隨著光纖通信和繼電保護技術的發展，基于光纖通道的差動保護越來越多地作為線路主保護。差動保護用的光纖通道主要有專用光纖通道和復用光纖通道（以下簡稱復用通道）兩種類型。專用光纖通道拓撲結構簡單，但應用距離較短，光纖芯利用率低。

復用光纖通道中兩側保護裝置與各側通信接口裝置MUX（multiplexer）連接，經過數字配線架（digital distribution frame, DDF）接入同步數字體系（synchronous digital hierarchy, SDH）光纖通信環網后互相通信。復用光纖通道與專用光纖通道相比具有光纖利用率高、通信距離長的優點，同時對傳輸的SDH網絡可實現遠方監控。

復用光纖通道拓撲復雜，中間經過多次光電轉換及SDH網絡傳輸，當出現故障時，需快速定位故障點位置和性質，通常采用的故障定位方式有：①在通道各連接處逐步擴大范圍自環測試，這種方法通常需兩側人員配合，耗時耗力；②基于通道拓撲、各環節設備狀態及裝置告警等信息，分析和判斷故障點位置和性質，該方法需要深刻的通道認識、經驗和技巧才能較快定位故障；③對于偶發性故障，故障現象難以捕捉和定位，通過自環或告警分析法處理困難，耗時最長，很多時候只能通過替換的方式排除故障。

通常通道故障定位流程需保護人員和通信人員相配合，到現場收集大量信息并做好安保后才能實施故障定位方法，因而故障定位實施緩慢。

本文首先研究了現有判斷通道設備通信異常的機制，在此基礎上提出了復用通道故障定位方法，該方法能很好地定位通道故障；再進一步結合實際運維情況，提出了通道故障觸發錄波的方案，錄波文件按照電力系統暫態數據交換通用格式輸出，通過增加中間節點信息文件并配套相關的展示軟件，可直觀展示故障發生前后通道的相關狀態。

錄波文件、通道告警和故障點定位等信息按規范建模并上送，可方便收集通道故障相關信息并傳輸至遠方，配合SDH網絡遠方監控，可以進一步區分光纖傳輸網的故障環節，實現通道故障的遠方在線診斷，極大提升通道故障診斷效率。

1 通道設備通信異常判斷機制及處理方法

復用通道的傳輸結構如圖1所示。保護裝置與通信接口裝置之間通過光纖連接，通信接口裝置與站內的SDH終端之間通過電纜連接，兩側SDH終端光纖直連或經站間中轉的傳輸網絡連接。

圖1 復用通道傳輸結構

1.1 保護裝置通信異常的判斷機制

保護裝置通信異常的檢測原理如圖2所示。保護裝置監視收到的數據幀的幀格式、幀內容、接收光功率等信息，并對幀內容進行數據分析，判斷是否發生通道延時變化、丟幀等情況。當保護裝置監測到數據異常時，記錄故障發生時刻和信息，并報告。

圖2 保護裝置通信異常的檢測原理

1.2 MUX通信異常判斷機制

MUX內部通信異常的檢測原理如圖3所示。MUX由光電轉換模塊、數據編碼模塊、E1信號轉換模塊3個環節組成，光電轉換模塊將光（電）信號轉成電（光）信號，數據編碼模塊根據接收的數據碼型判斷數據是否出現異常，E1信號轉換模塊將TTL的電平信號轉成G.703標準電口的HDB3編碼電信號。

圖3 MUX通信異常的檢測原理

MUX光收異常識別包括光功率監視和鏈路監視兩個模塊。其中：①光功率監視模塊用于檢測光纖物理通道是否正常，當檢測到光口接收功率超限時，判斷為光纖通道異常；②鏈路監視模塊用于監視數據傳輸是否正常，當檢測到光口收到的碼型不正確時，判斷為光傳輸通道出現了異常。

MUX電收異常識別包括信號監視和鏈路監視兩個模塊。其中：①信號監視模塊由E1信號轉換芯片完成，當接收到信號丟失時，會產生信號丟失（LOS）信號；②鏈路監視模塊與上述光收異常類似，電口根據收到的信號碼型來判斷是否存在異常。

1.3 SDH通信異常的處理方法

按照國家標準GB/T 16712—2008 SDH設備功能塊特性對SDH的規范要求，SDH終端的簡化邏輯功能塊結構如圖4所示。

圖4 SDH終端通信異常檢測原理

下邊的PHD物理支路接口（PDH physical interface, PPI）為準同步數字體系（plesiochronous digital hierarchy, PDH），HDB3編碼的電信號從這里輸入或輸出；上邊為SDH物理接口（SDH physical interface, SPI），光信號從這里輸入或輸出；中間環節是對信號的處理，包括再生、復用、濾波等。

正常情況下SDH接收到的信號正常，SDH不會對信號本身進行任何處理。當接收到的信號異常、丟失或者SDH在中間環節處理出現了問題時，信號就會發生改變。

具體分析如下：

①光收信號異常，在圖4中，光信號從A點輸入，通過SPI的光電轉換輸出B，當SPI檢測到輸入信號失效時，觸發接收信號丟失（LOS）信號，再生段終端（RST）接收到LOS信號后在C點輸出全“1”信號，即恒高電平信號；

②電收信號異常，當電信號從支路端口輸入時，如果出現信號中斷，J點就會產生信號丟失（LOS）信號，導致后面環節數據變為全“1”；

③中間環節處理異常，當信號流在中間傳輸（比如從E到F）時，如果出現了指針丟失或管理單元告警，在F點就會出現全部置“1”的信號，故障排除后，全“1”信號消失。

由以上分析可知，不管是接收環節還是中間環節，只要出現了異常，SDH終端便會將信號置全“1”。

2 復用通道故障定位

2.1 不同環節故障通道設備的響應

現將圖1中不同通道環節發生故障時各通道設備的響應情況說明如下：

• 1）環節1故障。保護裝置1光收功率低于閾值，光收異常。
• 2）環節2故障。MUX1收到恒低電平的電信號，轉換成TTL為全“0”信號，電收異常；保護裝置1收到全“0”信號，碼型不對，光收異常。
• 3）環節3故障。SDH1光收異常，信號置全“1”；MUX1收到的電信號為HDB3編碼的全“1”信號，電收異常；保護裝置1收到全“1”信號，光收異常。
• 4）環節4故障。SDH2電收異常，信號置全“1”；MUX1收到的電信號為HDB3編碼的全“1”信號，MUX1電收異常；保護裝置1收到全“1”信號，光收異常。
• 5）環節5故障。MUX2收到的光信號為全“0”，光收異常；MUX1收到的電信號為HDB3編碼的全“0”信號，電收異常；保護裝置1收到全“0”信號，光收異常。
• 6）環節6—10與之前的分析對稱，故不再贅述。由于SDH的通道信息對保護裝置不開放，所以暫不考慮SDH。現將不同環節故障時保護裝置和MUX的響應列表總結，見表1。

表1 不同環節故障各設備的響應

由表1可知，當復用通道環節故障時，由于SDH設備不支持故障定位，故除了環節3與4、環節8與9之間無法區分外，其他環節故障時，均可從一側保護裝置查看，以確定故障點。當通道中間環節設備發生掉電等情況時，等效于多點故障，各側保護裝置可判斷至距離裝置側最近的故障點。

2.2 故障診斷字節

由上節分析可知，通道故障點與保護裝置或MUX異常狀態存在一一對應的狀態，當本側保護裝置接收通道上發生異常時，通過本側裝置或MUX判斷出故障點，考慮兩側裝置均能查看故障點，在通道傳輸的應用數據增加1個通道診斷字節用于故障點定位。

在通道診斷字節僅需定義5種故障類型，此5種故障類型分別占據不同的比特位，保護裝置及通信接口裝置按照后續設定的規則修改通道診斷字節。當通道發生故障時，保護裝置通過讀取和判斷通道診斷字節即可定位故障點。5種故障類型的通道診斷字節定義見表2。

表2 5種故障類型的通道診斷字節定義

2.3 通道故障定位及傳輸機理

保護裝置及MUX基于高級數據鏈路控制（high- level data link control, HDLC）協議對通道診斷字節進行操作，具體方法如下：

• 1）當通信接口裝置檢測到光口接收為全0時，向本側通道寫入RMOR0，保護裝置告警環節5（環節10）為故障點，同時向對側通道寫入MOR0。
• 2）當縱差保護裝置檢測到接收光功率低于閾值時，告警環節1（環節6）為故障點，同時向對側發送的數據幀寫入RLOP。
• 3）當縱差保護裝置檢測到光口接收為全1時，告警環節3/4（環節8/9）為故障點，同時將向對側發送的數據寫入RPOR1。
• 4）當縱差保護裝置檢測到光口接收為全0且無RMOR0時，告警環節2（環節7）為故障點，同時將向對側發送的數據寫入RPOR0。
• 5）對于MOR0、RMOR0為1的通道診斷字節，保護裝置僅接收而不將這些狀態轉發給對側。
• 6）通信接口裝置將上游通道數據中其他數據與本地需要操作的通道診斷字節繼續向下游轉發。
• 7）在通信接口裝置中，當檢測到光、電口接收信號有效時，不改變通道數據幀內容，正常向本鏈路后級轉發報文。

由以上分析可知，當通道出現故障時，保護裝置根據接收到信號的特征和通道診斷字節即可定位故障點；各裝置檢測到一幀錯誤即可修改通道診斷字節，對于瞬時性故障點也能定位。

3 復用通道故障錄波

復用通道故障診斷定位方法雖然能較好地定位單點故障，但僅顯示通道故障點；考慮實際應用中當復用通道發生穩定的故障時，為了解通道故障性質和確保通道故障點診斷正確，運維人員依然需要去收集通道故障后的通道相關信息，包括裝置通道狀態統計信息、裝置相關告警等數據，而對通道故障發生前的數據信息無法得知；對于復雜的通道故障情況，甚至需要去掛表分析通道狀態；對于瞬時性的通道故障，僅僅知道通道故障點依然不夠。

為方便對通道故障情況進行全面的分析，對應復雜通道故障，可在通道故障診斷字節發生變位時觸發錄波，記錄通道診斷字節變位前后的通道狀態信息、通道相關告警、通道故障診斷字節及通道相關定值，以形成錄波文件。

3.1 通道故障錄波硬件方案

考慮能夠完整對短時發生多次通道瞬時故障前后相關信息進行錄波，需要高速采集和大容量存儲通道故障數據：為避免錄波數據短時間內過多而導致傳輸堵塞，可采用大容量緩存單元，并設立多路并行數據通道；考慮轉存速度匹配問題，可設置控制單元與之配合使用，從而保證即使短時內發生多次瞬時通道故障，通道故障數據也能可靠地被保存在保護裝置中。

本文采用大規模現場可編程門陣列（field pro- grammable gate array, FPGA）、大容量雙倍速率同步動態隨機存儲器（double data rate, DDR）和兩級緩存技術實現通道多次瞬時性故障錄波數據的無死區緩存。

其方法是：通道接收數據先在FGPA的片內緩存區持續循環緩存，此為第1級緩存；在通道故障診斷字節變位后，FPGA截取變位期間的數據并將其緩存到大容量DDR中，此為第2級緩存；DSP依次從DDR取出數據進行分析，并將通道相關的原始數據及分析結果傳送給CPU，最終存入非易失存儲卡；大容量DDR可實現足夠多次數的通道數據緩存（例如64～1028次），使得在通道故障診斷字節多次連續觸發的情況下，裝置仍能有足夠的時間進行分析和進行通道故障錄波數據永久存儲。其示意圖如圖5所示。

圖5 故障瞬時錄波高速存儲技術示意

3.2 通道故障展示方案

為了方便展示通道故障時故障點信息、故障前后通道接收光強及相關告警，通道故障觸發生成錄波的同時會生成中間節點信息文件。通過開發對應的中間節點信息展示軟件，將通道故障前的通道狀態信息、通道診斷字節和通道相關告警按照時間序列的變化方式展示出來，方便運維人員通過調取故障波形文件，以展示工具軟件直觀快捷地了解故障點定位及通道故障前后的狀態信息。該展示軟件的結構示意圖如圖6所示。

圖6 通道錄波展示軟件的結構示意圖

運維人員通過播放錄波中間節點信息文件的各個展示框，實時展示當前時刻下各信息的狀態。當通道發生故障時，在右上的通道連接示意圖中標注故障的環節，運維人員也可將其任意拖動到特定時刻查看通道相關信息，便于分析故障前后時刻的通道故障完整狀態，進而高效和全面地排查故障點。

3.3 通道故障遠方在線診斷方案

由前文2.1節的分析可知，當現場發生兩點或復雜故障時，單從一側保護裝置無法確定故障類型，為此可通過遠方“召喚”兩側保護裝置故障錄波文件來分析通道故障。

復用通道故障錄波文件可采用國家標準GB/T 14598.24—2017中規定的電力系統暫態數據交換通用格式，通道相關告警和定位信息按照標準化方式建模，借助現有的保護通信子站、遠動機等網絡實現遠方召喚故障錄波文件和通道相關變位報告，配合SDH網絡遠方監控進一步區分故障環節3/4和環節8/9，可以很方便地實現通道故障的遠方在線診斷，極大提升通道故障的診斷效率。

4 實驗驗證

按照圖1搭建了復用通道的測試模型，兩側保護裝置通過試驗儀測試保護功能。測試了復用通道正常運行情況，通過斷開連接、松開接頭等形式模擬通道各環節發生永久性、瞬時性通道故障的情況，檢查保護裝置的通道故障診斷、通道故障錄波及故障定位信息。

實驗表明，在復用通道正常運行情況下，保護裝置無通道異常告警；當通道各環節發生永久性和瞬時性故障時，保護裝置能發出對應環節的故障診斷告警、觸發通道故障錄波和生成自檢報告。同時，還分別測試了在復用通道正常、異常情況下保護動作的情況。測試結果表明，保護功能不受影響。不同環節故障保護裝置的自檢及定位信息見表3。

表3 故障保護裝置的自檢及定位信息

5 結論

復用光纖通道故障點的快速定位能減少運維人員的工作量，故障原因的快速定位有利于及時排查通道故障隱患。傳統的通道故障點定位方法低效、耗時且耗力，對瞬時性故障更加難以捕捉和復現，給運維工作帶來極大不便。

本文得出結論如下：

①通過研究現有通道設備通信異常判斷機制，分析通道故障時通道設備響應的差異，在通道傳輸應用數據中增加通道診斷字節用于通道故障點定位方案；

②進一步結合現場處理流程，提出通道故障觸發錄波方案，通道診斷字節變位觸發故障錄波，記錄觸發前后通道狀態相關信息進而生成錄波文件，采用高速采集和大容量存儲硬件設計來實現短時多次故障完整錄波，錄波文件按照電力系統暫態數據交換通用格式輸出，并配套故障點展示波形軟件；

③對于通道告警和故障點定位信息按照標準化建模上送，可方便收集通道故障相關信息并將其傳輸至遠方，配合SDH網絡遠方監控，實現了通道故障點進一步細化的遠方診斷。

實驗表明，本文提出的方案快速定位效果良好，不影響保護的原有功能，具有推廣應用價值。

本文編自2020年第11期《電氣技術》，論文標題為“一種繼電保護復用通道瞬時性故障診斷方案”，作者為羅義暉、王榮超 等。