光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)通道異常.doc

1概述 光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)是近年來(lái)發(fā)展相當(dāng)快的輸電線路保護(hù)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(jiǎn)單、可靠地判斷出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障。對(duì)于線路保護(hù)來(lái)說(shuō)，分相電流差動(dòng)保護(hù)具有天然的選相能力和良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?，不受系統(tǒng)振蕩、非全相運(yùn)行的影響，可以反映各種類型的故障，是理想的線路主保護(hù)。光纖通信與輸電線無(wú)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(dòng)保護(hù)既利用了分相電流差動(dòng)的良好判據(jù)，又克服了傳統(tǒng)導(dǎo)引線方式的種種缺陷，具有其他保護(hù)無(wú)以比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各大公司均加強(qiáng)在該領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)，各自相繼推出了此類保護(hù)產(chǎn)品。 就光纖縱差保護(hù)的應(yīng)用環(huán)境來(lái)說(shuō)，隨著國(guó)家電力工業(yè)的發(fā)展，通訊技術(shù)的日新月異，光纜及光纖設(shè)備費(fèi)用的急劇下降，光纖通訊網(wǎng)在電力系統(tǒng)的架設(shè)越來(lái)越普遍。如廣東目前已建成了光纜1300km，SDH（Synchronous Digital Hierarchy）站點(diǎn)30多個(gè)，以珠江三角洲為中心的SDH自愈環(huán)電力光纖網(wǎng)絡(luò)。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(wù)，這都為繼電保護(hù)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(luò)敷設(shè)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(hù)專用的纖芯，這為高壓輸電線的電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)提供了復(fù)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(luò)中繼電保護(hù)用纖芯構(gòu)成）。另外，由于光纖電流差動(dòng)保護(hù)簡(jiǎn)單、可靠，不受線路運(yùn)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(hù)作為電網(wǎng)繼電保護(hù)“十五”規(guī)劃的一個(gè)重要配置原則來(lái)執(zhí)行，目前已投運(yùn)和即將投運(yùn)的光纖電流差動(dòng)保護(hù)達(dá)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(fù)接設(shè)備，管理也較方便，故在城網(wǎng)中光纖電流差動(dòng)保護(hù)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(dòng)保護(hù)正確工作的基礎(chǔ)，一旦光纖傳輸通道發(fā)生故障，光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)將不能正常工作。實(shí)際上，為提高保護(hù)裝置的可靠性，當(dāng)光纖傳輸通道發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)將電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)自動(dòng)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(zhì)量不好、光纖跳線接頭松動(dòng)、光纖受潮或接頭積灰導(dǎo)致?lián)p耗增大等。如1999年6月7日，塘鎮(zhèn)站到機(jī)場(chǎng)站的2158/2159兩條220kV線路光纖保護(hù)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(zhǎng)春站4410線的兩套光纖差動(dòng)保護(hù)均通道告警，原因是該線OPGW光纜中有幾芯熔接質(zhì)量不好，光纖調(diào)換到備用芯后恢復(fù)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(yùn)行，作為主保護(hù)的縱差保護(hù)不致由于通道故障而退出運(yùn)行，確實(shí)有必要為同一套縱差保護(hù)裝置配置備用光纖通道。不論采用專用光纖通道或復(fù)用通道，在工程設(shè)計(jì)中，敷設(shè)的光纜要留有一定的備用芯線，當(dāng)工作的纖芯由于受潮或斷芯等故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率增大或中斷時(shí)，可切換到備用芯線繼續(xù)進(jìn)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(dòng)保護(hù)的動(dòng)作行為完全依賴于光纖通道，通道的安全性十分重要，應(yīng)考慮通道的雙重化，對(duì)于普通光纜，一般要求敷設(shè)兩根光纜，且兩根光纜最好不要置于一根管道中。對(duì)于OPWG光纜，安全性較高，可只配備一根光纜?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，在敷設(shè)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(hù)敷設(shè)專用光纖通道時(shí)，選擇光纜時(shí)除保證主用通道所需的纖芯外，還應(yīng)考慮備用通道的纖芯數(shù)。選擇備用通道的纖芯數(shù)時(shí)，最好按100%后備考慮，采用一備一的方式，即一根工作纖芯應(yīng)配置一根備用纖芯。例如，當(dāng)一條220kV高壓輸電線路的兩套主保護(hù)（一套主保護(hù)為分相光纖差動(dòng)保護(hù)，另一套主保護(hù)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(shí)，光纖縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)裝置的收、發(fā)訊各占一根纖芯，高頻距離保護(hù)的光纖接口裝置的收、發(fā)訊也各占一根纖芯，則兩套保護(hù)共需4根工作纖芯，當(dāng)采用一備一方式時(shí)，應(yīng)有4根備用纖芯，因此至少應(yīng)選擇8芯光纜。 當(dāng)縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)裝置采用復(fù)用光纖通道方式進(jìn)行通信時(shí)，也應(yīng)考慮備用通道的問(wèn)題。當(dāng)復(fù)用通道為光纖通道時(shí)，可利用光纜中預(yù)留給繼電保護(hù)的芯線或備用芯線，構(gòu)建專用光纖通道作為復(fù)用通道方式的備用。當(dāng)復(fù)用通道或復(fù)用設(shè)備故障時(shí)，可切換至專用光纖通道方式工作。實(shí)際上，當(dāng)光纖專用通道和復(fù)用通道同時(shí)具備時(shí)，由于復(fù)用通道要求設(shè)備多，故障幾率大，而專用通道簡(jiǎn)單、中間環(huán)節(jié)少、可靠性較高，可作為主用通道，當(dāng)專用通道故障時(shí)，自動(dòng)切換到復(fù)用通道。這樣，既保持了專用通道的可靠性，又利用了復(fù)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(dòng)切換，也可自動(dòng)切換。手動(dòng)切換簡(jiǎn)單，不需額外設(shè)備，但切換需人工干預(yù)，所需時(shí)間也較長(zhǎng),適用于一般輸電線路的保護(hù)。自動(dòng)切換需采用專用的通道切換設(shè)備或具有通道切換功能的通道接口，自動(dòng)切換所需時(shí)間短，主要用于超高壓輸電線路或重要的聯(lián)絡(luò)線保護(hù)上。 1)手動(dòng)切換方案 在工程實(shí)際中，現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)的光纜需經(jīng)光纜終端箱，通過(guò)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(hù)裝置的光纖接口。施工時(shí)，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(gè)通道則將哪個(gè)通道的尾纖接至保護(hù)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(duì)此種情況，我們對(duì)光纜終端箱進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，不但考慮了備用通道的切換，還考慮了開(kāi)關(guān)旁代時(shí)通道切換的需要。下面給出一種改進(jìn)的光纜終端箱的方案，這些方案可滿足開(kāi)關(guān)旁代切換的要求。 目前，光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置（如CSL 103系列電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置，LFP 931光纖差動(dòng)保護(hù)裝置）均有光纖通道監(jiān)視功能，保護(hù)裝置實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)傳送的錯(cuò)幀數(shù)或誤碼率，一旦錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀或誤碼率大于某一限定值，裝置會(huì)自動(dòng)告警，提示相關(guān)人員進(jìn)行處理，檢查光纖傳輸通道，如確認(rèn)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(kāi)關(guān)投入運(yùn)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(jiàn)圖1），此時(shí)工作開(kāi)關(guān)利用光纜主用通道纖芯傳送數(shù)據(jù)；光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置運(yùn)行時(shí)若主用通道纖芯故障，保護(hù)裝置發(fā)通道告警信號(hào)，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，斷開(kāi)AC，AC連接，將AD，AD用光纖跳線接通（見(jiàn)圖2），此時(shí)工作開(kāi)關(guān)利用光纜備用通道纖芯繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)；在旁代開(kāi)關(guān)投入運(yùn)行，工作開(kāi)關(guān)退出時(shí)，A經(jīng)光纖跳線接至C，A經(jīng)光纖跳線接至C（圖3），此時(shí)旁代開(kāi)關(guān)利用光纜主用通道纖芯進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；當(dāng)光纜主用通道纖芯故障，同樣保護(hù)裝置發(fā)通道告警信號(hào)，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，斷開(kāi)BC，BC連接，將BD，BD用光纖跳線連接（圖4），此時(shí)旁代開(kāi)關(guān)則利用光纜備用通道纖芯繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 以上工作開(kāi)關(guān)和旁代開(kāi)關(guān)的切換實(shí)際上是保護(hù)裝置光端機(jī)的切換。 2) 自動(dòng)切換方案 自動(dòng)切換則是在保護(hù)裝置檢測(cè)到主用通道通信異常時(shí)，自動(dòng)將主用通道切換到備用通道。要實(shí)現(xiàn)傳輸通道的自動(dòng)切換，需增加切換模塊和光端機(jī)等設(shè)備。通道切換的具體實(shí)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(shí)，同一套保護(hù)裝置要求通信接口有切換電路和兩套光端機(jī)，圖5給出了一個(gè)通道電路切換的原理框圖。 主用通道正常時(shí)，保護(hù)裝置通過(guò)工作光纖通道傳送數(shù)據(jù)信息，當(dāng)通信模塊（通信CPU或保護(hù)CPU中通信子程序）檢測(cè)到數(shù)據(jù)通信異常（收不到信號(hào)或通信誤碼率高）時(shí)，發(fā)出切換信號(hào)，控制切換電路將通信通道切換到備用光纖通道上，同時(shí)，發(fā)送遠(yuǎn)方命令，通知對(duì)側(cè)的切換電路也切換到備用光纖通道上，從而實(shí)現(xiàn)了主用通道、備用通道的互為熱備用。在以上切換時(shí)，要注意的是當(dāng)備用通道為復(fù)用通道時(shí)，由于利用復(fù)用通道通信時(shí)取系統(tǒng)同步時(shí)鐘，故通信模塊需發(fā)主/從時(shí)鐘切換控制信號(hào)，讓通信接口切換到從時(shí)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(lái)進(jìn)行通道切換。采用該方法進(jìn)行通道切換時(shí)，同一套保護(hù)裝置要求兩個(gè)相同的通信接口，即兩個(gè)光端機(jī)和兩套碼型變換等電路。兩套通信接口電路同時(shí)工作，傳送同樣的數(shù)據(jù)信號(hào)給通信模塊。通信模塊同時(shí)收到兩路數(shù)據(jù)信號(hào)，利用其中一路數(shù)據(jù)信號(hào)作為主用數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)通信模塊檢測(cè)到該路通道數(shù)據(jù)消失或誤碼率高（CRC校驗(yàn)）時(shí)，自動(dòng)取用另一路數(shù)據(jù)信號(hào)。圖6給出軟件切換所需的雙通信通道原理框圖。 兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別存放在兩個(gè)緩沖區(qū)中，通信模塊分別對(duì)它們進(jìn)行CRC校驗(yàn)以檢查兩個(gè)通道的通信狀況，兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)互為備用，當(dāng)某個(gè)通道的數(shù)據(jù)幀丟失時(shí)，可直接從緩沖區(qū)取用相應(yīng)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(kāi)關(guān)在工作通道的纖芯和備用通道纖芯之間進(jìn)行切換的方法。常用的光路切換器件是光開(kāi)關(guān)（OPTICAL SWITCH）。光開(kāi)關(guān)是一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸端口，可對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。光開(kāi)關(guān)在通信領(lǐng)域中常作光路切換用。光開(kāi)關(guān)能直接通斷、切換和轉(zhuǎn)換光信號(hào)通路，它為主、備用光通道系統(tǒng)之間進(jìn)行通道自動(dòng)切換提供了簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的手段。 光開(kāi)關(guān)分為機(jī)械式光開(kāi)關(guān)和電子式光開(kāi)關(guān)。機(jī)械式光開(kāi)關(guān)以機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)光纖和棱鏡等光學(xué)器件進(jìn)行光路轉(zhuǎn)換；電子式光開(kāi)關(guān)利用電光和聲光效應(yīng)來(lái)切換光路。由于電子式光開(kāi)關(guān)無(wú)機(jī)械慣性，響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是插入損耗大，價(jià)格高。目前常用的光開(kāi)關(guān)多為機(jī)械式的。雖然機(jī)械式光開(kāi)關(guān)切換時(shí)間較長(zhǎng)，但主損耗低，串?dāng)_小，且價(jià)格低廉，使用也十分方便。 圖7給出了棱鏡移動(dòng)式機(jī)械光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作原理。 使用自聚焦透鏡的1X2機(jī)械式光開(kāi)關(guān)（如圖7示），是用一個(gè)棱鏡和兩個(gè)帶有光纖的自聚焦透鏡組成，當(dāng)棱鏡向上移動(dòng)時(shí)，中心光纖1和光纖2耦合；當(dāng)棱鏡向下移動(dòng)時(shí)，中心光纖1和光纖3耦合。棱鏡的移動(dòng)，則依靠電磁驅(qū)動(dòng)或微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制信號(hào)可為電平或繼電器觸點(diǎn)。表1給出了某機(jī)械式光開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)參數(shù) 光開(kāi)關(guān)的最大優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)可在光上直接轉(zhuǎn)化應(yīng)用，用它實(shí)現(xiàn)光纖電流差動(dòng)保護(hù)通信通道的自動(dòng)切換，不但簡(jiǎn)單可靠，而且大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置可以不做任何改動(dòng)，外加一個(gè)光開(kāi)關(guān)模塊即可實(shí)現(xiàn)主備用通道的自動(dòng)切換。圖8給出了利用1X2光開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道切換的原理框圖。 在該系統(tǒng)中，保護(hù)裝置和光纜終端箱之間裝有光開(kāi)關(guān)模塊，利用光纖電流差動(dòng)保護(hù)裝置的通道告警觸點(diǎn)作為光開(kāi)關(guān)模塊的切換控制信號(hào)。一旦主通道的光纜纖芯故障，保護(hù)裝置發(fā)出通道告警信號(hào)（TDGJ），該告警信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電平控制光開(kāi)關(guān)模塊動(dòng)作，將光路自動(dòng)切換到備用纖芯上。一側(cè)光路進(jìn)行切換時(shí)，無(wú)須保護(hù)裝置向?qū)?cè)傳送同時(shí)告警信號(hào)，因?yàn)橐坏┕饫w通道故障，對(duì)側(cè)保護(hù)裝置也同樣發(fā)出通道告警信號(hào)，同時(shí)