继电保护复用数字通道智能检测及自诊断技术研究

王海龙

（国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030006）

继电保护复用数字通道智能检测及自诊断技术研究

王海龙

（国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030006）

纵联保护通信通道的畅通都是超高压线路安全的重要保障，要求保护和通信人员在通道出现故障时能够结合故障现象对其性质和位置做出快速准确的判断，并及时修复。准确定位故障点一直都是通信人员致力研究的内容之一，但由于复用数字通道涉及中间环节较多，一旦运行中出现异常，往往需要经过较长时间的排查才能准确定位故障点。为了提高线路纵联保护通道运行监测水平，进一步提升线路主保护的可靠运行程度，有必要对复用数字通道展开智能检测及自诊断技术研究，快速定位通道故障环节，进而恢复纵联保护通道。

复用通道；纵差保护；通道故障诊断

0 引言

随着数字化智能技术在电网和通信技术中的应用日渐深入，我国的电网和通信技术近年来得到了长足的发展，电力通信网已经逐步发展成为多用途、综合化的数据业务承载系统。光缆（光纤）因具备抗电磁辐射干扰能力强、通信衰耗低、误码率低、传输容量大、适合远距离传输大量信息等优点而成为现代电力通信网络最重要的传输载体[1]，特别是其在继电纵联保护通道中表现的优越特性，使其成为保护通道的首推方式。目前，电力通信网因得益于“十二五”期间新建的1 000 kV、500 kV线路及重要220 kV线路与OPGW光纤电路 （optical fiber composite overhead ground wire）同步架设而逐步发展成为覆盖各区域、省的全国性光通信网络。以山西电力光纤通信网的建设为例，已经从最初的点对点准同步数字系列（PDH）制式发展成为全网的同步数字系列（SDH） 自愈环，这仅仅是全国各地区发展的一个缩影。而正是由于这些基础建设的完善，为实现光纤通道传输继电保护信号提供了不可或缺的条件。

继电保护装置（目前主流为光纤纵联差动保护装置）信号对传输通道的要求日益严格。光纤纵联差动保护的构成基础是光纤通道，采用专用光纤通道和复用光纤通道两种通道方式的光纤纵联差动保护装置是目前线路主保护装置的最主要实现方式。

如图1所示，两种通道结构中的专用光纤通道由包括保护装置自身的光电转换部分在内的两侧保护装置和ODF光纤配线架，通过对应线路OPGW光缆直接相连。与其他通道结构相比，专用光纤通道因在信号传输过程中对中间环节的需求更少而具有极大的优势。而另一方面，对基本设施的要求也成为专用光纤通道使用的局限，如：第一，继电保护装置发信功率大小对专用光纤通道的稳定性影响较大，以目前的技术尚不能应用于距离超过40 km的线路；第二，用于连接通信的OPGW光缆需要预留出较长的纤芯以备使用，光缆纤芯利用率很低；第三，用于连接通信的OPGW光缆出现断线时，无法采用切换复用通道的方式保证专用光纤通道的畅通，而只能进行接续修复，因此往往导致长时间中断；第四，专用光纤通道的通道状态只能依赖电保护装置进行监视，无法利用网管进行远程监控和管理。

图1 专用光纤通道方式

因此，由于超高压线路一般要求长距离输电以及高的运行可靠性，专用光纤通道无法适用，只有电压等级不超过220 kV、输电距离不超过40 km以及能够预留足够数量备用光纤芯才可以采用专用的光纤通道。

如图2所示，2种通道结构中的复用通道由2个分别位于两端的保护装置和通信接口光电转换装置，经过DDF数字配线架接入SDH光纤通信环网组成。

图2 复用光纤通道方式

复用通道与专用通道相比，因为不需要占用专用纤芯以及采用通信中继技术实现超长距离继电保护信息的传输，故而能够在大量节约通信资源的情况下实现对长度大于100 km的线路的监测保护。但是纵联保护复用通道也存在如下缺点：通道延时明显高于专用光纤通道；需要多个中继环节，通道可靠性相对较低；复用通道中很多中间环节都涉及到通信专业，通道调试和维护工作对保护人员的专业素质要求高，不利于实际工作开展。

纵联保护通信通道的畅通是超高压线路安全的重要保障。因此，要求保护和通信人员在纵联保护通信通道出现故障时能够结合通道故障的现象对其性质和位置做出快速准确的判断，并及时修复通道业务。其中，最为关键的一步就是准确定位故障区间。但是由于复用数字通道涉及中间环节较多，在运行中一旦出现异常，往往需要经过较长的时间排查才能准确定位故障范围。为提高通信运行监测水平，有必要对复用数字通道展开智能检测及自诊断技术研究，以实现故障点的快速定位，为实现通道快速检修恢复创造有利条件。

1 现有复用数字通道故障的检查方法阐述

由于光纤通道技术涉及的中间环节较多，其在得到广泛应用的同时，也应该注意到由此带来的通道故障点排查定位的难题。在各类通道故障点中复用通道故障点的排查定位最为困难[2]。下面以国内当前通用的220 kV及以上电压等级光纤纵联差动保护的复用通道为例来进行说明，在经过多年的运行维护工作和通道故障缺陷处理过程中间，积累总结了很多的经验，从而形成了几种比较成熟的通信故障定位方法及流程，具体如下。

1.1 告警信息综合分析法

通过对保护装置产生的综合信息进行分析，根据分析结果判断出故障类型，进而判断出故障范围或故障点位置。提供判断依据的信息主要包括告警信息、通道数据统计状态、告警指示灯等。

1.2 各侧分步自环法

各侧分步自环即从通道两侧配合开始对通道各点逐一进行自环，获得提供判断的基础信息，再结合告警信息综合分析法对故障点实现精确定位。根据自环点位置的不同可以分为光接口自环和电接口自环。

采用各侧分步自环法可以尽快确定故障点。为了更清楚地展示各侧分步自环法确定故障点的速度优势，本文以复用通道为例，假设仅本侧接收到误码，对各侧分步自环法排除故障的具体方法进行介绍。

a）根据对侧保护装置的光纤口处进行自环获得的信息，分析对侧保护装置是否存在发送故障。

b）根据对侧的保护装置和复接设备一起进行自环获得的信息，分析对侧复接设备的发送端口是否发生故障。

c） 根据对侧设备与本侧SDH通道接口处一并自环获得的信息，分析通道本身是否发生故障。

d） 根据对侧设备与本侧复接设备和SDH通道一并进行自环获得的信息，分析本侧复接设备的接收端口是否发生故障。

采用各侧分步自环法需要采集的信息，主要是两侧变电站保护装置通道状态的统计以及对数字接口设备的告警灯闪烁情况等。从各侧分步自环法的命名可以看出，该方法需要同步对两侧的变电站进行检查，因此当监测到故障信息后，至少两个检修维护人员同时在通道的两侧开展检查工作[3]。即各侧分步自环法尽快确定故障点需要建立在两侧检修维护人员的到场及时性和操作熟练度上，具有较大的不确定性。

1.3 测量法

针对外围部件如设备纤芯衰耗、工作电压和接地、设备光功率、同轴电缆短路等进行排查或者核实是否为故障点。可以采用测量法，根据测量对象和结果确定故障原因。

1.4 更换正常部件替换法

对于更换方便又不适合采用告警信息综合分析法和各侧分步自环法的部位或部件，如相应的光电转换装置或者保护光纤通道插件等，可以将疑似故障部位的部件用功能正常的部件替换，通过替换后的故障是否消除定位故障点。采用更换正常部件替换法的部位或部件，可以是法兰连接头、某段光缆或同轴电缆、保护光纤通道插件或者接口设备等。

显而易见，更换正常部件替换法由于部位或部件类型、数量多，检测过程需要采用光功率计和误码分析仪等专用仪器，需要对接口光纤和数配架上的同轴电缆进行反复插拔，具有步骤多、操作繁琐的缺陷。而且检测过程需要线路两侧同时到人进行配合检验，对于那些两侧保护设备相隔数十公里甚至上百公里的情况，实施过程更是困难重重。

各侧分步自环法一般用于对光纤通道常规故障进行排查，采用各侧分步自环法排查光纤通道偶发性的丢帧、失步、误码等情况往往难以保证排查效率和准确性。各侧分步自环法采集的两侧变电站保护装置通道状态的统计以及对数字接口设备的告警灯闪烁情况等信息均为通道的状态累计信息，这些信息对于诊断偶发性的通道故障往往无法提供有效的帮助。当偶发性的通道故障出现后，一般需要将系统退出纵联保护之后，才能进行检测，如果不能快速确定故障位置和原因，往往只能更换相应的装置插件或线缆，以使保护装置能够尽快恢复使用。进而由于故障并未排出而给保护装置的安全稳定运行埋下隐患。

针对典型的复用通道中设计的不合理以及配置错误，各个地方电网都有相关的设计规范来进行规范，但是实际运行中出现的通道异常故障，仍然需要人工进行处理，效率较为低下。

2 继电保护复用数字通道智能检测

针对上文中提到的光纤纵联保护通道故障判定中常用方法的优劣分析，结合继电保护光纤信号传输机制和通道接口设备的信号传输机制，在此基础上试着分析、研究一种复用通道智能检测的思路方法。

2.1 保护装置光纤通道监视模块

通过光纤纵联保护装置内部的光纤通道状态监测模块。在数据接收方向：监测每一帧的编码规范、帧格式内容、接收光功率等所需信息，通过对监测信息解码后得到的应用数据进行分析，获知失步和通道延时变化的情况。在数据发送方向监测发送光功率的大小。

装置中内置的应用程序在监测到异常状态信息时会生成相应的故障信息标记并进行记录，形成故障报告。应用程序的基本要求是能够对获得的监测信息的正确性和有效性以及光功率裕度是否满足要求进行判断。

2.2 光电转换数字接口设备监视模块

通过光电转换数字接口设备（MUX-2M） 内部的通道状态监测模块。在电口接收方向：对同轴电缆信号物理电平质量进行监视，判断接收的数据码型是否符合要求。在电口发送方向：监视接收保护光纤的数据码型是否符合要求。光电转换通道的数字接口装置中内置的软件逻辑可以对数字接口设备的诊断状态信息进行实时更新并记录到当前数据帧中已定义好的状态字节中，同时将更新的数据帧状态字节发送到对侧保护装置，完成对故障状态信息的记录和判断。

2.3 故障状态信息交换

目前国内光纤纵联保护应用的数据链路层通信协议大多采用HDLC协议，通信速率多为2.048 Mbps。例如采样速率为1.2 kHz，编码方式采用1B4B编码，每帧数据长度可以达到50个字节。以此为基础，故障状态的在线诊断可以通过设置故障状态的通信管理开销来实现，具体实现方式可以是在内置应用的数据字节末尾增加2个字节。

如表1所示为一种具体定义中包含HDLC帧头帧尾、帧序号、电流相量信息等应用数据、CRC校验以及状态监测数据及空闲态等的光纤纵联保护通信帧格式。

表1 光纤纵联保护通信帧格式

如表2所示，为增加故障状态定义字节后，单通道保护使用通道状态1字节的每个bit作为各种故障状态信息的标志位含义，通过位定义可以定位到具体的故障设备和故障点。对于采用双通道保护的光纤纵联保护装置，可以使用通道1状态字节的具体位定义作为通道2状态字节的位定义。

表2 故障状态定义

只有在相应网络设备功能符合要求的情况下才能够实现对复用通道中SDH通信网络的状态监测。对于采用透传方式光纤纵联保护来说，其应用通信数据的性能又有所区别，故不在本文讨论研究范围之内。

3 复用数字通道自诊断技术浅析

如果能够实现对光纤通道通信状态完整性的检测，则当整个通道的通信节点上监测到故障异常时，使光纤纵联保护装置的一侧能够接收到一个确定的信息，就能够通过该信息精准确定故障点位置。对光纤通道通信状态完整性进行检测，可以通过在光纤纵联保护装置和数字接口设备内置特定协议内容和增加的故障状态位定义实现，即通过内置协议和增加故障状态位定义，将监测到的故障信息插入到当前有效帧中并将其发送到对侧的保护装置并进行记录。通过对故障状态位的定义能够使通信故障点与光纤纵联保护装置接收到的监测标志之间的对应关系唯一化。因此，当通道的某一环节或某几个环节出现故障时，运行人员完全可以仅通过查看一侧保护装置的记录信息准确定位故障点。由于故障图景的显示对象可以精确到每一帧，因此即便是偶发性的通道故障，也能够生成带有时间标记的状态报告，为偶发性故障的排查提供了可靠依据。

3.1 故障图景

获取故障状态的在线诊断，就需要自定义故障状态的通信管理开销，即在内置应用的数据字节末尾增加2个自定义字节。

为了使所述故障状态的通信管理开销具有确定的指向，本文对通道状态字节进行归类，确定了6种占据不同的比特位故障图景，并按照特定的要求将光电转换接口装置及纵差保护装置插入相应的故障图景。当通道的某一环节或某几个环节出现故障时，位于终端的纵差保护装置可以对接收帧中包含的一个或多个故障图景进行监测分析，从而为运行人员定位故障点提供依据。6种故障图景的定义见表3所示。

表3 6种比特位故障图景

3.2 通道故障诊断机理

根据HDLC协议的规定，不论是纵差保护装置还是通信接口装置都能够检测出帧结构的完整性，并根据检测结果对通信管理开销进行操作。具体方法如下所示。

a）光接口输入信号当前帧结构完整性由通信接口装置进行检测，当检测到错误时，同时向本侧的通道插入OR以及向对侧通道插入ROR。

b）电接口输入信号当前帧结构完整性由通信接口装置进行检测，当检测到错误时，同时向本侧通道插入ER以及向对侧通道插入RER。

c）光接口输入信号当前帧结构完整性由纵差保护装置进行检测，当检测到错误时，首先在本地生成FR，同时向对侧通道插入RFR；纵差保护装置并不将接收到的OR、ROR、ER、RER标志发送到对侧。

d）本地需要操作的故障图景由通信接口装置生成后，连同接收到的上游通道数据中的其他数据一起，继续向下游转发。

由上述可知，通道中的任一环节（其中环节2和环节3以及环节6和环节7视为同意环节）发生故障时，纵差保护装置在同一侧保护装置处接收到的故障图景具有唯一性，因而可以作为故障定位的依据。

3.3 通道故障分析

通道各环节故障的示意图如图3、图4、图5所示。

图3 环节1出错情况

图4 环节2出错情况

图5 环节4出错情况

当通道的某一环节或某几个环节出现故障时，运行人员在到达一个保护装置后，完全可以根据该侧保护装置的记录信息，利用表4中展示的纵差保护接收到的故障图景与通道各环节故障点之间的对应关系，对单一故障点进行准确定位或者确定出最近的故障点位置。同时，由于故障图景的显示对象可以精确到每一帧，从而能够实现准确定位瞬时性故障，这是复用数字通道自诊断技术独有优势。具体的故障定位方法如表4所示。

通过采用HDLC协议作为纵差保护通信协议的通信方案，运行人员可以在通道出现故障时通过查看任意一侧的保护装置对故障点进行定位，通道故障的诊断效率获得极大的提高。

表4 故障定位方法

4 结语

根据上述对复用数字通道智能检测原理的分析可知，复用数字通道自诊断技术依据在通信管理开销中定义的6种故障图景原理入手，通过向线路两侧通道信息帧中插入相应通道故障信息所产生的标识，不需要单独再增加设备，仅增加一点开销在通道报文中用于通道状态的诊断，通道故障点就可以较为精确地得以定位。如此一来，通道维护人员的工作量可以大大减轻，对通道维护人员的要求也得以降低，并且相关运维人员仅在一侧装置内通过查看相关的故障信息就可快速定位通道异常位置，便于对通道故障进行快速地修复，从而尽快恢复纵联保护正常运行。

Study on Intelligent Detection and Self-diagnostic Technology of Relay Protection Multiplexing Digital Channel

WANG Hailong
（State Grid Shanxi Maintenance Company of SEPC,Taiyuan,Shanxi030006,China）

Pilot protection of communication channel is an important guarantee for the safety of ultra-high voltage lines.Protection and communication personnel are required to make quick and accurate judgments on fault nature and position when fault occurs.Locating failure position accurately is one of the main research fields for communication personnel.It would take long time to point out the failure,because there is a lot of intermediate links in multiplexing digital channel.In order to improve the operation state monitoring level of pilot protection channel and the reliable operation degree of main protection of ultra-high voltage lines,it is necessary to carry out intelligent detection and self-diagnosis technology research on multiplexed digital channel,so as to quickly locate the channel fault link,and then restore the pilot protection channel.

multiplexchannel;longitudinal differential protection;channel failure diagnosis

TM77

A

1671-0320（2017）05-0023-05

2017-08-02，

2017-08-12

王海龙（1964），男，山西临汾人，1992年毕业于华北电力学院电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事电力管理企业工作。