式的備用。當復用通道或復用設備故障時，可切換至專用光纖通道方式工作。實際上，當光纖專用通道和復用通道同時具備時，由于復用通道要求設備多，故障幾率大，而專用通道簡單、中間環(huán)節(jié)少、可靠性較高，可作為主用通道，當專用通道故障時，自動切換到復用通道。這樣，既保持了專用通道的可靠性，又利用了復用通道SDH自愈環(huán)的優(yōu)越性。3備用光纖通道的切換方法 備用光纖通道的切換可以手動切換，也可自動切換。手動切換簡單，不需額外設備，但切換需人工干預，所需時間也較長,適用于一般輸電線路的保護。自動切換需采用專用的通道切換設備或具有通道切換功能的通道接口，自動切換所需時間短，主要用于超高壓輸電線路或重要的聯(lián)絡線保護上。 1)手動切換方案 在工程實際中，現(xiàn)場敷設的光纜需經(jīng)光纜終端箱，通過溶纖工序和尾纖熔接在一起，然后由尾纖直接或經(jīng)光纜終端箱上的法蘭盤和光纖跳線接至保護裝置的光纖接口。施工時，往往是熔纖后主用通道的尾纖和備用通道的尾纖捆放在一起，需用哪個通道則將哪個通道的尾纖接至保護裝置。這樣做，不但尾纖容易折斷，通道易混淆，而且操作也十分不便。針對此種情況，我們對光纜終端箱進行了設計改進，不但考慮了備用通道的切換，還考慮了開關旁代時通道切換的需要。下面給出一種改進的光纜終端箱的方案，這些方案可滿足開關旁代切換的要求。 目前，光纖電流縱聯(lián)差動保護裝置（如CSL 103系列電流縱聯(lián)差動保護裝置，LFP 931光纖差動保護裝置）均有光纖通道監(jiān)視功能，保護裝置實時顯示數(shù)據(jù)傳送的錯幀數(shù)或誤碼率，一旦錯誤的數(shù)據(jù)幀或誤碼率大于某一限定值，裝置會自動告警，提示相關人員進行處理，檢查光纖傳輸通道，如確認工作光纖通道故障，則切換至備用通道。 所提出的通道切換方式的工作原理如下，在工作開關投入運行的情況下，A經(jīng)光纖跳線接至C，A經(jīng)光纖跳線接至C（參見圖1），此時工作開關利用光纜主用通道纖芯傳送數(shù)據(jù)；光纖電流差動保護裝置運行時若主用通道纖芯故障，保護裝置發(fā)通道告警信號，通知相關人員進行處理，斷開AC，AC連接，將AD，AD用光纖跳線接通（見圖2），此時工作開關利用光纜備用通道纖芯繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)；在旁代開關投入運行，工作開關退出時，A經(jīng)光纖跳線接至C，A經(jīng)光纖跳線接至C（圖3），此時旁代開關利用光纜主用通道纖芯進行數(shù)據(jù)通信；當光纜主用通道纖芯故障，同樣保護裝置發(fā)通道告警信號，通知相關人員進行處理，斷開BC，BC連接，將BD，BD用光纖跳線連接（圖4），此時旁代開關則利用光纜備用通道纖芯繼續(xù)進行數(shù)據(jù)通信。 以上工作開關和旁代開關的切換實際上是保護裝置光端機的切換。 2) 自動切換方案 自動切換則是在保護裝置檢測到主用通道通信異常時，自動將主用通道切換到備用通道。要實現(xiàn)傳輸通道的自動切換，需增加切換模塊和光端機等設備。通道切換的具體實現(xiàn)手段有電路切換、軟件切換和光路切換三種方法。 電路切換時，同一套保護裝置要求通信接口有切換電路和兩套光端機，圖5給出了一個通道電路切換的原理框圖。 主用通道正常時，保護裝置通過工作光纖通道傳送數(shù)據(jù)信息，當通信模塊（通信CPU或保護CPU中通信子程序）檢測到數(shù)據(jù)通信異常（收不到信號或通信誤碼率高）時，發(fā)出切換信號，控制切換電路將通信通道切換到備用光纖通道上，同時，發(fā)送遠方命令，通知對側的切換電路也切換到備用光纖通道上，從而實現(xiàn)了主用通道、備用通道的互為熱備用。在以上切換時，要注意的是當備用通道為復用通道時，由于利用復用通道通信時取系統(tǒng)同步時鐘，故通信模塊需發(fā)主/從時鐘切換控制信號，讓通信接口切換到從時鐘方式。 軟件切換則不在通信接口中增加切換電路，而是在通信模塊原有的硬件資源上編制切換軟件程序來進行通道切換。采用該方法進行通道切換時，同一套保護裝置要求兩個相同的通信接口，即兩個光端機和兩套碼型變換等電路。兩套通信接口電路同時工作，傳送同樣的數(shù)據(jù)信號給通信模塊。通信模塊同時收到兩路數(shù)據(jù)信號，利用其中一路數(shù)據(jù)信號作為主用數(shù)據(jù)信號。當通信模塊檢測到該路通道數(shù)據(jù)消失或誤碼率高（CRC校驗）時，自動取用另一路數(shù)據(jù)信號。圖6給出軟件切換所需的雙通信通道原理框圖。 兩個通道的數(shù)據(jù)分別存放在兩個緩沖區(qū)中，通信模塊分別對它們進行CRC校驗以檢查兩個通道的通信狀況，兩個通道的數(shù)據(jù)互為備用，當某個通道的數(shù)據(jù)幀丟失時，可直接從緩沖區(qū)取用相應幀的數(shù)據(jù)信息，因而避免數(shù)據(jù)重發(fā)，提高通信效率。 光路切換是利用光路切換開關在工作通道的纖芯和備用通道纖芯之間進行切換的方法。常用的光路切換器件是光開關（OPTICAL SWITCH）。光開關是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件。光開關在通信領域中常作光路切換用。光開關能直接通斷、切換和轉換光信號通路，它為主、備用光通道系統(tǒng)之間進行通道自動切換提供了簡單、經(jīng)濟的手段。 光開關分為機械式光開關和電子式光開關。機械式光開關以機械方式驅動光纖和棱鏡等光學器件進行光路轉換；電子式光開關利用電光和聲光效應來切換光路。由于電子式光開關無機械慣性，響應速度快，缺點是插入損耗大，價格高。目前常用的光開關多為機械式的。雖然機械式光開關切換時間較長，但主損耗低，串擾小，且價格低廉，使用也十分方便。 圖7給出了棱鏡移動式機械光開關的動作原理。 使用自聚焦透鏡的1X2機械式光開關（如圖7示），是用一個棱鏡和兩個帶有光纖的自聚焦透鏡組成，當棱鏡向上移動時，中心光纖1和光纖2耦合；當棱鏡向下移動時，中心光纖1和光纖3耦合。棱鏡的移動，則依靠電磁驅動或微型電機驅動，其控制信號可為電平或繼電器觸點。表1給出了某機械式光開關的主要技術參數(shù) 光開關的最大優(yōu)點是信號可在光上直接轉化應用，用它實現(xiàn)光纖電流差動保護通信通道的自動切換，不但簡單可靠，而且大大簡化了系統(tǒng)的結構。現(xiàn)有的光纖電流差動保護裝置可以不做任何改動，外加一個光開關模塊即可實現(xiàn)主備用通道的自動切換。圖8給出了利用1X2光開關進行通道切換的原理框圖。 在該系統(tǒng)中，保護裝置和光纜終端箱之間裝有光開關模塊，利用光纖電流差動保護裝置的通道告警觸點作為光開關模塊的切換控制信號。一旦主通道的光纜纖芯故障，保護裝置發(fā)出通道告警信號（TDGJ），該告警信號轉換成高電平控制光開關模塊動作，將光路自動切換到備用纖芯上。一側光路進行切換時，無須保護裝置向對側傳送同時告警信號，因為一旦光纖通道故障，對側保護裝置也同樣發(fā)出通道告警信號，同時