光纤复用2M保护通道误码性能研究

2010-03-11伍小波

电信科学 2010年3期

刘革，陈喆，张颖，伍小波

（1.四川省电力公司通信自动化中心成都 610041;2.中国电力科学研究院北京 100192）

1 引言

电力系统安全运行是电力部门的首要任务，随着全国联网的不断推进和电网规模的不断扩大，电网的运行管理越来越复杂，其安全稳定运行越来越重要。电力系统继电保护和安全自动装置、调度自动化系统、电力市场支持系统、电力通信数据网络等是电力系统的重要组成部分，是保证电网安全、优质、经济、高效运行的重要手段，是电网管理自动化、现代化的基础和重要标志，对提高电网的科技含量和整体效益起着越来越突出的作用。

远动和继电保护的实施除需监测、采集和控制设备外，还需要传输通道将信息准确、可靠、迅速地传送出去，使故障在最短的时间内得到控制。随着通信技术的不断发展，数字微波将逐渐被光纤通信所替代，光纤通信在电力系统中具有广阔的发展前景，如何利用光纤通信网以较低误码性能来同时传送语音、远动和继电保护等数据信号，是目前需讨论和深入研究的问题。

2 光纤复用保护通道系统及误码概述

继电保护是电网安全稳定运行的第一道防线，要求继电保护快速、可靠切除故障。根据电力二次系统安全防护总体方案的应用系统安全区划分规定，线路保护属于安全1区的生产控制业务，主要有光纤电流差动保护（采用光纤通道）、微机高频方向保护（采用光纤、载波通道）、微机高频距离保护（采用光纤、载波通道）、远方跳闸保护（采用光纤、载波通道）等。通道是线路保护的重要组成部分，具有极高的可靠性、稳定性和快速性的要求。

2.1 线路纵联保护的分类及基本特点

对于线路保护而言，分相电流差动保护具有选相能力和网络拓扑能力，不受系统振荡、非全相运行的影响，可以反映各种类型的故障，是理想的线路主保护。目前，光纤差动电流保护广泛应用，其构成如图1所示。保护设备根据本侧和对侧的电流计算差动电流和制动电流，并根据计算结果判别区内故障或区外故障。传输线路两侧信息的光纤通道是保护系统的重要组成部分，其可靠、快速和准确地传输信号是保护正确动作的前提，其特点如下：

· 能反应全相状态下的各种对称和不对称故障，装置比较简单；

· 不反应系统振荡。在非全相运行状态下和单相重合闸过程中保护能继续运行；

·不受电压回路断线的影响；

· 对收发信机及通道要求较高，在运行中两侧保护需要联调；

·当通道或收发信机停用时，整个保护要退出运行，因此需要配备单独的后备保护。

对于线路保护还有另外两种保护方式：闭锁式高频方向保护和距离保护。闭锁式高频方向保护简称高频闭锁保护，其主要工作方式是：方向高频保护是比较线路两端各自看到的故障方向，以综合判断是线路内部故障还是外部故障。如果以被保护线路内部故障时看到的故障方向为正方向，则当被保护线路外部故障时，总有一侧看到的是反方向。

距离保护是根据被保护线路始端电压和线路电流的比值而工作的一种保护，这个比值被称为测量阻抗。线路正常运行时的测量阻抗称为负荷阻抗，其值较大。当系统发生短路时，测量阻抗等于保护安装到短路点的线路阻抗，其值较小，而且故障点愈靠近保护安装处，其值愈小。

目前，光纤电流差动保护应用广泛，其对通道的要求最高，因此主要对电流差动保护进行理论分析。

2.2 光纤复用保护通道的连接方式

光纤复用保护通道的连接方式根据接口速率的不同，可分为 64 kbit/s和 2 Mbit/s。

当保护装置采用64 kbit/s接口速率时，需经PCM装置复用为2 Mbit/s信号接入SDH传输系统，远端将2M信号经PCM解复用后连接至线路对端保护装置。

当保护装置采用2 Mbit/s接口速率时，可直接与SDH相连，经光纤线路传输至对端。

光纤复用保护通道的具体连接方案如图2所示。

在光信号转2M复用方式中，保护装置的光接口需要特定的接口转换装置将光信号转换成标准的2 Mbit/s数字信号，复用进SDH网络传输。对端将该信号经接口转换装置转换成光信号连接至保护装置。

2.3 光纤复用保护通道误码现状

在数字通信中，发送和接收序列的任何不一致都叫差错(error)，又称为误码。误码是一种传输损伤，即经接收判决再生后，数字流的某些比特发生了差错，使传输信息的质量发生了损伤。传统上常用长期平均误比特率(BER)，即某一特定观察时间内错误比特数与传输比特总数之比。来衡量信息传输的质量。实际误码的出现往往具有突发性和随机性，并且传输技术不同，其产生机制和对业务的影响差异较大。

误码率是特定时长内的误比特率，因此，误码率指标与测试时长密切相关。光纤通信线路验收指标中要求通道误码为10-7，正常运行条件下线路的误码可达到10-9。光纤复用保护通道系统中影响误码性能的因素众多。当光缆线路受到外力破坏、接触不良、设备故障等异常条件下，光纤复用通道的误码率劣化。总体来说，误码具有突发性和偶然性，呈泊松分布，而不是均匀分布的。光纤复用通道突发误码对线路保护装置的影响在相关规范中没有结论，如何确定光纤复用保护通道的误码率指标是需要重点研究的。

3 误码对保护装置的影响

误码对一般的传输系统来说将影响数字传输系统的传输质量，使音频信号产生失真，使数据信号丢失信息，产生不准确信息，或减少通过量等。对于保护装置，各类保护装置在检查出误码后采取的措施是不完全相同的，通常是将存在误码的数据帧删除，数据系列中这种短缺的数据对保护的影响与装置设计方案有关。有的只是使保护的动作延迟少量时间，如数毫秒；有的在误码后要重新建立同步和数据窗，可能要延迟较长时间。这样，误码对保护性能的影响可能差别很大。电力系统专用电路通道性能的要求很高，但误码性能具体指标始终没有明确，过高的性能指标将会对通信资源的浪费，过低的性能指标将威胁到保护通道的可靠性，因此，针对继电保护通道的特点，将对通道误码进行重新考虑。

对于不同的通信业务，误码的影响后果不同。PCM通信方式，对于电话信息的影响是产生噪声。当误码率为l×10-6时，觉察不到干扰；当误码率为 l×10-5时，听到个别“喀呖”声，在低语音电平时刚可觉察到干扰；误码率为l×10-4时，听到个别“喀呖”声，在低语音电平时感到有些干扰；误码率为1×10-3时，在各种语音电平下，都感到有干扰：误码率为1×10-2时，语音受到强烈干扰，可懂度显著降低，但还能分辨人声：误码率为5×10-2时。语音几乎无法辨析。

数据通信中信息本身几乎没有冗余度，只要数据块错一个比特，整个数据块就报废了，而且数据块中错一个比特或是错多个比特串效果相同。国际标准化组织给出了三大类数据传输的最大容许误字符率，见表1所列。

表1 数据传输容许的最大误字符率

由于光纤通道传输继电保护信号目前没有相关的标准规范可以参照，通过对现场继保设备的运行情况进行调研，各个厂家对光纤通道的性能提出了各自的要求，见表2。

由表2可以看出不同厂家的设备对误码的容忍程度也不相同，厂家A的保护设备在通道误码率较低的情况下依然能够继续工作，当误码率不断升高的过程中，保护装置首先会通道告警，如果通道误码继续增大，则保护装置会中断工作，出现严重告警。

4 光纤复用保护通道误码指标研究

4.1 复用通道误码产生原理

光纤通信具有宽带、高速、可靠、误码性能好的特点，是继电保护信息传输的理想通道。实际应用中的光纤通信，由于线路设备及运行维护方面的原因，往往存在局部劣化或失效的现象，导致线路整体误码性能恶化，继电保护采用光纤通信时，必然会受到通道误码的影响。为了解光纤复用保护通道在外界干扰下对继电保护信息传输质量的影响，有必要对整个通信系统的误码性能进行研究。

表2 部分厂商的继保设备对通道性能要求比较表

理想的光纤传输系统基本不受外界电磁干扰影响，通道性能比较稳定。系统误码的主要来源有：传输设备及其辅助设备的噪声、接收机光电检测器的散弹噪声、雪崩光电二极管的雪崩倍增噪声以及放大器的热噪声等；电子设备作为终端在外界干扰下的信号畸变；光设备输入抖动量过大对码流的影响；色散引起的码间干扰。

上述误码分布服从泊松分布，即系统大部分时间运行稳定，产生严重误码的几率极低，绝大部分是单比特误码。而更多的实际测量结果表明，光纤系统的误码特性呈突发性质，这说明实际光纤系统的误码性能并不由内部机理所决定，而是由一些具有突发性能的脉冲干扰源所决定，如外部电磁干扰、静电放电、设备故障、系统倒换、配线架接触不良、电源瞬态干扰和人为活动等。

对于光纤复用保护通道，产生误码的环节不仅包括光纤通道部分，还包括保护装置自身的编解码性能、接口性能、连接配置等环节。在本报告中，假设保护装置本身及其至通信设备间的连接无误码。

4.2 保护通道误码参数的深入研究

关于光纤保护通道的误码性能要求，目前国际上尚没有统一的标准。

误码指标（无论以比特为单位，还是以块为单位）的衡量都是在一段相当长的时间中测得的，累计时间越长，测量越准确，因此一般系统的误码测量时间必须大于规定值。我国原邮电部已把CCIR的性能指标纳为行业标准，但作为综合数字业务网的CCIR的性能指标，没有考虑到继电保护的特殊要求，测量规则对保护通道则不适用。因此，CCIR规定的误码指标对于一般数据传输可能是适当的，但对于继电保护信号传输则不一定合适，因此有必要从保护角度权衡CCIR误码指标是否满足要求。

由于继电保护信号是点对点传输，距离一般在280 km以内，个别可达400 km。保护通道通常是线路中要求较高的数字段，一般继电保护动作的时间只是几十毫秒。误码的产生一般不是均匀分布，而是短时突发大量误码。长期的误码率指标并不能完全说明通道性能，短期的误码率指标更能表现保护通道的误码性能。因此，误码累积时间宜取得较短，例如“分秒”（100 ms）。所以采用“无误码分秒”（EFdS）和“严重误码分秒”（SEdS）等指标，可能是合适的。但按照“分秒”的误码累计尚缺实践统计资料，所以采用“分秒”为计算单位的指标尚待进行大量工作才能提出。

日本电力系统利用微波通道复用保护应用较早，也比较普遍。日本根据运行多年的FM模拟保护已达到的保护闭锁时间率(10-5)，行业内将日闭锁时间 0.864 s(24×60×60×10-5)，作为数字保护通道可靠性的评判指标。

对于电流差动保护，目前规定由于传送保护信号的通道质量造成的对保护装置的闭锁为864 ms/日水平。只要保护通道满足这一要求，可认为通道误码性能是可靠的。日闭锁时间率为

下面我们将通过计算日闭锁时间推出通道的误码指标。

4.3 保护通道误码指标的理论推导

四方CSC差动保护装置的采样频率为1200 Hz，每帧报文有20 byte共160 bit，信息量为192 kbit/s。考虑误码均匀分布，当检测到1帧中有1个误码时，保护将丢弃该帧，同时闭锁保护0.833 ms。按照任何月份误码引起的保护闭锁时间应符合下式：

从上式可得 BER≤6×10-9。

但考虑到通信系统的误码为突发性误码，出现误码时多为连续误码。对于保护装置而言，1帧中出现1个误码和全部bit错误引起的保护闭锁时间是相同的。因此，6×10-9过于严格，不合实际。

若根据丢帧率（EFR）计算日闭锁时间，每丢1帧闭锁保护1/1200 s，任何月份丢帧引起的保护闭锁应符合下式：由上式得出丢帧率应不大于10-5，即要求日丢帧数小于 1037 帧（10-5×1200×24×60×60=1037）。

当一帧中有一个或多个误码时，保护信号舍弃该帧，其闭锁时间就是

（1）当严重误码秒的误码率门限值为 1×10-3，平均误码秒的误码率为1×10-6，在通道长度为280 km数字段上复用的保护每日闭锁时间如下

严重误码秒的误码数：

由于 10-3×2.048×106>1200（采样频率），按照误码平均分配，则1200帧全都有误码，相当于：

误码秒的误码数：

保护每日的闭锁时间：

因此当严重误码秒门限值为1×10-3时，280 km通道的保护日闭锁时间5.3 s，比日本提出的每日保护闭锁时间（0.864 s）的指标大7倍。因此，1×10-3的严重误码秒门限值不满足保护通道的要求。

（2）严重误码秒的误码率门限值提高到为1×10-4，平均误码秒的误码率为1×10-6时，在通道长度为280 km数字段上复用的保护每日闭锁时间如下

严重误码秒的误码数：

当严重误码秒门限值提高到1×10-4时，日闭锁时间大于0.864 s，不满足保护通道的要求。

（3）严重误码秒的误码率门限值提高到为9×10-5，平均误码秒的误码率为1×10-6时，在通道长度为280 km数字段上复用的保护每日闭锁时间如下

严重误码秒的误码数：

当严重误码秒门限值提高到9×10-5，平均误码秒为1×10-6时，日闭锁时间为0.85 s，比规定的日闭锁时间0.864 s小，满足保护通道的要求。

因此得出高级假设参考数字通道（2500 km）2048 kbit/s输出端的光纤保护通道误码性能指标应满足如下要求：

·误码劣化分：任何月份0.4%以上时间的1 min平均误码率不大于1×10-6；

· 高误码率指标（严重误码秒SES）：任何月份0.054%以上时间的1 s平均误码率不大于5×10-5；

· 误码秒（ES）：任何月份中误码秒的积累时间不大于全月的0.32%；

· 残余误码率（RBER）：不大于 5×10-9；

·传输继电保护信息微波通道假设参考数字段（280 km）的可用性指标不小于99.97%。

5 复用通道误码性能测试与分析

目前，电力光纤通信网络主要包括线型网络、星型网络、环形网络和格状网，而在实际工作中应用最多的当属线型+环形网络，因此一般地，可以将继电保护信号传输通道描述成通过线型链路穿越电力环网，当电力环网成为一段纯粹的光纤线路时，就是典型的点到点传输，继电保护设备也可直接接入环网光设备，环网也可以是简单的单环或多环相交型。

继电保护误码的响应门限测试：原则上有误码，继电保护终端应该能检出，但实际运行中，当误码率较低时，继电保护已难保证检出码流中零星的误码。从通信角度出发，确定继电保护误码的大致门限能更好地保证保护通道的可靠性。

5.1 通道压力对误码的影响测试

通道压力对误码的影响测试可以通过给通道增加一台可调光衰减器，调节该衰减器使加入通道的光衰值逐渐增大，并且从通道分析仪上读出通道中的误码率大小，观察保护装置的变化，直到保护装置中断为止，设备连接如图1所示。

在光纤线路中增加衰减，继电保护通道配置为2M，将光衰值减小至通道出现误码，监测2M的通道性能。两种仪表的测试结果如图3所示。

测试步骤：

·按上图所示连接各测试仪表及设备；

·网元A,B,C间的光纤为双纤单向连接，在A,B间的一段光纤上串入一台可调光衰减器；

·开启MP1590B设置到误码率测试模式，从小到大的调节光衰减器，观察保护装置对于通道误码的反应，并记录下保护装置不同反映下的通道误码值。

在光纤线路中加载压力，测得对继电保护通道性能的影响如图4和图5所示。

测试结果表明:LOS和MS-AIS为最严重告警信息，将导致通道中断，保护闭锁；同样的加载，对不同容量的线路的目标通道影响也存在差别，比如，对于STM-16，相对于低容量线路，A1A2加载就不敏感，但B2加载则非常敏感，立即能影响通道甚至导致中断；ERR为10-2,继电保护显示通信不稳定（时断），对应ES为 90.833%，SES为9.167%；ERR为 10-3，继电保护显示正常，对应 ES为99.167%，SES为0.833%，从一个方面反映误码秒多，但严重误码秒少。可见相对而言，继电保护装置能容忍一般的误码秒，但对严重误码秒敏感。

5.2 通道误码与电力系统的联动测试

本文将光纤通信网络、保护装置与电网相连，进行联动测试。在保护信号传输的一个方向上依次加载误码率：1×10-9、1×10-8、1×10-7、5×10-6、1×10-6、5×10-5、1×10-5、1×10-4，模拟不同的通道性能。在不同等级误码性能条件下，模拟电网故障，测试保护装置动作情况。在BKT4发BKT6收的方向上加载LOS告警，观察保护装置运行工况；模拟电网故障，测试保护装置的动作情况。

在光纤线路中增加衰减，继电保护通道配置为2M，将光衰值减小至通道出现误码，监测2M的通道性能。测试仪表的连接如图3所示。

测试步骤：

按图6所示连接各设备及测试仪表；通过网管设置，配置从A开始，经过B到C的业务通路；开启安立测试仪，依次向通道中加入误码率为 1×10-9、1×10-8、1×10-7、5×10-6、1×10-6、5×10-5、1×10-5、1×10-4的压力，直到通道性能劣化到保护装置出现告警为止。

记录测试数据，并对测试数据进行分析。

测试结果表明：

· 在通道中加载各种不同程度的误码（1×10-9、1×10-8、1×10-7、5×10-6、1×10-6、5×10-5、1×10-5、1×10-4），传统保护与数字化保护工作正常，区内故障正确选相动作，区外故障没有发生误动；

·在通道中加载LOS告警，传统保护与数字化保护均可靠闭锁，在2007年度的特高压继电保护模拟测试中，发现保护装置在单向光纤通道加载误码时，存在保护装置误动的情况，后经检验，发现厂家设备对单向通道的误码检测和规避方案存在缺陷。经修正算法后，重新测试无误动。

6 结束语

通过本文对复用光纤保护通道的误码性能的研究，得出以下结论。

·对于G.821定义的误码性能，BER要靠离线测量得到，但实际系统特别是在装置运行过程中，BER是不可能通过在线监视得到的。与G.826／G.828定义的性能参数一样，保护装置可以通过以“帧”为基础的一组参数，用于不停业务监视。当一帧内的任意比特发生差错，就称该帧为差错帧或误帧，检测误帧的最常用方法是CRC校验。

·同样的加载，对不同容量的线路的目标通道影响也存在差别，比如，对于STM-16，相对于低容量线路，A1A2加载就不敏感，但B2加载则非常敏感，立即能影响通道甚至导致中断。因此，通道误码不能完全体现通道性能。在通道维护中，应检查所有的告警信息，对于各类误码告警应尽快消除安全隐患。

·10-4附近是被测继电保护设备的通道告警临界状态。在本实验环境，当通道误码在10-7～10-8间时，继电保护已能检出明显的误码。

·对于单个误码，保护装置能够检出并采取响应措施，但对于严重误码秒，对继电保护传输影响更大，应提高重视。

· 高级假设参考数字通道（2500 km）2048 kbit/s输出端的光纤保护通道误码性能指标应满足如下要求：详见企标《DL/T 5062-1996微波电路传输继电保护信息设计技术规定》。

·误码劣化分：任何月份0.4%以上时间的1 min平均误码率不大于10-6。

·高误码率指标（严重误码秒SES）：任何月份0.054%以上时间的1 s平均误码率不大于510-5。

· 误码秒（ES）：任何月份中误码秒的积累时间不大于全月的0.32%。

· 残余误码率（RBER）：不大于 5×10-9。

·误码指标简化后得出平均误码率为410-7。鉴于目前光纤通道性能指标优于10-7，建议采用110-7作为光纤复用保护通道的误码性能指标。

1 李履信，沈建华.光纤通信系统.北京：机械工业出版社，2005

2 殷小贡，刘涤尘.电力系统通信工程.武汉：水利电力大学出版社，2007

3 彭粤端.变电站光纤通信误码类故障处理方法.TN929.1.Oct 10，2009