光纖通信已在電力系統中廣泛應用，其不僅具有抗電磁干擾、帶寬大、傳輸距離遠等優勢，而且可傳輸狀態量、模擬量等轉換而成的數字量，為線路縱聯保護、穩控保護、信號傳輸裝置等多種繼電保護裝置的穩定運行提供了可靠技術手段。

繼電保護裝置所用光纖通道一般分為專用光纖通道和復用光纖通道兩種形式。其中，專用光纖通道使用專用光纜直連，具有拓撲簡單、維護簡易的優勢，但會受到通信距離、無自愈功能等條件限制；復用光纖通道借助光纖通信網絡實現通信，光纖通信網絡具備自愈功能、穩定性高、不受通信距離限制等優勢，同時復用光纖通道具備路由一致、時延穩定等技術特性，但由于此種類型通道有較多的通信設備和通信連接環節，整體網絡維護較復雜。

光纖通信的穩定性是保證兩側保護裝置性能的關鍵因素，采用光纖通信的繼電保護裝置對光纖通信具有強依賴性，對通道中斷、誤碼、延時、衰耗及光纖熔接等均有嚴格的要求。一旦光纖通信出現異常，繼電保護功能將會受到干擾甚至閉鎖，因此，為保證電網可靠運行，在光纖通道出現異常時，快速判斷出異常點是非常有必要的。

本文針對傳統復用通道異常檢測方法進行分析總結，提出一種在線識別光纖通道異常區間的方案，將此方案應用到復接裝置中，無需對繼電保護裝置進行改動，復接裝置可快速定位異常位置，同時記錄異常發生時的通道報文，并將通道報文作為通道異常進一步分析的依據。

1 傳統方案概述

本文以縱聯差動線路保護的復用通道為例。220kV及以上電壓等級線路，由于線路距離長，目前工程上常采用2Mbit/s復用通道。當線路保護使用復用通道時，各裝置的連接拓撲如圖1所示。

圖1 復用通道各裝置連接拓撲

1）兩種解決方案

目前復用通道采用圖1所示拓撲，各公司在光接口部分有兩種解決方案：

（1）各公司在光接口部分一般采用自定義的光口協議，各自采用的光口編碼方式、數據速率和數據結構均不相同。此種情況下，各公司保護裝置僅能支持自己公司生產的復接裝置。

（2）國內一些公司也推出了支持IEEE-C37.94協議的裝置，IEEE-C37.94規定了保護裝置與復接裝置之間采用統一的標準進行通信，不同公司的保護裝置可與其他公司的復接裝置進行互聯互通，即復接裝置可以作為通用裝置。

2）通道異常排查手段

當復用通道出現異常后，采用上述兩種光通信協議方案的通道異常排查解決手段如下：

（1）自定義光口協議方式

該方案廣泛應用于電力系統中，采樣同步過程中延時算法簡單。保護裝置可檢測光接口的功率、丟幀數、誤幀數，在滿足通道異常判據后，記錄通道異常事件和時刻；復接裝置僅能判斷光口的功率、通斷和電口的通斷，不可檢測丟幀、誤幀。

當出現通道異常后，難以直觀判斷出異常區間，僅能采用本側保護裝置自身光口自環、帶本側復接裝置電口自環、帶通道遠端電口自環及光纖通道設備帶2M誤碼儀自環等自環方式進行問題查找。當發生偶發瞬時性異常時，此種方法排查效率極低，大部分情況無法找到異常原因。該方案保護裝置和復接裝置均使用光纖通道接口。

（2）C37.94協議方式

該方案在國際市場廣泛應用，采樣同步過程中延時需要動態調整。保護裝置的通道監視策略同自定義光口協議方式，此處不再贅述。復接裝置可檢測電口通斷、丟幀、誤幀。

C37.94定義了三種場景，不同場景下，保護裝置、復接裝置均能相應判斷出LOS、YELLOW、AIS三種告警來反應不同的通道鏈路故障。此種方案也有一定局限性：傳輸有效數據的帶寬僅為768kbit/s，不能充分利用2M帶寬；其中40bit自定義報文頭未做強制要求；C37.94對光接口的定義也未強制，其中單模光纖接口可自定義，多模光纖接口規定為BFOC/2.5，為保證保護裝置和復接裝置兩者光接口的一致性，各公司還需要事先約定光纖物理接口。

2 整體設計方案

國內電力系統中線路保護采用自定義光口協議方案，現場使用光纖通道的線路保護裝置具有多樣性，在現場長期可靠運行，因此，現場運行的保護裝置算法不宜變動。

本文中復用通道異常位置如圖2所示，以各裝置為界，將光纖復用通道分解為圖中所示1～6，即將異常區間定義為區域1～6。同時，由于電力通信網絡設備是透傳設備，自身具有監控手段，故本文不考慮電力通信網內部的具體異常點，即圖中2A/ 2B/2C、5A/5B/5C區域分別定義為區域2、區域5。

圖2 復用通道異常位置示意圖

針對光纖復用通道鏈路出現異常的情況，綜合第1節中兩種傳統應用方案的優缺點，在不改變目前通信架構和保護裝置算法的情況下，提出一種基于短報文通信的通道異常檢測方案，其中保護裝置不需要做任何改變。

由于復接裝置為光纖復用通道的轉接裝置，其在復用通道拓撲結構中位置特殊，因此，復接裝置可對光信號、電信號進行實時監視，進而可在復接裝置上實現通道異常判別功能；兩側復接裝置之間使用短報文進行通信，傳輸內容為復接裝置對通道異常的判別結果（即通道狀態），進而，一側復接裝置就可以根據兩側通道狀態信息實現通道異常區間的快速定位。

3 信號處理分層設計方案

為達到光纖復用通道異常區間在線識別的目的，可將其功能劃分為透傳功能、監視功能、短報文功能、異常區間判別功能、異常報文記錄功能。其中，由于復接裝置主要功能為保護裝置光縱信息的透傳，首先保證透傳功能的最高優先級，按照整體方案中功能實現的先后順序，對功能優先級進行排序，如圖3所示。

基于對復接裝置功能的研究，對復接裝置的功能采用高效低耦合的分層設計，按照功能的優先級自上而下設計功能和接口，可提高裝置開發效率。

在不改變現有保護裝置算法且不影響現有通道信息傳輸的前提下，整體實施方案如圖4所示，描述如下：

（1）復接裝置的光接口、電接口接收到報文后，首先實現光電信號的碼型轉換功能。

（2）復接裝置將接收到的光信號、電信號按照信號編碼規則、傳輸信息數據結構進行快速解析；通過檢測光收功率檢測“光收功率異?！鼻闆r；通過校驗報文數據檢測“光收報文異常”“電收報文異?！鼻闆r；通過解析保護報文中的通道異常標志位檢測“保護接收報文異常”情況。

圖3 復接裝置功能優先級

圖4 復接裝置主要功能實現的整體方案

（3）當通道出現異常后，由復接裝置判定出異常標志后，組幀成短報文格式，復接裝置A和復接裝置B在通道空閑時間段互相發送短報文（見表1）。

（4）單側復接裝置對短報文幀進行解析，可獲知對側復接裝置的異常判別信息，將兩側異常判別結果綜合后，顯示到復接裝置燈板上，兩側復接裝置均可快速定位通道異常位置。

3.1 信息透傳功能實現

信息透傳功能是復接裝置的核心功能，用來對保護裝置的光信號CMI編碼和電力通信網設備的E1電信號HDB3編碼進行相互轉換，必須保證其可靠性，其功能實現框圖如圖5所示。CMI編碼和HDB3編碼是兩種不同的物理層編碼，兩者實際傳送的報文內容完全相同，不同點在于報文編碼格式的不同，此處不再贅述其編碼規則。

圖5 復接裝置信息透傳功能示意圖

復接裝置利用現場可編程門陣列（field pro- grammable gate array, FPGA）實現了光信號和電信號的碼型轉換，使用CPU對FPGA進行配置，可實現各接口信號對編碼速率等參數的初始化。

3.2 實時監視功能實現

復接裝置的實時監視功能是在線識別通道異常區間功能實現的基礎。復接裝置在進行碼型轉換的過程中，可同時解析原始報文，裝置對接收的光信號、電信號等的物理層、鏈路層進行有效性判別，從而識別出光纖通道異常情況。主要包括以下幾個方面：

（1）物理層。光接口包括光功率和CMI編碼格式的有效性；電接口包括電信號的標準G.703的標準模板和HDB3碼型識別。

（2）鏈路層。通道傳輸采用的是HDLC編碼方式，可根據報文的內容進行校驗判斷異常原因。

3.3 短報文功能實現

短報文在復接裝置A和復接裝置B之間互發，短報文的物理層和鏈路層的實現方法保持和光縱報文一致，其報文結構與通道異常區間對應關系見表1。

表1 短報文與異常區間對應表

短報文實現的關鍵點在于短報文需要和光縱報文在電接口處占用同一2M通道，因此，需要考慮兩種報文的協調性。

1）首先應考察2M通道的帶寬是否能夠滿足光縱報文和短報文的混合傳輸。

以公司某一高壓線路保護裝置為例，其光縱通道采用HDLC協議，保護數據區的原始數據結構為85Byte，需要在一個發送周期（即1.667ms）內傳輸完成，可計算出其傳輸要求占用最大帶寬公式為

式（1）

式中：BWmax為占用最大帶寬；B1為除幀頭幀尾的HDLC的插“0”前報文數據量；◆min為HDLC碼最小轉換效率（由于HDLC的5連“1”插“0”原則，取◆min值為5/6）；B2為幀頭幀尾數據量；t為發送周期（取值1.667ms）。

HDLC幀結構見表2，其中A占用1Byte，C占用1Byte，循環冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）占用2Byte，I占用85Byte，因此，B1取以上數據之和，即89Byte。B2取2Byte。

表2 HDLC幀結構

按照式（1）計算可得BWmax為522.14kbit/s。

BWmax與2Mbit/s的帶寬相比，可知保護光縱數據僅占用了2M通道的1/4，而一個發送周期內的短報文按照4Byte的數據量設計，剩余帶寬可滿足需求，因此，復接裝置之間可利用剩余帶寬進行短報文的傳輸。

2）短報文和光縱報文在同一通道中傳輸，也涉及了復接裝置的報文協調處理過程。

由于復接裝置收到保護的光縱報文后，先轉發再進行報文監視，需要一定時間將報文監視的判定結果填充到短報文中。為保證短報文的可靠發送，復接裝置可在轉發光縱報文后一定時間內發送空報文，之后再發送短報文，其中光縱報文、短報文總發送周期不能超出線路保護裝置的一個通道數據發送周期（見圖6）。當復接裝置在幾個發送周期內無法收到保護裝置的光縱報文信號時，復接裝置不再轉發光縱報文，僅按照固定發送頻率發送短報文。

圖6 光縱報文和短報文混合傳輸圖

復接裝置接收電信號后，首先根據電信號的報文長度判定報文是光縱報文還是短報文；復接裝置將光縱報文透明轉發給保護裝置；復接裝置提取短報文幀中的對側通道狀態標志位。

3.4 通道異常區間判別實現方式

光纖通道狀態裝置顯示示意圖如圖7所示。裝置在完成實時監視功能和短報文傳送之后，單側復接裝置即可獲知兩側復接裝置所判斷的通道狀態判定結果，即可將所有的通道判定結果顯示到裝置面板上。如圖7所示，復接裝置面板設置LED告警燈和通道狀態印字提示，Alm1～Alm6告警燈和通道異常區間印字1～6一一對應，現場運維人員可通過裝置告警燈獲知光纖復用通道的整體狀態。

圖7 光纖通道狀態裝置顯示示意圖

3.5 異常報文記錄功能實現

復接裝置在檢測到通道異常后，復接裝置將緩存中的報文記錄到文件系統中，報文包含異常發生前后一定時間內的通道報文內容。其中報文內容包含幀內容、幀序號、幀時間等有效信息。

通過查看異常報文記錄，極大地方便了運維人員分析通道斷開異常、瞬時性異常和規律性異常，運維人員不僅可以查看發生異常的時刻，而且可結合異常報文規律和其他現場現象來分析異常發生的原因。例如裝置的亞穩態現象、一次設備發生短路后跳閘瞬間的電磁干擾引起的異常，均可以通過報文內容和其他現場現象進行溯源分析。

3.6 優缺點分析

1）優勢。短報文僅在兩側復接裝置之間進行傳送，且占用的是復用通道的空閑時段，短報文完全不影響保護裝置的正常運行。

此方法的總體優勢在于不破壞原有光纖鏈路報文，不影響保護裝置和復接裝置通道信息，現場僅需更換復接裝置即可。

2）局限性。如果在兩個復接裝置之間出現鏈路問題，無法將具體異常位置準確定位到復接裝置A、通信網、復接裝置B之間的三段環節（如圖2中的三段環節為2A/2B/2C或5A/5B/5C），仍需要結合其他現場現象來確定具體異常位置，如可根據同步數字體系（synchronous digital hierarchy, SDH）網管信息進一步確定異常區間。

4 測試驗證

復接裝置采用CPU、FPGA雙核架構設計方案，其中FPGA及其外圍光通信芯片、電通信芯片用來實現光信號和電信號的互相轉換、光功率檢測、報文識別及校驗，采用CPU運行操作系統，用來實現任務調度、文件管理、資源管理等高級任務。

試驗環境拓撲如圖8所示，使用兩臺復接裝置、兩臺線路保護裝置、一臺通道測試儀搭建測試平臺，其中通道測試儀用于透傳通道數據，可施加電口誤碼。

圖8 試驗環境拓撲

模擬現場復用通道長期運行，復用通道運行正常，保護裝置未有通道誤幀、丟幀出現，復接裝置未檢測到誤幀、丟幀。復接裝置光電轉換功能正常。模擬現場復用通道異常情況進行功能檢驗。

分別斷開復用通道環節1、3、4、6，或通過通道測試儀分別在2或5施加誤碼，復接裝置指示燈均可正確指示異常位置，符合表1中的對應關系，可根據不同的告警燈顯示情況對通道異常發生位置進行快速定位。

通道發生異常后，復接裝置能夠記錄報文，報文記錄文件能夠正確展示誤幀及丟幀發生時刻、幀異常標志。

5 結論

本文提出了一種不改變保護裝置，僅改變復接裝置硬件結構和軟件算法的方案，使復接裝置智能化，復接裝置的通道狀態在線感知能力增強，可就地判定通道異常情況，兩側復接裝置以短報文形式進行通道異常狀態信息交換，從而實現了通道異常區間快速識別，同時在通道異常發生時刻將通道報文記錄下來，為分析現場復用通道的中斷異常、瞬時異常帶來極大的便利。

本文編自2021年第3期《電氣技術》，論文標題為“一種在線識別光纖通道異常區間的方案”，作者為李進、張濤 等。