隨著光纖通信和繼電保護技術(shù)的發(fā)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(fù)用光纖通道（以下簡稱復(fù)用通道）兩種類型。專用光纖通道拓撲結(jié)構(gòu)簡單，但應(yīng)用距離較短，光纖芯利用率低。

復(fù)用光纖通道中兩側(cè)保護裝置與各側(cè)通信接口裝置MUX（multiplexer）連接，經(jīng)過數(shù)字配線架（digital distribution frame, DDF）接入同步數(shù)字體系（synchronous digital hierarchy, SDH）光纖通信環(huán)網(wǎng)后互相通信。復(fù)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(yōu)點，同時對傳輸?shù)腟DH網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)遠方監(jiān)控。

復(fù)用光纖通道拓撲復(fù)雜，中間經(jīng)過多次光電轉(zhuǎn)換及SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸，當出現(xiàn)故障時，需快速定位故障點位置和性質(zhì)，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(huán)測試，這種方法通常需兩側(cè)人員配合，耗時耗力；②基于通道拓撲、各環(huán)節(jié)設(shè)備狀態(tài)及裝置告警等信息，分析和判斷故障點位置和性質(zhì)，該方法需要深刻的通道認識、經(jīng)驗和技巧才能較快定位故障；③對于偶發(fā)性故障，故障現(xiàn)象難以捕捉和定位，通過自環(huán)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(xiàn)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(xiàn)有判斷通道設(shè)備通信異常的機制，在此基礎(chǔ)上提出了復(fù)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(jié)合實際運維情況，提出了通道故障觸發(fā)錄波的方案，錄波文件按照電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式輸出，通過增加中間節(jié)點信息文件并配套相關(guān)的展示軟件，可直觀展示故障發(fā)生前后通道的相關(guān)狀態(tài)。

錄波文件、通道告警和故障點定位等信息按規(guī)范建模并上送，可方便收集通道故障相關(guān)信息并傳輸至遠方，配合SDH網(wǎng)絡(luò)遠方監(jiān)控，可以進一步區(qū)分光纖傳輸網(wǎng)的故障環(huán)節(jié)，實現(xiàn)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(shè)備通信異常判斷機制及處理方法

復(fù)用通道的傳輸結(jié)構(gòu)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(nèi)的SDH終端之間通過電纜連接，兩側(cè)SDH終端光纖直連或經(jīng)站間中轉(zhuǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1 復(fù)用通道傳輸結(jié)構(gòu)

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(jiān)視收到的數(shù)據(jù)幀的幀格式、幀內(nèi)容、接收光功率等信息，并對幀內(nèi)容進行數(shù)據(jù)分析，判斷是否發(fā)生通道延時變化、丟幀等情況。當保護裝置監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時，記錄故障發(fā)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(nèi)部通信異常的檢測原理如圖3所示。MUX由光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)編碼模塊、E1信號轉(zhuǎn)換模塊3個環(huán)節(jié)組成，光電轉(zhuǎn)換模塊將光（電）信號轉(zhuǎn)成電（光）信號，數(shù)據(jù)編碼模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)碼型判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，E1信號轉(zhuǎn)換模塊將TTL的電平信號轉(zhuǎn)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(jiān)視和鏈路監(jiān)視兩個模塊。其中：①光功率監(jiān)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(jiān)視模塊用于監(jiān)視數(shù)據(jù)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(xiàn)了異常。

MUX電收異常識別包括信號監(jiān)視和鏈路監(jiān)視兩個模塊。其中：①信號監(jiān)視模塊由E1信號轉(zhuǎn)換芯片完成，當接收到信號丟失時，會產(chǎn)生信號丟失（LOS）信號；②鏈路監(jiān)視模塊與上述光收異常類似，電口根據(jù)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(shè)備功能塊特性對SDH的規(guī)范要求，SDH終端的簡化邏輯功能塊結(jié)構(gòu)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(shù)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(huán)節(jié)是對信號的處理，包括再生、復(fù)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(huán)節(jié)處理出現(xiàn)了問題時，信號就會發(fā)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(zhuǎn)換輸出B，當SPI檢測到輸入信號失效時，觸發(fā)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(xiàn)信號中斷，J點就會產(chǎn)生信號丟失（LOS）信號，導(dǎo)致后面環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)變?yōu)槿?”；

③中間環(huán)節(jié)處理異常，當信號流在中間傳輸（比如從E到F）時，如果出現(xiàn)了指針丟失或管理單元告警，在F點就會出現(xiàn)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(huán)節(jié)還是中間環(huán)節(jié)，只要出現(xiàn)了異常，SDH終端便會將信號置全“1”。

2 復(fù)用通道故障定位

2.1 不同環(huán)節(jié)故障通道設(shè)備的響應(yīng)

現(xiàn)將圖1中不同通道環(huán)節(jié)發(fā)生故障時各通道設(shè)備的響應(yīng)情況說明如下：

• 1）環(huán)節(jié)1故障。保護裝置1光收功率低于閾值，光收異常。
• 2）環(huán)節(jié)2故障。MUX1收到恒低電平的電信號，轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(xiàn)將不同環(huán)節(jié)故障時保護裝置和MUX的響應(yīng)列表總結(jié)，見表1。

表1 不同環(huán)節(jié)故障各設(shè)備的響應(yīng)

由表1可知，當復(fù)用通道環(huán)節(jié)故障時，由于SDH設(shè)備不支持故障定位，故除了環(huán)節(jié)3與4、環(huán)節(jié)8與9之間無法區(qū)分外，其他環(huán)節(jié)故障時，均可從一側(cè)保護裝置查看，以確定故障點。當通道中間環(huán)節(jié)設(shè)備發(fā)生掉電等情況時，等效于多點故障，各側(cè)保護裝置可判斷至距離裝置側(cè)最近的故障點。

2.2 故障診斷字節(jié)

由上節(jié)分析可知，通道故障點與保護裝置或MUX異常狀態(tài)存在一一對應(yīng)的狀態(tài)，當本側(cè)保護裝置接收通道上發(fā)生異常時，通過本側(cè)裝置或MUX判斷出故障點，考慮兩側(cè)裝置均能查看故障點，在通道傳輸?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)增加1個通道診斷字節(jié)用于故障點定位。

在通道診斷字節(jié)僅需定義5種故障類型，此5種故障類型分別占據(jù)不同的比特位，保護裝置及通信接口裝置按照后續(xù)設(shè)定的規(guī)則修改通道診斷字節(jié)。當通道發(fā)生故障時，保護裝置通過讀取和判斷通道診斷字節(jié)即可定位故障點。5種故障類型的通道診斷字節(jié)定義見表2。

表2 5種故障類型的通道診斷字節(jié)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(shù)據(jù)鏈路控制（high- level data link control, HDLC）協(xié)議對通道診斷字節(jié)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(cè)通道寫入RMOR0，保護裝置告警環(huán)節(jié)5（環(huán)節(jié)10）為故障點，同時向?qū)?cè)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(huán)節(jié)1（環(huán)節(jié)6）為故障點，同時向?qū)?cè)發(fā)送的數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)3/4（環(huán)節(jié)8/9）為故障點，同時將向?qū)?cè)發(fā)送的數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)2（環(huán)節(jié)7）為故障點，同時將向?qū)?cè)發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入RPOR0。
• 5）對于MOR0、RMOR0為1的通道診斷字節(jié)，保護裝置僅接收而不將這些狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)給對側(cè)。
• 6）通信接口裝置將上游通道數(shù)據(jù)中其他數(shù)據(jù)與本地需要操作的通道診斷字節(jié)繼續(xù)向下游轉(zhuǎn)發(fā)。
• 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(shù)據(jù)幀內(nèi)容，正常向本鏈路后級轉(zhuǎn)發(fā)報文。

由以上分析可知，當通道出現(xiàn)故障時，保護裝置根據(jù)接收到信號的特征和通道診斷字節(jié)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(jié)，對于瞬時性故障點也能定位。

3 復(fù)用通道故障錄波

復(fù)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(yīng)用中當復(fù)用通道發(fā)生穩(wěn)定的故障時，為了解通道故障性質(zhì)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(guān)信息，包括裝置通道狀態(tài)統(tǒng)計信息、裝置相關(guān)告警等數(shù)據(jù)，而對通道故障發(fā)生前的數(shù)據(jù)信息無法得知；對于復(fù)雜的通道故障情況，甚至需要去掛表分析通道狀態(tài)；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(yīng)復(fù)雜通道故障，可在通道故障診斷字節(jié)發(fā)生變位時觸發(fā)錄波，記錄通道診斷字節(jié)變位前后的通道狀態(tài)信息、通道相關(guān)告警、通道故障診斷字節(jié)及通道相關(guān)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(fā)生多次通道瞬時故障前后相關(guān)信息進行錄波，需要高速采集和大容量存儲通道故障數(shù)據(jù)：為避免錄波數(shù)據(jù)短時間內(nèi)過多而導(dǎo)致傳輸堵塞，可采用大容量緩存單元，并設(shè)立多路并行數(shù)據(jù)通道；考慮轉(zhuǎn)存速度匹配問題，可設(shè)置控制單元與之配合使用，從而保證即使短時內(nèi)發(fā)生多次瞬時通道故障，通道故障數(shù)據(jù)也能可靠地被保存在保護裝置中。

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

其方法是：通道接收數(shù)據(jù)先在FGPA的片內(nèi)緩存區(qū)持續(xù)循環(huán)緩存，此為第1級緩存；在通道故障診斷字節(jié)變位后，F(xiàn)PGA截取變位期間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行分析，并將通道相關(guān)的原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳送給CPU，最終存入非易失存儲卡；大容量DDR可實現(xiàn)足夠多次數(shù)的通道數(shù)據(jù)緩存（例如64～1028次），使得在通道故障診斷字節(jié)多次連續(xù)觸發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)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(guān)告警，通道故障觸發(fā)生成錄波的同時會生成中間節(jié)點信息文件。通過開發(fā)對應(yīng)的中間節(jié)點信息展示軟件，將通道故障前的通道狀態(tài)信息、通道診斷字節(jié)和通道相關(guān)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(diào)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(tài)信息。該展示軟件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 通道錄波展示軟件的結(jié)構(gòu)示意圖

運維人員通過播放錄波中間節(jié)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(tài)。當通道發(fā)生故障時，在右上的通道連接示意圖中標注故障的環(huán)節(jié)，運維人員也可將其任意拖動到特定時刻查看通道相關(guān)信息，便于分析故障前后時刻的通道故障完整狀態(tài)，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(jié)的分析可知，當現(xiàn)場發(fā)生兩點或復(fù)雜故障時，單從一側(cè)保護裝置無法確定故障類型，為此可通過遠方“召喚”兩側(cè)保護裝置故障錄波文件來分析通道故障。

復(fù)用通道故障錄波文件可采用國家標準GB/T 14598.24—2017中規(guī)定的電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式，通道相關(guān)告警和定位信息按照標準化方式建模，借助現(xiàn)有的保護通信子站、遠動機等網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠方召喚故障錄波文件和通道相關(guān)變位報告，配合SDH網(wǎng)絡(luò)遠方監(jiān)控進一步區(qū)分故障環(huán)節(jié)3/4和環(huán)節(jié)8/9，可以很方便地實現(xiàn)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(fù)用通道的測試模型，兩側(cè)保護裝置通過試驗儀測試保護功能。測試了復(fù)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(huán)節(jié)發(fā)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(fù)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(huán)節(jié)發(fā)生永久性和瞬時性故障時，保護裝置能發(fā)出對應(yīng)環(huán)節(jié)的故障診斷告警、觸發(fā)通道故障錄波和生成自檢報告。同時，還分別測試了在復(fù)用通道正常、異常情況下保護動作的情況。測試結(jié)果表明，保護功能不受影響。不同環(huán)節(jié)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(jié)論

復(fù)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(tǒng)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(fù)現(xiàn)，給運維工作帶來極大不便。

本文得出結(jié)論如下：

①通過研究現(xiàn)有通道設(shè)備通信異常判斷機制，分析通道故障時通道設(shè)備響應(yīng)的差異，在通道傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)中增加通道診斷字節(jié)用于通道故障點定位方案；

②進一步結(jié)合現(xiàn)場處理流程，提出通道故障觸發(fā)錄波方案，通道診斷字節(jié)變位觸發(fā)故障錄波，記錄觸發(fā)前后通道狀態(tài)相關(guān)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(shè)計來實現(xiàn)短時多次故障完整錄波，錄波文件按照電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)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(guān)信息并將其傳輸至遠方，配合SDH網(wǎng)絡(luò)遠方監(jiān)控，實現(xiàn)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(yīng)用價值。

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