利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送_武汉国电星锐电力工程有限公司

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利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送

时间:2014-04-01 09:40来源: 作者:鄂电电力点击: *** 次

0　引言　　
目前，纵联保护已经成为220 kV及其以上电压等级输电线路的最主要、最基本的保护之一，为保证电力系统的安全稳定运行，提高系统的运行可靠性发挥了巨大的作用。为了满足纵联保护对可靠性的高要求，通常使用纵联保护专用载波通道，并在220 kV及其以上电压等级输电线路中以专用相作为纵联高频保护传送高频信号的专用通道。但是采用专用高频载波通道投资昂贵、干扰大、衰耗大、可靠性低，且通道频率资源非常紧张。
　　在保护专用载波通道面临许多问题的同时，电力系统调度通信网络尤其是微波通信、光纤通信等数字通信网络发展迅速。与模拟通信方式相比，数字通信方式有很多优越性：比较成熟的多种数据加密、数据恢复算法，传送信息的可靠性高；可在数据通道上发送多路信息，信号通道的利用率高；便于计算机处理等。目前，调度通信载波通道已经延伸到35 kV和10 kV变电站，且大多采用复用载波机方式传送调度通信信号，其最低传送速率已基本上达到了600 bit/s，完全可以完成保护信号的实时传送，并满足纵联高频保护对高频通道性能的基本要求。如能有效利用调度通信网络的优点，将其用于继电保护信号的传送，将会大大提高纵联保护的信号传输可靠性，并有可能扩大纵联保护的应用范围（例如，作为保护专用载波通道的后备通道,或将纵联保护在110 kV及以下输电线路中使用），因此，这是一个很有前途的研究领域。
　　利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送,有两个基本问题需要解决：第一，继电保护与调度通信专业的相互协调问题；第二,保护信号在调度通信网络中的传送方式。
1　保护信号的特点分析　　
长期以来，继电保护与调度通信专业相对独立。因为传送高频保护信号的重要性，所以特别强调保护通道的相对独立。以前，纵联保护的载波通道以及专用高频收发信机和高频加工设备均由继电保护专业独立使用和维护。近年来，由于复用载波机的广泛使用，继电保护与通信专业不可避免地加强了合作。通常的分工是：在复用载波机—高频通道—复用载波机范围之内由通信专业负责，复用载波机与继电保护的接口由继电保护专业负责。由于继电保护与通信专业的相互交叉，必然使得两个专业在保持相对独立的同时加强协作。实践证明，这种协作既有成效，也已为两个专业所接受。既然在复用载波通信的方式上两个专业能够很好地合作，那么，在利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送的问题上，应该期待两个专业能够很好地继续合作。当然，具体的协作方式有待进一步协调。
　　另一方面，纵联保护的高频信号的传送方式与调度通信信号的传送方式并不完全一样，它们对信号传送速度的要求也不相同。因此，利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送方式应当特别加以考虑。电力系统通信网络的基本结构主要为以各级调度系统的通信中心为枢纽的星形网络，即集控站/调度中心、枢纽变电站与多个其他变电站之间采用星形网络联接方式，见图1。在调度通信系统中，通常包含两类信息：①实时信息，主要包含电网调度自动化中的“四遥”信息等，通常采用一点对多点的互联通信方式完成信息的传送。为保证信息传送的实时性，通常使用专用信号通道。②非实时信息，主要包含跨区域交换的各种报表、电子邮件等，信息量大，对信号传送的速度要求不严格，通常使用迂回转接方式实现远距离广域数据共享，因此，需要使用各种路由算法。
纵联保护的高频信号的传送方式与此有很大差别。首先，要求高频信号传送速度很快。调度通信网络要求实时信息的传送时间小于6 s，而纵联保护的高频信号的传送时间要求小于20 ms。其次，纵联保护的高频信号传送路由相对简单，通常采用点对点的互联通信方式完成信息的传送，一般局限于以集控站/调度中心或枢纽变电站为中心的星形网络内部。为了保证纵联保护的高频信号传送速度，可以使用信号传送速度分级方式进行信号传送，并以最高优先级别完成纵联保护的高频信号的传送。同时利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送，高频信号传送路由相对简单和固定，因此不需要路由算法进行路由控制。

2　信道组织　　
为了节约通信设备与费用，常需要在一条通道上同时传送多路信息，这种技术称为多路共传（multiplexing)。有两种基本方案可供选择：频分多路共传和时分多路共传。频分多路共传(frequency division multiplexing，缩写为FDM)就是将一条物理通道频带分成若干频段，每段形成一条逻辑通道（信道），在每条逻辑通道上可发送1路信息，多条逻辑通道可同时发送信息，从而实现在一条物理通道上多路信息同时共传。时分多路共传(time division multiplexing，缩写为TDM)就是将时间区间分为若干段，每段对应一条逻辑通道，多路信息交替发送。
　　将多路共传技术应用于电力载波通道，就需要使用复用载波机。通常早期的1台复用载波机可传送1路语音信号，还能同时传送600 bit/s的1路保护信号和200 bit/s的2路远动信号。目前的高性能复用载波机能提供32 kbit/s的信号传送速率，可传送3路语音信号或者9路数据,可以方便地实现继电保护与调度通信信号的同时传送。多路共传技术在微波通信网络与光纤通信网络中得到了更为广泛的应用。采用多路共传技术的通信复用方式，能大大提高通信通道的传输效率，比起使用纵联保护的专用高频载波通道，具有更大的优越性与发展潜力。
　　在110 kV输电线路中实现纵联保护时，需要大量利用110 kV复用载波通道。与220 kV高频载波通道一样，110 kV高频载波通道也采用了“相—地制”方式。根据110 kV高频载波通道特点，应当优先选择高频闭锁式保护方案。然而，在使用高频闭锁式方案时，在输电线路区外故障时，靠近故障侧需要发出长达10 s左右的高频闭锁信号，这是使用复用载波机时难以达到的要求。同时，使用高频闭锁式方案时，所有非故障线路都需要收发高频闭锁信号，显然，不可能提供所需的全部高频闭锁信号通道。因此，在110 kV输电线路纵联保护中不能使用闭锁式高频保护。
　　复用载波机与允许式高频保护结合时，其配合关系相对较为简单；同时，允许式高频保护只需在保护区内故障时短时间发出允许信号，因此，对调度通信通道传送语音信号及远动信号的高频载波机影响较小。因而可以选择“允许方式”实现110 kV输电线的纵联高频保护。
　　调度中心或枢纽变电站与多个其他变电站之间均有高频载波通道，而其他变电站之间不一定有高频载波通道。因此，通常可以采用以下两种信号传送方式：
　　a.由于大多数110 kV变电站之间已经具有调度通信通道，且调度通信通道使用复用载波机，因此，可以使用时分多路共传方式的复用载波机传送保护信号。复用载波机在正常情况下传送语音信号及远动信号。当需要传送保护信号时，切断语音信号及远动信号，提升复用载波机的发信功率，完成保护信号的短时传送。
　　b. 110 kV变电站之间没有载波通道，但调度中心或枢纽变电站与110 kV变电站之间均有载波通道时，仍然可以利用110 kV变电站与调度中心或枢纽变电站之间的调度通信通道，并使用时分多路共传方式的复用载波机传送保护信号。由于110 kV变电站之间没有载波通道，因此，保护信号将经由调度中心或枢纽变电站进行转接。信号转接可以是单级转接，也可以是多级转接。
　　调度中心与每个变电站采用星形网络联接方式。当任意两个变电站之间的输电线路发生故障时，例如变电站A与变电站B之间的线路发生故障，它们分别通过通信线路经由调度中心向对侧发送信号。当然，这种信号应是包含故障线路编号信息的数字信号，这样，即使在变电站A与变电站B之间具有双回线路，也能够保证故障线路的纵联保护正确动作。这时，允许式高频保护的跳闸逻辑为：
　　　　　　{RELAY(1)=1} OR
　　　　　　{［RELAY(2)=1］ AND ［SZSX=1］}=1
其中　{RELAY（1）=1}表示本侧阶段式保护Ⅰ段动作，直接跳闸；{SZSX=1}表示收到包含正确的故障线路编号的允许跳闸数字信号；{RELAY（2）=1}表示本侧阶段式保护Ⅱ段动作，当收信动作时，即{SZSX=1}时,加速阶段式保护Ⅱ段跳闸。
　　110 kV及以下电压等级输电线路中大多使用阶段式距离保护或阶段式相电流保护作为输电线路相间故障的保护，阶段式零序电流保护作为输电线路接地故障的保护。由于使用允许式跳闸逻辑，因此，当信号通道出现故障时，不会对继电保护的工作产生大的影响。此时，继电保护设备将按阶段特性工作，与没有高频通道时的动作行为相同。但是，如果高频信号通道工作正常，则可以获得全线速动的纵联保护动作特性。

3　智能信号集结器/转接器　　
为了不影响调度通信系统的正常运行，使用这种新的高频保护方案时，应当在继电保护设备与通信设备之间增加智能信号集结器，在枢纽变电站、集控站或调度中心增加智能信号转接器。其中，信号集结器主要根据不同的通信媒介与通信设备（高频载波通道、微波通道、光纤通道等）所要求的报文编码方式与通信协议，完成包含正确的故障线路编号的数字信号的编码与译码，并与通信设备实现信号交换。信号转接器主要根据接收到的报文，确定并实现信号的正确转接。两者间的主要差别是：信号转接器需要与较多的通信设备实现信号交换，因此需要使用多路RS232串行接口。信号集结器、转接器的一种结构框图如图2、3所示。
　　为了保证信号传送路由正确，在信号集结器/转接器中,应预设不同线路故障时保护信号发送的目标地址，并建立相应的目标地址表。在信号转接器中,还应预设不同目标地址所对应的通信设备端口号，并建立相应的端口表。
　　当输电线路发生故障时，近故障侧阶段式保护Ⅰ段动作，直接跳闸；同时，通过信号集结器/转接器的开关量输入端口启动信号集结器/转接器。信号集结器/转接器通过对开关量输入口输入状态的监测，可以确定故障线路的编号，并查得相应的目标地址码与通信设备端口号。根据不同的通信媒介与通信设备，对其进行正确编码，然后通过RS232串行口将其传送到对应的通信设备的数字口。
　　在收信侧，通信设备通过RS232串行口将收到的编码信号送入信号集结器/转接器。信号集结器/转接器从RS232串行口接收到一个没有差错的编码信号时，便将该编码信号中的目标地址与地址表中的地址逐一进行比较，若找到一个互相匹配的地址，再检查其端口号，如果端口号表明该端口为直接输出端口，则对正文内容进行译码，并通过信号集结器/转接器的开关量输出端口将译码结果输出到相应的输电线路保护设备；如果端口号表明该端口为信号转接端口，则根据端口号所代表的信号转接通信设备类型所要求的报文编码方式与通信协议类型，对所接收的编码信号进行转换，并从所查得的端口发送到相应的通信设备。
　　信号集结器/转接器与继电保护设备及通信设备的联接关系如图4～图6所示。信号集结器/转接器需要与通信设备的数字端口相联接，即允许跳闸式数字保护信号虽然与调度通信信号使用相同的物理通道，但是必须使用不同的信道。在微波通道、光纤通道中使用此法非常方便。但110 kV及110 kV以下电压等级输电线路的调度通信系统大都使用高频载波通道，其通用载波机如ZDD—12,ZJ—5等大都不具备发送多路数字信号的能力，因此需要单独对此讨论。
目前已有多种成熟的数字式多路语音数据复接器产品面市，可以直接与通用载波机配合，以提高通用载波机的信号传送能力。例如，M340数字式多路复接器配合通用载波机可以同时传送5路语音和7路数据,传送速率为300 bit/s～19200 bit/s可选(与通道类型有关)［1］。使用这种方法时，在不影响调度通信信号传送的条件下可以完成数字保护信号的传送，还可以提高调度通信信号的传送能力，因此可作为优选方案。
　　如果不采用上述方案，也可直接使用远动通道传送数字保护信号，只需要在信号集结器/转接器中增加远动信号的转发功能。在正常运行时，远动信号经由信号集结器/转接器转发到载波机的远动信道；当需要传送保护信号时，短时切断远动信号，发送数字保护信号。采用这种方案，需要继电保护与通信专业更多的配合，其具体实施方案将另文讨论。

4　结论　　
利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送，由于无需专用高频通道，因此有可能在110 kV及以下电压等级输电线路中得到广泛的应用，并极大地提高电力系统运行的稳定水平。当然,实现这种方式的高频保护还有许多工作要做，任务是非常艰巨的。不过，随着无人值班变电站和变电站综合自动化技术的发展，以及调度通信网络的完善和升级，利用调度通信网络实现纵联保护的高频信号传送是完全可能的。