复用光纤通道故障点的快速定位新方法，速度快，效果好！ / 开普饭

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复用通道结构复杂，传统通道故障定位方法耗时耗力。中国南方电网超高压输电公司柳州局、南京南瑞继保电气有限公司的研究人员罗义晖、王荣超、谈浩、徐晓春、赵青春，在2020年第11期《电气技术》上撰文，研究复用通道设备通信异常的判断机制，分析通道故障时的设备响应差异，设计对应通道诊断字节及其传输机理，实现了复用通道故障定位。

针对实际运维提出通道故障录波方案，通道诊断字节变位触发故障录波，触发前后通道状态相关信息被记录并生成录波文件，高速采集和大容量存储硬件方案实现短时多次故障完整录波，通过中间节点信息文件及展示软件方便查看；通道诊断相关信息按规范建模，可传输至远方诊断。实验表明，本文提出的方案快速定位效果良好，不影响保护原有功能，具有推广价值。

随着光纤通信和继电保护技术的发展，基于光纤通道的差动保护越来越多地作为线路主保护。差动保护用的光纤通道主要有专用光纤通道和复用光纤通道（以下简称复用通道）两种类型。专用光纤通道拓扑结构简单，但应用距离较短，光纤芯利用率低。

复用光纤通道中两侧保护装置与各侧通信接口装置MUX（multiplexer）连接，经过数字配线架（digital distribution frame, DDF）接入同步数字体系（synchronous digital hierarchy, SDH）光纤通信环网后互相通信。复用光纤通道与专用光纤通道相比具有光纤利用率高、通信距离长的优点，同时对传输的SDH网络可实现远方监控。

复用光纤通道拓扑复杂，中间经过多次光电转换及SDH网络传输，当出现故障时，需快速定位故障点位置和性质，通常采用的故障定位方式有：①在通道各连接处逐步扩大范围自环测试，这种方法通常需两侧人员配合，耗时耗力；②基于通道拓扑、各环节设备状态及装置告警等信息，分析和判断故障点位置和性质，该方法需要深刻的通道认识、经验和技巧才能较快定位故障；③对于偶发性故障，故障现象难以捕捉和定位，通过自环或告警分析法处理困难，耗时最长，很多时候只能通过替换的方式排除故障。

通常通道故障定位流程需保护人员和通信人员相配合，到现场收集大量信息并做好安保后才能实施故障定位方法，因而故障定位实施缓慢。

本文首先研究了现有判断通道设备通信异常的机制，在此基础上提出了复用通道故障定位方法，该方法能很好地定位通道故障；再进一步结合实际运维情况，提出了通道故障触发录波的方案，录波文件按照电力系统暂态数据交换通用格式输出，通过增加中间节点信息文件并配套相关的展示软件，可直观展示故障发生前后通道的相关状态。

录波文件、通道告警和故障点定位等信息按规范建模并上送，可方便收集通道故障相关信息并传输至远方，配合SDH网络远方监控，可以进一步区分光纤传输网的故障环节，实现通道故障的远方在线诊断，极大提升通道故障诊断效率。

1 通道设备通信异常判断机制及处理方法

复用通道的传输结构如图1所示。保护装置与通信接口装置之间通过光纤连接，通信接口装置与站内的SDH终端之间通过电缆连接，两侧SDH终端光纤直连或经站间中转的传输网络连接。

图1 复用通道传输结构

1.1 保护装置通信异常的判断机制

保护装置通信异常的检测原理如图2所示。保护装置监视收到的数据帧的帧格式、帧内容、接收光功率等信息，并对帧内容进行数据分析，判断是否发生通道延时变化、丢帧等情况。当保护装置监测到数据异常时，记录故障发生时刻和信息，并报告。

图2 保护装置通信异常的检测原理

1.2 MUX通信异常判断机制

MUX内部通信异常的检测原理如图3所示。MUX由光电转换模块、数据编码模块、E1信号转换模块3个环节组成，光电转换模块将光（电）信号转成电（光）信号，数据编码模块根据接收的数据码型判断数据是否出现异常，E1信号转换模块将TTL的电平信号转成G.703标准电口的HDB3编码电信号。

图3 MUX通信异常的检测原理

MUX光收异常识别包括光功率监视和链路监视两个模块。其中：①光功率监视模块用于检测光纤物理通道是否正常，当检测到光口接收功率超限时，判断为光纤通道异常；②链路监视模块用于监视数据传输是否正常，当检测到光口收到的码型不正确时，判断为光传输通道出现了异常。

MUX电收异常识别包括信号监视和链路监视两个模块。其中：①信号监视模块由E1信号转换芯片完成，当接收到信号丢失时，会产生信号丢失（LOS）信号；②链路监视模块与上述光收异常类似，电口根据收到的信号码型来判断是否存在异常。

1.3 SDH通信异常的处理方法

按照国家标准GB/T 16712—2008 SDH设备功能块特性对SDH的规范要求，SDH终端的简化逻辑功能块结构如图4所示。

图4 SDH终端通信异常检测原理

下边的PHD物理支路接口（PDH physical interface, PPI）为准同步数字体系（plesiochronous digital hierarchy, PDH），HDB3编码的电信号从这里输入或输出；上边为SDH物理接口（SDH physical interface, SPI），光信号从这里输入或输出；中间环节是对信号的处理，包括再生、复用、滤波等。

正常情况下SDH接收到的信号正常，SDH不会对信号本身进行任何处理。当接收到的信号异常、丢失或者SDH在中间环节处理出现了问题时，信号就会发生改变。

具体分析如下：

①光收信号异常，在图4中，光信号从A点输入，通过SPI的光电转换输出B，当SPI检测到输入信号失效时，触发接收信号丢失（LOS）信号，再生段终端（RST）接收到LOS信号后在C点输出全“1”信号，即恒高电平信号；

②电收信号异常，当电信号从支路端口输入时，如果出现信号中断，J点就会产生信号丢失（LOS）信号，导致后面环节数据变为全“1”；

③中间环节处理异常，当信号流在中间传输（比如从E到F）时，如果出现了指针丢失或管理单元告警，在F点就会出现全部置“1”的信号，故障排除后，全“1”信号消失。

由以上分析可知，不管是接收环节还是中间环节，只要出现了异常，SDH终端便会将信号置全“1”。

2 复用通道故障定位

2.1 不同环节故障通道设备的响应

现将图1中不同通道环节发生故障时各通道设备的响应情况说明如下：

1）环节1故障。
保护装置1光收功率低于阈值，光收异常。
2）环节2故障。
MUX1收到恒低电平的电信号，转换成TTL为全“0”信号，电收异常；
保护装置1收到全“0”信号，码型不对，光收异常。
3）环节3故障。
SDH1光收异常，信号置全“1”；
MUX1收到的电信号为HDB3编码的全“1”信号，电收异常；
保护装置1收到全“1”信号，光收异常。
4）环节4故障。
SDH2电收异常，信号置全“1”；
MUX1收到的电信号为HDB3编码的全“1”信号，MUX1电收异常；
保护装置1收到全“1”信号，光收异常。
5）环节5故障。
MUX2收到的光信号为全“0”，光收异常；
MUX1收到的电信号为HDB3编码的全“0”信号，电收异常；
保护装置1收到全“0”信号，光收异常。
6）环节6—10与之前的分析对称，故不再赘述。
由于SDH的通道信息对保护装置不开放，所以暂不考虑SDH。
现将不同环节故障时保护装置和MUX的响应列表总结，见表1。

表1 不同环节故障各设备的响应

由表1可知，当复用通道环节故障时，由于SDH设备不支持故障定位，故除了环节3与4、环节8与9之间无法区分外，其他环节故障时，均可从一侧保护装置查看，以确定故障点。当通道中间环节设备发生掉电等情况时，等效于多点故障，各侧保护装置可判断至距离装置侧最近的故障点。

2.2 故障诊断字节

由上节分析可知，通道故障点与保护装置或MUX异常状态存在一一对应的状态，当本侧保护装置接收通道上发生异常时，通过本侧装置或MUX判断出故障点，考虑两侧装置均能查看故障点，在通道传输的应用数据增加1个通道诊断字节用于故障点定位。

在通道诊断字节仅需定义5种故障类型，此5种故障类型分别占据不同的比特位，保护装置及通信接口装置按照后续设定的规则修改通道诊断字节。当通道发生故障时，保护装置通过读取和判断通道诊断字节即可定位故障点。5种故障类型的通道诊断字节定义见表2。

表2 5种故障类型的通道诊断字节定义

2.3 通道故障定位及传输机理

保护装置及MUX基于高级数据链路控制（high- level data link control, HDLC）协议对通道诊断字节进行操作，具体方法如下：

1）当通信接口装置检测到光口接收为全0时，向本侧通道写入RMOR0，保护装置告警环节5（环节10）为故障点，同时向对侧通道写入MOR0。
2）当纵差保护装置检测到接收光功率低于阈值时，告警环节1（环节6）为故障点，同时向对侧发送的数据帧写入RLOP。
3）当纵差保护装置检测到光口接收为全1时，告警环节3/4（环节8/9）为故障点，同时将向对侧发送的数据写入RPOR1。
4）当纵差保护装置检测到光口接收为全0且无RMOR0时，告警环节2（环节7）为故障点，同时将向对侧发送的数据写入RPOR0。
5）对于MOR0、RMOR0为1的通道诊断字节，保护装置仅接收而不将这些状态转发给对侧。
6）通信接口装置将上游通道数据中其他数据与本地需要操作的通道诊断字节继续向下游转发。
7）在通信接口装置中，当检测到光、电口接收信号有效时，不改变通道数据帧内容，正常向本链路后级转发报文。

由以上分析可知，当通道出现故障时，保护装置根据接收到信号的特征和通道诊断字节即可定位故障点；各装置检测到一帧错误即可修改通道诊断字节，对于瞬时性故障点也能定位。

3 复用通道故障录波

复用通道故障诊断定位方法虽然能较好地定位单点故障，但仅显示通道故障点；考虑实际应用中当复用通道发生稳定的故障时，为了解通道故障性质和确保通道故障点诊断正确，运维人员依然需要去收集通道故障后的通道相关信息，包括装置通道状态统计信息、装置相关告警等数据，而对通道故障发生前的数据信息无法得知；对于复杂的通道故障情况，甚至需要去挂表分析通道状态；对于瞬时性的通道故障，仅仅知道通道故障点依然不够。

为方便对通道故障情况进行全面的分析，对应复杂通道故障，可在通道故障诊断字节发生变位时触发录波，记录通道诊断字节变位前后的通道状态信息、通道相关告警、通道故障诊断字节及通道相关定值，以形成录波文件。

3.1 通道故障录波硬件方案

考虑能够完整对短时发生多次通道瞬时故障前后相关信息进行录波，需要高速采集和大容量存储通道故障数据：为避免录波数据短时间内过多而导致传输堵塞，可采用大容量缓存单元，并设立多路并行数据通道；考虑转存速度匹配问题，可设置控制单元与之配合使用，从而保证即使短时内发生多次瞬时通道故障，通道故障数据也能可靠地被保存在保护装置中。

本文采用大规模现场可编程门阵列（field pro- grammable gate array, FPGA）、大容量双倍速率同步动态随机存储器（double data rate, DDR）和两级缓存技术实现通道多次瞬时性故障录波数据的无死区缓存。

其方法是：通道接收数据先在FGPA的片内缓存区持续循环缓存，此为第1级缓存；在通道故障诊断字节变位后，FPGA截取变位期间的数据并将其缓存到大容量DDR中，此为第2级缓存；DSP依次从DDR取出数据进行分析，并将通道相关的原始数据及分析结果传送给CPU，最终存入非易失存储卡；大容量DDR可实现足够多次数的通道数据缓存（例如64～1028次），使得在通道故障诊断字节多次连续触发的情况下，装置仍能有足够的时间进行分析和进行通道故障录波数据永久存储。其示意图如图5所示。

图5 通道故障瞬时录波高速存储技术示意图

3.2 通道故障展示方案

为了方便展示通道故障时故障点信息、故障前后通道接收光强及相关告警，通道故障触发生成录波的同时会生成中间节点信息文件。通过开发对应的中间节点信息展示软件，将通道故障前的通道状态信息、通道诊断字节和通道相关告警按照时间序列的变化方式展示出来，方便运维人员通过调取故障波形文件，以展示工具软件直观快捷地了解故障点定位及通道故障前后的状态信息。该展示软件的结构示意图如图6所示。

图6 通道录波展示软件的结构示意图

运维人员通过播放录波中间节点信息文件的各个展示框，实时展示当前时刻下各信息的状态。当通道发生故障时，在右上的通道连接示意图中标注故障的环节，运维人员也可将其任意拖动到特定时刻查看通道相关信息，便于分析故障前后时刻的通道故障完整状态，进而高效和全面地排查故障点。

3.3 通道故障远方在线诊断方案

由前文2.1节的分析可知，当现场发生两点或复杂故障时，单从一侧保护装置无法确定故障类型，为此可通过远方“召唤”两侧保护装置故障录波文件来分析通道故障。

复用通道故障录波文件可采用国家标准GB/T 14598.24—2017中规定的电力系统暂态数据交换通用格式，通道相关告警和定位信息按照标准化方式建模，借助现有的保护通信子站、远动机等网络实现远方召唤故障录波文件和通道相关变位报告，配合SDH网络远方监控进一步区分故障环节3/4和环节8/9，可以很方便地实现通道故障的远方在线诊断，极大提升通道故障的诊断效率。

4 实验验证

按照图1搭建了复用通道的测试模型，两侧保护装置通过试验仪测试保护功能。测试了复用通道正常运行情况，通过断开连接、松开接头等形式模拟通道各环节发生永久性、瞬时性通道故障的情况，检查保护装置的通道故障诊断、通道故障录波及故障定位信息。

实验表明，在复用通道正常运行情况下，保护装置无通道异常告警；当通道各环节发生永久性和瞬时性故障时，保护装置能发出对应环节的故障诊断告警、触发通道故障录波和生成自检报告。同时，还分别测试了在复用通道正常、异常情况下保护动作的情况。测试结果表明，保护功能不受影响。不同环节故障保护装置的自检及定位信息见表3。

表3 不同环节故障保护装置的自检及定位信息

5 结论

复用光纤通道故障点的快速定位能减少运维人员的工作量，故障原因的快速定位有利于及时排查通道故障隐患。传统的通道故障点定位方法低效、耗时且耗力，对瞬时性故障更加难以捕捉和复现，给运维工作带来极大不便。

本文得出结论如下：

①通过研究现有通道设备通信异常判断机制，分析通道故障时通道设备响应的差异，在通道传输应用数据中增加通道诊断字节用于通道故障点定位方案；

②进一步结合现场处理流程，提出通道故障触发录波方案，通道诊断字节变位触发故障录波，记录触发前后通道状态相关信息进而生成录波文件，采用高速采集和大容量存储硬件设计来实现短时多次故障完整录波，录波文件按照电力系统暂态数据交换通用格式输出，并配套故障点展示波形软件；

③对于通道告警和故障点定位信息按照标准化建模上送，可方便收集通道故障相关信息并将其传输至远方，配合SDH网络远方监控，实现了通道故障点进一步细化的远方诊断。

实验表明，本文提出的方案快速定位效果良好，不影响保护的原有功能，具有推广应用价值。

复用光纤通道故障点的快速定位新方法，速度快，效果好！

本文编自2020年第11期《电气技术》，论文标题为“一种继电保护复用通道瞬时性故障诊断方案”，作者为罗义晖、王荣超 等。

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