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(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)路縱聯(lián)保護(hù)、穩(wěn)控保護(hù)、信號(hào)傳輸裝置等多種繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠技術(shù)手段。

繼電保護(hù)裝置所用光纖通道一般分為專(zhuān)用光纖通道和復(fù)用光纖通道兩種形式。其中，專(zhuān)用光纖通道使用專(zhuān)用光纜直連，具有拓?fù)浜?jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)，但會(huì)受到通信距離、無(wú)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(shí)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(shì)，同時(shí)復(fù)用光纖通道具備路由一致、時(shí)延穩(wěn)定等技術(shù)特性，但由于此種類(lèi)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(hù)較復(fù)雜。

光纖通信的穩(wěn)定性是保證兩側(cè)保護(hù)裝置性能的關(guān)鍵因素，采用光纖通信的繼電保護(hù)裝置對(duì)光纖通信具有強(qiáng)依賴(lài)性，對(duì)通道中斷、誤碼、延時(shí)、衰耗及光纖熔接等均有嚴(yán)格的要求。一旦光纖通信出現(xiàn)異常，繼電保護(hù)功能將會(huì)受到干擾甚至閉鎖，因此，為保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行，在光纖通道出現(xiàn)異常時(shí)，快速判斷出異常點(diǎn)是非常有必要的。

本文針對(duì)傳統(tǒng)復(fù)用通道異常檢測(cè)方法進(jìn)行分析總結(jié)，提出一種在線(xiàn)識(shí)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(wú)需對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行改動(dòng)，復(fù)接裝置可快速定位異常位置，同時(shí)記錄異常發(fā)生時(shí)的通道報(bào)文，并將通道報(bào)文作為通道異常進(jìn)一步分析的依據(jù)。

1 傳統(tǒng)方案概述

本文以縱聯(lián)差動(dòng)線(xiàn)路保護(hù)的復(fù)用通道為例。220kV及以上電壓等級(jí)線(xiàn)路，由于線(xiàn)路距離長(zhǎng)，目前工程上常采用2Mbit/s復(fù)用通道。當(dāng)線(xiàn)路保護(hù)使用復(fù)用通道時(shí)，各裝置的連接拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 復(fù)用通道各裝置連接拓?fù)?/p>

1）兩種解決方案

目前復(fù)用通道采用圖1所示拓?fù)?，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(hù)裝置僅能支持自己公司生產(chǎn)的復(fù)接裝置。

（2）國(guó)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(hù)裝置與復(fù)接裝置之間采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，不同公司的保護(hù)裝置可與其他公司的復(fù)接裝置進(jìn)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(guò)程中延時(shí)算法簡(jiǎn)單。保護(hù)裝置可檢測(cè)光接口的功率、丟幀數(shù)、誤幀數(shù)，在滿(mǎn)足通道異常判據(jù)后，記錄通道異常事件和時(shí)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(cè)丟幀、誤幀。

當(dāng)出現(xiàn)通道異常后，難以直觀(guān)判斷出異常區(qū)間，僅能采用本側(cè)保護(hù)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(yuǎn)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(jìn)行問(wèn)題查找。當(dāng)發(fā)生偶發(fā)瞬時(shí)性異常時(shí)，此種方法排查效率極低，大部分情況無(wú)法找到異常原因。該方案保護(hù)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(guó)際市場(chǎng)廣泛應(yīng)用，采樣同步過(guò)程中延時(shí)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整。保護(hù)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(cè)電口通斷、丟幀、誤幀。

C37.94定義了三種場(chǎng)景，不同場(chǎng)景下，保護(hù)裝置、復(fù)接裝置均能相應(yīng)判斷出LOS、YELLOW、AIS三種告警來(lái)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(bào)文頭未做強(qiáng)制要求；C37.94對(duì)光接口的定義也未強(qiáng)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，為保證保護(hù)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(jì)方案

國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)中線(xiàn)路保護(hù)采用自定義光口協(xié)議方案，現(xiàn)場(chǎng)使用光纖通道的線(xiàn)路保護(hù)裝置具有多樣性，在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，因此，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的保護(hù)裝置算法不宜變動(dòng)。

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(shí)，由于電力通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是透?jìng)髟O(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(diǎn)，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(duì)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(diǎn)，在不改變目前通信架構(gòu)和保護(hù)裝置算法的情況下，提出一種基于短報(bào)文通信的通道異常檢測(cè)方案，其中保護(hù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中位置特殊，因此，復(fù)接裝置可對(duì)光信號(hào)、電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，進(jìn)而可在復(fù)接裝置上實(shí)現(xiàn)通道異常判別功能；兩側(cè)復(fù)接裝置之間使用短報(bào)文進(jìn)行通信，傳輸內(nèi)容為復(fù)接裝置對(duì)通道異常的判別結(jié)果（即通道狀態(tài)），進(jìn)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(shí)現(xiàn)通道異常區(qū)間的快速定位。

3 信號(hào)處理分層設(shè)計(jì)方案

為達(dá)到光纖復(fù)用通道異常區(qū)間在線(xiàn)識(shí)別的目的，可將其功能劃分為透?jìng)鞴δ?、監(jiān)視功能、短報(bào)文功能、異常區(qū)間判別功能、異常報(bào)文記錄功能。其中，由于復(fù)接裝置主要功能為保護(hù)裝置光縱信息的透?jìng)?，首先保證透?jìng)鞴δ艿淖罡邇?yōu)先級(jí)，按照整體方案中功能實(shí)現(xiàn)的先后順序，對(duì)功能優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，如圖3所示。

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

在不改變現(xiàn)有保護(hù)裝置算法且不影響現(xiàn)有通道信息傳輸?shù)那疤嵯?，整體實(shí)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(bào)文后，首先實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的碼型轉(zhuǎn)換功能。

（2）復(fù)接裝置將接收到的光信號(hào)、電信號(hào)按照信號(hào)編碼規(guī)則、傳輸信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速解析；通過(guò)檢測(cè)光收功率檢測(cè)“光收功率異?！鼻闆r；通過(guò)校驗(yàn)報(bào)文數(shù)據(jù)檢測(cè)“光收?qǐng)?bào)文異?！薄半娛?qǐng)?bào)文異常”情況；通過(guò)解析保護(hù)報(bào)文中的通道異常標(biāo)志位檢測(cè)“保護(hù)接收?qǐng)?bào)文異?！鼻闆r。

圖3 復(fù)接裝置功能優(yōu)先級(jí)

圖4 復(fù)接裝置主要功能實(shí)現(xiàn)的整體方案

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

（4）單側(cè)復(fù)接裝置對(duì)短報(bào)文幀進(jìn)行解析，可獲知對(duì)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?jìng)鞴δ軐?shí)現(xiàn)

信息透?jìng)鞴δ苁菑?fù)接裝置的核心功能，用來(lái)對(duì)保護(hù)裝置的光信號(hào)CMI編碼和電力通信網(wǎng)設(shè)備的E1電信號(hào)HDB3編碼進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，必須保證其可靠性，其功能實(shí)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(shí)際傳送的報(bào)文內(nèi)容完全相同，不同點(diǎn)在于報(bào)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?jìng)鞴δ苁疽鈭D

復(fù)接裝置利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（field pro- grammable gate array, FPGA）實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)和電信號(hào)的碼型轉(zhuǎn)換，使用CPU對(duì)FPGA進(jìn)行配置，可實(shí)現(xiàn)各接口信號(hào)對(duì)編碼速率等參數(shù)的初始化。

3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)視功能實(shí)現(xiàn)

復(fù)接裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能是在線(xiàn)識(shí)別通道異常區(qū)間功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。復(fù)接裝置在進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，可同時(shí)解析原始報(bào)文，裝置對(duì)接收的光信號(hào)、電信號(hào)等的物理層、鏈路層進(jìn)行有效性判別，從而識(shí)別出光纖通道異常情況。主要包括以下幾個(gè)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(hào)的標(biāo)準(zhǔn)G.703的標(biāo)準(zhǔn)模板和HDB3碼型識(shí)別。

（2）鏈路層。通道傳輸采用的是HDLC編碼方式，可根據(jù)報(bào)文的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)判斷異常原因。

3.3 短報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)

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

表1 短報(bào)文與異常區(qū)間對(duì)應(yīng)表

短報(bào)文實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于短報(bào)文需要和光縱報(bào)文在電接口處占用同一2M通道，因此，需要考慮兩種報(bào)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(mǎn)足光縱報(bào)文和短報(bào)文的混合傳輸。

以公司某一高壓線(xiàn)路保護(hù)裝置為例，其光縱通道采用HDLC協(xié)議，保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)的原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為85Byte，需要在一個(gè)發(fā)送周期（即1.667ms）內(nèi)傳輸完成，可計(jì)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(bào)文數(shù)據(jù)量；◆min為HDLC碼最小轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)量；t為發(fā)送周期（取值1.667ms）。

HDLC幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2，其中A占用1Byte，C占用1Byte，循環(huán)冗余校驗(yàn)（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(jì)算可得BWmax為522.14kbit/s。

BWmax與2Mbit/s的帶寬相比，可知保護(hù)光縱數(shù)據(jù)僅占用了2M通道的1/4，而一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)的短報(bào)文按照4Byte的數(shù)據(jù)量設(shè)計(jì)，剩余帶寬可滿(mǎn)足需求，因此，復(fù)接裝置之間可利用剩余帶寬進(jìn)行短報(bào)文的傳輸。

2）短報(bào)文和光縱報(bào)文在同一通道中傳輸，也涉及了復(fù)接裝置的報(bào)文協(xié)調(diào)處理過(guò)程。

由于復(fù)接裝置收到保護(hù)的光縱報(bào)文后，先轉(zhuǎn)發(fā)再進(jìn)行報(bào)文監(jiān)視，需要一定時(shí)間將報(bào)文監(jiān)視的判定結(jié)果填充到短報(bào)文中。為保證短報(bào)文的可靠發(fā)送，復(fù)接裝置可在轉(zhuǎn)發(fā)光縱報(bào)文后一定時(shí)間內(nèi)發(fā)送空?qǐng)?bào)文，之后再發(fā)送短報(bào)文，其中光縱報(bào)文、短報(bào)文總發(fā)送周期不能超出線(xiàn)路保護(hù)裝置的一個(gè)通道數(shù)據(jù)發(fā)送周期（見(jiàn)圖6）。當(dāng)復(fù)接裝置在幾個(gè)發(fā)送周期內(nèi)無(wú)法收到保護(hù)裝置的光縱報(bào)文信號(hào)時(shí)，復(fù)接裝置不再轉(zhuǎn)發(fā)光縱報(bào)文，僅按照固定發(fā)送頻率發(fā)送短報(bào)文。

圖6 光縱報(bào)文和短報(bào)文混合傳輸圖

復(fù)接裝置接收電信號(hào)后，首先根據(jù)電信號(hào)的報(bào)文長(zhǎng)度判定報(bào)文是光縱報(bào)文還是短報(bào)文；復(fù)接裝置將光縱報(bào)文透明轉(zhuǎn)發(fā)給保護(hù)裝置；復(fù)接裝置提取短報(bào)文幀中的對(duì)側(cè)通道狀態(tài)標(biāo)志位。

3.4 通道異常區(qū)間判別實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)視功能和短報(bào)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(duì)應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員可通過(guò)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(bào)文記錄功能實(shí)現(xiàn)

復(fù)接裝置在檢測(cè)到通道異常后，復(fù)接裝置將緩存中的報(bào)文記錄到文件系統(tǒng)中，報(bào)文包含異常發(fā)生前后一定時(shí)間內(nèi)的通道報(bào)文內(nèi)容。其中報(bào)文內(nèi)容包含幀內(nèi)容、幀序號(hào)、幀時(shí)間等有效信息。

通過(guò)查看異常報(bào)文記錄，極大地方便了運(yùn)維人員分析通道斷開(kāi)異常、瞬時(shí)性異常和規(guī)律性異常，運(yùn)維人員不僅可以查看發(fā)生異常的時(shí)刻，而且可結(jié)合異常報(bào)文規(guī)律和其他現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象來(lái)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，均可以通過(guò)報(bào)文內(nèi)容和其他現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象進(jìn)行溯源分析。

3.6 優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）優(yōu)勢(shì)。短報(bào)文僅在兩側(cè)復(fù)接裝置之間進(jìn)行傳送，且占用的是復(fù)用通道的空閑時(shí)段，短報(bào)文完全不影響保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。

此方法的總體優(yōu)勢(shì)在于不破壞原有光纖鏈路報(bào)文，不影響保護(hù)裝置和復(fù)接裝置通道信息，現(xiàn)場(chǎng)僅需更換復(fù)接裝置即可。

2）局限性。如果在兩個(gè)復(fù)接裝置之間出現(xiàn)鏈路問(wèn)題，無(wú)法將具體異常位置準(zhǔn)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(chǎng)現(xiàn)象來(lái)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(jìn)一步確定異常區(qū)間。

4 測(cè)試驗(yàn)證

復(fù)接裝置采用CPU、FPGA雙核架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其中FPGA及其外圍光通信芯片、電通信芯片用來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)和電信號(hào)的互相轉(zhuǎn)換、光功率檢測(cè)、報(bào)文識(shí)別及校驗(yàn)，采用CPU運(yùn)行操作系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、文件管理、資源管理等高級(jí)任務(wù)。

試驗(yàn)環(huán)境拓?fù)淙鐖D8所示，使用兩臺(tái)復(fù)接裝置、兩臺(tái)線(xiàn)路保護(hù)裝置、一臺(tái)通道測(cè)試儀搭建測(cè)試平臺(tái)，其中通道測(cè)試儀用于透?jìng)魍ǖ罃?shù)據(jù)，可施加電口誤碼。

圖8 試驗(yàn)環(huán)境拓?fù)?/p>

模擬現(xiàn)場(chǎng)復(fù)用通道長(zhǎng)期運(yùn)行，復(fù)用通道運(yùn)行正常，保護(hù)裝置未有通道誤幀、丟幀出現(xiàn)，復(fù)接裝置未檢測(cè)到誤幀、丟幀。復(fù)接裝置光電轉(zhuǎn)換功能正常。模擬現(xiàn)場(chǎng)復(fù)用通道異常情況進(jìn)行功能檢驗(yàn)。

分別斷開(kāi)復(fù)用通道環(huán)節(jié)1、3、4、6，或通過(guò)通道測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，可根據(jù)不同的告警燈顯示情況對(duì)通道異常發(fā)生位置進(jìn)行快速定位。

通道發(fā)生異常后，復(fù)接裝置能夠記錄報(bào)文，報(bào)文記錄文件能夠正確展示誤幀及丟幀發(fā)生時(shí)刻、幀異常標(biāo)志。

5 結(jié)論

本文提出了一種不改變保護(hù)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(xiàn)感知能力增強(qiáng)，可就地判定通道異常情況，兩側(cè)復(fù)接裝置以短報(bào)文形式進(jìn)行通道異常狀態(tài)信息交換，從而實(shí)現(xiàn)了通道異常區(qū)間快速識(shí)別，同時(shí)在通道異常發(fā)生時(shí)刻將通道報(bào)文記錄下來(lái)，為分析現(xiàn)場(chǎng)復(fù)用通道的中斷異常、瞬時(shí)異常帶來(lái)極大的便利。

本文編自2021年第3期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一種在線(xiàn)識(shí)別光纖通道異常區(qū)間的方案”，作者為李進(jìn)、張濤 等。