用于线路纵联保护的双向复用段倒换环
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第1页 用于线路纵联保护的 双向复用段倒换环动态延时特性研究 金华锋1，朱晓彤1，俞建中2，吴奕2，褚明2，郑玉平1 （1. 南京南瑞继保电气公司，江苏 南京211100； 2. 苏州供电公司，江苏 苏州215004）
摘要：本文介绍了双向复用段倒换环〔1、2〕的工作原理。以苏州电力光纤通信网西外环为对象，研究了各种通道故障下，复用段保护切换、恢复过程中通道延时的变化情况。研究结果表明：苏州电力光纤通信网西外环，采用双向复用段倒换模式，即使在保护切换、恢复过程中也能保证通道双向延时一致，适用于包括基于采用数据通道同步方法线路纵差保护〔3、4〕在内的任何线路纵联保护。 关键字：双向复用段倒换环、通道延时、线路纵差保护、线路纵联保护
Research On Dynamic Transmission Delay of Bidirectional Multiplex Section Switching Ring used for Line Pilot Relay Jin Huafeng1，Zhu Xiaotong1，Yu Jianzhong2，Wu Yi2，Chu Ming2，Zheng Yuping1 （1. Nanjing Nari-Relays Protection Electric Power Co.Ltd.，Jiangsu Nanjing 211100； 2. Suzhou Power Supply Company，Jiangsu, Suzhou 215004） Abstract: This paper describes the principle of the bidirectional multiplex section switching ring. Taking the Suzhou power fiber communication grid as researching object, we researched the transmission delay during protecting and recovering in various channel failure. The results indicate: The west-outer-ring in Suzhou power fiber communication grid, taking the bidirectional multiplex section switching mode, the bidirectional transmission delay must be identical during protecting and resuming, and the bidirectional multiplex section switching ring can adopt line current differential relay. Key words: Bidirectional multiplex section switching ring, transmission delay, line current differential relay, line pilot relay
0. 前言
随着国内电力通信网的快速发展，由于线路纵差保护灵敏度高，不受振荡影响，具有天然选相功能，能适应各种系统运行方式等优点，线路纵差保护已经成为高压输电线路主保护的首选。若同一线路的两套保护均采用点对点的数字通信连接，通道故障会导致两套主保护同时退出，不利于系统的安全运行。 由于SDH光纤自愈网能够提供较长的中继距离、灵活的迂回路由配置等优点，它在设备突发故障和缆路遭外力破坏时，系统表现出优异的自我恢复功能。从实际应用的角度出发，SDH光纤自愈网应当成为传输继电保护信号的可靠通道。 对于复用通道，在相同的路由下，可以认为通道双向延时是一致的，能满足线路纵差/联保护的要求。大量采用复用通道的线路纵差，通道正常时保护的运行状态也证明了这一点。但SDH光纤自愈网往往采用环状结构，虽然提高了网络的生存性，缩短了网络故障时业务的失效时间，但由于采用环型结构，理论上就使得环上两个节点之间的通信可能经二个不同方向的路由。自愈环网发展的目的主要是为了缩短故障时业务恢复时间，绝大多数通信业务并不关心通道双向延时的一致性，这一点与继电保护（尤其是线路纵差保护）信息传输的要求不同。所以，采用自愈环网作为线路主保护通道时，能否满足保护对通道双向延时一致性要求是值得探讨研究的。 在国内外的实际应用过程中，当采用SDH光纤自愈环网时，线路纵差保护装置就碰到了一系列问题，如：差动保护装置显示的通道延时同理论估算值不一致；装置显示差流较实际差流大，且随负荷变化而变化；装置短时或长期报警等。 是不是由于自愈环网不能满足线路纵差保护对通道双向延时一致性的要求〔5、6〕，导致了上述问题的出 第2页
现？自愈环网有哪些类型？除了正常运行外，在自愈环保护、恢复过程中是通道双向延时是否一致？是否能真正做到无缝切换？自愈环网在什么情况下会导致出现上述问题？有没有办法避免？带着上述疑问，笔者对光纤自愈环网的延时特性进行了深入研究。结果表明：并非所有自愈环网都能保证通道双向延时的一致性，单向环、双向通道倒换环均存在双向路由长期不一致的情况；双向复用段倒换环除了切换过程中可能存在短时双向路由不一致的情况，基于数据通道同步方法的线路纵差保护可以采取措施避免上述问题。 本文就双向复用段倒换环的保护原理，各种故障下通道切换、恢复过程中的延时特性作了详细介绍。希望为保护和通信装置的选型、光纤复用通道的设计、继电保护和通信网络运行维护等各个方面提供参考。
1. 双向复用段倒换环结构
自愈环网结构可以分成两大类，即通道倒换环和复用段倒换环。对于通道倒换环，业务量的保护是以通道为基础的，倒换与否按离开环的通道信号质量的优劣而定，通常利用通道的AIS[1]（alarm indication signal）信号来决定是否应倒换；对于复用段倒换环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否按节点间的复用段信号的优劣而定。当复用段出问题时，整个节点间的复用段业务都转向保护环。通道倒换环和复用段倒换环的一个重要区别，是通道倒换环往往使用专用保护，即正常情况下保护段也在传业务信号。复用段倒换环往往使用公用保护，即正常情况下保护段是空闲的，保护时隙由环上的各个节点共享。 如果按进入环的支路信号与由该支路信号分路节点返回的支路信号方向是否相同来划分，可将自愈环分为单向环和双向环。 如果按照一对节点间光纤的最小数量来区分，还可以划分为二纤环和四纤环。
表1 SDH自愈环结构分类 Table 1. Classify of self-healing ring. 复用段倒换环 通道倒换环 双向环 单向环 双向环 单向环 二纤环 四纤环 二纤环 二纤环
按上述不通的分类方法，可以区分出多种不同的自愈环网，如表1所示。由于单向环上两个节点之间通信的收、发必然经不同的路由，因此，对于采用基于数据通道的同步方法的线路纵差保护，不能采用单向环作为数据通道。 四纤环和二纤环的差别在于四纤环中业务信号和保护信号经不同的光纤；二纤环采用同一光纤，利用时隙交换技术，将光纤的一半时隙用于传输业务信号，而另一半时隙留给保护信号，给定光纤上的保护信号时隙用来传输另一根光纤上的反向业务。 如图1.a，两纤双向复用段倒换环采用时隙交换技术，可以使S1和P2上的信号置于一根光纤（称S1/P2光纤）。此时，S1/P2光纤的一半时隙用于传业务信号，另一半时隙留给保护信号。同样，S2、P1上的信号置于另一根光纤（称S2/P1）上。这样，在给定光纤上的保护信号时隙可以用来保护另一根光纤上的反向业务。 当BC节点间的光缆被切断，两根光纤也全部被切断时，与切断点相邻的B节点和C节点中的倒换开关将S1/P2光纤和S2/P1光纤上的业务信号时隙移到另一根光纤上的保护信号时隙，从而完成保护倒换作用。 如图1.b，单纤中断，复用段保护可以利用自动保护切换（APS）协议，让非断纤方向也执行倒换功能，使得B和C节点中倒换开关均执行环回功能，从而保证双向路由的一致性。如B→C间的S1光纤中断，保护过程如下： ① C节点很快检测到故障，并沿着顺时针方向送出K1字节〔1〕，K1字节包含故障通路编号。 ② B节点收到K1字节后通过开关2将保护光纤和工作光纤桥接，同时沿逆时针方向送出K1和K2字节，其中K1字节作为倒换要求，K2字节作为证实； ③ C节点收到K2字节对通路编号进行确认，通过开关1实现保护光纤和工作光纤的桥接，完成通道 第3页
的双向倒换； CAACCAACACDBS1/P2S2/P1S2/P1S1/P2开关1开关2 CAAC
CAACACDB
S1/P2S2/P1
S2/P1S1/P2
开关2
开关1 (a) (b) 图1 两纤双向复用段倒换环 Fig. 1 Two fiber bidirectional multiplex section Switching Ring
2. 试验方案
研究对象为苏州电力通信网西外环，采用STM-4同步通信模块，为两纤双向复用段倒换环。
NEC光端机何山变马涧变浒关变开山变珠江变MUX-2MRCS-931
石路变NEC光端机MUX-2MRCS-931局 端
金山变侧
狮山变侧光纤2M线
39km5.6km
25.9km13.31km2km
2km4.79km6.51km1.98km 图2 2048kb/s通道连接图 Fig. 2 The channel connection at 2048kb/s.
如图3，采用64k/S通信速率时，由于各变电站都需要和局端开通话路，且各站都只有一个PCM，因此，变电站之间的64k/S业务均需经局端交叉复接。狮山和金山之间的通道连接，可以采用多种路由，如狮山→浒关„„局端→金山（金山→局端„„浒关→狮山），金山→狮山→浒关„„局端→石路„„浒关→狮山（狮山→浒关„„局端→石路„„浒关→狮山→金山），狮山→金山→局端→金山（金山→局端→金山→狮山）。后两种路由，任一环节发生单纤中断，会同时影响两个方向的业务。
