继电保护光纤通信接口技术及标准

继电保护光纤通信接口技术及标准陈建宁1仲惟师2（1国网南京自动化研究院江苏南京210003，2山东省蓬莱市供电公司山东蓬莱265600）摘要：C37.94标准由IEEE于2002年制定，规范了远方保护设备和数字复用设备之间的光纤通信接口的帧结构、时钟定时等内容。本文首先介绍了继电保护线路纵差保护系统的结构，分析了光纤保护的应用现状及其局限性，然后介绍了IEEEC37.94标准的主要内容和意义，最后以一个典型应用说明了该标准的实际使用情况。关键词：继电保护；远方保护设备；数字复用设备；C37.941．概述电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。但由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸方面的原因，电力系统的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保护技术。随着光纤的性价比不断提高，光纤保护在电力系统中获得普遍应用。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”。一般来说，在变电站或发电厂内，当继电保护装置与电力通信网中的通信设备连接距离大于50m，或通过强电磁干扰区应采用光缆连接。目前，在用光纤传输继电保护信息时，继电保护中所使用的远方保护设备和数字复用设备之间的通信规范往往是由各个继电保护设备厂家自己制定的，并且仅仅使用在自己的设备上。这样就带来了一些问题，如不同厂家的远方保护设备和数字复用设备无法互连，保护专业和通信专业之间的界限不明确等。为此，IEEE的继电保护委员会和电力系统通信委员会于2002年制定了C37.94标准，该标准规范了远方保护设备和数字复用设备之间的光纤接口。本文首先介绍了继电保护线路纵差保护系统的结构，然后分析了光纤保护的应用现状及其局限性，最后介绍了IEEEC37.94标准的主要内容和意义。2．线路纵联差动保护系统及光纤保护的应用2．1线路纵联差动保护系统的结构线路纵联差动保护，简称为纵差保护，是当线路发生故障时，使两侧开关同时快速跳闸的一种保护装置。纵差保护是目前最常用的一种继电保护方式，是线路的主保护。它的基本原理是：以线路两侧判别量（如电流矢量）的特定关系作为判据，即两侧均将判别量借助通信通道传送到对侧，然后两侧分别按照对侧与本侧判别量之间的关系来判别区内故障或区外故障，如图1所示。判别量和通信通道是纵联保护装置的主要组成部分。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。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。一个通道独占两根导引线或纤芯，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。电力通信网不是专用于传输保护信息，还可以传输调度电话、远动、以太网等其他业务。复用通道方式的线路纵差保护系统如图2所示。远方保护设备安装在保护机房，可以是单独的设备，也可以和线路纵差保护装置为同一设备，而数字复用设备则安装在通信机房。远方保护设备数字复用设备通信设备通信设备传输介质电力通信网数字复用设备远方保护设备断路器断路器线路纵差保护系统图2复用通道方式的线路纵差保护系统线路纵差保护装置线路纵差保护装置线路纵差保护系统断路器通信通道线路纵差保护装置线路纵差保护装置断路器图1线路纵差保护系统通信机房和保护机房往往是不在一起的，也就是说远方保护设备和数字复用设备之间有一定的距离，这个距离可能是50米、100米、甚至1公里。因此它们之间需要采用一定的方式进行通信，目前使用最多的就是光纤方式。远方保护设备能够将线路纵差保护装置发出的信号变换成适于光纤传输形式的信号及进行反变换，它提供了继电保护和通信电路之间的接口；数字复用设备也是一种光电转换设备，它可以把光信号转换为相应的数字接口信号（电信号），并进行反变换。2．2光纤保护的应用现状及其局限性20世纪90年代中期，光纤保护就在电网中开始投入使用。从早期单纯的短距离光纤纵差保护演变到近几年开始逐渐占主导地位的光纤允许式保护，从运行情况看令人满意，动作可靠性高，缺陷次数少。在电力通信网络领域中广泛使用的是以时分复用为基本工作原理的SDH/SONET同步数字体系，它具有强大的保护恢复能力和固定的时延性能。光纤网络的传输性能、稳定性及其自适应的保护恢复能力对光纤继电保护工作的可靠性起到关键作用。光纤通道在继电保护技术中得到广泛的应用，它是基于用光导纤维作为传输介质的一种通信手段。光纤通道相对于其他传统通道（如：电缆、微波等）具有如下特点：传输质量高，误码率低，一般在10-10以下。这种特点使得光纤通道很容易满足继电保护对通道所要求的“透明度”。即发端保护装置发送的信息，经通道传输后到达收端，使收端保护装置所看到的信息与发端原始发送信息完全一致，不增加或减少任何细节。光的频率高，所以频带宽，传输的信息量大。可以使线路两端保护装置尽可能多的交换信息，从而可以大大加强继电保护动作的正确性和可靠性。抗干扰能力强。由于光信号的特点，可以有效的防止雷电、系统故障时产生的电磁方面的干扰，因此，光纤通道最适合应用于继电保护通道。但是，目前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通道在接口特性、码型、码速和帧结构等往往是由各个继电保护设备厂家自己制定的，这样就使得当前应用中存在着很大的局限性，主要表现在以下几点：（1）保护和通信之间的专业界限不清远方保护设备和数字复用设备都属于继电保护专业的设备，然而数字复用设备却需要安装在通信机房中。由于不同专业的原因，数字复用设备在安装时往往无法得到很好地规划，因此经常会造成机房中的通信设备对数字复用设备的干扰。此外，把保护专业的设备安装在通信专业的机房中也不利于数字复用设备的日常维护。（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自己制定，并且仅仅使用在自己的设备上。这样，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，不同厂家的设备之间则无法互连。在通信系统日益标准化的今天，这一现象无疑会阻碍光纤通信系统在继电保护信息传输中的应用。（3）传输通道带宽低或带宽利用率低在继电保护信息传输中，应用最多的是64kbit/s通道和2Mbit/s通道，以后的发展趋势是2Mbit/s通道将会逐步代替64kbit/s通道。由于64kbit/s通道的传输带宽很低，给继电保护信息的传输带来很大的限制。同时在使用64kbit/s通道时，数字复用设备一般采用64K同向接口，这种接口需要经过PCM设备接入电力通信网，增加了信号传输时延和转接过程中可能受到的干扰，从而降低了保护信号传输的快速性、可靠性。而对于2Mbit/s通道而言，由于对通道特性及信息的帧结构没有很好地规划，使得在实际应用中，虽然传输通道的带宽可以达到2Mbit/s，而传输的实际内容往往仅有64kbit/s左右，带宽的利用率非常低。3．IEEEC37.94标准的主要内容及其意义3．1IEEEC37.94标准的主要内容IEEEC37.94标准提出了利用光纤通道传送继电保护信息时，远方保护设备和数字复用设备之间光纤接口的技术标准，规范了远方保护设备和数字复用设备之间光纤接口，使不同厂家的远方保护设备和数字复用设备，对于N×64kbit/s数据的内容，能够在没有任何限制的条件下，采用光纤接口进行互连。C37.94标准中最主要的内容是对帧结构的定义。（1）帧结构按传输顺序连续256个比特组成一个基本帧，基本帧内各比特依次编为第1至第256比特。每帧以8000Hz的帧频重复，就成帧和数据传输速率而言，帧结构符合ITU-T的G.704标准，然而其中的数据结构不遵照G.704的数据格式。如图3所示。C37.94标准中的数据帧主要由帧头、开销数据和通道数据组成。比特组合具有大致相等的“1”和“0”的个数，以便于通过耦合的光路进行传输。帧头占用16个比特，其格式为abcdefg00001111。前八个比特a，b，c，d，e，f，g，h构成以下两种组合，每种组合按基本帧传输顺序交替出现。组合1：abcdefgh=10011011组合2：abcdefgh=11y11111其中y为黄告警比特，y=0表示正常，y=1表示接收到错误信号（LOS）。开销数据有48比特，每个比特后面都跟着它的反码，实际包含有24个信息比特。p、q、r、s用于表示实际所用的64kbit/s通道的数量N，N从1到12。例如p、q、r、s为0001表示N=1，为0010表示N=2，为1100表示N=12。通道数据有192比特，每个比特后面都跟着它的反码，实际包含有96个信息比特。在这96个信息比特中，从开始算起，每连续的8个信息比特用来传输1个64kbit/s的数据。因此，前面的N（N≦12）个8信息比特就用来传输N个64kbit/s的数据，其余的96-（N×8）个信息比特被置为“1”。（2）通信故障定义了信号丢失（LOS）告警的申告和清除原则、信号故障时的动作、路径“黄告警”192比特通道数据（净负荷）D96...D96D4D4D3D3D2D2D1D10125us250us375us500us256比特/帧16比特帧头abcdefgh00001111ppqqrrss10101010…1048比特开销数据图3C37.94标准的帧结构检测以及链路故障时的响应。（3）时钟同步光信号是按二进制信号（开-关）调制的2048Kbit/s比特流，标准中定义了时钟同步信号的频率、抖动和漂移的指标和特性。（4）其他C37.94标准中还定义了光发送器输出和光接收器灵敏度指标，以及建议采用的光纤连接器类型等。3．2IEEEC37.94标准的意义IEEEC37.94标准充分考虑到了光纤保护的应用现状，并尽力克服了当前应用存在的局限性。（1）明确划分保护和通信之间的专业界限采用C37.94标准，可以明确划分继电保护专业和通信专业之间的界限。把远方保护设备划归继电保护专业，而数字复用设备则划归通信专业。这样可以使所有的继电保护设备都安装在继电保护机房中，而所有的通信设备都安装在通信机房中，有利于远方保护设备和数字复用设备的安装和日常维护工作。（2）对于远方保护设备和数字复用设备之间光接口特性制定明确的标准C37.94标准规范了远方保护设备和数字复用设备之间光纤接口特性，使不同厂家的远方保护设备和数字复用设备能够在没有任何限制的条件下，采用光纤接口进行互连互通。这种标准的光纤接口特性符合世界通信系统标准化的趋势，可以大大促进光纤通信系统在继电保护信息传输中的应用。（3）采用2M通道，增加传输带宽C37.94标准中，远方保护设备和数字复用设备之间的通信采用良好规划的、符合ITU-TG.703标准的2Mbit/s通道，不仅增加了传输带宽，使两侧保护装置交换的信息量大幅增加，并且可以使同步时钟设置简单，运行稳定。此外，省略了64kbit/s同向接口，而直接采用2Mbit/s数字接口，可以缩短信号传输时延，同时可以避免转接过程中可能受到的干扰，提高保护信号传输的快速性、可靠性。另外，还可以节约投资，简化通信管理环节。（4）简单而有效的编码方式除帧头外，每个数据比特的后面都跟着其补码，也就是“1”的后面跟着“0”，“0”的后面跟着“1”，这样不仅可以使比特组合具有大致相等的“1”和“0”的个数，而且便于提取帧同步信息。这种编码方式虽然减少了有效的信息比特数，但对于传输继电保护信息来说却是足够了，而且这种编码方式比一些厂家所用的1B4B、曼彻斯特等编码方式更加简单有效。就成帧和数据传输速率而言，帧结构符合ITU-T的G.704标准。以上各点之间并不是完全孤立的，而是互相影响，相辅相成的。例如只有对远方保护设备和数字复用设备之间光接口特性制定了标准，才可以明确划分