光纤保护通道可靠性研究

俞 斌，王同文，张 理，谢 民，邵庆祝

(1.国网安徽省电力有限公司，安徽 合肥 230022；2.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230022)

随着高频保护的逐渐退出，光纤保护已经成为当下电力系统的主流保护，是保证电网安全稳定运行的重要手段[1]。

为分析和提高光纤保护通道的可靠性，文献[2]基于模糊层次法，考虑通信的各个环节对电力通信网络的可靠性管理进行了研究；文献[3-5]采用可靠性框图方法，建立多层次可靠性指标进行分析；文献[6-8]分别对元件复用、通信环网、同塔双回等具体光纤通道应用场景进行了可靠性研究；文件[9-11]则提出了环网、双通道等手段用于提高光纤通道可靠性。

工程中，目前主要做法是在建设时保留备用纤芯，在正常通道损坏时启用备用纤芯。但是对于需要备用多少纤芯才能保证光纤通道合理的可靠性尚未有统一的标准，文献[12]建议“二备一”，工程中通常则是“一备一”。由于“双设备、双路由、双通道”等要求，按照以上原则，备用纤芯也将更多，造成工程投资增大，且出现部分老光缆不能满足运行要求的情况。为对工程建设起到支撑作用，有必要对光纤通道备用芯数量、备用率对光纤通道可靠性的影响进行研究，明确纤芯备用率与通道可靠性的关系。本文针对不同类型、不同备用芯数量等情况，对光纤保护通道可靠性进行了定量分析。给出了在不同纤芯可用率情况下，满足光纤通道可靠性要求的光纤纤芯备用方案，确保光纤通道可靠性的前提下尽可能减少备用芯数量，从而达到节约投资的目的，具有实际意义。

1 光纤保护通道类型

1.1 专用光纤通道

专用光纤通道是指线路两侧保护装置直接通过光纤传输保护信息，一个通道具备专用的一收一发2条纤芯，纤芯内只用于传输本线路保护信息，不与其他装置共用，其传输方式如图1所示。

图1 专用光纤通道

1.2 复用光纤通道

复用光纤通道是指线路两侧保护信息以64 kbit/s或2 048 kbit/s电信号接入通信设备，与其他数据业务复用后，在公共光纤通信网上传输，须通过光缆连接专门的数字接口装置再进行传输。一般也具备一收一发2条纤芯，但不仅仅传输本线路相关信息，也传输其他的信息，复用光纤通道传输方式如图2所示。

图2 复用光纤通道

2 不同类型通道可靠性分析

2.1 可靠性分析简化模型

专用光纤通道在传输过程中间存在尾纤、跳纤及光纤配线架等设备，本文重点关注光纤备用数量对光纤通道可靠性的影响，在此将中间环节的设备省略，所有的专用光纤通道可等效为图3通道模型。

同理，复用光纤通道中间可能会有转发设备，通道也可能是迂回的，将复用光纤的中间设备省略后，复用光纤通道模型可等效为图4所示简化模型。

目前在电网实际运行中，双重化配置的保护采用不同路由、不同光缆方式，两套保护通道之间没有相关性，后续可靠性分析针对单条光缆中的保护通道进行。

图3 专用光纤通道简化模型

图4 复用光纤通道简化模型

2.2 专用光纤通道可靠性分析

采用专用光纤通道时，一条光缆中的一对纤芯作为信号收发的传输信道，任何一条纤芯损坏，都将导致本保护通道不可用。当线路两侧存在多套保护，且多套保护的纤芯同时出现损坏时，如果备用芯不足，将导致部分保护通道不可用。

假设线路两端为变电站A和B，两站各有n套保护通过同一光缆传输，且为单通道保护，采用专用光纤通道时，需要2n条纤芯，假设光缆中有m条备用芯。对于两侧保护，如果光缆中损坏的光纤超过m条，必然会导致某些保护通道中断。因此，可以得到A站和B站间的任何一套线路保护专用光纤通道的可用率计算方法如下：

(1)

2.3 复用光纤通道可靠性分析

采用复用光纤通道时，假设线路两端分别为变电站A和变电站B，两站各有n套保护采用复用光纤通道，只需要2条光纤，假设光缆中还有m条备用芯。对于其中某一套保护而言，如果光缆中可用纤芯不足2条时，将造成光纤通道中断。可以得到复用光纤通道的可用率计算方法如下：

R=1-(1-μ)2+m-μ×(1-μ)2+m-1×(2+m)

(2)

3 算例分析

以同塔双回线路为例，依据文献[12]，330 kV以上同塔双回线路，以及330 kV、220 kV同塔多回线路与重要输送通道同塔双回联络线，一般架设2条OPGW光缆，每条线路的2套保护交叉使用这2条OPGW光缆。架设1条OPGW光缆的线路，应采用迂回通道作为备用通道。采用专用光纤方式，同一线路2套保护装置分别使用不同的OPGW通道，配置图如图5所示；采用复用光纤方式，同一线路2套保护装置分别使用不同的OPGW通道，配置图如图6所示。

图5 同塔双回线路采用专用光纤通道方式

图6 同塔双回线路采用复用光纤通道方式

3.1 采用专用光纤通道

两侧变电站各有4套保护，全部采用专用光纤通道，因此正常需要8条纤芯，每条OPGW光缆各包含4条纤芯。若每条OPGW光缆包含m条备用芯，且OPGW1光缆通道中纤芯损坏时不能采用OPGW2光缆通道中的备用纤芯，依据公式可以得到专用光纤通道可用率计算如下：

(3)

影响光纤可靠性的因素很多，包括产品质量、运行环境、维护水平、自然灾害等[8]。关于光纤可靠性的基础性数据较为欠缺，本文采用文献[8]的可靠性数据，即可用率μ=0.999 935。

专用光纤通道长度为50 km为例，计算可以得到其纤芯可用率为μ=0.996 755 170 2。因此，专用光纤通道的可用率如下表1所示。

3.2 采用复用光纤通道

全部采用复用光纤通道，正常需要2条OPGW光缆，4条纤芯，每条OPGW光缆各包含2条纤芯。若每条OPGW光缆包含m条备用芯，依据公式可以得到，复用通道的可用率计算如式(2)。

表1 不同备用芯数的通道可用率

复用光纤通道长度为50 km为例，其纤芯可用率为μ=0.996 755 170 2。因此，复用通道的可用性如表2所示。

表2 复用光纤通道可用率

3.3 计算结果分析

上面计算结果可以得到，同塔双回线路，在备用芯数量相同情况下，复用通道具有更高的可用度，图7为专用光纤(实线)和复用光纤(虚线)在不同数量备用芯的情况下的通道可用率的比较。

另外，在给定的纤芯可用率μ=0.999 935的情况下，在备用芯数为6时，无论专用光纤通道还是复用光纤通道，其通道可用率在计算软件的精度条件下已经为1，即可认为100%可靠。在实际应用中，可以按照对通道可用度精度的要求来选取合适的备用芯数量。

图7 不同备用芯数量的可用率比较

图8 不同可用率情况下专用光纤通道可用率

图9 不同可用率情况下复用光纤通道可用率

3.4 灵敏度分析

3.4.1 纤芯可用率对通道可用率的影响

影响光纤可靠性的因素很多，光纤纤芯可用率μ变化时，不同备用芯数量情况下的通道可用率也将发生变化。同样以上节同塔双回线路为例，随着光纤纤芯可用率μ变化时，不同备用芯数量情况下通道可用率的变化情况如图8、图9所示，图中m为备用纤芯数。

可以看到，专用光纤通道在光纤纤芯可用率高于0.9后，备用芯超过4根时，通道可用率接近于1。复用光纤通道在光纤纤芯可用率μ高于0.9后，备用芯超过2根时，通道可用率也接近于1。即在实际工程中的“一备一”方式，备用率为100%时，可以接受纤芯可用率劣化约0.1～0.9，具有较高的冗余度。

3.4.2 保护数量对通道可用率的影响

专用光纤通道的所需备用芯数量和两侧保护数量也有关系，若1条OPGW光缆两端连接有n套保护，依据公式可以计算不同保护套数时通道可用率，纤芯可用率依旧采用为μ=0.996 755 170 2，可以得到不同保护套数时专用光纤通道可用率随备用芯数量变化的曲线，如图10所示。

图10 保护数不同时专用通道可用率和备用芯关系

如果光纤通道的可靠性要求为10年不出现1 h以上的中断为要求，即可用率R≥1-1/87 600，可以得到表3，表中n为两端保护套数，m为备用芯数量，黑色区域表示不满足通道可靠性要求，1表示满足可靠性要求，用白色表示。

表3 通道可靠性满足程度a

另外选取μ=0.95，μ=0.9，计算通道可用率满足程度，如表4所示。表中中等灰度区域为μ=0.95相对于μ=0.996 755 170 2新增的不满足区域，低等灰度区域为μ=0.9对于μ=0.95新增的不满足区域。

表3、表4从不同光纤纤芯可用率μ出发，给出了不同保护套数的情形下，满足通道可靠性要求的最小备用纤芯数量，可以作为实际工程选择的参考，从而做到根据实际光纤纤芯可用率的变化对备用芯数量做出增减，保证了经济性和可靠性。

表4 通道可靠性满足程度b

另外，以μ=0.9计算随着保护套数的增加，满足通道可靠性要求的光纤纤芯备用率变化情况，得到图11，可以看出随着两侧保护套数的增加(尽管实际不会传输这么多保护)，为满足通道可靠性所需要的纤芯备用率是逐步下降的，因此在实际工程中对两侧保护较多的通道可以考虑降低纤芯备用率。

图11 专用光纤通道纤芯备用率与保护套数关系

4 结论

本文从工程实际需要出发，针对不同类型保护光纤通道，给出了专用光纤通道和复用光纤通道可用率的计算方法，对不同数量备用芯情况下的保护通道进行了可靠性分析，分析了线路两侧保护套数和备用芯数量对通道可用率的影响。在文献可用率指标下及在给定的可靠性要求下得出以下结论。

a.采用专用光纤通道时，每个光缆通道备用2根备用芯，能满足绝大部分情况下可靠性需求，对于同一光缆中传输保护较多时，备用3根备用芯就能满足要求。

b.复用光纤通道，每对光纤备用2根纤芯，能满足可靠性需求。

c.在山区、光缆运行环境较差的工程，如果纤芯可用率下降较多，需要增加备用芯，并给出了可靠性满足对应表格。