一種在線識別光纖通道異常區(qū)間的方案

李 進 張 濤 張 灝 李玉平 薛明軍

（1. 國電南京自動化股份有限公司，南京 210032；2. 南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153）

0 引言

光纖通信已在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其不僅具有抗電磁干擾、帶寬大、傳輸距離遠等優(yōu)勢，而且可傳輸狀態(tài)量、模擬量等轉(zhuǎn)換而成的數(shù)字量，為線路縱聯(lián)保護、穩(wěn)控保護、信號傳輸裝置等多種繼電保護裝置的穩(wěn)定運行提供了可靠技術(shù)手段[1-2]。

繼電保護裝置所用光纖通道一般分為專用光纖通道和復(fù)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(yōu)勢，但會受到通信距離、無自愈功能等條件限制；復(fù)用光纖通道借助光纖通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，光纖通信網(wǎng)絡(luò)具備自愈功能、穩(wěn)定性高、不受通信距離限制等優(yōu)勢，同時復(fù)用光纖通道具備路由一致、時延穩(wěn)定等技術(shù)特性[3]，但由于此種類型通道有較多的通信設(shè)備和通信連接環(huán)節(jié)，整體網(wǎng)絡(luò)維護較復(fù)雜。

光纖通信的穩(wěn)定性是保證兩側(cè)保護裝置性能的關(guān)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(xiàn)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(wǎng)可靠運行，在光纖通道出現(xiàn)異常時，快速判斷出異常點是非常有必要的。

文獻[4-9]分析了傳統(tǒng)通道異常檢測方法，大多采取的是較常規(guī)的逐級自環(huán)的檢測手段，檢測步驟較多，檢測過程容易造成光纖二次污染、同軸線纜恢復(fù)時未連接到位等誤操作。文獻[10-12]對復(fù)用光纖通道故障在線診斷進行了研究，但需要繼電保護裝置和復(fù)接裝置支持C37.94協(xié)議，難以兼容支持在線運行的舊設(shè)備。文獻[13]對復(fù)接裝置的告警燈做改造，同時查看通信設(shè)備網(wǎng)管告警信息，能夠識別光纖通道長時故障，但對于光纖通道瞬時性故障難以捕捉。文獻[14-15]針對穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)計了通道錄波裝置，采用記錄復(fù)接裝置電口信息的方法，從而達到監(jiān)視通道信息的目的，但需要額外增加通道錄波裝置，且不監(jiān)視繼電保護裝置的光口信息，同時由于通道錄波裝置跨接于通信網(wǎng)，僅能實現(xiàn)報文記錄功能，無法完成光纖復(fù)用通道在線識別異常區(qū)間的功能。

本文針對傳統(tǒng)復(fù)用通道異常檢測方法進行分析總結(jié)，提出一種在線識別光纖通道異常區(qū)間的方案，將此方案應(yīng)用到復(fù)接裝置中，無需對繼電保護裝置進行改動，復(fù)接裝置可快速定位異常位置，同時記錄異常發(fā)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(jù)。

1 傳統(tǒng)方案概述

本文以縱聯(lián)差動線路保護的復(fù)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(fù)用通道。當(dāng)線路保護使用復(fù)用通道時，各裝置的連接拓撲如圖1所示。

圖1 復(fù)用通道各裝置連接拓撲

1）兩種解決方案

目前復(fù)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(xié)議，各自采用的光口編碼方式、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(chǎn)的復(fù)接裝置。

（2）國內(nèi)一些公司也推出了支持 IEEE-C37.94協(xié)議的裝置，IEEE-C37.94規(guī)定了保護裝置與復(fù)接裝置之間采用統(tǒng)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(fù)接裝置進行互聯(lián)互通，即復(fù)接裝置可以作為通用裝置。

2）通道異常排查手段

當(dāng)復(fù)用通道出現(xiàn)異常后，采用上述兩種光通信協(xié)議方案的通道異常排查解決手段如下：

（1）自定義光口協(xié)議方式。該方案廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)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(shù)、誤幀數(shù)，在滿足通道異常判據(jù)后，記錄通道異常事件和時刻；復(fù)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(dāng)出現(xiàn)通道異常后，難以直觀判斷出異常區(qū)間，僅能采用本側(cè)保護裝置自身光口自環(huán)、帶本側(cè)復(fù)接裝置電口自環(huán)、帶通道遠端電口自環(huán)及光纖通道設(shè)備帶2M誤碼儀自環(huán)等自環(huán)方式進行問題查找。當(dāng)發(fā)生偶發(fā)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(fù)接裝置均使用光纖通道接口。

（2）C37.94協(xié)議方式。該方案在國際市場廣泛應(yīng)用，采樣同步過程中延時需要動態(tài)調(diào)整。保護裝置的通道監(jiān)視策略同自定義光口協(xié)議方式，此處不再贅述。復(fù)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(fù)接裝置均能相應(yīng)判斷出LOS、YELLOW、AIS三種告警來反應(yīng)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(shù)據(jù)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(guī)定為BFOC/2.5[16]，為保證保護裝置和復(fù)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(shè)計方案

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

本文中復(fù)用通道異常位置如圖2所示，以各裝置為界，將光纖復(fù)用通道分解為圖中所示1～6，即將異常區(qū)間定義為區(qū)域1～6。同時，由于電力通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是透傳設(shè)備，自身具有監(jiān)控手段，故本文不考慮電力通信網(wǎng)內(nèi)部的具體異常點，即圖中 2A/2B/2C、5A/5B/5C區(qū)域分別定義為區(qū)域2、區(qū)域5。

圖2 復(fù)用通道異常位置示意圖

針對光纖復(fù)用通道鏈路出現(xiàn)異常的情況，綜合第1節(jié)中兩種傳統(tǒng)應(yīng)用方案的優(yōu)缺點，在不改變目前通信架構(gòu)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(fù)接裝置為光纖復(fù)用通道的轉(zhuǎn)接裝置，其在復(fù)用通道拓撲結(jié)構(gòu)中位置特殊，因此，復(fù)接裝置可對光信號、電信號進行實時監(jiān)視，進而可在復(fù)接裝置上實現(xiàn)通道異常判別功能；兩側(cè)復(fù)接裝置之間使用短報文進行通信，傳輸內(nèi)容為復(fù)接裝置對通道異常的判別結(jié)果（即通道狀態(tài)），進而，一側(cè)復(fù)接裝置就可以根據(jù)兩側(cè)通道狀態(tài)信息實現(xiàn)通道異常區(qū)間的快速定位。

3 信號處理分層設(shè)計方案

為達到光纖復(fù)用通道異常區(qū)間在線識別的目的，可將其功能劃分為透傳功能、監(jiān)視功能、短報文功能、異常區(qū)間判別功能、異常報文記錄功能。其中，由于復(fù)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(yōu)先級，按照整體方案中功能實現(xiàn)的先后順序，對功能優(yōu)先級進行排序，如圖3所示。

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

在不改變現(xiàn)有保護裝置算法且不影響現(xiàn)有通道信息傳輸?shù)那疤嵯?，整體實施方案如圖4所示，描述如下：

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

圖3 復(fù)接裝置功能優(yōu)先級

圖4 復(fù)接裝置主要功能實現(xiàn)的整體實施方案

（2）復(fù)接裝置將接收到的光信號、電信號按照信號編碼規(guī)則、傳輸信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)檢測“光收報文異?！薄半娛請笪漠惓！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。

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

（4）單側(cè)復(fù)接裝置對短報文幀進行解析，可獲知對側(cè)復(fù)接裝置的異常判別信息，將兩側(cè)異常判別結(jié)果綜合后，顯示到復(fù)接裝置燈板上，兩側(cè)復(fù)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(xiàn)

信息透傳功能是復(fù)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(wǎng)設(shè)備的E1電信號HDB3編碼進行相互轉(zhuǎn)換，必須保證其可靠性，其功能實現(xiàn)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(nèi)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(guī)則。

圖5 復(fù)接裝置信息透傳功能示意圖

復(fù)接裝置利用現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）實現(xiàn)了光信號和電信號的碼型轉(zhuǎn)換，使用CPU對FPGA進行配置，可實現(xiàn)各接口信號對編碼速率等參數(shù)的初始化。

3.2 實時監(jiān)視功能實現(xiàn)

復(fù)接裝置的實時監(jiān)視功能是在線識別通道異常區(qū)間功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。復(fù)接裝置在進行碼型轉(zhuǎn)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(jù)報文的內(nèi)容進行校驗判斷異常原因。

另一方面，綜合性課程教學(xué)已經(jīng)成為新形勢下的大學(xué)教學(xué)改革趨勢，從單純的、傳統(tǒng)的單一學(xué)科教學(xué)為中心模式向多學(xué)科交叉模式進行轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變也應(yīng)在高等院校無機化學(xué)教學(xué)中有所體現(xiàn)。但是，我國藥學(xué)專業(yè)現(xiàn)行無機化學(xué)教材多數(shù)按學(xué)科理論體系為核心編寫，過分強調(diào)該學(xué)科自身的知識體系，忽視了學(xué)科之間、課程之間、理論知識與實踐之間的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生的思維被限制在比較狹窄的知識框架內(nèi)，很難與其他學(xué)科或課程知識融會貫通。

3.3 短報文功能實現(xiàn)

短報文在復(fù)接裝置A和復(fù)接裝置B之間互發(fā)，短報文的物理層和鏈路層的實現(xiàn)方法保持和光縱報文一致，其報文結(jié)構(gòu)與通道異常區(qū)間對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 短報文與異常區(qū)間對應(yīng)表

短報文實現(xiàn)的關(guān)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(xié)調(diào)性。

1）首先應(yīng)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(xié)議，保護數(shù)據(jù)區(qū)的原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為85Byte，需要在一個發(fā)送周期（即1.667ms）內(nèi)傳輸完成，可計算出其傳輸要求占用最大帶寬公式為

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(shù)據(jù)量；ηmin為HDLC碼最小轉(zhuǎn)換效率（由于HDLC的5連“1”插“0”原則[17]，取ηmin值為5/6）；B2為幀頭幀尾數(shù)據(jù)量；t為發(fā)送周期（取值1.667ms）。

HDLC幀結(jié)構(gòu)見表2，其中A占用1Byte，C占用1Byte，循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check,CRC）占用2Byte，I占用85Byte，因此，B1取以上數(shù)據(jù)之和，即89Byte。B2取2Byte。

表2 HDLC幀結(jié)構(gòu)

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(shù)據(jù)僅占用了2M通道的1/4，而一個發(fā)送周期內(nèi)的短報文按照 4Byte的數(shù)據(jù)量設(shè)計，剩余帶寬可滿足需求，因此，復(fù)接裝置之間可利用剩余帶寬進行短報文的傳輸。

由于復(fù)接裝置收到保護的光縱報文后，先轉(zhuǎn)發(fā)再進行報文監(jiān)視，需要一定時間將報文監(jiān)視的判定結(jié)果填充到短報文中。為保證短報文的可靠發(fā)送，復(fù)接裝置可在轉(zhuǎn)發(fā)光縱報文后一定時間內(nèi)發(fā)送空報文，之后再發(fā)送短報文，其中光縱報文、短報文總發(fā)送周期不能超出線路保護裝置的一個通道數(shù)據(jù)發(fā)送周期（見圖6）。當(dāng)復(fù)接裝置在幾個發(fā)送周期內(nèi)無法收到保護裝置的光縱報文信號時，復(fù)接裝置不再轉(zhuǎn)發(fā)光縱報文，僅按照固定發(fā)送頻率發(fā)送短報文。

圖6 光縱報文和短報文混合傳輸示意圖

復(fù)接裝置接收電信號后，首先根據(jù)電信號的報文長度判定報文是光縱報文還是短報文；復(fù)接裝置將光縱報文透明轉(zhuǎn)發(fā)給保護裝置；復(fù)接裝置提取短報文幀中的對側(cè)通道狀態(tài)標志位。

3.4 通道異常區(qū)間判別實現(xiàn)方式

光纖通道狀態(tài)裝置顯示示意圖如圖7所示。裝置在完成實時監(jiān)視功能和短報文傳送之后，單側(cè)復(fù)接裝置即可獲知兩側(cè)復(fù)接裝置所判斷的通道狀態(tài)判定結(jié)果，即可將所有的通道判定結(jié)果顯示到裝置面板上。如圖7所示，復(fù)接裝置面板設(shè)置LED告警燈和通道狀態(tài)印字提示，Alm1～Alm6告警燈和通道異常區(qū)間印字1～6一一對應(yīng)，現(xiàn)場運維人員可通過裝置告警燈獲知光纖復(fù)用通道的整體狀態(tài)。

圖7 光纖通道狀態(tài)裝置顯示示意圖

3.5 異常報文記錄功能實現(xiàn)

復(fù)接裝置在檢測到通道異常后，復(fù)接裝置將緩存中的報文記錄到文件系統(tǒng)中，報文包含異常發(fā)生前后一定時間內(nèi)的通道報文內(nèi)容。其中報文內(nèi)容包含幀內(nèi)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(guī)律性異常，運維人員不僅可以查看發(fā)生異常的時刻，而且可結(jié)合異常報文規(guī)律和其他現(xiàn)場現(xiàn)象來分析異常發(fā)生的原因。例如裝置的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象、一次設(shè)備發(fā)生短路后跳閘瞬間的電磁干擾引起的異常[18]，均可以通過報文內(nèi)容和其他現(xiàn)場現(xiàn)象進行溯源分析。

3.6 優(yōu)缺點分析

1）優(yōu)勢。短報文僅在兩側(cè)復(fù)接裝置之間進行傳送，且占用的是復(fù)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(yōu)勢在于不破壞原有光纖鏈路報文，不影響保護裝置和復(fù)接裝置通道信息，現(xiàn)場僅需更換復(fù)接裝置即可。

2）局限性。如果在兩個復(fù)接裝置之間出現(xiàn)鏈路問題，無法將具體異常位置準確定位到復(fù)接裝置A、通信網(wǎng)、復(fù)接裝置B之間的三段環(huán)節(jié)（如圖2中的三段環(huán)節(jié)為2A/2B/2C或5A/5B/5C），仍需要結(jié)合其他現(xiàn)場現(xiàn)象來確定具體異常位置，如可根據(jù)同步數(shù)字體系（synchronous digital hierarchy, SDH）網(wǎng)管信息進一步確定異常區(qū)間。

4 測試驗證

復(fù)接裝置采用CPU、FPGA雙核架構(gòu)設(shè)計方案，其中FPGA及其外圍光通信芯片、電通信芯片用來實現(xiàn)光信號和電信號的互相轉(zhuǎn)換、光功率檢測、報文識別及校驗，采用CPU運行操作系統(tǒng)，用來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、文件管理、資源管理等高級任務(wù)。

試驗環(huán)境拓撲如圖8所示，使用兩臺復(fù)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(shù)據(jù)，可施加電口誤碼。

圖8 試驗環(huán)境拓撲

模擬現(xiàn)場復(fù)用通道長期運行，復(fù)用通道運行正常，保護裝置未有通道誤幀、丟幀出現(xiàn)，復(fù)接裝置未檢測到誤幀、丟幀。復(fù)接裝置光電轉(zhuǎn)換功能正常。模擬現(xiàn)場復(fù)用通道異常情況進行功能檢驗。分別斷開復(fù)用通道環(huán)節(jié)1、3、4、6，或通過通道測試儀分別在2或5施加誤碼，復(fù)接裝置指示燈均可正確指示異常位置，符合表1中的對應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)不同的告警燈顯示情況對通道異常發(fā)生位置進行快速定位。通道發(fā)生異常后，復(fù)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(fā)生時刻、幀異常標志。

5 結(jié)論

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