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用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

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 m ultiplex 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

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.

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

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:

①C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。

②B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;

③C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

的双向倒换;

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

(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。

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

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。

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

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图3 64kb/s 通道连接图

Fig. 3 The channel connection at 64kb/s.

针对上述路由,模拟不同的故障点,不同的断纤方式、如双纤中断或单纤中断,不同方向的单纤中断,

不同的通道恢复延时,以及网关误删业务等,进行了复用段保护切换、恢复试验。

对于复用段保护切换、恢复过程的监视,主要通过保护装置对通道变化过程的监视来完成。同时用逻辑分析仪记录切换过程中的通信内容,作为辅助分析手段。

3. 结果分析

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

金山

52:404

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

图4 金山→狮山单纤中断、复用段保护过程

Fig.4 The multiplex section protecting course after the single fiber broke between Kingshan →Shishan..

如图2所示的试验接线,金山、狮山之间的通信不经过任何中间站,模拟金山→狮山单纤中断。断纤前,主用通道理论延时为0.130ms ,复用段保护发生后对应的通道理论延时为0.700ms 。根据保护装置对通道变化的监视,绘出复用段保护过程如图4所示。图中上下两条贯穿整个图的直线为时间轴,与等间隔

(0.833ms)的垂直虚线相交,分别表示狮山、金山两侧装置的采样时刻;交点附近用16进制表示的数值为两侧装置报文发送序号;由交点向对侧带箭头的直线表示向对侧发送的报文,箭头到达点表示对侧接收到完整报文的时刻;虚线表示本来应该接收到的报文,但由于通道原因而导致接收端收不到正确的报文;实线则表示接送端收到了完整的报文。过程描述如下:

①金山→狮山单纤中断瞬间,对应狮山侧记录000,狮山侧先感受到通道中断,收不到金山侧数据;

②对应狮山侧记录024,狮山侧从光纤中断35.8ms后,重新收到对侧数据,并且通信路由已切换到保护

通道;但紧接着丢失3帧报文,从狮山侧记录026开始,通信路由切换到保护通道,且完全正常;

③从光纤中断开始,经23个采样间隔,约19ms后,复用段保护作用,金山侧装置也收不到数据,如记

录517所示;

④狮山→金山方向中断24ms后,如记录537表示,通道短暂恢复,并且路由已切换到保护通道;

⑤紧接着丢失3帧报文,从记录541开始,狮山→金山方向完全恢复正常。整个复用段保护过程完成,

测定的通道延时约为0.700ms。

报文1报文2报文3

(a)狮山保护装置接收、发送报文记录

(a) the receiving and transmission frames from the line protection equipment in Shishan station.

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

长“1”超过6位

(b)报文1详图

(b) The detailed diagram for frame 1.

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

无帧尾

(c)报文2详图

(c) The detailed diagram for frame 2.

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

有两个帧尾

(d)报文3详图

(d) The detailed diagram for frame 3.

图5 金山→狮山断纤,复用段保护过程通信报文录波

Fig.5 The communication frame records during the multiplex section protecting

after the single fiber broke between Kingshan→Shishan.

为了验证装置对通道变化状态监视的可靠性,用逻辑分析仪记录通信控制模块的接收数据、发送数据:①如图5.(a),接收数据在-1ms发生异常,34ms恢复正常,故障持续时间约为35ms,同图3.2.1.7记录的

报文中断时间一致;

②如图5.(b),恢复正常后的第二个报文,即报文1,在34.8ms,有一段数据连续为“1”的数据长度超过

5位,在正常报文中是不可能的,对应于附图1.b记录025,装置反映为“非完整帧”;〔4〕

③如图5.(c),恢复正常后的第3个报文,即报文2,正常情况下帧结束前应有一组数据为“01111110”;

但实际报文没有该组数据,反映为“非完整帧”;

④如图5.(d),恢复正常后的第4个报文,即报文3,正常情况下帧结束前应有一组数据为“01111110”;

但实际报文没有两组数据,反映为“非完整帧”;

用于线路纵联保护的双向复用段倒换环

图6 金山→狮山单纤中断、复用段保护恢复过程

Fig.6 The multiplex section recover course after the single fiber broke between Kingshan→Shishan.

对应图4所示的复用段保护切换过程,断纤恢复后,复用段保护的恢复过程如图6所示:

①对应狮山侧记录034,在采样间隔012和013之间,狮山侧装置接收不到对侧数据;

②丢失3帧报文后,狮山侧发送序号015和016之间,重新收到对侧的报文,路由已从保护通道切换到

主用通道;

③此时(对应金山侧记录546),狮山→金山方向通信路由仍然在保护通道;

④金山侧保护装置在采样间隔0xE0和0xE1之间,本应接收到对侧数据,但事实上没有收到,直到0xE3

和0xE4之间恢复到主用通道,如金山侧记录551;

⑤由于狮山侧0x16之前接收不到对侧数据,因此,只有从0x17发出的报文,在金山侧收到以后才有效,

而金山侧收不到狮山侧0x18发出的报文,因此,只有0xE0到0xE1之间才能计算出通道延时,并且为两个路由延时的平均值;即金山侧错误延时的持续时间为0.833ms;

⑥狮山侧0x15和0x16之间,路由恢复到主用通道,对应的金山侧接收报文处在0xDA和0xDB之间,

此报文狮山侧在0x12时发送。由于狮山→金山在0x18前发送的报文金山侧均能收到,而狮山侧0x15以后的接收报文均正常,因此,狮山侧有6个采样间隔的时间能测定通道延时,并且为主用通道和备用通道的平均值。

对于两个方向的通信路由所包含的公共跨距〔2〕发生单纤中断,如金山→狮山→浒关……石路→局端→石路……浒关→狮山(狮山→浒关……石路→局端→石路……浒关→狮山→金山)路由中,石路→局端发生单纤中断,会同时影响两个方向的通信。另一方面,由于单个方向的通信路由又同时包含了“石路→局端”和“局端→石路”,因此,单纤中断引发的一系列自愈环保护动作,对于两个方向通信的影响又是叠加的。如石路→局端发生单纤中断,导致两个方向的通信同时中断;局端感受到石路方向过来的数据中断后,利用自动保护倒换APS〔1〕信令通知石路将局端→石路方向光纤倒换至保护光纤,局端→石路方向光纤倒换过程对两个方向的通信又是同时的;因此保护过程中发生的两个方向的单纤切换,对于任一方向的通信中断的影响是叠加的,并且双向是相同的。试验结果也证实了上述分析,即双向通道同时发生中断,也同时恢复,并且保护发生过程中,同没有公共跨距的情况相比,通道单向中断时间也较长,为50ms左右。同样地,通道恢复过程也存在相同的情况。

多次试验,包括不同路由下,不同的故障点,故障方向,以及不同的恢复延时,分析试验结果,得到

结论如下,复用段保护切换过程:

①整个保护过程中,断纤发生后,在断纤方向切换到保护光纤之前,复用段保护发生作用,使得反方向

业务必然中断;

②复用段保护过程中,不存在双向通信均正常、但路由不一致的过程,从而保证复用段保护过程中差动

保护的可用性。

复用段保护恢复过程:

①断纤方向通信路由先恢复,非断纤方向后恢复;

②非公共跨距发生中断,断纤方向恢复时刻在另一方向通道中断之前,即存在双向路由不一致、但通信

内容不中断的情况;

③通道双向恢复的不同时性决定了通道路由不一致共存时间的长短,试验结果表明该时段小于10ms;

④公共跨距发生中断,通道中断是同一跨距两个方向光纤发生切换的时间的叠加,中断时间较长,约为

50ms左右,但不存在双向路由不一致的情况。

双纤中断、误删业务,双向路由不一致存在时间约为10ms,不会影响差动保护的正常运行。

4.结论

苏州电力通信网西外环采用双向复用段倒换环,除了正常运行,发生各种类型的故障,导致保护切换、恢复,在此过程中也能保证通道双向路由不一致的存在时间小于10ms,能确保基于数据通道的差动保护正常运行。

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[6]金华锋(Jin Huafeng),吴奕(Wu Yi),钱开余(Qian Kaiyu)等,数字复用通道正常运行时的延时特性(The

Transmission Delay of Multiplex Channel in Normal State),已投稿

金华锋(1972-),男,博士,高级工程师,从事电力系统继电保护、安全自动装置和通信的研究。Email: jinhf@http://www.wendangku.net/doc/f8f0164ff7ec4afe04a1df3d.html

朱晓彤(1976-),男,硕士,工程师,从事电力系统继电保护的研究。Email:zhuxt@http://www.wendangku.net/doc/f8f0164ff7ec4afe04a1df3d.html

俞建中(1953-),男,高级工程师,从事电网调度自动化和电力通信系统的管理工作。

吴奕(1968-),男,工程师,从事电力系统继电保护专业技术管理工作。Email:wu_yi@http://www.wendangku.net/doc/f8f0164ff7ec4afe04a1df3d.html