光线路保护系统

光线路保护系统（通用7篇）

光线路保护系统 篇1

摘要：随着光缆网容量的不断增大, 对其可靠性的要求也不断提高, 但光缆网故障的偶然性, 使得依靠维护手段减少故障率的方法效果有限。而通过建设光线路保护系统, 能有效减少因光缆故障造成的通信中断。本文介绍了光线路保护系统建设设计中需要注意的问题, 包括系统保护光通路的选取原则、设备安装导致的传输特性变化和解决方法、保护光通路的传输特性参数设计等, 为光线路保护系统的建设设计提供参考。

关键词：光线路保护系统,建设

光缆网是大容量、高速度信息传递的基础, 对可靠性的要求非常高, 而光缆线路的安全容易受到自然灾害、施工等因素的影响, 其故障有较大的偶然性和不可预知性。为提高光缆线路的安全性, 建设光线路保护系统是比较好的方式。光线路保护系统由自动倒换设备、2条光缆 (光纤) 路由和辅助系统组成, 2条光缆 (光纤) 路由互为备用, 极大提高了系统的可靠性。光线路保护系统的建设, 必须综合考虑系统效能、成本等因素, 对系统性能进行仔细分析, 从而确保系统建设的效益。在光线路保护系统建设设计中, 应该注意三个方面的问题。

1 合理选择备用光通路, 确保系统的可靠性

光线路保护系统通常是在现有通信系统的基础上构建的, 即已经具备了1条光缆 (光纤) 通路, 在此基础上安装倒换设备并提供第二通路即可。在选择第二通路时, 主要应注意2个方面的问题:

首先, 第二通路与第一通路应该处于不同的物理路由。由于2条光通路互为备用, 当它们同时中断时, 光线路保护系统将失去作用。同物理路由的光通路, 如同根光缆内的不同光纤或同沟敷设的光缆等, 在受外部因素影响时容易同时发生故障, 因此在建设光线路保护系统时应避免选择同物理路由的光通路。

其次, 第二通路与第一通路的传输特性应尽量一致。光线路保护系统的工作方式是利用不同的光通路切换保证光信号的传输, 当2条光通路的传输特性差别较大时, 有可能造成某条通路的传输特性不满足终端设备的工作条件, 为使其满足设备的工作条件, 通常意味着更大的成本投入。

在备用光通路的选择上, 应综合考虑以上2个因素, 优先保证两条通路的独立性, 而后综合考虑传输特性和成本因素, 确保系统效益。

2 充分估算设备插损, 防止损耗造成系统性能下降

光线路保护倒换设备是利用光开关实现光通路切换的, 通常安装保护倒换设备, 会使2条光通路均增加3d B的插入损耗, 而且这一损耗改变是不可避免的, 因此在设计时应考虑这一插损带来的影响。通常传输系统设计中光通道损耗的富余度都大于3d B, 可以满足光保护设备开通要求, 需要特别注意的是多个全光中继段相连接时, 这一插损会随中继段数量的增加不断积累, 导致光再生器的接收端接收光功率过低。在工程中应补偿保护倒换设备引入的插损, 方法通常有三种, 一是减少原有的固定或可调光衰耗器, 光传输系统建成时, 通常损耗富余度较大, 为保证系统接收信号强度不超过限值, 会利用各种衰耗器进行调整, 只要对这些衰耗器进行调整即可;二是调大光放大器的增益, 当光路上没有衰耗器可供调整时, 可以对光放大器的增益进行适当调整, 利用增益的提高, 补偿插入损耗;三是增加额外的光放大器, 当前2条方法都无法实施时, 为了确保系统的正常运行, 只能采取增加额外的光放大器甚至增加光放站的方式进行解决。

3 精心调整第二通路的光传输特性, 确保系统运行的稳定

实际工程中第二光通路的选择受到很大限制, 难以保证第二通路与第一通路性能相近, 因此在设计中应充分做好前期的勘察和设计准备, 确保第二通路能够满足系统传输要求。

首先应考虑第二通路与第一通路的损耗特性差别。当第二通路损耗低于第一通路时, 只需要在第二通路中加入合适的光衰耗器即可;当第二通路损耗高于第一通路时, 如果其损耗特性仍能满足系统运行要求, 可以不做处理或利用光衰耗器适当增加第一通路损耗, 如果其损耗特性不能满足系统运行要求, 则需要在第二通路上增加光放大器甚至新增光放站。在第二通路损耗特性设计中, 也应当特别注意多个全光中继段相连的情况, 适当考虑多个段落同时切换路由时产生的损耗积累可能带来的影响。

其次是考虑第二通路的色散特性是否满足要求。光通路的总色散由光纤长度与该光纤色散系数决定, 不同光纤类型色散系数差别比较大 (G652光纤的色散系数大约为17 ps/ (nm·km) , G655光纤约为4.7ps/ (nm·km) ) 。不同速率的光传输设备, 其色散容限也不同, 一般2.5G传输设备的色散容限约为10000ps/ (nm) , 10G传输设备的色散容限约为1000ps/ (nm) 。通常情况下, 2.5G系统只要无再生中继距离不大于600km都可以不考虑色散的影响, 而10G及以上系统必须对色散特性进行精心设计。色散特性的设计分三步, 一是详细勘察线路情况, 了解光通路中使用的光纤类型和长度信息;二是根据光纤类型和长度, 计算光通路的总色散;三是根据传输设备的色散容限, 选取合适的色散补偿模块, 使光通路总色散在设备色散容限范围内。

总之, 在光线路保护系统的建设中, 既要确保线路保护系统的建设能够有效提高相应传输系统的可靠性, 也要确保线路保护系统建成后能满足传输系统的性能要求, 在此基础上加强工程管理, 保证系统建设效益。

输电线路光差动保护初探 篇2

纵联电流差动保护通常作为电力系统高压输电线路主保护,通常是通过测量流入被保护单元两端电流,计算得到差动电流,再将差动电流与事先设定的整定值比较,判断保护区内是否发生故障。当系统正常运行状态或保护区外发生故障,不考虑分布电容和并联电抗器影响时,流过被保护单元两侧电流大小相等方向相反,其差流为零,保护不动作;当保护区内发生故障,被保护单元两侧电流方向相角差不大,会产生很大差流越过设定的门槛值时,保护会立即动作切除故障。为了提升电流差动保护在内部故障时的灵敏性和外部故障时不动作的可靠性,在实际应用中通常采用如标积制动、和差制动、三段式制动[1,2,3]等措施。

由于传统的电磁式电流互感器铁芯存在非线性、磁饱和等问题,通常需要采取抗电流互感器饱和措施,可能会降低了电流差动保护性能[4,5]。全光纤电流互感器利用Faraday磁光效应测量电流,具有动态响应特性好、不存在磁饱和、抗电磁干扰、频带宽等优点,能够从根本上解决该问题,通过全光纤电流互感器构成差动保护能够提升差动保护的可靠性、灵敏度、动作速度[6]。输电线路电流差动保护实现是基于比较线路两端同时刻的电流信息,保护必须使用线路两侧同时刻的数据才能正确工作,要求线路两侧采样时刻同步、利用线路两侧同时刻采样数据计算差动电流,因此需要高速、可靠通信以及采样同步装置[7,8,9,10,11,12]。文献[13]利用光学电流互感器能够准确测量输电线路电流的暂态非周期分量,提出一种基于线路非周期分量纵联差动保护,该方法不受输电线路分布电容的影响,但是需要高速可靠的通信以及采样同步技术。文献[14]利用光学电流互感器和工控机实现光纤纵联电流差动保护,实现光学电流互感器与微机保护的对接,但仍需要对采样数据进行修正后实现差动保护算法。

由于Faraday磁光效应可以叠加,利用全光纤电流互感器构成光差动保护,将输电线路差动电流测量转换为利用光学器件在光路层面直接进行Faraday磁光效应偏转角的运算,不需要对时就能够直接测量线路差动电流,同时全光纤电流互感器测量范围宽、不存在磁饱和,能够真实反映线路不同状态下的差动电流变化情况。

1 全光纤电流互感器原理

全光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应和安培环路定理,通过测量由被测电流引起的磁场强度的线积分来间接测量电流。目前全光纤电流互感器数字闭环系统结构如图1所示[8]。

全光纤电流互感器数字闭环系统由光学系统、传感光纤元件、信号处理系统三部分构成。光学系统实现光信号的产生、转换;传感光纤元件将载流导体中的电流转换为两束相干光的相位差信息;信号处理系统实现对光信号调制与解调,计算待测电流。

由于携带相位信息的两束光在同一个光路中传输,因此温度、振动等外界因素对两束光的影响相同,则避免了外界因素对测量结果的影响,最终得到了两束光相位差与被测电流之间有着严格的对应关系。理想情况下,数字闭环全光纤电流互感器输出相移与被测电流之间关系[9]为:

式中:φF为Faraday磁光效应偏转角;V为传感光纤Verdet常数;N为传感光纤匝数;I为待测电流。

2 光差动保护

2.1 光差动保护结构

由于Faraday磁光效应可以叠加,利用全光纤电流互感器构成光差动保护,将输电线路两侧差动电流的测量转换为光路层面的Faraday磁光效应偏转角的运算,不需要对时即可实现差动电流测量。光差动保护结构示意图如图2所示。

光差动保护由光学模块、传感光纤、传输光纤、反射镜、信号处理模块组成。规定传感光纤以由母线指向线路顺时针绕向为正方向,输电线路两端传感光纤绕向均为正方向;为了保证测量线路两侧电流时变比一致,要求线路两侧传感光纤的Verdet常数与匝数均相同;传输光纤需要保证两束圆偏振光在传输过程中相位差及偏振态保持不变,故采用高双折射旋转光纤,同时要求增大圆双折射以抑制线性双折射的影响[15,16];信号处理模块通过闭环反馈获得两束线偏振光携带的相位差信息。最终,数字闭环全光纤电流互感器输出相移与线路两侧电流im,in之间关系为:

具体工作原理为:由恒定功率光源发出单一波长的自然光,经过起偏器起偏,经过45°尾纤分为两束线偏振光,经过相位调节、保偏光纤通过1/4波片变为左旋和右旋圆偏振光进入传感光纤1,由于载流导体磁场效应,左旋和右旋圆偏振光在传感光纤1中以不同的速度传输产生相位差;携带相位差信息的左旋和右旋圆偏振光通过通信光纤传输至线路对侧;由于传感光纤2内部载流导体磁场效应,两束圆偏振光会再次产生相位差;经过反射镜反射,沿原光路返回,Faraday磁光效应加倍;最终携带两侧差动电流信息的左旋和右旋圆偏振光经过数字闭环控制,输出差动电流。全光纤电流互感器通过数字输出将测量的差流直接送入微机保护接口,进行相应的数据处理,构成差动保护。

考虑到全光纤电流互感器不存在磁饱和、测量精度高、良好的动态响应特性,可以通过设定固定门槛值Iset构成差动保护动作判据。相量差动保护判据为:

当传感光纤出现损坏等故障时,光差动保护没有输出,不会出现传统差动保护因电流互感器断线而导致误动作的情况,因此Iset整定无需考虑躲过最大负荷电流,按躲过外部短路时最大不平衡电流整定即可。

当保护区内发生故障时,线路两侧电流相位相差不大,两个传感光纤中Faraday磁光效应偏转角方向相差不大,则最终数字闭环检测获得的φF会很大,即差动电流很大,计算所得差流相量的模值会超过门槛值,保护动作切除故障;当保护区外发生故障,线路两侧电流方向近似反相,两个传感光纤中Faraday磁光效应偏转角方向相反,则最终数字闭环检测获得的φF很小,即差动电流很小,计算所得差流相量的模值很小不会超过门槛值,保护不动作。

2.2 输电线路长度的影响

基于全光纤电流互感器构成的光差动保护,由于线路两端距离的影响,两束圆偏振光在传输光纤中会产生传输延时,会使得测量的差动电流存在误差,故有必要对光传输延时引起的测量误差进行分析。

不妨设两束圆偏振光由线路一端传输至另一端所需时间为t,稳态时线路两端电流为,则线路正常状态下测量的差动电流为:

式中:θ=ωt。

不考虑线路分布电容电流影响时,即Im=In成立,则测量的差动电流为:

由式(5)可以看出,不考虑线路分布电容电流影响时,光传输延时对差动电流的测量会带来幅值和相角误差,测量误差会随着传输延时的增大而增加。

传统线路差动保护不可避免存在同步误差,不妨设同步角差为φ,稳态时线路两端电流为,则在线路正常状态下测量的差动电流为:

不考虑线路分布电容电流影响时,即Im=In成立,则测量的差动电流为:

由式(7)可以看出,不考虑线路分布电容电流影响时,同步角差会对差动电流测量带来误差,同步角差越大则相应的测量误差越大。

目前超高压输电线路差动保护的同步角差可以控制在1°以内,则当传统差动保护因同步角差引起的测量误差与光差动保护因光传输引起的测量误差相等时,即

取φ=1°时,此时θ=10.72°,对应的输电线路长度为178km。即不考虑分布电容电流的影响,光差动保护应用在178km的输电线路时因光传输延时带来的测量误差与传统差动保护同步角差为1°时引起的测量误差相同。

通过上述分析可知,光差动保护不适宜应用在远距离输电线路中,同时输电线路长度越长其分布电容电流对差动电流测量的影响也越大。考虑到输电线路长度带来的光传输延时以及分布电容电流的影响,因此光差动保护应用的线路长度不宜超过100km。

通过上述分析,当传感光纤的长度较短时,传输延时以及温度、振动等外界干扰因素对光差动保护测量结果影响会更小,故光差动保护方案可应用在短引线差动保护、变压器差动保护、高压母线保护、3/2接线的母线差动保护等场合。采用光差动保护方案能够直接测量差动电流同时不存在磁饱和,在理论上能够一定程度改善上述差动保护的性能。

全光纤电流互感器的相位调制器的调制信号的周期T与偏振光由相位调制器经过传感光纤到反射镜的往返时间τ有如下关系:

当光差动保护应用于输电线路保护时,由于偏振光在光路中传输时间较长,则会使得相位调制器的调制信号频率很低,会大大影响解调信号的精度,甚至无法实现信号的解调。为解决该问题,在调制策略上采用倍频调制策略,使调制信号的周期为T=2τ/n,其中n为正整数,n的选取则是根据时间τ确定,以选择合适的调制信号周期,采用参考文献[8]中的方波调制和相关解调方法可以实现信号的调制和解调。

3 仿真分析

3.1 全光纤电流互感器建模仿真

为了验证光差动保护性能,首先需要建立全光纤电流互感器模型,根据图1建立简化的全光纤电流互感器闭环信号处理流程图[10],如图3所示。

对上述全光纤电流互感器动态模型进行合理简化近似,建立全光纤电流互感器输入信号与输出信号之间关系[11]:

对上式进行Laplace变换,可得:

式中:T=τ/(K2K3)。

由上述传递函数可知,全光纤电流互感器数字闭环控制为典型一阶系统,其时间常数为T,其中K1为Faraday磁光效应偏转角与待测电流的比例系数;K2为前置放大A/D数字量输出与待测相位差之间的转换系数;K3为后置放大D/A转换系数;τ为偏振光在传感光纤中传输时间。在PSCAD中搭建仿真模型参数为τ=1μs,K1=1.517×10-5,K2=3 276,K3=1.529×10-5。

在PSCAD中搭建全光纤电流互感器模型观察其暂态特性如图4所示,图中红色虚线为待测电流,黑色实线为全光纤电流互感器测量电流输出,待测电流在0.3s时发生突变。通过仿真输出波形可以看出,全光纤电流互感器具有较好的暂态响应特性。

3.2 光差动保护建模

利用PSCAD搭建如图5所示的500kV单回输电线路模型,系统电源采用集中参数表示,线路采用Bergeron模型。设置输电线路长度为100km,电源功角δ=20°,分别在母线M设置故障、M侧线路出口设置故障、线路中间设置故障,对比光差动保护测量差流与实际差流。线路参数见附录A图A1。

图6给出了系统正常运行时,黑色实线为光差动保护测量差流变化情况,红色虚线为实际差流变化情况,仿真说明光差动保护测量差流方案在系统正常状态下能够反映实际差流的变化。

附录A图A2(a)和(b)分别给出了保护区外f1点0.3s时发生单相金属性接地故障时,光差动保护测量差流和实际差流的暂态变化过程和稳态变化情况,其中黑色实线为光差动保护测量差流变化情况,红色虚线为实际差流变化情况,仿真说明光差动保护能够很好反映在区外故障时实际差流稳态变化。

附录A图A3(a)和(b)分别给出了保护区内f1点0.3s发生单相金属性故障和经400Ω过渡电阻接地故障时,光差动保护测量差流和实际差流变化情况,其中黑色实线为光差动保护测量差流变化情况,红色虚线为实际差流变化情况,由仿真波形发现,光差动保护测量差流在系统内部发生故障时能够反映真实差流变化。

仿真结果表明,光差动保护无需复杂的对时装置以及采样数据修正方法就能够获得输电线路两端差动电流,同时全光纤电流互感器测量范围宽、线性度好、不存在磁饱和,测量差流能够反映真实差流变化情况。

3.3 光差动保护动作特性

由于光差动保护测量差动电流能够较好反映实际差动电流变化情况,故可采用式(3)所示的固定门槛值的动作保护判据。在图5所示的仿真系统中,设置输电线路长度为100km,电源功角δ=20°,采用半周傅氏算法提取差动电流工频量幅值。

固定门槛值按躲过区外故障最大不平衡电流整定,即

式中:Krel为可靠系数,此处取为1.3;Ker为闭环检测全光纤电流互感器误差系数,根据保护用电子式电流互感器5TPE标准,此处可取为5%;Ik.max为外部短路时流过电流互感器的最大短路电流。考虑到输电线路电容电流的影响,在此整定值的基础上增加电容电流作为固定门槛值。由于光差动保护方案应用的线路长度较短因此线路空投时产生的暂态电容电流不会超过固定门槛值。

附录表A1和表A2分别给出系统在双端电源和单端电源运行状态下,发生内外部故障时光差动保护动作情况。由仿真数据可知,采用固定门槛值的光差动保护对区内故障具有较高的灵敏度,在区外故障具有较高的可靠性。由文献[15]给出的某厂家全光纤电流互感器实际运行数据可知,现阶段全光纤电流互感器的长期运行精度仍不够理想,因此为保证光差动保护的可靠性,在实际应用中需要进一步抬高固定门槛值。

4 结语

全光纤电流互感器是基于Faraday磁光效应和安培环路定理,将待测电流测量转换为Faraday磁光效应偏转角的检测,由于载流导体磁场效应可以叠加,在此基础上将输电线路两端差动电流测量转换为光路层面的Faraday磁光效应偏转角的运算构成光差动保护。光差动保护不需要繁复的对时就可以直接获得被保护线路的差动电流,采用固定门槛值的差动保护判据时按躲过外部短路故障时最大不平衡电流整定即可。在PSCAD中搭建光差动保护模型,由仿真结果可知光差动保护测量的差流能够很好反映实际差流的变化情况,采用固定门槛值的光差动保护对区内故障具有较高的灵敏度,在区外故障时具有较高的可靠性。本文对光差动保护方案做出了一些有益的探索,但光差动保护实用化还有许多问题需要解决,如传感光纤震动问题、传感光纤的线性双折射问题以及温度变化的影响等,仍有待进一步深入研究。

光线路保护系统 篇3

关键词：光线路自动保护,OMSP,门限

随着传输带宽需求的从未间断的增长, 波分复用系统 (D W D M) 系统在国内电信运营商内应用非常广泛, 近年运营商的D W D M系统部署也不仅仅在长途骨干网、本地中继传输网络, 甚至在县乡级开始部署D W D M网络, 以适应业务发展的需求。

在电信D W D M网络中应用光线路自动保护 (O L P) 技术和和冗余光纤线路, 构建光缆保护网络, 对线路实行1+1或1:1方式的线路保护, 有效降低光缆线路故障对于传输系统网络的影响, 可有效提升网络的安全性, 也可应对线路通信保障可用率指标的要求。下图1为OLP在传输系统中的示例图。

1、光线路保护功能简介

1.1 OLP系统可以实现的功能

自动切换功能:主线路光纤阻断, 自动切换至备线路, 保证通信业务无阻断;检修调度功能:在主线路正常的情况下, 可由网管或设备面板发出指令调度切换工作路由, 保证通信业务无中断;主备纤插损监测功能:可实时监测主用和备用路由的线路插损状况, 并根据设定的告警门限告警提示;掉电、上电保持功能:切换盘掉电或上电, 不影响主备用路由的切换状态, 保证系统正常工作;并具备热插拔功能。

1.2 光线路保护的实现方式

光线路保护的实现方式主要实现方式有两种, 一种为纯粹进行光缆线路的冗余备份, 另一种为光放大器等单元与光缆线路结合的保护备份方式。

在福建电信网络中现有烽火D W D M系统, 采用O M S P (光复用段保护) 的方式进行对光缆线路和主用D W D M系统设备双保护。这种保护方式如下图2示:

可以看出在光线路单元O B A (后放大器) 、O P A (预放大器) 以及OSC (光监控) 通道都是单独工作的, 有效地保护光缆线路以及波分复用系统的关键机盘。

1.3 保护倒换原理

当O M S P光线路保护盘在检测出当前工作线路L O S即无光情况, 或者低于达到设定的门限值时进行光开关的保护切换动作。

2、配置故障案例

在实际网络应用中, 发现在光缆故障时偶发有OMSP光复用段保护不起作用的情况, 即在光缆中断时光开关未进行切换工作, 系统中断。对系统的光路进行细致分析后发现, 光盘的设置可能影响O M S P功能的正常工作发挥。下图为在福建省网烽火D W D M中, O M S P盘的实际配置的光纤流程图:

福建省网烽火DWD M中, 在网管上读取的OMSP盘主用RX (M) 和备用RX (P) 输入光功率, 与网管预先保存值进行比较后进行倒换动作。

OMSP盘有两种门限值的设定:光功率告警的光功率门限值设定, 一般设定为比正常值低3dB;LOS收光丢失的光功率门限设定, 一般设定为比正常值低5dB。在现网中, 烽火OMSP盘倒换的光功率门限值设定为收无光门限值。

如果现场验证OMSP盘的工作门限设定为正常值, 倒换失效的原因在与其关联的OBA盘上。经过检测和实验, 发现确实为OBA盘的设置问题导致OMSP工作异常。

在光放大盘中, 根据ITU-T规范为了保护维护人员的安全, 设备出厂时一般有APR (光功率自动下降) 或ALS (激光器自动关闭) 功能设置选项, 在烽火DWDM中, 这项功能被称作眼保护。OBA盘的眼保护设置功能为当线路故障时收到OPA传来的低光或者无光信号时, 如果出现了收无光的告警, 此时OBA的输出光功率有有两种情况:如果OBA的眼保护状态设定为“禁止”, OBA的输出光功率会保持在+6dBm。如果OBA的眼保护状态设定为“关”, OBA的输出光功率会保持在0dBm。

光线路保护系统 篇4

电力系统线路继电保护是指高压输电线路继电保护装置间传递的远方数字信号,要求极高的可靠性、安全性和较短的传输时延,是电力系统安全、稳定运行的可靠保证。电力系统由于受自然的、人为的因素影响,不可避免地会发生各种形式的短路故障和出现异常状态,这些状况都可能在电力系统中引起事故。继电保护的任务就是当电力系统出现故障时,给控制设备(如输电线路、发电机、变压器等)的断路器发出跳闸信号,将发生故障的主设备从系统中切除,保证无故障部分继续运行。在电力系统中,线路继电保护应用在输电线路上,包括500k V、220k V和部分110k V线路。

2 中山电网电力通信线路保护业务现状及存在问题

2.1 业务现状

对通信通道的需求,线路保护优先选择光纤通道作为主通道,采用专用光纤或E1通道,可尽量减少保护通道中的转换设备。独立通道如果全部采用传输网,则分别承载在传输A网和传输B网上。

中山电网应用的线路保护通信通道主要有光纤、E1、载波三种,如图1所示。其中:

(1)光纤电流差动保护采用光纤通道(专用或复用);

(2)高频距离保护采用光纤通道(专用或复用)或载波通道;

(3)高频方向保护采用光纤通道(专用或复用)或载波通道。

专用通道方式是指线路两侧保护装置之间直接通过导引线或光纤传输保护信息。一个通道独占2根导引线或纤芯,由保护装置把保护信息编码后传送到对端,中间不经过任何数字复接设备。复用通道方式是指线路两侧保护装置通过电力通信网传输保护信息。

目前,中山电力通信网承载着中山电网71条输电线路的继电保护业务,其中500k V的输电线路8条;220k V的输电线路57条;110k V的输电线路6条。且每条500k V线路配置两套主保护和两套过电压远跳辅助保护;每条220k V线路配置两套主保护;每条110k V线路配置一套主保护。应用的保护主要有微机高频方向保护、微机高频距离保护、光纤电流差动保护等。

2.2 存在问题

2.2.1 通信网络架构的问题

目前,中山电网运行的光纤通信网主要基于SDH/MSTP技术体制,网络结构以环网为主、链型为辅,正常情况下满足“N-1”通信通道保障。基于SDH/MSTP技术体制的传输网络缺乏智能化,网络拓扑、业务路由和业务带宽都是预先设置并固定的,缺乏灵活性。在线路、设备检修期间,难以满足网络“N-1”通道保护功能,导致线路保护业务存在可靠性风险。

2.2.2 专用光纤通道的问题

目前,中山电网运行的线路专用光纤通道均按照主备用配置,所以每条线路的每条专用光纤通道独占4根纤芯,消耗大量的纤芯资源,因此对光纤网络的覆盖范围、冗余度都有很高的要求。由于光纤网存在一些瓶颈,对于配置了两套专用纤芯保护的线路,经常出现难以安排不同物理路由的通道的情况。

2.2.3 复用2M通道的问题

目前在中山电力通信网传输继电保护信息的实际应用中,复用通道采用E1线路保护方式,通道由同步数字系列(SDH)光传输网提供。复用通道方式下保护装置与通信SDH设备之间连接如图2所示。

由图2可知,因为保护装置和通信设备之间没有统一的光接口直接连接,在保护装置与通信设备间还需光电转换设备(如MUX2M等)来实现接口匹配,即通过光电转换设备将保护装置产生的光信号转换成2Mbit/s电信号,再通过同轴电缆连接通信SDH设备的2Mbit/s电接口,从而将2Mbit/s信号传送给通信SDH设备,然后通过通信SDH光传输网将保护信号传输至对端保护装置。这种方式的应用存在如下问题:

(1)设备连接复杂,光电转换设备不能网管监控,故障率高。从继电保护装置端到端通信连接来看,信号中间转换过程十分复杂,大量的光电转换、跳线、跳纤使得工程实施复杂,可维护性差。此外,目前一套接口装置只能对应一条线路保护通道,如果通道数量多必须配置多套接口,投资增加且占用机房屏位。

(2)不同厂家的远方保护设备和数字复用设备无法互连。在用光纤传输继电保护信息时,远方保护设备和数字复用设备之间的光纤接口通信规范往往由各个继电保护设备厂家制定,并且仅仅使用在本厂的设备上。因此在一个线路纵差保护系统中,必须使用同一厂家的远方保护设备和数字复用设备。随着通信系统日益标准化,这一现象阻碍了光纤通信系统在继电保护信息传输中的应用。

(3)现场调试及故障定位困难。互联后,如保护装置出现误码或通道异常告警后,由于复用通道经过各级通信设备,很难区分到底是哪个环节出现问题(共有8个环节可能出现问题),只能通过分段自环的方式检查,且必须变电站两侧均派人检查,检查工作会同时涉及通信专业和保护专业,尤其在线路两侧分属不同部门时,需要各单位各专业密切配合才能检查出问题。有时各段自环没有问题,但是互联后就有问题,此时就更难检查问题出在哪里,导致人力物力的浪费。

3 2M光接口

随着计算机技术、通信技术、信息技术的飞速发展,许多新技术在电网二次设备中得到了应用和尝试。近年来,尤其是61850标准逐步推广,中山电网三乡数字化变电站改造成功,各类控制系统在厂站端趋向融合。针对中山市电力通信线路保护业务存在的问题,线路保护业务的发展在现有通信要求上,提出了接口光纤化的新要求。如继电保护与自动化在站端使用同一网络,信息共享等业务发展也对通信提出接口光纤化的要求。2M光接口的应用可以很好地解决了2.2节所述的问题。

3.1 2M光接口应用研究

在中山,电网光纤差动保护应用越来越广泛,500k V、220k V线路都作为主要继电保护方式。GB14285《继电保护和安全自动装置技术规程》中明确规定:“具有光纤通信的输电线路应优先采用光纤作为传送继电保护信息的通道”。传输继电保护信息的通信通道既可以是专用通道,也可以是复用通道。

利用2Mbit/s光接口,变电站之间保护装置通过电力通信网的通信通道组织如图3所示。

2Mbit/s光信号在A、B站保护装置之间的收发过程如图4所示。首先,A站保护装置对保护信号进行编码并将其转换为标称速率为2048 kb/s的光信号,通过光纤传输到A站通信传输设备的2Mbit/s光接口,经过光电转换处理后对2Mbit/s电信号进行时钟信息提取,所得的时钟信息用来保证A站和B站通信传输设备信号传输的同步性;两站同步后,A站通信设备对2Mbit/s电信号进行复用,形成STM-N电信号,然后经过光电转换变成STM-N光信号,通过通信通道传输至B站,再通过光电转换、解复用、解码等步骤,最终B站保护装置接收到A站保护装置发送的保护信号;B站对信号分析处理后,以同样的方式发送相应的信号至A站,从而达到A、B站保护装置相互通信的目的。

3.2 2M光接口业务模型

中山电网运行的500k V线路保护有主1保护、主2保护、辅A、B保护,均为双通道配置。通信通道有三种组合方式:全部采用复用光纤2M方式,共6个2Mb/s;采用专用光纤+复用光纤2M方式,共3对纤芯、3个2Mb/s;采用复用载波+复用光纤2M方式,共3对复用载波机、3个2Mb/s。

如果将复用光纤2M方式改造成2M光接口,复用载波改造成专用光纤或者2M光接口方式,中山电网500k V线路保护业务通信通道典型配置模型如图5(a)、(b)所示。主要有以下两种组合:(1)全部采用复用光纤2M方式,共6个2Mb/s;(2)采用专用光纤+复用光纤2M方式,共3对纤芯、3个2Mb/s。

中山电网运行的220k V线路保护有主1保护、主2保护,分别配置独立的通道。通信通道有两种组合方式:(1)采用专用光纤+复用光纤2M方式,共1对纤芯,1个2Mb/s;(2)全部采用专用光纤方式,共2对纤芯。如果将复用光纤2M方式改造成2M光接口,或考虑纤芯资源紧张的情况,中山电网220k V线路保护业务通信通道典型配置模型如图6所示,有(a)、(b)、(c)三种组合。

在纤芯资源紧张的情况下,500k V、220k V、110k V线路保护业务均可采用2M光接口的方式。500k V共6个2Mb/s;220k V共2个2Mb/s;110k V共1个2Mb/s。

上述500k V、220k V线路保护通信通道典型配置模型中,500k V线路每套主保护采用两组完全独立的通道,不会因一条通信线路或一台通信设备故障,使线路同时失去一套或两套主保护;500k V每套过电压远跳辅助保护的信号传输通道按双重化原则配置,远跳装置的信号传输采用两组完全独立的通道;220k V线路两套主保护分别采用不同物理路由的通道,各自相互独立,不会因一条通信线路或一台通信设备出现故障,使线路同时失去两套主保护。

4 结束语

随着统一的2M光接口的应用,线路保护与其他控制系统在厂站端更加趋向融合。保护装置与通信设备之间通过2M光接口直接连接,使线路保护业务设备之间互连更加简化,现场安装调试、日常运行维护更加容易,并且可用于指导通信网规划和线路保护业务接入通信网络的实施。因此,2M光接口在变电站生产业务接入中具有很好的发展前景。

参考文献

[1]李瑞生.光纤电流差动保护与通道实验技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]陈志军.国内外变电站无人值守的比较与思考[J].广东电力,2006,19(1):35-38.

[3]蔡春元.中山电网EMS安全管理及安全对策研究[D].成都:电子科技大学,2009年.

光电式电弧光保护系统的应用 篇5

中、低压母线在发生短路故障时产生的电弧光对设备及人员造成极大的危害。但是目前国内中、低压母线系统中一般不配置专用的快速母线保护, 而是依赖上一级变压器的后备过流保护来切除母线短路故障, 这样导致了故障切除时间的延长, 加大了设备的损伤程度, 该问题已经引起了业内专业人士的高度重视。本母线电弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理, 使保护动作快、可靠性高, 填补了中、低压专用快速母线保护的空白。

母线电弧光保护系统满足中国电力行业标准DL/T404-1997 (IEC298-1990) 的附录A, 按户内交流高压开关柜内部故障减灾措施的要求, 在跳闸回路里采用了快速继电器Triac技术, 确保系统出口跳闸动作时间小于1 m s, 远远快于传统的母线保护, 对开关柜的内部弧光故障总切除时间可以控制在100ms以内。本保护系统可以确保操作人员安全, 将故障损失降到最低, 为快速处理故障、恢复供电创造条件。

1. 装设电弧光保护的必要性

1.1 电弧光产生的原因

a.误入带电间隔

b.隔离开关误操作

c.带接地线合闸

d.忘记测量工作区内的电压

e.设备故障和带电设备的误操作

f.设备正常检修后, 遗漏工具在开关设备内

g.错误的开关柜内外接线

h.错误的母线连接

i.绝缘老化和机械磨损、过电压

j.小动物 (尤其是老鼠) 、灰尘、湿度、温度、腐蚀等环境因素

1.2 电弧光的危害

a.电弧光中心温度相当于太阳表面温度的2倍, 约为2 0 0 0 0摄氏度, 由于过热将导致铜排、铝排烧毁气化

b.电缆烧毁, 电缆护套着火

c.过热导致压力上升, 使开关设备爆炸

d.开关设备强烈振动, 使固定元件松脱

e.高温烧灼皮肤, 强光刺伤眼镜

f.产生大量的有害气体, 伤害呼吸系统

g.爆破音震损耳膜、肺脏

h.碎片飞射, 造成人员伤害, 甚至死亡

电弧光故障的危害程度取决于电弧电流大小及切除时间长短, 电弧光产生的能量I2t与电弧故障切除时间t成指数规律快速上升。只有总切除时间小于1 0 0 m s, 才能使设备不遭受结构性损害。

1.3 目前用于中、低压母线的保护方式及其局限性

目前用于中、低压母线系统中常用的保护方式有以下三种:

1) 变压器后备过流保护 (典型的动作时间为1.2s~2.0s) 。

2) 采用馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护 (典型的保护动作时间为3 00 m s~500 m s) 。

3高阻抗母线差动保护 (典型的保护动作时间为30ms~55ms)

由图1可知:1和2两种保护对总切除时间小于100ms的要求来讲, 时间太长;而3保护范围受CT安装位置的限制, 接线复杂, C T要求高, 且价格昂贵。

2. 工作原理及其优点

2.1 原理介绍

电弧光保护动作判据为故障时产生的两个条件:弧光和过电流。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号;当只检测到弧光或者电流增量时发出报警信号, 并不会发出跳闸指令, 如图2所示。

2.2 弧光保护优点

动作迅速可靠:跳闸回路里采用了快速继电器Triac技术, 确保保护系统在1ms内发出跳闸信号, 使开关柜内部电弧光故障总切除时间控制在100ms以内, 而且在外观上无明显损坏。

故障点定位功能:根据弧光传感器的实际安装位置可以实现分区保护的功能, 弧光传感器可以安装在开关设备的任何位置 (一般装在母线室内, 以检测母线故障) , 并在主控单元上显示故障发生的位置, 此功能可以减少故障处理时间, 快速恢复供电。

抗干扰能力强:电弧光保护系统采用无源弧光传感器探测弧光, 系统主控单元、弧光单元、电流单元及弧光传感器采用了光纤星形及传输技术, 且装置完全满足电磁兼容E M C的标准, 确保了整个弧光保护系统的可靠性及高强的抗干扰能力。

配置灵活、适应性强:系统使用先进的处理器技术, 通过对弧光和过电流动作信号的灵活编程, 可对各段母线提供选择性保护, 适用于不同类型的接线和运行方式。

3. 杨家岭变电站的应用

变电站母线电弧光保护系统主要由主控单元、电源模块、电流单元、弧光单元、弧光传感器及连接各部件之间的光纤和数据线组成, 如图3所示。

主控单元:主控单元用于管理、控制整套电弧光保护系统。它检测故障电流和弧光信号, 并对收到的两种信号进行处理、判断, 在满足跳闸条件时, 发出跳闸指令以切除故障。主控单元通常安装在母线系统电源进线柜或电源进线柜旁边开关柜的二次控制门板上。主控单元有4个数据输入接口, 共可接24个弧光单元或电流单元;输出接口包括4路快速跳闸输出和6路常规继电器跳闸输出;共有4+1 6个弧光检测接口。当弧光信号输入超过1 6个小时, 推荐采用弧光单元。此外, 主控单元根据弧光单元或者弧光传感器输送的信号, 能准确地判断故障点位置。主控单元的逻辑编程操作方便, 可根据用户不同接线和运行方式选择跳闸逻辑。

电流单元:电流单元用于检测过电流信号, A、B、C三相电流均可检测。同时可匹配5A、2A和1A的电流互感器, 其中电流的整定可以通过面板上的电位计来调节, 整定范围从50%至500%。电流单元检测到的信号通过光纤和数据线传输到主控单元, 主控单元依据已设定的逻辑判断是否发出跳闸指令。

弧光单元:主控单元自带的弧光检测接口 (由弧光传感器输入) 有1 6个, 若母线系统要求的检测点超过此数值, 推荐采用弧光单元, 其地址可以通过拨码开关来设定。每个弧光单元包含10个弧光检测接口, 这些接口均为光纤接口, 用于连接弧光传感器。弧光传感器的感光强度则可以通过弧光单元面板上的电位计来调节设定, 可以从10Klux调节至50Klux。弧光单元检测到的信号通过光纤和数据线传输到主控单元, 主控单元依据设定的逻辑, 判断是否发出跳闸指令。弧光单元通过安装在选定的某个开关柜中, 选择的原则是保证该单元相关光纤使用量较少。

弧光传感器:专用于母线保护的无源弧光传感器安装在开关柜的母线室内, 是检测弧光的光感应元件。当发生电弧光故障时, 光强度大幅度增加, 弧光传感器直接将光信号传送给主控单元或者弧光单元。

光纤三工器:电弧光保护系统光纤三工器可以在标准数量的保护通道不足的情况下, 非常方便地扩展保护点, 并且节省相应费用。在不影响电弧光保护系统功能的情况下, 满足了用户扩展保护点的要求, 给用户带来了极大方便。

4. 结语

电弧光保护能快速切除中低压母线故障, 保证输配电网的安全运行。目前, 株洲电业局杨家岭变电站1 0k V母线已安装了RIZNER-Eagle Eye光电式电弧光保护, 运行效果良好, 并可作为参考, 广泛地应用在其他中低压母线上, 发挥其应有的作用。

摘要：分析现有的中低压母线保护方案及存在的不足, 介绍了电弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理以及其保护动作快、可靠性高等特点。该装置的应用, 填补了电网中低压母线没有快速保护的空白, 提高了系统安全运行水平。

关键词：中低压母线保护,电弧光保护,快速,可靠

参考文献

[1]陈新.预防主变压器因外部短路引起损坏事故的对策田.电力安全技术.2002 (, 12)

一种新型智能光路保护系统 篇6

通信技术的飞速发展,全光网络概念的出现,通信信息量的极大增长,使光纤通信网络在电信网中作为传输支撑网络的重要性已越来越明显。光缆线路一旦发生故障,造成通信中断,其损失是难以估量的。据统计我国每年发生2 000次以上的光缆阻断,造成10亿元人民币以上的巨大直接经济损失[1]。因此,对光缆线路实时监测与管理,及时发现光缆故障并快速自动保护倒换,对提高网络生存能力是至关重要的[2]。

目前,各电信运营商采用的光网络保护方式主要有以下四种:人工调度预案保护、光路分流保护、SDH自愈环保护、光路自动倒换保护[3]。由于人工调度预案保护和光路分流保护方式的效率较低,已无法满足无阻断通信服务质量的要求;SDH自愈环保护方式的应用有限,保护机制复杂,并且干线SDH自愈保护的功能无法实现;光路自动倒换保护是对光传输层的保护,且控制只针对光纤路由,与传输设备关系较小,不存在兼容问题,容易组成光路保护网络。本文所介绍的智能光路保护系统正是此背景下的具体技术实现。

1 智能光路保护系统工作原理及结构

本智能光路保护系统采用1+1保护方案,图1为系统自动保护设备工作原理图。光同时通过工作光纤1和保护光纤1传输,在接收端保护设备选择其中的1路光传送给光传输设备。正常情况下,由主控单元(主单片机)在不同的时间间隔分别对工作光纤2和保护光纤2进行光功率实时采样监测,并将其与预先设定的三级不同报警级别的光阈值进行比较,以确保工作光纤和保护光纤均处于完好状态。一旦监测到工作光纤线路发生故障,主单片机立刻发送倒换命令给从单片机,从单片机驱动光开关实现光路倒换,同时,将倒换结果通过主单片机反馈给上位机网管中心。1+1保护方案虽然会给光纤通信系统带来3 dB附加损耗,但无需自动保护倒换协议(APS),工作原理简单,倒换速度快,适用于大客户接入保护以及短距离局间保护等。

自动保护设备采用一主一从双单片机,主单片机负责光功率实时监测、数据处理显示以及和上位机通信,从单片机负责键盘处理、光开关倒换和告警灯LED控制,主从单片机之间采用并行接口通信。设备和上位机网管中心之间通过RS232接口或GPRS接口通信,如图2所示。

2 智能光路保护系统的设计

2.1 硬件设计

光功率实时监测单元由光电转换电路、信号调理(程控放大)电路和A/D转换电路组成。

在每一个保护设备的接收端都有两路光电转换电路,如图1所示,它们分别将从工作光纤2和保护光纤2中分离出的5%光信号转换成电流信号,用于光功率监测。该电流信号有两个特点:信号的绝

对值较小(1 nA),信号的动态范围大(1 nA ~10 mA)。因此,信号调理电路需将电流信号转换成A/D转换器对应的电压信号,并保证在整个范围内有合适的精度。实现的方法有两种:直接采用对数放大器和设计符合系统输入特点的程控放大电路[4]。由于对数放大器的市场价格较高,本系统采用后者。根据系统总体设计,监测光功率的范围为-50~10 dBm,采用6级程控放大,即每级对应的光功率恰好为10 dBm。

主单片机根据采集的信号自动选择不同的放大通道,其中一级放大的放大系数最大,反馈电阻最小。整个信号调理电路由LF411、HEF4051、74LS375、CA3140及一些分立元件组成,其中,集成运放LF411具有非常低的输入偏置电压和非常小的温漂,与周围各级精密电阻结合实现电流信号的分级放大处理。模拟通道选择器HEF4051及其周围精密电阻用以实现程控放大。锁存器74LS375用于锁存程控放大的档位选择参数。高速集成运放CA3140具有极高的输入阻抗和极低的输入电流,在电路中用作电压跟随器,对信号进行稳定处理,以提高放大信号的质量。

在工作光纤2和保护光纤2监测通道再各用1个16位的A/D转换芯片AD7705测量每一路经信号调理的电信号,以提高采样精度,最终实现光功率的A/D转换,如图3所示。本系统由2.457 6 MHz外部晶振提供时钟信号,以最高500 Hz的转换速率工作,由MC1403提供2.5 V外部参考电压。整个光功率数据的采集主要是通过程控放大开关的切换和A/D采样过程联合完成的。

主单片机通过主、从单片机通信电路向从单片机发送操作命令(如:光开关倒换命令、告警灯操作命令等)。主、从单片机间采用并行数据通信方式。如图4所示,数据总线通过8255扩展,并配有2对握手信号线。数据总线双向传输,握手信号线单向传输。同时,从单片机通过该通信电路向主单片机传送按键的键值和光开关操作反馈结果。

光开关自动倒换控制由从单片机及光开关驱动电路共同实现。从单片机根据主单片机发出的光路倒换命令,通过光开关驱动电路实现对收、发两个光开关(一组)的状态控制,实现工作光纤通道与保护光纤通道间的倒换。光开关驱动电路如图5所示,单片机P0.0端口负责光开关的驱动控制和状态检测,由于单片机输出的驱动电平信号不足以直接驱动光开关倒换,因此利用三极管对该驱动脉冲信号进行放大。驱动信号为脉宽约10 ms的正脉冲信号。

2.2 软件设计

2.2.1 光功率实时数据采集处理

在系统软件设计中,主单片机的数据采集处理模块是光功率实时数据采集和处理的关键,也是实现光功率实时监测的重要组成部分。该模块分为A/D采样、采样值转换成光功率和数据处理三部分。

A/D采样软件主要是为了提高采样电压的精确度。由于程控放大电路中相邻两个反馈电阻阻值相差10倍,采样参考电压为2.5 V,采样时若电压太低或太高都会使采样值不够精确,因此采样电压范围不选择满范围0~2.5 V,而选择0.2~2.0 V,即下限电压和上限电压相差10倍,因而在超出限定采样电压范围,并向相邻放大档位倒换后,采样电压原本处于上限(或下限),在档位切换后就处于放大档位的下限(或上限)了,使档位切换过渡比较平稳,档位之间衔接比较连贯,提高了信号的采样精度。

采样值转换为光功率部分将A/D采样得到的16位数据S根据下式计算得出对应的光功率:

采样电压:$V{}_{\text{S}}=\frac{S}{0\text{x}\text{F}\text{F}\text{F}\text{F}}\times 2.5(\text{V})$

光电流:${\rm I}=\frac{V{}_{\text{S}}}{\text{当}\text{前}\text{档}\text{位}\text{电}\text{阻}\text{值}}\times 1000(\text{m}\text{A})$

光功率:${\rm P}=10\lg \frac{{\rm I}}{0.9}(\text{d}\text{B}\text{m})$

式中0xFFFF为A/D满量程时的采样值。接着将这些浮点数格式的数据转化成定点数格式,最后通过乘十或除十运算提取每一位的数值,将其规格化为如图6所示的BCD码的光功率数据格式。

数据处理软件设计是将前面两部分得到的监测光功率数据放大相应倍数,转化成光纤中实际传输的光功率,将其与主单片机中设置好的各级光功率阈值进行比较,判断是否需要告警和倒换,下达相应的控制命令给从单片机,同时记录相应的日志,并在实时光功率数据前后加上数据包头、标签头、工作通道编号、时间值、告警级别、光功率阈值、CRC校验码和数据包尾,组成实时光功率信息数据包,存储在外部RAM中等待上位机查询。

2.2.2 主、从单片机通信协议

光开关自动倒换需通过良好的双机通信协议实现。系统中所有的动作操作都由从单片机完成,而所有的命令均由主单片机判断及下达。由于主、从单片机之间是通过并行接口通信的,所以主、从单片机之间的交互操作主要通过两个单片机之间的2对握手信号线传输握手信号代码和命令信息以及它们的工作状态信息的相互查询实现的。握手信号代码定义如下:“11”为有数据准备发送(发送方输出);“10”为允许发送数据,准备接收(接收方输出);“01”为数据有效,请接收(发送方输出);“00”为数据接收完毕,结束操作(接收方输出)。

主单片机工作状态的定义是与其设备运行状态的显示一一对应的,这样有助于协调显示—主单片机—从单片机三者相互工作的关系。如图7所示,对主单片机的所有工作状态按程序的执行顺序划分层次,如果同一个层次中有多个工作状态,再以子状态进行区分。这样,主单片机的每一个工作状态与一个层次变量值和一个子状态变量值组合一一对应。如图8所示,将这两个变量值融合到一个字节中,用一个全局变量(Vstate)存储,这样主单片机的每一个工作状态就有了唯一的值,从单片机通过查询该全局变量来选择向主单片机发送不同类型的信息。

由于主、从单片机交互操作时传输的内容只有以下3种情况:主单片机向从单片机发送控制命令代码;从单片机向主单片机发送刚接收到的控制命令的操作反馈信息;从单片机向主单片机发送键值信息。因此每次交互操作只传送1个字节就能够表示主、从单片机之间传递的所有命令信息,如图9所示。字节最高位“1”表示传递的是命令信息,“0”则表示传递的是键值信息。高半字节的末三位将命令代码与判断键盘功能特征键“Fn”是否按下信息相结合,“001”表示“Fn”键被按下,“000”表示“Fn”键未被按下或发送的是命令代码。控制命令代码、命令内容、命令反馈信息、键值均只占用低半字节。

2.2.3 光开关倒换

从单片机接收到主单片机发送的“光开关倒换”命令信息后,根据目前工作光纤所在的通道位置将从单片机所连接的倒换通道的相应端口置高,以驱动光开关倒换,同时拉低对应的倒换通道的检测端口,查询倒换反馈结果,判断倒换是否成功。表1为主单片向从单片机发送的有关光开关倒换及告警的操作命令。表2为从单片机向主单片机发送的光开关操作反馈信息。

2.3 光路自动倒换的控制与显示

上位机网管软件的主要功能是轮询各智能光纤自动保护设备,收集各设备上传的实时光功率数据,并进行显示、存储及管理,向设备发送远程控制命令,可远程控制设备进行光路倒换、光功率阈值修改等操作。本系统网管软件用Delphi 7.0开发,数据库采用Access 2000,方便系统的移植。

3 实验结果

为了测试本系统光功率监测的测量精度,用便携式Agilent N3974A作为光源,通过光衰减器进行调节,将系统的测试结果与Agilent N3970A光功率计进行对比。测试数据如表3所示,可见系统测量误差在±0.6 dB以内。

系统的主要性能指标为:监测波长1 550 nm,监测光功率范围-50~+10 dBm,通信速率14.4 kb/s,单次采集实时光功率数据所用时间29 ms,光开关倒换速度≤10 ms,通道倒换速度<50ms,系统插入损耗≤4.7 dB(由于采用1+1保护方案,会给系统带来3 dB附加损耗);分辨率0.05 dB;测量误差±0.6 dB。

本文介绍的智能光路保护系统通过光功率实时监测和光开关快速倒换,保障光通信系统的无阻断通信。该智能光路保护系统是针对线路故障而设计的,是完全独立于各通信系统的网元设备。系统可应用于DWDM和SDH系统、电力系统通信、广电传输保护、专网传输保护以及光层保护等。

参考文献

[1]武汉光讯科技有限责任公司.光路自动切换保护系统在光线路保护中的应用[J].光通信技术,2005,29(4):63-64.

[2]曹俊忠,鲍振武.快速故障检测光路自动切换系统设计与应用[J].电子测量与仪器学报,2004,18(1):34-37.

[3]吴湛.光路自动切换保护技术的原理和应用设想[J].电力系统通信,2006,27(2):17-20.

光线路保护系统 篇7

1 电弧光的产生及危害

煤矿企业是电能的重要用户, 又是特殊用户, 对供电有着特殊的要求, 矿井电网运行的安全性和可靠性是煤炭安全生产的重要保障。在矿井电网系统中, 6k V~35k V中低压开关设备应用量大面广, 出现事故的频率较高, 各地已发生多起因电弧引发的矿井电网灾难性事故, 造成了严重的人身和财产损失, 已引起煤炭行业内专业人士的高度重视。引发电弧事故的因素包括很多, 如误入带电间隔、隔离开关误操作、带接地线合闸、设备故障和带电设备的误操作、忘记测量工作区内的电压、错误的开关柜内外接线、遗漏检修工具在开关设备内、小动物、灰尘、湿度、温度、腐蚀等环境因素等。

中、低压母线发生电弧短路故障时, 所产生的电弧光会造成供电设备内的压力和温度迅速升高, 如不及时切除、将对供电设备 (包括主变压器、开关设备等) 造成重大危害, 并可能严重危及整个电力系统及人身安全;但由于目前国内中低压电网一般不配置专用的快速母线保护, 而是依赖上一级变压器的后备保护切除母线短路故障, 因故障切除的时间过长, 加重了设备的损伤程度, 破坏严重时可能造成事故进一步扩大, 威胁电力系统的稳定运行, 但如果装有专用快速保护装置, 故障发生时保护瞬间动作, 在电弧产生之前将故障及时切除、快速消除电弧短路故障, 就可以迅速恢复正常供电, 损失也会大大降低。根据继电保护快速性的要求, 为了保障变压器及母线开关设备的安全稳定运行, 迫切需要配置相对完善的中低压母线保护, 应用电弧光保护新技术可以更好地保护电力设备安全。

2 电弧光保护系统组成

DPR360ARC电弧光保护系统是一个模块化系统, 包括主控单元 (DPR361ARC) 、电流单元 (DPR391ARC) 、弧光扩展器 (DPR392ARC) 和弧光单元 (DPR393ARC) 。该保护系统采用模块化结构配置, 适合于各种不同场合的电弧光保护应用, 可以组成从只有一个主控单元的简单系统, 到包含多个单元能用于选择性电弧光保护的复杂系统。该保护系统构成示意图如图1所示:

3 电弧光保护系统工作原理及特点

3.1 原理介绍

DPR360ARC电弧光保护系统采用弧光探头采集光信号, 在中低压电网母线及开关设备内部产生弧光时, 电弧光保护系统能快速动作, 使供电设备免受电弧事故危害, 保护了设备和人身安全, 提高了矿井电网的抗灾难事故的能力。

DPR360ARC电弧光保护系统以电流采集单元为基础分组, 总计272弧光探头可以整定关联到任意一组电流信号上。

当弧光单元把光信号从弧光传感器传输到主控单元时, 并且同时电流启动元件动作, 电弧光保护动作, 电流启动元件分为突变量启动元件和电流常量启动元件, 两个元件取或逻辑;装置可选择弧光信号动作单判据作为动作逻辑判断。其原理如图2所示。

3.2 电弧光保护的主要特点

DPR360ARC电弧光保护系统采用弧光检测和过电流检测双判据原理, 保护动作速度快, 可靠性高, 能够有效保证人身安全, 将事故造成的损失降至最低, 是目前国内较为理想的母线保护解决方案, 其主要特点如下:

动作迅速可靠:跳闸回路中采用了多路快速继电器技术, 使跳闸保护动作的时间可控制在4 ms以内, 而且在外观上无明显损坏。采用过流及弧光双重判据, 可以实现保护的可靠动作及整套系统连续自检, 有力保证整套保护系统工作的安全可靠性。

故障点定位功能:通过在开关设备内安装弧光传感器, 弧光保护系统可以自动检测故障点的具体位置, 并在主控单元上显示出故障发生的位置, 为故障检查处理提供可靠的依据, 有利于缩短故障处理时间, 快速恢复供电。

抗干扰能力强:电弧光保护系统采用无源弧光传感器探测弧光, 并采用光纤星型连接方式。主控单元和电流单元、主控单元和弧光单元、主控单元和弧光扩展单元、弧光单元和弧光扩展单元之间采用单模通信光缆连接, 主控单元和弧光探头、弧光单元和弧光探头之间采用专用光缆连接。通过新型光纤连接传输, 光电转换过程可以在装置内完成, 且装置完全满足所有电磁兼容 (EMC) 标准, 这就确保了整个弧光保护系统具有很高的可靠性及抗电磁干扰能力。

配置灵活、适应性强:系统使用先进的逻辑可编程处理器技术, 采用模块化结构设计, 对于不同类型的接线可灵活设置, 并可容纳最多272个检测点。通过对跳闸出口的灵活编程, 根据实际情况可调整感光强度, 可以对各段母线提供选择性保护。本系统通过主控单元和站内监控系统通信, 主控单元可选配2路以太网或2路CAN网, 通信规约符合部颁IEC60870-5-103标准, 可方便地接入站内综合自动化系统。

3.3 电弧光保护与传统中、低压母线保护比较

目前国内用于中、低压母线的保护主要包括变压器后备过流保护、采用馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护和母线差动保护三类。变压器后备过流保护动作时间过长, 不能起到有效的保护作用, 馈线速断保护闭锁的变压器后备过流保护虽然时间缩短, 但是仍然不能在设备受到严重损害前将故障切除, 母线差动保护范围受CT安装位置的限制, 接线复杂, CT要求高, 且总体造价昂贵。而电弧光保护能够快速检测弧光的出现, 动作速度远快于传统母线保护方案, 整套保护的动作时间在几毫秒以内, 从而将开关柜各单元室的总故障清除时间可以控制在弧光对开关柜造成巨大伤害之前, 从而避免或减轻电弧光对电气设备及人身健康的危害。

4 电弧光保护系统应用

塔山煤矿是世界上最大的单井口井工矿井, 拥有世界上最先进的技术和装备, 现有两个千万吨级综采低位放顶煤工作面和一个普采工作面, 其工作面采掘设备, 运输设备, 安全设备均具有装机功率大、采用10k V高压供电的特点, 且井下工作面走向长度较长, 因此采取分区供电方式, 以确保矿井的正常供电。塔山煤矿现共配备4座35k V变电站、两个地面变电所、7个箱式变电站和7个井下变电所。由于矿井电网分布范围广, 变配电设备数量多, 维护量增大, 因而需要极其可靠的弧光保护系统以保障矿井输配电网的安全稳定运行。

目前, 同煤集团在塔山矿各变电站及井下变电所开关装置母线侧均安装了DPR360ARC电弧光保护系统, 并且已经投入使用。系统运行情况表明DPR360ARC电弧光保护系统可以在弧光蔓延开来之前快速准确地切除母线和开关柜故障, 从而有效地缩短电弧光故障切除时间, 降低电弧事故的危害, 大大缩减了停电时间和维修成本, 有效地保护母线和开关柜的安全, 为煤矿供电系统的安全可靠运行提供了有力的保障。

5 结论