第27卷第2期
2007年2月
电力自动化设备
E1eetdc Power Automation EquipmPnt
V01．27 No．2
Feb．2007囝
继电保护中光纤通信技术应用
李峥峰1，一，杨曙年1，喻道远1，路光辉2
(1．华中科技大学机械学院，湖北武汉430074；
2．许继电气技术中心，河南许昌461000)
摘要：结合高压线路保护装置光纤电流差动WXH一803光纤接口．对高压线路继电保护中光纤通信
系统进行了分析。特别研究了光纤通道的专用方式、64 Kbit／s复用方式和2 Mbit／s复用方式等
连接方式的通信体系结构，以及在以上3种连接方式下光纤通道通信性能的各种影响因素，其中包
括光端机及复用设备的时钟方式、光接收功率、光发送功率、光饱和功率、通信通道裕度、电磁屏蔽
措施和设备匹配等关键技术并对其进行了分析探讨．{zh1}对继电保护光纤通信应用中通道连接状
态进行了介绍．并总结了常见问题的简单处理方法。
关键词：光纤通信；时钟方式：光功率：通道连接
中图分类号：TM774；TN913．7 文献标识码：B 文章编号：1006—6047(2007)02—0075—04
O引言
光纤通道具有传输容量大、抗电磁干扰能力强、
运行可靠性高等特点．有着常规通信方式无可比拟
的优良性能．光纤通信技术在电力系统继电保护领
域中的应用也越来越广泛。用光纤通道也成为信息
传输的主要通道和手段[1-训。
在电力系统继电保护领域光纤通信系统中．光
纤的传输模式一般采用单模光纤：根据传输距离的不
同．波长可以选用1 300／l 310nm或1 500／1 550nm
2种：继电保护装置之间的光纤通道的通信方式有专
用方式、复用方式[3】。其中复用方式有64 Kbit／s和
2 Mbit／s 2种。
针对不同的通信方式．对光纤通信技术应用的
关键技术，如光纤通道连接方式、时钟方式、光接收
功率、光发送功率、饱和功率、通道裕度、抗干扰屏蔽
措施和设备匹配问题进行分析和探讨．{zh1}总结了
光纤通道技术在继电保护应用中的通道连接状态和
常见问题的处理方法。
1专用光纤通信方式
专用方式需为继电保护敷设专用的光纤通道．
在此通道中只传输继电保护的信息。由于受光收、
发接口工作距离的限制和敷设光缆费用的制约．专
用方式的通信距离一般在100km以内。
专用方式的优点是光缆的纤芯经熔纤后由光缆
终端箱直接接入保护设备的光收、发接口，没有中
间环节，不需附加其他设备，实现简单、可靠性高。而
且由于不涉及通信调度，管理也较方便。目前，专用
方式主要应用于距离较短的城网线路保护以及发电
厂与电力系统之间重要线路的保护。
收稿日期：2006—02一13；修回日期：2006—09—20
1．1专用方式系统连接图
如图1所示．在专
用光纤通信方式下．保
护装置的光接收接口和
发送接口直接通过专用
光纤与对侧保护装置的
光发送接口和接收接口
相连。这种方式中间环
节少、简单可靠。
1．2通信性能影响因素
图1专用方式连接示意图
Fi昏l Connection of special
optical fiber ch锄nel mode
专用方式由于受光收、发接口的光信号发送功
率和接收灵敏度的制约．对通信距离有所限制；并且
在专用方式下．通信通道的中间环节比较少，而且传
输的都是光信号．受到的干扰也比较少，所以对通道
性能的影响主要应该考虑光发送的时钟方式、光发
送功率、光接收功率、饱和功率和通道裕度。
进行光功率测试时需用光功率计．注意光功率
计波长选择根据实际工程参数选择l 300／1 310 nm
或1 500／l 550 nm．并且对光功率计进行校准[引。
1．2．1 时钟方式
专用方式下．光纤通信系统中没有其他时钟基准，
需要至少设置一端光收、发接口的光发送模块为主
时钟．从而为光收、发接口的光发送数据采用提供时
钟基准。一般情况下，可以设置两侧装置发送时钟
工作在“主一主”方式下．此时发送数据时钟采用内部
时钟。接收数据时钟采用从接收数据流提取的时钟。
1．2．2光发送功率
光发送功率是影响传输距离的重要影响因素。
在专用方式下．一定要对光收、发接口的光发送功
率进行测量和检验。测量时。需用光纤跳线一端接光
收、发接口的光发射口，另一端接光功率计测试端，读
出表上显示稳定值(dB)。发送功率为该值加上2 dB
(跳线光纤接头衰耗l dB×2个)，要求光发射功率不
∞光纤接口
n
光一光一纤一纤一●Lr叫{ 似司型叫A
万方数据
小于光额定发送功率[sI。以WXH一803为例，光发送
功率不低于一14 dB(30 km内专用，波长1 310 nm)、
一5 dB(30。60km以内专用，波长l 310nm)和一11 dB
(60～100 km以内专用，波长1 550nm)。
1．2．3光接收功率
光接收功率对光纤通道的通信性能有很大的影
响．如果接收功率低于光接收模块的灵敏度，就会导
致传输性能极大降低．所以在测出发送功率后，还要
测量光接收功率。测量时，把从对端接收到的光信号
接入光功率计，此时光功率计测量的功率数值即为
接收功率，要求最小接收功率满足光器件接收功率
的灵敏度．{zh0}具有一定裕度。对WXH一803而言，
一般光接收功率应该大于一34 dB。
1．2．4光器件饱和功率
光接收功率过低会导致通信传输性能的降低。
同样．如果光接收功率太大也会导致通信传输性能
的降低。如果光接收功率过大。以致大于光接收接口
的饱和功率．此时通信传输性能也会下降。所以需要
对饱和功率进行监测．把测量的接收功率和光器件
的饱和功率进行比较。要求{zd0}接收功率要小于饱
和功率【刚。在专用方式下，一般不会出现接收功率超
过饱和功率的情况。
1．2．5通道裕度计算
由于光模块工作受温度和老化影响很大．为保
证通道工作正常．需进行光纤通道裕度校验。通道裕
度校验时．发射功率和接收灵敏度取测量修正值或
光模块出厂标称值．其他参数取经验参考值．要保证
系统衰减余量一般不少于6 dB．也有文献要求通道裕
度为3 dB[71。
光纤通道衰耗有：光纤衰耗0．3 dB／km(单模)；
接头衰耗l dB／点：熔接衰耗0．2 dB／点。
通道裕度校验公式：光发射功率一光接收灵敏度一
0．3×距离一1×接头个数一0．2×熔接个数>6 dB
例如：
衰减核算(按50 km线路)
发射功率一10dB
接收灵敏度一45 dB
线路衰减50 km×0．3 dB／km=15 dB
连接衰减2个接头衰减为2点×l dB／点=2dB
熔接2个点为2点×0．2 dB／点=0．4 dB
衰减务专量=一10 dB一(二45 dB)一15 dB一0．4 dB一
2 dB=17．6 dB
经过上面的计算．可以看出系统的光纤通道裕
度大于6 dB。以上选择的发射功率可以满足要求。
1．2．6抗干扰屏蔽要求
对专用方式。由于传输的信号都是光信号．而且
中间没有经过其他设备．其通信通道具有很好的抗
干扰屏蔽性能．一般不需要进行特殊处理．而保护装
置本身的抗干扰屏蔽问题由装置本身保证。
1．2．7 匹配问题
由于专用方式下．中间环节少。一般是同一个厂
家的保护与通信设备之间以及通信设备之间互相连
接，在实际应用中，设备之问的匹配基本只需考虑内
部阻抗、电平和编码的匹配，不需要考虑不同厂家设
备之间的匹配．一般较少出现匹配问题。
2 64 Kbit／s复用通信方式
64 Kbit／s复用通信方式是保护装置光收、发接
口利用数字复用技术通过复用接口与脉码调制PCM
(Pulse Code Modulation)复接设备及复用通道和对
侧保护装置相连。为实现保护装置和PCM复用设
备之间的互连．保护装置设有一个64 Kbit／s同向数
据复用接口．其一般采用同步通信方式．通信规约符
合CCI，ITI'标准中G．703码型协议。一般情况下。保
护设备在保护室．而64 Kbit／s数据复用接口在通信
机房．保护室的保护装置将数据通过光纤传送给设
在通信室中的64 Kbit／s同向数据复用接口．由于同
步数字体系(SDH)光端机不提供低于2 Mbit／s速率
的业务接口[61．所以需要在把64 Kbit／s信号通过
PCM复用设备连接到SDH复用通道和对侧保护装
置进行信息交换[s一引。
64 Kbit／s复用方式主要用于长距离输电线路
的保护．节省了光缆及施工费用；复用方式经济性能
好，但系统中间环节多，实现复杂。
2．1 系统连接图
系统连接图如图2所示．当保护装置采用64
Kbit／s复用方式时．此时保护装置通过设在通信室的
64 Kbit／s同向数据复用接口和PCM设备相连接．然
后PCM设备可通过准同步数字体系(PDH)／SDH连
上复用光纤通道和对侧保护装置进行互连。
WXH一803
彝cH匣
替A区
向WXH一803
司cH葬
叫A萏
图2 64 Kbit／s复用方式连接示意图
Fig．2 Connection of 64 Kbit／s multiplex mode
2．2通信性能影响因素
在64 Kbit／s复用通道方式下，光收、发接口直
接发送的光信号传送到通信室的数据复用接口。在
光纤中光的直接传输距离较短．一般不存在发送功率
不足、接收功率不足或通道裕度不够的情况。同时，在
64 Kbit／s复用方式下．中间设备较多．对通信性能
的影响相对比较大。其影响因素主要有时钟方式、通
道裕度、屏蔽干扰、匹配问题和通道延时等因素[10d¨。
2．2．1 时钟方式
64 Kbit／s复用方式下．由于PCM设备提供主
时钟．要求其他连接到PCM的设备设置为从时钟，
所以两端保护装置的光收、发接口的光发送数据的
时钟方式要设置为“从时钟”．即数据的发送时钟从
接收数据中提取的时钟为基准。
万方数据
第2期李峥峰．等：继电保护中光纤通信技术廊用
2．2．2光功率及通道裕度
在复用方式下，一般不存在光功率发送不足、接
收达不到灵敏度或通道裕度不足的问题．但在实际
运行期间，还需要对光功率进行测量和验证。特别是
光收、发接口的饱和功率要进行检验。防止接收功
率达到饱和功率。引起接收过载．从而引起保护通信
告警信号的频繁出现，降低了通道的传输性能。
其方法基本与专用方式下的测量方式相同．不
仅测量光收、发接口的光功率。还要测量“Kbit／s
数据复用接口光功率及电平和复用设备的电平。
2．2．3抗干扰屏蔽要求
a．64 Kbit／s数据复用接口与PCM设备之间的
屏蔽要求。64Kbit／8数据复用接口和PCM复用设
备之间传送的是电信号．容易受干扰．需要严密注意
其电磁干扰的屏蔽措施。64 Kbit／s数据复用接口与
PCM设备之间的连接屏蔽双绞线一般采用6类双屏
蔽电缆(HF_P31／AA)，同时采取外屏蔽层两端接地，
内屏蔽层一端接地的措施。如图3所示，外屏蔽层两
端接地可有效降低高频段共模干扰的影响．内屏蔽
层一端接地可降低低频段(50／60 Hz)的容性耦合㈦。
b．数字复接接口设备与PCM之间的连接距离
应不大于50m．
图3电缆屏蔽接地示意图
f’ig．3(；munding of cable shields
2．2．4匹配问题
复用方式下，由于中间环节较多．特别是不同厂
家的设备之间要进行配合．相对专用方式，设备之间
的匹配问题更突出。64 Kbit／s复用方式下的匹配问
题。首先是时钟匹配．PCM设备的时钟要和通信接口
的发送时钟相匹配；其次阻抗匹配，64 Kbit／s通信
接口和PCM设备的阻抗要匹配．一般为同向型接
口、120Q平衡：还有48 V电平匹配和G．703编码匹
配等[131。
3 2 Mbit／s复用通信方式
2 Mbit／s复用方式是保护装置的光收、发接口
利用数字复用技术通过2 Mbit／s数据复用接口与
PDH／SDH设备及复用通道和对侧保护装置相连。
为实现保护装置和PDH／SDH复用设备之间的互
连，装置设有一个2 Mbit／s数据复用接口。其采用同
步通信方式。通信规约符合CCrrr标准中G．703码型
协议。一般情况。保护设备在保护室。而2 Mbit／s数
据复用接口及复接通信设备在通信机房．保护室的
保护装置将保护数据通过光纤传送给设在通信室中
的2 Mbit／8数据复用接口．然后通过PDH／SDH复用
设备及复用通道和对侧保护装置相连并交换信息。
2 Mbit／s复用方式下．保护装置通过2 Mbit／s复
用接口盒直接连接到PDH／SDH设备．中间不经过
PCM复用设备，减少了中间环节和传输时延．而且利
用了SDH自愈环的高可靠性．提高了整个系统的可
靠性[川；2 Mbit／s速率增加了传输带宽．可以传输更
多保护信息。目前，2Mbi讥通道应用方式逐渐增多。
3．1系统连接图。
系统的连接图如图4所示．当保护装置采用
2 Mbit／s复用方式时．保护装置通过设在通信室的
2 Mbit／s数据复用接口和PDH／SDH设备相连接．
然后通过复用光纤通道和对侧保护装置进行互连。
WXH一803
司cH葬
R)【l A譬——_J U
图4 2 Mbit／s复用方式连接示意图
Fig．4 Connection of 2 Mb“／s multiplex mode
3．2通信性能影响因素
2 Mbit／s复用方式与64 Kbit／s复用方式相似．
相对64 Kbit／s复用方式而言．2 Mbit／s复用方式减
少了PCM复用设备．直接和PDH／SDH复用设备相
连接，提高了通信的可靠性。具有更好的通信性能。
3．2．1 时钟方式’
2 Mbit／s复用方式下．根据所连接的复用设备
的不同，光收、发接口的数据时钟基准也不同．当复
用接口连接PDH时．一般把一端保护装置的时钟方
式设置为“从时钟”而另一端保护装置的时钟方式设
置为“主时钟”；当复用接口连接SDH设备时，一般
把两端保护装置的时钟方式都设置为“主时钟”。
3．2．2光功率及通道裕度
与64 Kbit／s复用方式类似．在2 Mbit／s复用方
式下，一般不存在光功率发送不足、接收功率达不到
灵敏度或通道裕度不足的问题．但在实际运行期间．
还是需要进行测量和验证，特别是光收、发接口的
饱和功率要进行检验，防止接收功率达到饱和功率．
降低了通道的传输性能。
其方法基本与专用方式下的测量方式相同．而
且不仅测量光收、发接口的光功率。还要测量2Mbit／s
数据复用接口光功率及电平和复用设备的电平。
3．2．3屏蔽要求
2 Mbit／s数据复用接口到PDH／SDH设备之间
用电信号传送数据，需防止电磁干扰．一般采用同轴
电缆进行连接。由于同轴电缆比双绞线具有更好的
电磁屏蔽性能。相对而言，2 Mbit／s复用比“Mbit／s
具有更好的屏蔽性能．直接采用同轴电缆即可满足
要求。数字复用接口通过同轴电缆和PDH／SDH设
备相连接时，数字复用接口与SDH的距离不大于50 m。
3．2．4匹配问题
与64 l曲it／s复用方式的匹配问题相类似．对
2 Kbit／s复用方式也需要不同厂家的设备之间进行
配合。2 Mbit／s复用方式的匹配问题。首先是时钟
万方数据
匹配．PDH／SDH设备的时钟要和通信接口的发送
时钟相匹配；其次阻抗匹配，PCM设备和通信接口
的电阻要匹配，一般为75 n不平衡；此外还有48 V
电平匹配和G．703编码匹配等[131。
4通道连接状态
光纤通道系统在实际应用中可能由于各种原因
导致不同的通道连接状态．保护装置需对此加以区
别和判断．从而保证通道的正确连接。下面对常见
的通道连接状态进行分析和讨论。
通道中断：保护装置在规定时间内接收不到对
侧数据时．此种工况可能由于通信通道物理中断或
接收不到数据等原因引起。
通道自环：光纤保护装置通过尾纤处于自环状
态或者网管通过自愈环网进行网络通道自环。
通道互连：本侧光纤保护装置和对侧保护装置
通过通道互连并收到对侧数据时。
装置混联：说明两端保护装置的连接不配对，由
于不同线路的保护装置进行互连。现在一般可采用
装置编码或线路编码技术解决。
通道号混联：在双通道的情况下，其中一个通道
收、发和另外一个通道的收、发混联。根据不同厂家
的产品．有的允许通道号混联。有的不允许通道号混联。
通道延迟长：说明两端保护装置之间的通信通
道延时超过规定通道时延的{zd0}值．已经对保护装
置动作性能造成较大影响。不同厂家对通道延时有
不同的要求．有些厂家的保护装置允许通道延时达
到20 ms。目前。实际应用中。我国相对比较长的高
压线路的复用通道延时在5 ms以内[坫]。
5常见故障处理
通道不通或误码高时需检查以下项目：
轧检查光收、发接口的连接是交叉还是平行连接；
b．检查光收、发接口时钟工作方式设置是否正确；
c．检查复用接口装置跳线是否恢复：
d．光发送功率、接收灵敏度和饱和功率是否满
足要求：
e．专用方式下．通道裕度是否满足要求：
f．检查光纤接头部分是否松动或接触不良：
g．检查光纤头是否受潮或熔纤应力变化；
h．用纯酒精擦拭接头部分．防止光纤头部有灰尘；
i．通过分段自环检查来确定光收、发接口问题，
通道问题．PCM设备或PDH／SDH设备的问题：
j．检查复用接口与复用设备匹配是否良好。
6结语
对继电保护领域中光纤通信技术应用的关键技
术进行了分析和探讨．特别是对专用通信、64 Kbit／s
复用通信和2 Kbit／s复用通信3种方式的接线及其
通信性能的影响因素作了分析和研究．并对通道的
连接状态和常见故障处理方法作了总结。
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(责任编辑：李玲)
作者简介：
李峥峰(1976一)，男，河南许昌人，博士研究生，研究方向
为制造执行系统MES和通信系统(E-man：zhen出ndi@yeah．
net)；
杨曙年(1948一)，男，湖北武汉人，教授，研究方向为精密
仪器制造和设计：
喻道远(1956一)，男，湖北武汉人，教授，研究方向为机电
控制工程和现代制造系统：
路光辉(1969一)，男，河南许昌人，高级工程师j硕士，从
事继电保护方面的设计与研究工作。
万方数据
第27卷第2期
2007年2月
电力自动化设备
ElectTic Power Automation Equipment
V01．27 No．2
Feb．2007囝
基于IEC 6 1 850标准的
新型数字保护平台研究与实现
徐科1。吴在军1，闵涛2，杜炎森1
(1．东南大学电气工程系，江苏南京210096；
2．国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210003)
摘要：基于IEC 61850标准设计的新型数字保护平台将过程层合并单元、智能执行单元和间隔层
设备映射到具体的板卡上。介绍了平台的总体硬件结构，从实时性和可靠性角度详细分析了层间
的通信方式．提出了基于冗余100BASE—F以太网和交换式网络集线器HUB的板问通信方式。并给
出了具体的硬件电路实现。采集板和开入／开出板CPU选用5410 DSP，分别向主控板发送采集信号
和接收控制命令：主控板CPU选用AT91RM 9200处理器。完成保护控制和通信功能；给出了各板的
硬件逻辑图。将嵌入式操作系统VxWorks引入到间隔层设备中。以线路保护为例。建立了平台的
对象信息模型．{zh1}阐述了该平台如何实现保护功能。
关键词：IEC61850；数字保护平台；100BASE—F以太网；合并单元；间隔层设备；信息模型
中图分类号：TM771 文献标识码：A 文章编号：1006—6047(2007)02一0079—06
0引言
IEC 61850标准在总结多年变电站自动化技术
发展经验的基础上．对变电站自动化系统的通信问题
作了深入的分析和研究．以解决不同产品的互操作问
题为目的。从整体上对变电站自动化系统的信息传输
和处理给出了规范[卜扪。由于目前国内一次设备的
数字化尚未成熟．要将满足此标准的变电站自动化系
统在电力系统中实际运行还有很多问题需要研究
和探讨。
基于IEC 61850标准设计了一种新型数字保护平
台，既可以按照IEC 61850标准运行，又可以在传统
方式下运行．可以在此硬件平台上深入研究探讨IEC
61850的具体问题．对于IEC 61850的应用推广和现
有变电站保护设备的改造都具有较积极的意义。
1新型数字保护平台硬件结构
IEC 61850规定变电站自动化系统自底向上分
别划分为过程层、间隔层和变电站层，层间采用数据
通信方式．采用面向对象的方法建立信息模型，信息
模型通过抽象通信服务接口向具体协议栈映射．以
此实现无缝的变电站通信网络．解决不同厂商产品的
互操作问题。
收稿日期：2006一07—12；修回日期：2006—10—08 过程层通过合并单元将采集到的信号以通信方
常啃C硝水衣水础唷e／啦水钟^℃^心啃e勺C气C^世^啦^心^闲n×’譬e乍C噶电^啦^吧^吧^≈^啦^汜^心^汜^啦喁也代吧气c乍c唁C噶C乍C气C代C^≈^心^e7譬6
Application of optical nber commuIlication in relay protection
U Zheng—fen91”，YANG Shu—nianl，YU Dao一”anl，LU Guang-hui2
(1．Huazhong University of Science and Technolog)r，Wuhan 430074，China；
2．XJ Electric Co．，Ltd．，Technical Center，Xuchang 461000，China)
Abstract： Taking current di自ferential protection WXH一803 嬲an ex锄ple，the optical fiber com一
砌nication system 0f HV(High Voltage) line protection is analyzed，especially the communication ，
system architecture of special opticELl fiber channel mode，64 Kbit／s multiplex mode and 2 Mbit／s·
multiplex mode． Dif艳rent innuences on optical fiber communication ped'o瑚ance under aboVe
three communication modes are studied，including the clock mode of optical te瑚inal and multiplex
equipment，the optical receiving power，the optical transmitting power，the optical
saturation power，the margin of communication channel，the electromagnetic—shield manners，the
equipment match and so on．The channel connection status is intmduced，and general problems
in optical fiber communication system for relay protection and simple counte瑚easures are
su埘【marized． ’
Key words： optical communication； clock mode； optical power； channel connection j
万方数据
继电保护中光纤通信技术应用
作者： 李峥峰， 杨曙年， 喻道远， 路光辉， LI Zheng-feng， YANG Shu-nian， YU Dao-yuan
， LU Guang-hui
作者单位： 李峥峰,LI Zheng-feng(华中科技大学,机械学院,湖北,武汉,430074;许继电气技术中心,河
南,许昌,461000)， 杨曙年,喻道远,YANG Shu-nian,YU Dao-yuan(华中科技大学,机械学院
,湖北,武汉,430074)， 路光辉,LU Guang-hui(许继电气技术中心,河南,许昌,461000)
刊名： 电力自动化设备
英文刊名： ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT
年，卷(期)： 2007，27(2)
引用次数： 0次
参考文献(15条)
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下载时间：2009年12月22日