（通信与信息系统专业论文）光缆线路中继电保护业务的可靠性评估.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对光缆线路中继电保护业务可靠性评估的复杂性以及单因素识别和等级划分之 间的不相容性，引入不确定型层次分析法与物元理论相结合的方法对光缆线路进行可靠 性评估。根据搜集到的大量的电力光缆故障数据，对光缆线路的使用情况、范围、 故障次数及故障原因进行了分析，从而建立了可靠性评估的指标体系；利用不确定 型层次分析法得到系统指标的区间权重，再运用群判断、集值统计与重心决策理论对区 间权重进行修正，增加了专家经验信息并将区间权重转化为点值权重；下一步，根据物 元理论，建立了描述光缆线路可靠性的物元模型，进而通过改进的关联函数定量计算出 光缆线路运行可靠性程度的关联度；最终由关联度对光缆线路的可靠性等级做出识别。 实例分析表明该方法融入的信息更加完善，提高了可靠性评估的准确性和有效性。 关键词：光缆线路，可靠性，不确定层次分析法，物元理论，关联函数 a bs t r a c t ( b n s i d e r i n gt h en o nc o m p a t i b l ef c a t u r eb e 柳e e nt h es i l l 酉er e c o 印i t i o n sa n d 伊a d e d i v i s i o n 弱w e ua st h ec o m p l e x i t yo ft h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o ns e r v i c ei n 0 p t 池lc a b i eh n e ，t h em e t h o d0 fc o m b i n i n g 珊c c n a i n 柚a l y t i ch i c 眦h yp r o c c 豁柚d m a n c r - e l e m e n tt 1 1 e o r yw 勰a p p l i o di nt h i sp a p c r a o c o r d i n gt o1 0 t s0 ff a u l td a _ t ac o i l e c t c df 如m e l e r i cp o w e ro p t i c a if m e rl i ，t h i sp a p e r 粗a l y s e su t i l i z a t i ，a p p l i c a t i o n ，f a u l tn u m b e r 柚d f a i l u f cr e 弱。粥0 f 叩t i g a l6 b e 砖觚ds e t su pt h ei n d e xs y s t e m0 fr e i i a b i l i t ye v a l u a t i o n i i i t e n r a l w e i g h to fi i l d e xs y s t e mi sg a i n e dw i t hu n c e r t a i n 觚a l y t i ch i e r a r c h yp r o c c s s h lo r d e r t o 硫化弱et h ee x p e r tc x p e r i e n c e 锄dt r 觚s f e r 丘0 mi n t e r v a lw e i g l l tt od o tw e i 曲t ，i ti sc 0 e c t e d b yu s i l l g t h eg r 0 1 叩j u d g m e m 柚dc o l l e c e dv a l u es t a t i s t i c 卸dc e n t e ro fg r a v i t yd e c i s i o n m e t h o d t h e nm a t t e r - e l 锄e n tm o d e lo ft h er e l i a b i l i t ye v a i u a t i o no fo p t i c a lc a b l el i i l ei s e s t a _ b l i s h e db a s e do nm a t t e 卜e l e m e n tm e o 啦t h i sp a p c rq u 狮t i t a t i v e i yc a l c u l a t e st h ed e 孕e eo f r e l a t i o nw i t ht h eo p t i c a lc a b l el i n e0 p e r a t i n gc h a f a c t e r i s t i cb yu s i n gt h ei m p r o v e dc o r r e l a t i o n f u n c t i o n f i n a l l y ，t h er e l i a b i l i t yo fp o w e ro p t i c a lc a b l el i n ew 弱r e c 0 印_ i z e db 淞e do nt h ev a l u e o fs y n t h e t i c a lr c l a t i o n a ld 铭弦e t h ea n a l y s i s0 fa ne x 锄p l es h o w st h a tm o r ei i l f 0 咖a t i o ni s f u s c di nt h em e t h o da n di ti m p r o v e st h ea c c u r a c ya n dv a l i d i t yo ft h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n g e n gf a n g f a n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g k e yw o r d s ： 0 p t i c a i c a b l e l i n e ，r e l i a b i l i t y ， u n c e n a i na n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ， m a t t e r - e l e m e n tt h e o 吼c o r r e l a t i o nf u n c t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对光缆线路中继电保护业务可靠性评估的复杂性以及单因素识别和等级划分之 间的不相容性，引入不确定型层次分析法与物元理论相结合的方法对光缆线路进行可靠 性评估。根据搜集到的大量的电力光缆故障数据，对光缆线路的使用情况、范围、 故障次数及故障原因进行了分析，从而建立了可靠性评估的指标体系；利用不确定 型层次分析法得到系统指标的区间权重，再运用群判断、集值统计与重心决策理论对区 间权重进行修正，增加了专家经验信息并将区间权重转化为点值权重；下一步，根据物 元理论，建立了描述光缆线路可靠性的物元模型，进而通过改进的关联函数定量计算出 光缆线路运行可靠性程度的关联度；最终由关联度对光缆线路的可靠性等级做出识别。 实例分析表明该方法融入的信息更加完善，提高了可靠性评估的准确性和有效性。 关键词：光缆线路，可靠性，不确定层次分析法，物元理论，关联函数 a bs t r a c t ( b n s i d e r i n gt h en o nc o m p a t i b l ef c a t u r eb e 柳e e nt h es i l l 酉er e c o 印i t i o n sa n d 伊a d e d i v i s i o n 弱w e ua st h ec o m p l e x i t yo ft h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fr e l a yp r o t e c t i o ns e r v i c ei n 0 p t 池lc a b i eh n e ，t h em e t h o d0 fc o m b i n i n g 珊c c n a i n 柚a l y t i ch i c 眦h yp r o c c 豁柚d m a n c r - e l e m e n tt h e o r yw 勰a p p l i o di nt h i sp a p c r a o c o r d i n gt o1 0 t s0 ff a u l td a _ t ac o i l e c t c df 如m e l e r i cp o w e ro p t i c a if m e rl i ，t h i sp a p e r 粗a l y s e su t i l i z a t i ，a p p l i c a t i o n ，f a u l tn u m b e r 柚d f a i l u f cr e 弱。粥0 f 叩t i g a l6 b e 砖觚ds e t su pt h ei n d e xs y s t e m0 fr e i i a b i l i t ye v a l u a t i o n i i i t e n r a l w e i g h to fi i l d e xs y s t e mi sg a i n e dw i t hu n c e r t a i n 觚a l y t i ch i e r a r c h yp r o c c s s h lo r d e rt o 硫化弱et h ee x p e r tc x p e r i e n c e 锄dt r 觚s f e r 丘0 mi n t e r v a lw e i g l l tt od o tw e i 曲t ，i ti sc 0 e c t e d b yu s i l l gt h eg r 0 1 叩j u d g m e m 柚dc o l l e c e dv a l u es t a t i s t i c 卸dc e n t e ro fg r a v i t yd e c i s i o n m e t h o d t h e nm a t t e r - e l 锄e n tm o d e lo ft h er e l i a b i l i t ye v a i u a t i o no fo p t i c a lc a b l el i i l ei s e s t a _ b l i s h e db a s e do nm a t t e 卜e l e m e n tm e o 啦t h i sp a p c rq u 狮t i t a t i v e i yc a l c u l a t e st h ed e 孕e eo f r e l a t i o nw i t ht h eo p t i c a lc a b l el i n eo p e r a t i n gc h a f a c t e r i s t i cb yu s i n gt h ei m p r o v e dc o r r e l a t i o n f u n c t i o n f i n a l l y ，t h er e l i a b i l i t yo fp o w e ro p t i c a lc a b l el i n ew 弱r e c 0 印_ i z e db 淞e do nt h ev a l u e o fs y n t h e t i c a lr c l a t i o n a li l 铭弦e t 1 l ea n a l y s i s0 fa ne x 锄p l es h o w st h a tm o r ei i l f 0 咖a t i o ni s f u s c di nt h em e t h o da n di ti m p r o v e st h ea c c u r a c ya n dv a l i d i t yo ft h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n g e n gf a n g f a n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f g a oq i a n g k e yw o r d s ： 0 p t i c a i c a b l e l i n e ，r e l i a b i l i t y ， u n c e n a i n a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ， m a t t e r - e l e m e n tt h e o 吼c o r r e l a t i o nf u n c t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光缆线路中继电保护业务的可靠 性评估，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名烨日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：巫血 日 期：碴生f 乏盘盟 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言弟一早，i 百 电力通信网是电力系统不可缺少的重要组成部分，它在协调电力系统各部分的 联合运转及保证电网安全、经济、稳定、可靠的运行方面发挥着举足轻重的作用。 随着电力工业的发展，电网、发电厂规模和发电机单机容量的不断扩大，其对继电 保护的要求越来越高，要求电力系统发生故障时，能迅速发现故障，进而有选择地 通过断路器切除故障部分。而提供继电保护通道的通信传输网是保证继电保护系统 稳定运行的基础环节，因此提高通信传输网的可靠性势在必行。 光纤通信方式以其容量大、可靠性高、质量好、适应数字化发展等诸多优点， 被广泛应用于电力通信系统，传输继电保护信号的通道也逐渐由电力线载波、微波 通道转向了光纤通道【1 1 。在现场运行设备中，光纤保护以专用、复用、差动等方式 被用作电网线路的主保护【2 1 。故而，许多地方都把发展光纤通信主干网作为电力通 信的发展方向和重要任务，这为继电保护所需要的稳定、可靠的数字化信息传输通 道创造了有利条件。 近几年来，继电保护发展很快，人们对继电保护装置的重视程度加大，因此， 继电保护装置的正确动作率也越来越高。如此高可靠、高质量的继电保护装置必须 配备高质量的保护通道，但是，保护通道中光缆线路故障所造成的继电保护故障发 生次数却在逐渐增加，这就对光缆的可靠性和安全性提出了更高的要求。目前电力 特种光缆的制造及工程设计已经相当成熟，特别是o p g w ( 复合光缆) 和a d s s ( 全介质 自承式光缆) 已经开始大规模的应用【3 1 。虽然电力特种光缆较普通光缆的可靠性高， 但是，在各种因素( 内部或外部) 的影响下，仍然无法避免故障的发生。光缆线路故 障的诱发原因很多，主要包括雷击、电腐蚀、外力破坏，气候环境变化以及光缆断 芯、光纤损耗增大、光纤受潮等，同时，对于不同种类的光缆，各因素的影响程度 也不尽相同。 自2 0 世纪9 0 年代以来，调查统计了运行中发生的o p g w 断股情况，发现近年来出 现雷击断股的有2 0 条线路共4 1 次，其中5 0 0 k v 线路1 4 条共3 5 次，2 2 0 k v 线路6 条共6 次 【4 1 。1 9 9 9 年6 月7 日，塘镇站到机场站的两条2 2 0 k v 线路光纤保护告警，故障原因是： 线路龙门架上o p g w 与站内普通光缆接线盒由于雨天受潮或接头积灰引起一束光纤 ( 4 根芯) 损耗增大。对于全介质自承式光缆( a d s s ) ，根据统计数据我国a d s s 光缆损 坏最严重的地区是山东省( 光缆数量最多的省) 的渤海湾沿海线路，河北省大约有 5 6 条2 2 0 k v 线路的光缆也有明显电腐蚀【引。同时，国外也有气候不利于a d s s 光缆运 华北电力大学硕士学位论文 行的报道。以色列每年有8 9 个月不下雨且晚上有露水，冬天雨季短，光缆表面形 成硬、粘而厚的导电污秽层，导致一条1 1 0 k v 及4 条1 6 l k v 线路上发现了a d s s 光缆不 同程度的电腐蚀。统计资料表明，光缆线路故障约每1 0 0 k m 每年o 1 次，每次故障历 时平均6 h ，对电力通信系统造成了严重的影响。由此可见，为使继电保护信号可靠 传输，要高度重视光缆线路的可靠性。 电力通信中s d h 光纤通信的容量一般在2 5 g ，调度电话、继电保护及安全自动 实时控制信息传送、调度自动化( 遥信、遥测、遥控、遥调) 实时与非实时信息数据 通信、视频监控等多种业务集中在一条干线传输线路的现象十分常见。光纤保护通 道传输如此大容量和如此重要的信息，一旦光纤出现故障或中断，就将导致远程信 号的中断，其造成的损失是十分严重的，有时甚至是灾难性的。因此，光纤保护通 道的可靠性已经变得日益重要，对光缆线路可靠性的研究具有很强的现实意义。 目前，对电力系统光缆线路的评估大都是从光缆的物理特性、故障点的判断以 及运行维护的规范方面来考虑的，并没有从光缆所处的整体环境出发，缺乏一个完 整的理论体系做指导睁9 1 。同时，现有的对光缆线路可靠性评估的报道较少并且对光 缆线路进行可靠性评估的方法更是微乎其微。随着光缆线路大规模的使用，光缆中 的不确定性与不相容性也随之增加，原有的方法表现出明显的缺陷和不完善，必须 不断改进和完善现有理论，并针对提出的新问题，寻求新的解决方法，以满足实际 运行情况。因此，通过对各个影响因素完整的建模分析，建立一种适合于评估光缆 线路中继电保护业务的可靠性评估体系是十分必要的。 1 2 国内外研究现状 随着电力系统容量的增大，供电范围越来越广，系统结构越来越复杂，继电保 护通道地位的也随之提高。目前，人们已经对保护通道的可靠性做了一些研究并采 取了一些安全性措施。文献 1 0 卜 1 1 对目前光纤被作为继电保护通道的误码、抖 动、漂移、时延和自动倒换等传输特性、保护通道中时钟同步问题以及同一条线路 继电保护系统的分离进行了研究。文献 1 2 卜 1 5 针对o p g w 光缆的耐雷击性能或 a d s s 光缆的抗电腐蚀性能进行了分析评价。然而，这些措施均侧重于安全运行与光 缆的物理特性、传输特性等问题，并没有从可靠性理论深度去考虑，不具有普遍性。 另外，继电保护信号对通信网络传输质量的要求在微波电路传输继电保护信号信 息设计技术规定( d l t 5 0 6 21 9 9 6 ) 中有明确规定：微波通道传输主保护信息时传 输延时应不大于5 m s 。因此，如何综合评价光缆线路传输继电保护信号的可靠性是 目前研究的热点，有着广阔的应用前景。 目前的可靠性评估方法主要包括贝叶斯法、蒙特卡洛模拟法与人工神经网络法 2 华北电力大学硕士学位论文 等。经典的贝叶斯评估方法利用了贝叶斯条件概率理论，提出了在电力系统数据不 足，且存在不确定因素的情况下，基于概率的故障率预测方法。但是，由于电力通 信系统的结构复杂，考虑的因素也多，所以系统可靠性指标的解析表达式很难建立， 因此，该方法有明显的缺陷【1 6 d 引。蒙特卡洛模拟法属于统计试验方法，可以发现一 些人们难以预料的事故，容易处理各种实际运行的控制策略，所以它在进行大型复 杂电力系统的可靠性评估时具有一定的优越性。然而，它的不足之处在于计算时间 长、灵敏度变化剧烈，从而大大影响了分析结果【1 9 珈l 。人工神经网络【2 1 2 2 】作为一种 大规模并行处理的非线性系统，依据数据本身的内在联系建模，具有良好的适应性 与自学能力、较强的抗干扰能力与鲁棒性，被广泛地应用于电力系统的可靠性评估 中，但是，它的网络输入层、神经元的确定没有一个明确的方法，主观性太强，导 致它在某些时候与实际情况不符【2 3 1 。模糊可靠性评估法是应用模糊集合理论对系统 可靠性进行评估的一种方法，采用模糊函数来描述设备的故障率、修复率与运行状 态概率等不确定性因素，并利用相应的模糊集合运算得出可靠性指标f 2 4 1 。在影响因 素分析上，先对各项运行指标打分，再进行加权处理，从而得到模糊函数进行分析。 显然，得到的结果过于理想化，并未考虑运行环境，特别是非运行因素对设备状态 的干扰。此外，还有参数估计法、失效概率法、状态枚举法、潮流分析法、最优化 方法等一系列的评估方法，这些方法大多是单定性或单定量的评价且受主观因素的 影响较大，评估结果也都有不同程度的失真【2 5 2 引。 由于光缆线路可靠性评估是多维因素的综合体，这决定了单因素评价无法得出 光缆线路的综合评价。2 0 世纪8 0 年代蔡文创立的物元理论是定性与定量科学结合 的有力工具。可拓学( 原称物元分析) 选题于1 9 7 6 年，1 9 8 3 年在我国的科学探索 学报上发表了开创性“可拓集合与不相容问题”，标志着学科的诞生。可拓学的 理论基础是物元理论、可拓集合论和事元理论。经过可拓学研究者们多年的艰苦创 业、共同奋斗，可拓学已初具规模，并引起国内外学界的广泛关注，通过研究也从 中国大陆走向香港、台湾、美国、日本和南美洲等地，具有较大的影响【2 9 1 。 国内较早进行可拓学研究的有华东理工大学、清华大学等，并且已有一些关于 可拓控制的研究成果。如华东理工大学王行愚等最早提出了可拓控制的基本思想、 结构和原理，该项研究得到了国家自然科学基金的资助；李健、胡琛等提出了可拓 控制器的构成方法并进行了方针研究；清华大学潘东和金以慧提出了双层结构自学 习可拓控制器，并进行了仿真分析。国内的这些研究建立了可拓控制的基本理论和 方法，研究的结果表明可拓控制器具有良好的发展潜力。 目前，国内正在进行可拓学研究的有山东大学、浙江工业大学、广东工业大学 等。国外如美国、日本和台湾等也极为关注可拓学的研究。用可拓学物元模型解决 实际问题的研究已经得到了广泛应用。如：北京师范大学资源科学研究所的谢花林， 1 华北电力大学硕士学位论文 进行了城市生态安全水平的物元评判模型研究；山东科技大学资环学院的刘立民老 师，进行的建筑物塌陷损坏评价的物元模型及其研究；合肥工业大学资源与环境工 程学院经济管理学院的李如忠，进行的企业贷款安全性的物元评价模型及其应用研 究；山东科技大学经济管理学院的马有才，进行的企业贷款安全性的物元评判模型 及其应用研究【3 0 。羽。可以说物元理论已经应用到国民经济建设的方方面面，是一种 比较可取的研究方法。由于可拓学本身正处于发展的过程中，已有的一些概念和提 法都有值得进一步探讨的地方，如可拓控制的本质，物元及物元变换在可拓学中的 应用，关联函数的建立方法等。 综上所述，虽然对于可靠性评估的方法比较多，但也存在很多缺陷，需要进行 完善，而对于光缆线路中继电保护业务的评估，有的只是从某一个不确定性因素出 发，有的从光缆的物理特性出发或是仅针对保护通道的误码、抖动、漂移、时延和 自动倒换等传输特性进行评估，这些可靠性指标都难以综合表达现场运行中保护业 务的故障率，所以本课题通过借鉴可靠性评估的方法，考虑光纤保护线路中造成光 纤故障的因素的随机模糊性，采用基于物元理论的数学方法建立可靠性评估模型， 在评估方法上做探索性的尝试。 1 3 论文的主要工作 论文主要对光缆线路在传输继电保护业务时的故障情况进行分析，并确定影响 光缆线路可靠性的因素，从而建立数学模型计算光缆线路的可靠性，最后对其进行 讨论并得出结果。全文章节安排如下： 第一章为引言部分。主要介绍了本课题的研究背景及意义，阐述了国内外相关 研究的发展情况。 第二章主要介绍了光纤通道与光缆线路故障因素。首先说明了光纤通道与继电 保护的配合方式以及光纤保护的不足。然后对造成光缆线路故障的因素进行了描 述，并根据调研统计的大量电力系统光缆线路的运行数据，对光缆线路的使用情况， 故障情况及故障原因进行了总结分析，从而总结出了光缆线路故障的指标体系。 第三章是光缆线路指标权重的确定。介绍了采用不确定层次分析法计算各指标 的区间权重的方法，利用群判断、集值统计与重心决策理论修正权重的过程。这种 方法有效地处理了指标存在的不确定性与专家评判的模糊性。 第四章为基于物元理论的光缆线路可靠性评估建模。首先介绍了物元理论的基 本概念及物元模型的建模方法。然后提出了物元理论在评价过程中关联函数存在的 不足，并对本文所采用的“改进的关联函数”进行了详细介绍。最后，针对第二章 中确立的指标体系进行系统分析，建立基于物元理论的光缆线路可靠性评估模型。 4 华北电力大学硕士学位论文 第五章是实例分析。根据某电网2 0 0 5 2 0 0 7 年电力系统光缆线路运行记录以及 分析报告，经总结分析后，应用不确定层次分析法与物元理论相结合的方法对光缆 线路进行可靠性评估。验证了该方法的有效性。 第六章为结论部分。对课题所完成的工作进行总结，并对课题的后续研究提出 展望。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章光缆线路中继电保护业务及光缆故障分析 光纤在通信系统中的大规模应用使得传输继电保护业务的方式逐渐转向光纤 通道。但是，光缆线路经常受到内部与外部因素的影响，其可靠性成为了大家关注 的对象。如何评价光缆线路在传输继电保护业务时的可靠性，影响光缆线路可靠性 的因素有哪些，如何提高可靠性等问题是当前需要研究的重点内容。本章主要介绍 光缆线路与继电保护配合的方式以及光缆故障因素的相关知识。 2 1 光纤通道与继电保护配合方式 随着通信技术的发展，光纤通信以其传输质量高，误码率低( 一般在1 0 。1 0 以下) ； 频带宽，传输信息量大；抗干扰能力强等特点被广泛地应用于电力系统中继电保护 业务的传输。目前，光纤通道与继电保护配合的主要方式有专用光纤纵联保护、复 用光纤保护、光纤纵联电流差动保护三种方式。 ( 1 ) 专用光纤纵联保护 光纤与纵联保护配合构成专用光纤纵联保护。采用允许式，在光纤通道上传输 允许信号和直跳信号( 如图2 1 ) 【3 3 1 。此种方式，使用单独的专用光芯，避免了与其 他装置的联系，减少了信号的传输环节，从而增加了使用的可靠性。但是，光芯利 用率较低，保护人员维护通道设备没有优势。同时，在带路操作时，需进行本路保 护与带路保护光芯的切换，操作不便。而且光接头经多次的拔插后易造成损坏。故 这种方式一般用于距离在4 0 k m 以内的站间保护。 光纤光纤 接口接口 专用光纤 m 侧保护装置n 侧保护装置 图2 1 专用光纤纵联保护连接方式 ( 2 ) 复用光纤纵联保护 光纤与纵联保护配合构成复用光纤纵联保护。采用允许式，保护装置发出的允 许信号和直跳信号需要经音频接口传送给复用设备，然后经复用设备连接到光纤通 道( 如图2 2 ) 。此种方式接线简单，利于运行维护。带路进行电信号切换，利于实 施。提高了光芯的利用率。但是中间环节增加，而且带路切换设备在通信室，不利 于运行人员巡视检查，通信设备有问题会影响保护装置的运行。 6 华北电力大学硕士学位论文 光信号 数字数字 传输 m 侧 _ 一接口l设备 设备 保护传输 装置n侧 图2 2 复用光纤纵联保护连接方式 ( 3 ) 光纤纵联电流差动保护 光纤电流差动保护是在电流差动保护的基础上演化而来的，基本保护原理也是 基于克希霍夫基本电流定律，它能够理想地使保护实现单元化，原理简单，不受运 行方式变化的影响，而且由于两侧的保护装置没有电联系，提高了运行的可靠性( 如 图2 3 ) 。光纤电流差动保护在继承了电流差动保护的这些优点的同时，以其可靠稳 定的光纤传输通道保证了传送电流的幅值和相位正确可靠地传送到对侧。采用的通 道方式有复用光纤方式和专用光纤方式，因专用( 或复用) 光纤保护主要的区别就是 通道形式不一样，但构成纵联的原理与常规保护没有区别。 线路m 侧 鼙嚣t 鼍 图2 3 光纤纵联电流差动保护连接方式 2 2 光纤保护中存在的问题 光纤保护是超高压线路的主保护，通道的安全可靠对电力系统的安全、稳定运 行起到重要的作用。因此，光纤保护中存在的问题更应该引起我们的注意【3 4 1 。 2 2 1 施工工艺问题 由于光缆传输需要经过转接端子箱、光缆机、电缆层和高压线路等连接环节， 并且光纤的施工工艺复杂、施工质量要求高，因此如果在保护装置投入运行前的施 工、测试中存在误差，则会导致保护装置的误动作，进而影响全网的安全稳定运行。 2 2 2 通道双重化问题 光纤保护用于2 2 0 k v 及以上电网时，按照2 2 0 k v 及以上线路主保护双重化原则 7 华北电力火学硕士学位论文 的要求，纵联保护的信号通道也要求双重化。高频保护由于是在不同的相别上耦合， 因此能满足双通道的要求，如果使用两套光纤保护作为线路的主保护，通道双重化 的问题则一直限制着光纤保护的大规模推广应用。 同一光缆的不同纤芯能否构成通道的双重化需要根据光缆的型式来确定。对于 普通光缆和a d s s 光缆，由于其可靠性较差，同一光缆内的光芯不同不能视为通道 双重化，只能通过光缆的双重化来达到通道双重化的要求【9 】。对于o p g w 光缆，由于 其具有较高的可靠性，在目前光纤网络未能形成环网的现状下，同一光缆纤芯不同 可视为通道双重化；当形成了光纤网络环网后，o p g w 光缆也应实现两条路由的双重 化，能在一条光缆损坏后通过另一个路由正常运行。随着波分复用技术的逐步应用 和光纤容量的大幅增加，光纤保护将来还要实现在同一根光缆里的多重化、在传输 波长上的多重化，以及在传输路由上的多重化，从而最大限度地提高光纤保护运行 的可靠性。 2 2 3 通道倒换对继电保护的影响 光纤自愈网就是指不需要人为的干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中 自动恢复所传送的业务。在采用通道倒换环方式下，主用通道故障导致保护路由向 备用通道切换，以及故障恢复后保护路由从备用通道向主用通道切换过程中，既可 以是s d h 进行通道倒换，也可以是p c m 自动倒换。线路纵差保护要求通道双向路由 一致，线路纵联差动保护不宜采用通道倒换环的自愈功能，宜采用独立双通道。线 路纵联距离( 方向) 保护可以采用通道倒换环的自愈功能，但通道切换会引起业务短 暂中断，继电保护装置应能检测到业务中断并瞬间退出相关功能，确保装置不误动。 2 2 4 误码对保护判据的关联性的影响 光纤传输系统造成误码的主要内部机理有： ( 1 ) 各种噪声源； ( 2 ) 色散引起的码间干扰； ( 3 ) 定位抖动产生的误码； ( 4 ) 复用器、交叉连接设备和交换机的误码。 通道误码对保护判据的影响主要体现在三个方面： ( 1 ) 误码使得报文内容或者c r c 校验值的某一位值发生错误，导致报文通不过 c r c 校验； ( 2 ) 误码使得报文头或报文尾的某一位值发生错误，导致报文完整性遭到破 8 华北电力大学硕士学位论文 坏，通信控制芯片报文出错； ( 3 ) 报文的比特数应该是8 的整数倍，通道滑码可能造成比特的增加或者缺失， 导致报文比特数不是8 的整数倍，通信控制芯片报非完整报文。 对于线路纵差保护，一旦检测到非完整报文，则重新检测通道时延，实现两侧 装置采样数据的再同步。对于单个随机误码，也可能影响报文的完整性，使得线路 纵差保护在通道路由没有发生变化的情况下，也重新启动一个新的同步过程，至少 引起线路纵差保护数十毫秒的闭锁。线路纵联距离或纵联方向保护需要交换的数据 仅是允许信号，没有通道时延一致性方面的要求，不需要同步两侧装置的采样时刻， 通道误码仅会引起当前受影响的通信报文的正确性，但不会影响后续报文的使用。 因此，采用光纤通道传输继电保护信号具有不足之处。光缆线路传输系统的性 能与引发光缆线路发生故障的因素等都会影响到继电保护业务的正确传输。正确的 分析光缆线路故障因素是可靠性评估基础。 2 3 光缆故障分析 随着通信网络光纤化趋势进程的加速，我国电力专用通信网在很多地区已经基 本完成了从主干线到接入网向光纤过度的过程。电力特种光缆应用技术日趋成熟， 最近几年电力特种光缆在我国电力通信网中的应用逐渐出现了高潮，其生产也形成 了相当规模。截止2 0 0 7 年底，电力通信网运行光缆总长度已达3 0 多万公里。随着 a d s s 和o p g w 电力特种光缆的大规模使用和运行时间的延长，光缆线路故障已成为 影响电力通信系统业务安全最大的因素1 3 5 j 。 2 3 1 电力特种光缆在电力系统中的应用 目前电力特殊光缆制造及工程设计已经成熟，特别是o p g w 和a d s s 技术，在国 内电力特殊光缆已经开始大规模的应用。 ( 1 ) 光纤复合架空地线( 0 p g w ) o p g w 又称地线复合光缆、光纤架空地线等，是在电力传输线路的地线中含有供 通信用的光纤单元。它具有两种功能：一是作为输电线路的防雷线，对输电导线抗 雷闪放电提供屏蔽保护；二是通过复合在地线中的光纤来传输信息。0 p g w 是架空地 线和光缆的复合体，但并不是它们之间的简单相加【3 6 】。 0 p g w 光缆主要在5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、1 1 0 k v 电压等级线路上使用，受线路停电、安 全等因素影响，多在新建线路上应用。o p g w 的适用特点是： 高压超过“0 k v 的线路，档距较大( 一般都在2 5 0 m 以上) 。 9 华北电力大学硕士学位论文 易于维护，对于线路跨越问题易解决，机械特性可满足线路大跨越。 o p g w 外层为金属铠装，对高压电蚀及降解无影响。 o p g w 在施工时必须停电，停电损失较大，所以在新建1 1 0 k v 以上高压线路 中应该使用o p g w 。 o p g w 的性能指标中，短路电流越大，越需要用良导体做铠装，则相应降低 了抗拉强度，而在抗拉强度一定的情况下，要提高短路电流容量，只有增大金属截 面积，从而导致缆径和缆重增加，这样就对线路杆塔强度提出了安全问题。 ( 2 ) 全介质自承光缆( a d s s ) 全介质自承式光缆a d s s ( a 1 1d i e l e c t r i cs e l fs u p p o r t i n g ) 。全介质即光 缆所用的是全介质材料。自承式是指光缆自身加强构件能承受自重及外界负荷【3 7 1 。 这一名称就点明了这种光缆的使用环境及其关键技术：因为是自承式，所以其机械 强度举足轻重；使用全介质材料是因为光缆处于高压强电环境中，必须能耐受强电 的影响；由于是在电力杆塔上架空使用，所以必须有配套的挂件将光缆固定在杆塔 上。 a d s s 光缆在2 2 0 k v 、1 1 0 k v 、3 5 k v 电压等级输电线路上广泛使用，特别是在已 建线路上使用较多。它能满足电力输电线跨度大、垂度大的要求。标准的a d s s 设 计可达1 4 4 芯。其特点是： a d s s 内光纤张力理论值为零。 a d s s 光缆为全绝缘结构，安装及线路维护时可带电作业，这样可大大减少 停电损失。 a d s s 的伸缩率在温差很大的范围内可保持不变，而且其在极限温度下，具 有稳定的光学特性。 a d s s 光缆直径小、质量轻，可以减少冰和风对光缆的影响，其对杆塔强度 的影响也很小。 a d s s 采用了新型材料及光滑外形设计，使其具有优越的空气动力特性。 2 3 2 电力系统光缆故障类型 在电网中，光缆线路故障主要是有以下两个方面：第一，光缆老化。造成光缆 老化的主要因素有电腐蚀、电压等级、档距、材料、张力、覆冰、风速、防潮防水、 温差变化、环境( 土壤、水) 腐蚀性等。第二，外力损伤：虫蚁鼠咬、雷击灾害、挂 断、剪断、火烧、枪击等。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) o p g w 雷击断股的主要原因 一般输电线路走廊经过的地形地貌、气象条件都比较复杂。o p g w 是与输电导线 同塔架设，处于架空线路的最顶部，作为避雷线和线路发生故障短路时接地线使用， 因此设计地线的最初目的之一，就是避免雷击对相线的伤害。因此，o p g w 遭受雷击 是不可避免的。 雷电损伤的机理是【3 8 】：首先瞬间大电流闪击，造成千度以上熔融区，周围由大 到小散布气泡；紧跟持续电流扩展熔融区，造成高温熔断，熔断形成较圆头，半熔 态形成较平较斜断头；最后还会快速并发多次雷电冲击造成更多处熔伤溅伤累积。 分析断股情况，可总结出断股的一些规律： 断股基本由雷击造成； o p g w 架设较多的地区断股故障较多； 断股大多数出现在档距中； 断股大多数未对光纤通信造成影响； 外层为铝合金绞线或单丝直径较小绞线的0 p g w 更易断股； 外层断股与0 p g 内层结构型式无关； 高幅值雷电流与低幅值雷电流均可能造成断股； 国产及进口o p g w 均有断股发生。 ， 从应用和实验室测试情况来看，目前的0 p g w 在耐雷方面还有待进一步提高。 ( 2 ) a d s s 光缆电腐蚀的主要原因 针对电力通信网中出现的多起a d s s 电腐蚀事故，经分析认为主要由下面几个 原因造成【3 9 1 ： a d s s 挂点的选择失误。光缆的悬挂点位置明显偏高，导致a d s s 承受的电场 强度和空间电位远远超过设计水平，引起a d s s 表面电腐蚀。 “干带电弧”是造成a d s s 表面产生电腐蚀的最主要原因。电弧产生的高热， 使外护套表面的温度升高，产生树枝化的电痕，直至烧穿光缆的外护套，露出芳纶 纱，最后造成断缆事故发生。 a d s s 光缆铝丝端部电晕放电引起的劣化，造成a d s s 出现电腐蚀。防震鞭材 料的耐电腐蚀性能十分重要，如果防震鞭材料仅仅是普通的p v c 材料，并不是耐电 腐蚀的材料，在高电压环境下将首先会被电腐蚀，最终将会成为一个导电体，电流 华北电力大学硕士学位论文 流过时将会产，| 很高的热量，改热量最终会导致光缆护套变形和熔化等。 24 光缆运行故障数据收集及分析 在课题研究阶段，一直与某电网保持联系，在相关工作人员的大力支持下，深 入了解了光缆线路的具体运行情况并搜集整理得到大量统计数据。归纳总结如下： 241 光缆故障情况总述 表2 一l2 0 0 52 0 0 7 年通信系统光缆故障情况汇总表 年度光缆类型 0 p g w a d s s 管道光缆架空光缆 台计 2 光缆总长度( k m ) 1 4 0 1 45 l1 3 7 5 95 24 3 7 1 1 37 8 8 ，7 23 2 9 3 38 5 0 故障次数( 次) 2 55 23 741 1 8 0 7 故障( 次千公罩) l7 837 884 65 0 735 8 拄 各类故障百分比 2 i1 9 4 40 7 3 13 6 33 9 1 0 00 0 2 光缆总长度( k m ) 1 2 7 1 79 913 1 2 80 l2 5 7 28 82 9 0 9 9 2 8 7 0 98 7 0 故障次数( 次) 2 14 93 9 1 1 l o o 6 故障( 次p 公里) 16 5 37 31 5 1 534 3 38 3 年 1 90 9 4 45 5 3 54 腓0g 】1 0 00 0 异类故障自分比 2 光缆总k 度( k m ) 9 4 7 8 2 41 2 2 6 0 1 02 0 2 66 72 6 73 72 4 0 3 23 8 o 故障次数( 次) 3 5 6 13 57 1 3 8 o 5 故障( 次干公里) 36 949 81 72 7 2 61 8 57 4 矩 各类故障百分比 2 53 6 4 42 0 2 53 6 50 7 1 0 00 0 3 73 9 馐1 ：三量 0 9 6 m “些 * m 4 1 掣磐 0 1 口2 0 0 7 年故障次数( 次) 2 0 0 6 年拙障次数( 扶) 口2 0 0 5 年故障次数 图2 12 0 0 52 0 0 7 年通信系统光缆故障情况比较罔 华北电力大学硕十学位论文 道光缆 。“i i 孟五i 而面面i _ 面磊瓦i s s * m m * m * ，m m ，t o m j - 2 0 0 6 lm i w ( # ：j 1o ) 口2 0 0 ；4 镕# r ( 2 - r 图262 0 0 52 0 0 7 年通信系统光缆故障每千公里故障次数 以上图表为2 0 0 5 2 0 0 7 年光缆线路的准确描述从图表中可以得出： ( 1 ) 由表21 和图24 可以得出，光缆线路在2 0 0 7 年总的故障次数为1 1 8 次， 略高于2 0 0 6 年，但是运维光缆线路的总长度增加了，较2 0 0 5 年光缆故障次数明最 减少。 ( 2 ) 从各类型光缆故障次数分布情况来看( 如图25 ) ：2 0 0 7 年各类型光缆故障 中a d s s 光缆故障次数最多达到5 2 次，占所有光缆故障总次数的4 40 7 ，虽较 2 0 0 5 年故障次数明显减少，但与2 0 0 5 年一样仍占各娄故障之首；其次是管道光缆 发生3 7 次故障，占光缆故障总次数的3 13 6 ，管道光缆故障次数较2 0 0 5 年增多； 2 0 0 7 年o p g w 光缆故障发生次数因频繁断股o p g w 光缆的更换而较2 0 0 j 年明显减少， 全年发生故障2 5 次，占光缆