李 響，李 彥，劉革明

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

光纖縱聯(lián)保護(hù)通道故障在線診斷方法

李 響，李 彥，劉革明

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

在分析現(xiàn)有光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置通信方式和通道故障診斷方法的基礎(chǔ)上，通過在光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置及通信接口裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)完善的物理鏈路和通信狀態(tài)監(jiān)測的方法。在不需要插拔光纖、電纜或增加冗余監(jiān)測設(shè)備的情況下，即可實(shí)現(xiàn)光纖縱聯(lián)保護(hù)和通信設(shè)備的通道狀態(tài)的在線診斷。能實(shí)時顯示光纖通道收發(fā)功率、誤碼情況等運(yùn)行信息。在通道發(fā)生故障時，運(yùn)行和維護(hù)人員通過查看保護(hù)裝置和后臺的實(shí)時狀態(tài)報(bào)告，即可準(zhǔn)確地定位通道故障點(diǎn)和故障原因。同時通過設(shè)置通道狀態(tài)的預(yù)警值，能及早發(fā)現(xiàn)并解決由于通道故障問題帶來的光纖縱聯(lián)保護(hù)安全運(yùn)行隱患。

光纖縱聯(lián)保護(hù)；通信；通道故障；光纖通道；在線診斷

0 引言

由于光纖通信網(wǎng)絡(luò)的一些固有優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾性能強(qiáng)、通信速率高、網(wǎng)絡(luò)具有自愈功能等，線路縱聯(lián)保護(hù)已經(jīng)大規(guī)模采用光纖通道作為信息傳輸通道。近年來線路縱聯(lián)保護(hù)得到了廣泛的應(yīng)用，部分線路甚至采用兩套線路光纖縱差保護(hù)作為線路的主保護(hù)[1]。目前光纖縱聯(lián)保護(hù)原理可靠性方面的研究成果已相對比較成熟，但可靠性僅是保護(hù)裝置不誤動和不拒動，隨著二次設(shè)備智能化的普及，通道信息安全和可靠性也受到越來越多的重視[2-4]。

光纖縱聯(lián)保護(hù)在運(yùn)行過程中，尤其是復(fù)用通道，傳輸設(shè)備和通信環(huán)節(jié)多，且經(jīng)常要對光纖和電纜通道進(jìn)行檢查和通道實(shí)驗(yàn)。檢查時要斷開傳輸通道，且在測試過程中要插拔大量的活動連接頭，易使接頭受到灰塵污染或出現(xiàn)連接頭沒有對接好等情況，使得光纖通道產(chǎn)生故障點(diǎn)，影響光信號傳輸，給保護(hù)裝置的運(yùn)行帶來了安全隱患。在兩側(cè)的保護(hù)裝置出現(xiàn)誤碼和告警后，無法準(zhǔn)確及時地判斷是哪個中間傳輸環(huán)節(jié)異常引入的誤碼。需要退出保護(hù)裝置，斷開光纖通道，檢查裝置的收信光功率是否正常，再對整個傳輸通道進(jìn)行逐一檢查，占用了大量的時間[5-7]。

對光纖縱聯(lián)保護(hù)復(fù)用通道的故障診斷一直是光纖縱聯(lián)保護(hù)的一個難點(diǎn)，常規(guī)的診斷方法需要誤碼測試儀和光功率測量儀器參與，且對瞬時性的通道故障處理效率較低。

本文提出了一種通過在線監(jiān)測光纖保護(hù)裝置及通信接口裝置的物理鏈路和通信幀信息誤碼情況的方法，實(shí)現(xiàn)通道故障的快速準(zhǔn)確定位。同時可以通過設(shè)置通道狀態(tài)的預(yù)警值，及早發(fā)現(xiàn)通道故障問題的隱患。

1 光纖縱聯(lián)保護(hù)通道故障診斷關(guān)鍵問題

1.1 光纖縱聯(lián)保護(hù)通信方式及故障模式

光纖縱聯(lián)保護(hù)使用的通信通道包括專用光纖通道和復(fù)用光纖通道兩種方式，通道速率一般為 64 Kbps 或 2.048 Mbps。通信協(xié)議根據(jù)各個二次設(shè)備廠家和使用地區(qū)要求不同，國內(nèi)一般使用HDLC同步幀協(xié)議。

目前國內(nèi)光纖縱聯(lián)保護(hù)應(yīng)用中，專用光纖通道和復(fù)用通道方式都同時存在，復(fù)用通道方式中保護(hù)裝置通過數(shù)字復(fù)接設(shè)備接SDH的E1通道進(jìn)行兩側(cè)通信，圖1和圖2分別為專用光纖通信和復(fù)用通信拓?fù)浞绞健?/p>

圖1 光纖縱聯(lián)保護(hù)專用光纖通信方式Fig. 1 Fiber pilot protection special optical fiber communication mode

圖2 光纖縱聯(lián)保護(hù)復(fù)用通道通信方式Fig. 2 Fiber pilot protection multiplex channel communication mode

如圖1所示，對于專用光纖通信，通道較常出現(xiàn)的故障原因是保護(hù)裝置光纜熔接不良、硬件損壞或光纖法蘭接觸不良導(dǎo)致的光纖收發(fā)光功率裕度不足等。

如圖2所示，當(dāng)使用復(fù)用通道通信方式時，通信環(huán)節(jié)和設(shè)備相對較多，存在的故障點(diǎn)也相應(yīng)較多，除了專用光纖通道存在的光纖、光纜問題外，根據(jù)多年的變電站運(yùn)行、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可能存在的其他故障原因還包括：

1) 數(shù)字復(fù)接設(shè)備(MUX)和 SDH 之間電纜或接頭不良。

2) 電纜過長導(dǎo)致 E1 電信號衰耗大，信號質(zhì)量不好。

3) 接地系統(tǒng)不良，在刀閘操作或一次設(shè)備故障時易干擾E1的電纜信號。

4) SDH 通信系統(tǒng)故障，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖儗?dǎo)致通信延時等參數(shù)變化[8]。

5) 保護(hù)裝置或復(fù)接設(shè)備的硬件故障等。

顯而易見，復(fù)用通道的故障點(diǎn)和故障原因多樣，分析和解決問題的難度也相應(yīng)較大。

1.2 傳統(tǒng)光纖縱聯(lián)保護(hù)通道故障診斷方式

當(dāng)收到光纖縱聯(lián)保護(hù)出現(xiàn)誤碼、通道告警等情況后，運(yùn)行人員需要到同時到兩側(cè)的變電站進(jìn)行檢查保護(hù)裝置的通道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、觀察數(shù)字復(fù)接裝置的告警燈閃爍情況。為了確定故障點(diǎn)，必須采取分段自環(huán)的方式來確認(rèn)故障點(diǎn)[9]，以圖2 中僅本側(cè)有接收到誤碼的情況分析，排除故障的步驟為：

1) 對側(cè)保護(hù)的光纖口進(jìn)行自環(huán)，排除對側(cè)保護(hù)裝置自身的發(fā)送故障。

2) 對側(cè)的保護(hù)和復(fù)接設(shè)備一起進(jìn)行自環(huán)，排除對側(cè)的復(fù)接設(shè)備的發(fā)送故障。

3) 對側(cè)設(shè)備連同本側(cè)的 SDH 的通道接口處進(jìn)行自環(huán)，排除通道故障。

4) 對側(cè)設(shè)備連同本側(cè)的復(fù)接設(shè)備和通道一起自環(huán)，排除本側(cè)復(fù)接設(shè)備的接收故障。

可以看出，目前的這種故障點(diǎn)的排除方法步驟較多，排除故障時，需帶上光功率計(jì)和誤碼分析儀，反復(fù)插拔接口光纖和電纜，且需要在線路的兩側(cè)同時做實(shí)驗(yàn)，對于相隔數(shù)十甚至幾百公里的兩側(cè)保護(hù)設(shè)備，很不方便。此外，對于偶發(fā)性的通道誤碼失效情況，該方法排查的效率極低，經(jīng)過分段自環(huán)方式并不一定能及時準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)。現(xiàn)有的光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置大多數(shù)只能提供通道的狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息，無法對偶發(fā)性的通道故障情況診斷提供更有效的幫助。當(dāng)通道偶發(fā)故障后，運(yùn)行維護(hù)人員需要退出保護(hù)進(jìn)行檢測，當(dāng)無法短時間內(nèi)查清問題的根本原因時，往往只能更換相應(yīng)裝置或線纜，重新投入保護(hù)，給保護(hù)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大的隱患。

本文針對前面所述的光纖縱聯(lián)保護(hù)通道故障診斷的幾個關(guān)鍵問題，給出了相應(yīng)的解決方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有在線故障診斷能力的光纖縱聯(lián)保護(hù)通信方案。

2 光纖縱聯(lián)保護(hù)故障診斷的實(shí)現(xiàn)

2.1 故障狀態(tài)監(jiān)視模塊

2.1.1 保護(hù)裝置監(jiān)視模塊

光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置內(nèi)通道狀態(tài)監(jiān)測信息如圖3所示。在數(shù)據(jù)接收方向：監(jiān)測每一幀的編碼規(guī)范、幀格式內(nèi)容、接收光功率等信息，并對解碼后的應(yīng)用數(shù)據(jù)分析，判斷失步和通道延時變化信息。在數(shù)據(jù)發(fā)送方向：監(jiān)測發(fā)送光功率大小。

圖3 保護(hù)裝置通道狀態(tài)監(jiān)測模塊Fig. 3 Protection device channel state monitoring module

應(yīng)用程序會判斷上述監(jiān)測信息是否正確，判斷光功率裕度是否滿足要求，如發(fā)現(xiàn)有異常狀態(tài)，打上時標(biāo)同時記錄下此次故障信息，形成狀態(tài)報(bào)告。

2.1.2 數(shù)字復(fù)接裝置監(jiān)視模塊

數(shù)字復(fù)接裝置(MUX)內(nèi)部的通道狀態(tài)監(jiān)測信息如圖4所示。在 E1電口接收方向：監(jiān)視電纜信號物理電平質(zhì)量，接收的數(shù)據(jù)碼型是否正確。在 E1電口發(fā)送方向：監(jiān)視接收保護(hù)光纖的數(shù)據(jù)碼型是否正確。

圖4 數(shù)字復(fù)接裝置通道狀態(tài)監(jiān)測模塊Fig. 4 Digital multiplexing device channel status monitoring module

由圖4可以看出，數(shù)字接口裝置內(nèi)部軟件邏輯通過實(shí)時把數(shù)字復(fù)接裝置的診斷狀態(tài)信息更新到當(dāng)前數(shù)據(jù)幀中已定義好的狀態(tài)字節(jié)中，發(fā)送到對側(cè)保護(hù)裝置，并對故障狀態(tài)進(jìn)行記錄和判斷。

2.2 故障狀態(tài)信息交換

目前國內(nèi)光纖縱聯(lián)保護(hù)應(yīng)用中，通信速率一般都為 2.048 Mbps，數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議基本采用HDLC 協(xié)議。如采樣速率為 1.2 kHz，編碼方式采用1 B/4 B 編碼，每幀數(shù)據(jù)長度可以達(dá)到 50 個字節(jié)。本文在應(yīng)用數(shù)據(jù)字節(jié)末尾增加2個字節(jié)作為故障狀態(tài)的通信管理開銷，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)的在線診斷。表1為具體定義的光纖縱聯(lián)保護(hù)通信幀格式，包含HDLC 幀頭幀尾、幀序號、電流相量信息等應(yīng)用數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)以及狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及空閑態(tài)等。

表1 通信幀格式Table 1 Communication frame format

表2為單通道保護(hù)使用通道狀態(tài)1字節(jié)的每個bit作為各種故障狀態(tài)信息的標(biāo)志位含義，可詳細(xì)定位到故障設(shè)備和故障點(diǎn)。對于雙通道保護(hù)的另一個保護(hù)通道，使用其中的通道2狀態(tài)字節(jié)，具體位定義同通道1狀態(tài)字節(jié)。

表2 故障狀態(tài)定義Table 2 Fault state definition

復(fù)用通道中 SDH 通信網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測，需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持。對于光纖縱聯(lián)保護(hù)來說，應(yīng)用通信數(shù)據(jù)采用透傳方式，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的可靠性和故障監(jiān)測不在本文研究范圍之內(nèi)[10-11]。

光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置及數(shù)字接口裝置可以根據(jù)規(guī)定好的協(xié)議內(nèi)容，對通信狀態(tài)的完整性進(jìn)行檢測，并對通信開銷部分進(jìn)行插入狀態(tài)標(biāo)志。當(dāng)整個通道的通信節(jié)點(diǎn)上監(jiān)測到各種故障異常時，根據(jù)故障狀態(tài)位定義，插入到當(dāng)前有效幀中，發(fā)送到對側(cè)的保護(hù)裝置，由保護(hù)裝置記錄下這些狀態(tài)信息。

由于故障點(diǎn)狀態(tài)與光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置接收到的監(jiān)測標(biāo)志之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)通道出現(xiàn)故障時，運(yùn)行人員僅需要查看一側(cè)的保護(hù)裝置，即可以準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)。對于偶發(fā)性的誤碼情況，可以通過查看帶有時間標(biāo)記的狀態(tài)報(bào)告，清晰地分析出故障點(diǎn)，進(jìn)而有針對性地排查故障原因。

3 結(jié)語

本文通過對光纖縱聯(lián)保護(hù)裝置和數(shù)字接口裝置的光、電物理鏈路和通信狀態(tài)監(jiān)測，在出現(xiàn)故障時形成故障狀態(tài)標(biāo)志，在通信幀中僅增加很少的管理字節(jié)開銷來傳遞這些狀態(tài)標(biāo)志位，在不需要插拔光纖、電纜或增加冗余監(jiān)測設(shè)備的情況下，即可實(shí)現(xiàn)光纖縱聯(lián)保護(hù)和通信設(shè)備通道狀態(tài)的在線故障診斷，還可以通過預(yù)先設(shè)置的收、發(fā)光功率的高、低門檻，當(dāng)光功率異常時，通過報(bào)文、指示燈給出提示或告警，大大提高了通道故障的診斷效率，提升了變電站的自動化運(yùn)維水平。

[1]何建宗, 徐曉春, 曾子縣, 等. 一種適用于兩相式輸電線 路 的 相 組 合 差 動 保 護(hù) [J]. 電 力 系 統(tǒng) 保 護(hù) 與 控 制 , 2014, 42(4): 73-76. HE Jianzong, XU Xiaochun, ZENG Zixian, et al. A new phase combined line current differential relay for two-phase transmission line[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(4): 73-76.

[2]高會生, 王慧芳. 基于安全性的繼電保護(hù)光纖迂回通道路徑選擇[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(14): 25-31. GAO Huisheng, WANG Huifang. Path selection based on security measure for relay protection services of fiber circuitous channel[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(14): 25-31.

[3]張兆云, 陳衛(wèi), 張哲, 等. 一種廣域差動保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(2): 297-303. ZHANG Zhaoyun, CHEN Wei, ZHANG Zhe, et al. A method of wide-area differential protection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 297-303.

[4]陳強(qiáng)林, 李瑞生, 馬全霞, 等. 繼電保護(hù)通道檢測平臺在光纖差動保護(hù)測試中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(8): 84-92. CHEN Qianglin, LI Ruisheng, MA Quanxia, et al. The detection platform of relay protection channel in fiber differential protection test[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(8): 84-92.

[5]卜強(qiáng)生, 宋亮亮, 張道農(nóng), 等. 基于GPS對時的分散采樣差動保護(hù)同步測試方法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(22): 149-153. BU Qiangsheng, SONG Liangliang, ZHANG Daonong, et al. Research on the test method of distributed sampling differential protection synchronization based on GPS time[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(22): 149-153.

[6]李振華, 李紅斌, 張秋雁, 等. 一種高壓電子式電流互感 器 在 線 校 驗(yàn) 系 統(tǒng) [J]. 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) , 2014, 29(7): 229-236. LI Zhenhua, LI Hongbin, ZHANG Qiuyan, et al. An online calibration system for high voltage electronic current transformers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(7): 229-236.

[7]劉峰, 裘峰源, 劉健, 等. 光纖通道對光纖差動保護(hù)影響 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 [J]. 電 力 系 統(tǒng) 自 動 化 , 2005, 29(13): 97-99. LIU Feng, QIU Fengyuan, LIU Jian, et al. Experimental study on the effect of fiber channel on the differential protection[J]. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(13): 97-99.

[8]高會生, 馬博洋. 一種基于概率分布的縱聯(lián)差動保護(hù)通道時延模型[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(17): 61-65. GAO Huisheng, MA Boyang. A longitudinal differential protection channel delay model based on the probability distribution[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(17): 61-65.

[9]李彥, 王芊. 基于 C37.94 協(xié)議的縱差保護(hù)復(fù)用通道故診 斷 方 法 [J]. 電 力 系 統(tǒng) 保 護(hù) 與 控 制 , 2011, 39(6): 120-122. LI Yan, WANG Qian. A fault detection method for multiplex channel of longitudinal differential protection based on Protocol C37.94[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(6): 120-122.

[10]李俊剛, 張愛民, 張杭, 等. 廣域保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可靠性評估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 344-350. LI Jungang, ZHANG Aimin, ZHANG Hang, et al. Reliability evaluation of the wide area protect system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 344-350.

[11]崇志強(qiáng), 戴志輝, 焦彥軍. 典型廣域保護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸可靠性評估[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào), 2014, 28(4): 20-24. CHONG Zhiqiang, DAI Zhihui, JIAO Yanjun. Information transmission reliability of communication network in typical wide area protection[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2014, 28(4): 20-24.

(編輯 葛艷娜)

A channel fault diagnosis method for fiber pilot relay protection

LI Xiang, LI Yan, LIU Geming
(NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

Based on the analysis of the existing channel fault diagnosis method of fiber pilot relay protection, and within the realization of the physical link and communication state monitoring method in the relay protection and communication interface device, online diagnosis for the channel state of fiber pilot relay protection and communication equipment can be realized in case of not need to plug optical fiber, cable or adding redundant monitoring equipment, and can display the fiber channel real-time status, such as transceiver power and error code, etc. When a fault occurs in the channel, real-time status report to operation and maintenance personnel can be shown through the view of the relay protection of LCD, with which channel fault points and fault reasons can be accurately positioned. At the same time, by setting up the channel state of alarm value, the safe operation of hidden trouble for fiber pilot protection because of channel failure problem can be detected and solved early.

fiber pilot relay protection; communication; channel fault; fiber channel; online diagnosis

TM774

1674-3415(2016)02-0147-04

2015-04-01；

2015-07-30

李 響(1981-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)交直流保護(hù)控制系統(tǒng)平臺開發(fā)；E-mail: lix@nrec.com

李 彥(1979-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作；

劉革明(1980-)，男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。