光纖通信通道時延問題的研究

光纖通信通道時延問題的研究

0從單一到多元:出現(xiàn)了以光纖為代表的新技術(shù)問題隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，全球業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)通常包括光纖通信、微波、電力聲波和高頻電纜?？v聯(lián)保護(hù)通道已經(jīng)由原來“專用載波通道為主、復(fù)用載波或微波通道為輔”過渡到“以光纖通道為主、專用載波通道為輔”的新階段。在新建工程中,專用光纖芯和復(fù)用光纖已經(jīng)成為縱聯(lián)保護(hù)通道的首選技術(shù)方案。目前山西省220kV線路共265條,繼電保護(hù)光纖化率為95%;500kV線路41條,繼電保護(hù)光纖化率為100%。光纖通道具有傳輸容量大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn),有著常規(guī)通信方式無可比擬的優(yōu)良性能,同時也促進(jìn)了以縱聯(lián)電流差動為代表的微機(jī)保護(hù)等新技術(shù)的發(fā)展,但是一系列新的技術(shù)問題也陸續(xù)擺在人們面前[2~5]。本文將就通信通道時延對微機(jī)保護(hù)正確工作的影響問題作進(jìn)一步研究。1保護(hù)裝置顯示的通道時延微機(jī)保護(hù)對通道時延有明確的要求。首先,通道時延過長會影響微機(jī)保護(hù)的動作速度,進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性;其次,對于線路縱差保護(hù),通道雙向時延的一致性涉及到差流計算的正確性?？紤]到不同微機(jī)保護(hù)裝置測定的通道時延的可比性,定義微機(jī)保護(hù)裝置顯示的通道時延如下:(1)對于64kb/s通信速率,是從發(fā)送端音頻配線架上信號的上升沿時刻到接收端音頻配線架上對應(yīng)信號變化的上升沿時刻的時延。(2)對于2048kb/s通信速率,是從發(fā)送端在同步數(shù)字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)設(shè)備E1接口上信號變化的上升沿時刻到接收端SDH設(shè)備的E1接口上對應(yīng)信號變化的上升沿時刻的時延。(3)根據(jù)定義,微機(jī)保護(hù)裝置顯示的通道時延應(yīng)該扣除光電轉(zhuǎn)換裝置的時延。2在通信通道中，縮短對微型計算機(jī)保護(hù)的影響2.1信號時延加“雙倍加速度”對于線路縱聯(lián)距離/方向保護(hù),故障范圍的判別決定于兩個因素:首先是根據(jù)本側(cè)電氣量判定故障方向;其次是由通道得到對側(cè)裝置判定的故障方向,只有相對于兩側(cè)微機(jī)保護(hù)裝置的故障方向都確認(rèn)為正方向,裝置才確認(rèn)本次故障是區(qū)內(nèi)故障。因此,通道時延通過第二個因素單倍累加影響裝置的動作時間,如通道時延為0ms時,微機(jī)保護(hù)裝置20ms動作;當(dāng)通道時延為5ms時,微機(jī)保護(hù)裝置25ms動作。2.2本側(cè)裝置與本側(cè)電氣量對信號的信號轉(zhuǎn)換對于線路縱差保護(hù),通道時延對動作速度的影響需要考慮兩個因素:第一,由于需要根據(jù)兩側(cè)電氣量來進(jìn)行差動計算,當(dāng)前計算的差動電流不是本側(cè)當(dāng)前的電氣量和對側(cè)當(dāng)前的電氣量之和,而是當(dāng)前收到的對側(cè)電氣量和對應(yīng)的本側(cè)電氣量之和,即當(dāng)前進(jìn)行差動判據(jù)的電氣量需要向前推一段時間。第二,為了防止CT斷線時差動保護(hù)誤動,若本側(cè)裝置要動作,不但本側(cè)裝置要滿足差動方程,還需要收到對側(cè)差動的允許標(biāo)志,只有確認(rèn)兩側(cè)裝置都滿足差動方程后,差動保護(hù)才能動作。兩個方向都需要考慮通道時延,因此通道時延對差動動作速度的影響是雙倍的。根據(jù)《微機(jī)保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程(送審稿)》,對用于各類裝置的數(shù)字式通道時延長短的要求如下:(1)線路縱差保護(hù)<5ms;(2)線路縱聯(lián)/方向保護(hù)<10ms。3線路路徑的一致性對線路的縱差保護(hù)有影響線路縱差保護(hù)要求“通道雙向路由必須一致”,這是差動計算、保護(hù)動作正確與否的關(guān)鍵。3.1通道時延測定目前,實用的線路縱差保護(hù)采用的同步方法有:采樣時刻調(diào)整法、采樣數(shù)據(jù)修正法、時鐘校正法,統(tǒng)稱為基于數(shù)據(jù)通道的同步方法[6~8],其特點(diǎn)是都要求通道雙向時延相等。典型的采樣時刻調(diào)整法分兩步:先測通道時延,再根據(jù)通道時延,由從機(jī)測定兩側(cè)裝置采樣時刻的誤差,從而調(diào)整從機(jī)的采樣脈沖來實現(xiàn)采樣同步。如圖1所示,設(shè)一側(cè)裝置為主機(jī),另一側(cè)為從機(jī)。(1)從機(jī)上電后,向主機(jī)發(fā)送一幀測定通道時延的報文,同時以本側(cè)裝置的相對時鐘為基準(zhǔn)記錄報文發(fā)送時刻tss。(2)主機(jī)收到該報文后,以本側(cè)裝置的相對時鐘為基準(zhǔn),記錄該報文接收時刻tmr,等到下一個定時發(fā)送時刻tms,向從機(jī)回應(yīng)一幀通道時延測試報文,同時將tms-tmr作為報文內(nèi)容。(3)從機(jī)在tsr時刻收到主機(jī)的通道時延測試報文,并得到tms-tmr,由此可以計算得到通道時延:式(1)對于得到正確通道時延的前提條件是:通道收、發(fā)雙向時延相等。如圖2所示,測定通道時延后,假設(shè)在一段時間內(nèi)通道時延dT是固定不變的。主機(jī)以裝置內(nèi)部時鐘為基準(zhǔn),按固定間隔TSM進(jìn)行采樣,同時向從機(jī)發(fā)送電流報文。從機(jī)收到主機(jī)發(fā)送的電流報文,根據(jù)通道時延可以得到主機(jī)在什么時刻采樣,同時根據(jù)本側(cè)電流采樣時刻,得到兩側(cè)裝置采樣時刻的誤差?Ts。此時從機(jī)采樣時刻超前于主機(jī)采樣時刻?Ts,從機(jī)調(diào)整下一個采樣間隔TSS>TSM,使得?Ts→0。當(dāng)?sT<ξ時,可以認(rèn)為兩側(cè)裝置實現(xiàn)了同步采樣。3.2兩側(cè)通道時延測定若雙向通道時延不相等,設(shè)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送方向通道時延為Td1,主機(jī)向從機(jī)發(fā)送方向通道時延為Td2,根據(jù)式(2)測定的通道時延:兩個方向?qū)嶋H通道時延和測定的通道時延的誤差為:對應(yīng)圖2的兩側(cè)裝置采樣時刻的誤差?Ts=?Td。正常運(yùn)行或區(qū)外故障時,若不考慮電容電流,由于兩側(cè)通道時延不一致而得到的差動電流:其中:IL為線路穿越電流。若制動電流為Izd=k*2IL,其中k為制動系數(shù),如果滿足則兩側(cè)裝置起動后,線路縱差保護(hù)就可能誤動作。3.3保護(hù)裝置顯示的差流不等于線路單獨(dú)空充時通道雙向時延不一致即使沒有到引起線路縱差保護(hù)誤動的程度,也可以反映為差流異常。微機(jī)保護(hù)裝置可以利用這一特點(diǎn)作為通道時延監(jiān)視手段。正常情況下,對于短線,微機(jī)保護(hù)裝置顯示的差流應(yīng)該接近于零,長線應(yīng)該等于線路(或經(jīng)補(bǔ)償以后)的電容電流,基本上不受負(fù)荷電流的影響。一旦發(fā)現(xiàn)裝置顯示的差流不等于電容電流,或者是差流隨著負(fù)荷電流的變化而變化,最有可能的原因是通道雙向時延不一致。線路縱差保護(hù)裝置投運(yùn)時,不管線路兩側(cè)系統(tǒng)是否合環(huán),只要線路帶電,線路縱差保護(hù)顯示的差流就應(yīng)該是線路的電容電流。當(dāng)線路單側(cè)空充時,另一側(cè)電流必然為零,此時合閘側(cè)電流就是線路電容電流。因此,可以觀察線路合環(huán)后微機(jī)保護(hù)裝置顯示的差流是否等于線路單側(cè)空充時的充電電流,來間接判斷通道雙向時延是否一致。有條件增加線路負(fù)荷后,觀察差流的變化規(guī)律,更能判斷通道雙向時延的一致性。另一方面,裝置投運(yùn)時即使通道雙向時延一致,但運(yùn)行過程中通道運(yùn)行工況也可能發(fā)生變化,對此,線路縱差保護(hù)裝置可以利用線路電容電流的相對穩(wěn)定性來判別變化后的通道雙向時延是否一致,當(dāng)實測差流變化較大時,裝置報警(可考慮同時閉鎖線路縱差保護(hù))以便作相應(yīng)處理。上述分析說明:線路縱差保護(hù)如果采用基于數(shù)據(jù)通道的同步方法,通道時延的雙向一致性是保證兩側(cè)微機(jī)保護(hù)裝置采樣同步的前提。4同步數(shù)據(jù)傳輸時延是微機(jī)保護(hù)通道必須關(guān)注的指標(biāo),而光纖網(wǎng)絡(luò)模型千差萬別,網(wǎng)絡(luò)中使用的設(shè)備也不一樣,因此網(wǎng)絡(luò)的時延計算要考慮到很多影響因素。光纖縱聯(lián)保護(hù)的同步數(shù)據(jù)通信信號傳輸方式主要有兩大類:專用光纖芯方式和PCM復(fù)用方式。現(xiàn)場光纖差動保護(hù)多用專用光纖芯連接方式,見圖3;光纖距離或方向保護(hù)大多采用PCM復(fù)用方式,見圖4。在端到端通信連接中,產(chǎn)生時延的環(huán)節(jié)很多,分述如下。4.1光纖系統(tǒng)的時延估算無論是電信號還是光信號,都是電磁波,其在一定的傳輸媒質(zhì)中的傳播速度都是有限的,經(jīng)分析可知,整個光纜系統(tǒng)所產(chǎn)生的時延可以按5μs/km估算,長途傳輸系統(tǒng)的時延主要是由傳輸媒質(zhì)引起的。4.2傳輸時延點(diǎn)設(shè)備有緩沖除了傳輸時延外,數(shù)字連接中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備(數(shù)字交換機(jī)和數(shù)字交叉連接設(shè)備)有緩沖區(qū),時隙交換單元等均會產(chǎn)生傳輸時延。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備典型時延見表1。4.3sdh復(fù)用器除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備外,脈沖編碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)終端、準(zhǔn)同步數(shù)字系列PDH(PlesiochronousDigitalHierarchy)復(fù)用器、SDH復(fù)用器等也會產(chǎn)生傳輸時延。傳輸設(shè)備的傳輸時延見表2。4.4主要路由和回收點(diǎn)路由采用不同的路徑進(jìn)行路由保護(hù)時,若以2Mb/s信號傳輸保護(hù)信號,2Mb/s信號可以通過兩個可選擇的路由在網(wǎng)絡(luò)中傳輸,但正常情況下只使用主要路由(即優(yōu)先切換至主要路由上)。這樣,在傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)故障時就進(jìn)行保護(hù)切換,切換到保護(hù)路由時會產(chǎn)生時延,其時延主要是切換時間。SDH設(shè)備的切換時延和保護(hù)方式有關(guān),一般不超過50ms。PCM設(shè)備的切換時間一般也低于50ms。4.5sdh傳輸時延及工作機(jī)制光纖通信領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新技術(shù),每一種新技術(shù)的引入可能會減少時延,也可能會增加時延,具體取決于其工作機(jī)制。綜合以上各方面因素,可以得出SDH網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延(Td)的計算公式為:其中:t1為SDH設(shè)備的傳輸時延,與設(shè)備及傳輸?shù)燃売嘘P(guān);t2為終端設(shè)備時延;t3為中繼復(fù)用器時延;n為中繼復(fù)用器數(shù)量。5參加測試的保護(hù)裝置在各種工況下對不同保護(hù)裝置的特性進(jìn)行測試,參加測試的保護(hù)裝置見表3,相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)見表4~表7(參加測試的所有線路縱差保護(hù)均要求通道雙向時延一致)。5.1裝置時延測試(1)2M通道時延測試;(2)64k通道時延測試;(3)裝置直連通道時延測試(裝置測量);(4)單通道短時延測試;(5)單通道長時延測試;(6)線路縱差保護(hù)允許通道極限傳輸時延測試。5.2測試數(shù)據(jù)從表7中可以看到,當(dāng)通道故障造成通道延時超過17.69ms時,各廠家保護(hù)大多會發(fā)生誤動或拒動,并使區(qū)內(nèi)故障保護(hù)動作時間延長。6數(shù)據(jù)傳輸同步保護(hù)原則(1)差動保護(hù)動作速度與通道時延有關(guān),相同故障電流下,通道時延越長,差動保護(hù)動作速度越慢。(2)應(yīng)盡量采用光纜直接連接方式,這種方式時延最小且固定,運(yùn)行最可靠。(3)同步數(shù)據(jù)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)取最近的路徑,盡量減少經(jīng)過的路由數(shù)量;同時應(yīng)保持同步數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠運(yùn)行,減少因故障造成數(shù)據(jù)流繞行的幾率。(4)簡