一种在线识别光纤通道异常区间的方案

李 进 张 涛 张 灏 李玉平 薛明军

（1. 国电南京自动化股份有限公司，南京 210032；2. 南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153）

0 引言

光纤通信已在电力系统中广泛应用，其不仅具有抗电磁干扰、带宽大、传输距离远等优势，而且可传输状态量、模拟量等转换而成的数字量，为线路纵联保护、稳控保护、信号传输装置等多种继电保护装置的稳定运行提供了可靠技术手段[1-2]。

继电保护装置所用光纤通道一般分为专用光纤通道和复用光纤通道两种形式。其中，专用光纤通道使用专用光缆直连，具有拓扑简单、维护简易的优势，但会受到通信距离、无自愈功能等条件限制；复用光纤通道借助光纤通信网络实现通信，光纤通信网络具备自愈功能、稳定性高、不受通信距离限制等优势，同时复用光纤通道具备路由一致、时延稳定等技术特性[3]，但由于此种类型通道有较多的通信设备和通信连接环节，整体网络维护较复杂。

光纤通信的稳定性是保证两侧保护装置性能的关键因素，采用光纤通信的继电保护装置对光纤通信具有强依赖性，对通道中断、误码、延时、衰耗及光纤熔接等均有严格的要求。一旦光纤通信出现异常，继电保护功能将会受到干扰甚至闭锁，因此，为保证电网可靠运行，在光纤通道出现异常时，快速判断出异常点是非常有必要的。

文献[4-9]分析了传统通道异常检测方法，大多采取的是较常规的逐级自环的检测手段，检测步骤较多，检测过程容易造成光纤二次污染、同轴线缆恢复时未连接到位等误操作。文献[10-12]对复用光纤通道故障在线诊断进行了研究，但需要继电保护装置和复接装置支持C37.94协议，难以兼容支持在线运行的旧设备。文献[13]对复接装置的告警灯做改造，同时查看通信设备网管告警信息，能够识别光纤通道长时故障，但对于光纤通道瞬时性故障难以捕捉。文献[14-15]针对稳控系统设计了通道录波装置，采用记录复接装置电口信息的方法，从而达到监视通道信息的目的，但需要额外增加通道录波装置，且不监视继电保护装置的光口信息，同时由于通道录波装置跨接于通信网，仅能实现报文记录功能，无法完成光纤复用通道在线识别异常区间的功能。

本文针对传统复用通道异常检测方法进行分析总结，提出一种在线识别光纤通道异常区间的方案，将此方案应用到复接装置中，无需对继电保护装置进行改动，复接装置可快速定位异常位置，同时记录异常发生时的通道报文，并将通道报文作为通道异常进一步分析的依据。

1 传统方案概述

本文以纵联差动线路保护的复用通道为例。220kV及以上电压等级线路，由于线路距离长，目前工程上常采用2Mbit/s复用通道。当线路保护使用复用通道时，各装置的连接拓扑如图1所示。

图1 复用通道各装置连接拓扑

1）两种解决方案

目前复用通道采用图1所示拓扑，各公司在光接口部分有两种解决方案：

（1）各公司在光接口部分一般采用自定义的光口协议，各自采用的光口编码方式、数据速率和数据结构均不相同。此种情况下，各公司保护装置仅能支持自己公司生产的复接装置。

（2）国内一些公司也推出了支持 IEEE-C37.94协议的装置，IEEE-C37.94规定了保护装置与复接装置之间采用统一的标准进行通信，不同公司的保护装置可与其他公司的复接装置进行互联互通，即复接装置可以作为通用装置。

2）通道异常排查手段

当复用通道出现异常后，采用上述两种光通信协议方案的通道异常排查解决手段如下：

（1）自定义光口协议方式。该方案广泛应用于电力系统中，采样同步过程中延时算法简单。保护装置可检测光接口的功率、丢帧数、误帧数，在满足通道异常判据后，记录通道异常事件和时刻；复接装置仅能判断光口的功率、通断和电口的通断，不可检测丢帧、误帧。当出现通道异常后，难以直观判断出异常区间，仅能采用本侧保护装置自身光口自环、带本侧复接装置电口自环、带通道远端电口自环及光纤通道设备带2M误码仪自环等自环方式进行问题查找。当发生偶发瞬时性异常时，此种方法排查效率极低，大部分情况无法找到异常原因。该方案保护装置和复接装置均使用光纤通道接口。

（2）C37.94协议方式。该方案在国际市场广泛应用，采样同步过程中延时需要动态调整。保护装置的通道监视策略同自定义光口协议方式，此处不再赘述。复接装置可检测电口通断、丢帧、误帧。C37.94定义了三种场景，不同场景下，保护装置、复接装置均能相应判断出LOS、YELLOW、AIS三种告警来反应不同的通道链路故障。此种方案也有一定局限性：传输有效数据的带宽仅为 768kbit/s，不能充分利用2M带宽；其中40bit自定义报文头未做强制要求；C37.94对光接口的定义也未强制，其中单模光纤接口可自定义，多模光纤接口规定为BFOC/2.5[16]，为保证保护装置和复接装置两者光接口的一致性，各公司还需要事先约定光纤物理接口。

2 整体设计方案

国内电力系统中线路保护采用自定义光口协议方案，现场使用光纤通道的线路保护装置具有多样性，在现场长期可靠运行，因此，现场运行的保护装置算法不宜变动。

本文中复用通道异常位置如图2所示，以各装置为界，将光纤复用通道分解为图中所示1～6，即将异常区间定义为区域1～6。同时，由于电力通信网络设备是透传设备，自身具有监控手段，故本文不考虑电力通信网内部的具体异常点，即图中 2A/2B/2C、5A/5B/5C区域分别定义为区域2、区域5。

图2 复用通道异常位置示意图

针对光纤复用通道链路出现异常的情况，综合第1节中两种传统应用方案的优缺点，在不改变目前通信架构和保护装置算法的情况下，提出一种基于短报文通信的通道异常检测方案，其中保护装置不需要做任何改变。由于复接装置为光纤复用通道的转接装置，其在复用通道拓扑结构中位置特殊，因此，复接装置可对光信号、电信号进行实时监视，进而可在复接装置上实现通道异常判别功能；两侧复接装置之间使用短报文进行通信，传输内容为复接装置对通道异常的判别结果（即通道状态），进而，一侧复接装置就可以根据两侧通道状态信息实现通道异常区间的快速定位。

3 信号处理分层设计方案

为达到光纤复用通道异常区间在线识别的目的，可将其功能划分为透传功能、监视功能、短报文功能、异常区间判别功能、异常报文记录功能。其中，由于复接装置主要功能为保护装置光纵信息的透传，首先保证透传功能的最高优先级，按照整体方案中功能实现的先后顺序，对功能优先级进行排序，如图3所示。

基于对复接装置功能的研究，对复接装置的功能采用高效低耦合的分层设计，按照功能的优先级自上而下设计功能和接口，可提高装置开发效率。

在不改变现有保护装置算法且不影响现有通道信息传输的前提下，整体实施方案如图4所示，描述如下：

（1）复接装置的光接口、电接口接收到报文后，首先实现光电信号的码型转换功能。

图3 复接装置功能优先级

图4 复接装置主要功能实现的整体实施方案

（2）复接装置将接收到的光信号、电信号按照信号编码规则、传输信息数据结构进行快速解析；通过检测光收功率检测“光收功率异常”情况；通过校验报文数据检测“光收报文异常”“电收报文异常”情况；通过解析保护报文中的通道异常标志位检测“保护接收报文异常”情况。

（3）当通道出现异常后，由复接装置判定出异常标志后，组帧成短报文格式，复接装置A和复接装置B在通道空闲时间段互相发送短报文（见表1）。

（4）单侧复接装置对短报文帧进行解析，可获知对侧复接装置的异常判别信息，将两侧异常判别结果综合后，显示到复接装置灯板上，两侧复接装置均可快速定位通道异常位置。

3.1 信息透传功能实现

信息透传功能是复接装置的核心功能，用来对保护装置的光信号 CMI编码和电力通信网设备的E1电信号HDB3编码进行相互转换，必须保证其可靠性，其功能实现框图如图 5所示。CMI编码和HDB3编码是两种不同的物理层编码，两者实际传送的报文内容完全相同，不同点在于报文编码格式的不同，此处不再赘述其编码规则。

图5 复接装置信息透传功能示意图

复接装置利用现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）实现了光信号和电信号的码型转换，使用CPU对FPGA进行配置，可实现各接口信号对编码速率等参数的初始化。

3.2 实时监视功能实现

复接装置的实时监视功能是在线识别通道异常区间功能实现的基础。复接装置在进行码型转换的过程中，可同时解析原始报文，装置对接收的光信号、电信号等的物理层、链路层进行有效性判别，从而识别出光纤通道异常情况。主要包括以下几个方面：

（1）物理层。光接口包括光功率和CMI编码格式的有效性；电接口包括电信号的标准 G.703的标准模板和HDB3码型识别。

（2）链路层。通道传输采用的是HDLC编码方式，可根据报文的内容进行校验判断异常原因。

另一方面，综合性课程教学已经成为新形势下的大学教学改革趋势，从单纯的、传统的单一学科教学为中心模式向多学科交叉模式进行转变，这种转变也应在高等院校无机化学教学中有所体现。但是，我国药学专业现行无机化学教材多数按学科理论体系为核心编写，过分强调该学科自身的知识体系，忽视了学科之间、课程之间、理论知识与实践之间的联系，导致学生的思维被限制在比较狭窄的知识框架内，很难与其他学科或课程知识融会贯通。

3.3 短报文功能实现

短报文在复接装置A和复接装置B之间互发，短报文的物理层和链路层的实现方法保持和光纵报文一致，其报文结构与通道异常区间对应关系见表1。

表1 短报文与异常区间对应表

短报文实现的关键点在于短报文需要和光纵报文在电接口处占用同一 2M通道，因此，需要考虑两种报文的协调性。

1）首先应考察2M通道的带宽是否能够满足光纵报文和短报文的混合传输。

以公司某一高压线路保护装置为例，其光纵通道采用HDLC协议，保护数据区的原始数据结构为85Byte，需要在一个发送周期（即1.667ms）内传输完成，可计算出其传输要求占用最大带宽公式为

式中：BWmax为占用最大带宽；B1为除帧头帧尾的HDLC的插“0”前报文数据量；ηmin为HDLC码最小转换效率（由于HDLC的5连“1”插“0”原则[17]，取ηmin值为5/6）；B2为帧头帧尾数据量；t为发送周期（取值1.667ms）。

HDLC帧结构见表2，其中A占用1Byte，C占用1Byte，循环冗余校验（cyclic redundancy check,CRC）占用2Byte，I占用85Byte，因此，B1取以上数据之和，即89Byte。B2取2Byte。

表2 HDLC帧结构

按照式（1）计算可得BWmax为522.14kbit/s。

BWmax与2Mbit/s的带宽相比，可知保护光纵数据仅占用了2M通道的1/4，而一个发送周期内的短报文按照 4Byte的数据量设计，剩余带宽可满足需求，因此，复接装置之间可利用剩余带宽进行短报文的传输。

由于复接装置收到保护的光纵报文后，先转发再进行报文监视，需要一定时间将报文监视的判定结果填充到短报文中。为保证短报文的可靠发送，复接装置可在转发光纵报文后一定时间内发送空报文，之后再发送短报文，其中光纵报文、短报文总发送周期不能超出线路保护装置的一个通道数据发送周期（见图6）。当复接装置在几个发送周期内无法收到保护装置的光纵报文信号时，复接装置不再转发光纵报文，仅按照固定发送频率发送短报文。

图6 光纵报文和短报文混合传输示意图

复接装置接收电信号后，首先根据电信号的报文长度判定报文是光纵报文还是短报文；复接装置将光纵报文透明转发给保护装置；复接装置提取短报文帧中的对侧通道状态标志位。

3.4 通道异常区间判别实现方式

光纤通道状态装置显示示意图如图7所示。装置在完成实时监视功能和短报文传送之后，单侧复接装置即可获知两侧复接装置所判断的通道状态判定结果，即可将所有的通道判定结果显示到装置面板上。如图7所示，复接装置面板设置LED告警灯和通道状态印字提示，Alm1～Alm6告警灯和通道异常区间印字1～6一一对应，现场运维人员可通过装置告警灯获知光纤复用通道的整体状态。

图7 光纤通道状态装置显示示意图

3.5 异常报文记录功能实现

复接装置在检测到通道异常后，复接装置将缓存中的报文记录到文件系统中，报文包含异常发生前后一定时间内的通道报文内容。其中报文内容包含帧内容、帧序号、帧时间等有效信息。

通过查看异常报文记录，极大地方便了运维人员分析通道断开异常、瞬时性异常和规律性异常，运维人员不仅可以查看发生异常的时刻，而且可结合异常报文规律和其他现场现象来分析异常发生的原因。例如装置的亚稳态现象、一次设备发生短路后跳闸瞬间的电磁干扰引起的异常[18]，均可以通过报文内容和其他现场现象进行溯源分析。

3.6 优缺点分析

1）优势。短报文仅在两侧复接装置之间进行传送，且占用的是复用通道的空闲时段，短报文完全不影响保护装置的正常运行。

此方法的总体优势在于不破坏原有光纤链路报文，不影响保护装置和复接装置通道信息，现场仅需更换复接装置即可。

2）局限性。如果在两个复接装置之间出现链路问题，无法将具体异常位置准确定位到复接装置A、通信网、复接装置B之间的三段环节（如图2中的三段环节为2A/2B/2C或5A/5B/5C），仍需要结合其他现场现象来确定具体异常位置，如可根据同步数字体系（synchronous digital hierarchy, SDH）网管信息进一步确定异常区间。

4 测试验证

复接装置采用CPU、FPGA双核架构设计方案，其中FPGA及其外围光通信芯片、电通信芯片用来实现光信号和电信号的互相转换、光功率检测、报文识别及校验，采用CPU运行操作系统，用来实现任务调度、文件管理、资源管理等高级任务。

试验环境拓扑如图8所示，使用两台复接装置、两台线路保护装置、一台通道测试仪搭建测试平台，其中通道测试仪用于透传通道数据，可施加电口误码。

图8 试验环境拓扑

模拟现场复用通道长期运行，复用通道运行正常，保护装置未有通道误帧、丢帧出现，复接装置未检测到误帧、丢帧。复接装置光电转换功能正常。模拟现场复用通道异常情况进行功能检验。分别断开复用通道环节1、3、4、6，或通过通道测试仪分别在2或5施加误码，复接装置指示灯均可正确指示异常位置，符合表1中的对应关系，可根据不同的告警灯显示情况对通道异常发生位置进行快速定位。通道发生异常后，复接装置能够记录报文，报文记录文件能够正确展示误帧及丢帧发生时刻、帧异常标志。

5 结论

本文提出了一种不改变保护装置，仅改变复接装置硬件结构和软件算法的方案，使复接装置智能化，复接装置的通道状态在线感知能力增强，可就地判定通道异常情况，两侧复接装置以短报文形式进行通道异常状态信息交换，从而实现了通道异常区间快速识别，同时在通道异常发生时刻将通道报文记录下来，为分析现场复用通道的中断异常、瞬时异常带来极大的便利。