隨著光纖通信和繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展,基于光纖通道的差動(dòng)保護(hù)越來(lái)越多地作為線路主保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)用的光纖通道主要有專用光纖通道和復(fù)用光纖通道(以下簡(jiǎn)稱復(fù)用通道)兩種類型。專用光纖通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但應(yīng)用距離較短,光纖芯利用率低。
復(fù)用光纖通道中兩側(cè)保護(hù)裝置與各側(cè)通信接口裝置MUX(multiplexer)連接,經(jīng)過數(shù)字配線架(digital distribution frame, DDF)接入同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy, SDH)光纖通信環(huán)網(wǎng)后互相通信。復(fù)用光纖通道與專用光纖通道相比具有光纖利用率高、通信距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)對(duì)傳輸?shù)腟DH網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。
復(fù)用光纖通道拓?fù)鋸?fù)雜,中間經(jīng)過多次光電轉(zhuǎn)換及SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),需快速定位故障點(diǎn)位置和性質(zhì),通常采用的故障定位方式有:①在通道各連接處逐步擴(kuò)大范圍自環(huán)測(cè)試,這種方法通常需兩側(cè)人員配合,耗時(shí)耗力;②基于通道拓?fù)?、各環(huán)節(jié)設(shè)備狀態(tài)及裝置告警等信息,分析和判斷故障點(diǎn)位置和性質(zhì),該方法需要深刻的通道認(rèn)識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技巧才能較快定位故障;③對(duì)于偶發(fā)性故障,故障現(xiàn)象難以捕捉和定位,通過自環(huán)或告警分析法處理困難,耗時(shí)最長(zhǎng),很多時(shí)候只能通過替換的方式排除故障。
通常通道故障定位流程需保護(hù)人員和通信人員相配合,到現(xiàn)場(chǎng)收集大量信息并做好安保后才能實(shí)施故障定位方法,因而故障定位實(shí)施緩慢。
本文首先研究了現(xiàn)有判斷通道設(shè)備通信異常的機(jī)制,在此基礎(chǔ)上提出了復(fù)用通道故障定位方法,該方法能很好地定位通道故障;再進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際運(yùn)維情況,提出了通道故障觸發(fā)錄波的方案,錄波文件按照電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式輸出,通過增加中間節(jié)點(diǎn)信息文件并配套相關(guān)的展示軟件,可直觀展示故障發(fā)生前后通道的相關(guān)狀態(tài)。
錄波文件、通道告警和故障點(diǎn)定位等信息按規(guī)范建模并上送,可方便收集通道故障相關(guān)信息并傳輸至遠(yuǎn)方,配合SDH網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)方監(jiān)控,可以進(jìn)一步區(qū)分光纖傳輸網(wǎng)的故障環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)通道故障的遠(yuǎn)方在線診斷,極大提升通道故障診斷效率。
復(fù)用通道的傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。保護(hù)裝置與通信接口裝置之間通過光纖連接,通信接口裝置與站內(nèi)的SDH終端之間通過電纜連接,兩側(cè)SDH終端光纖直連或經(jīng)站間中轉(zhuǎn)的傳輸網(wǎng)絡(luò)連接。
圖1 復(fù)用通道傳輸結(jié)構(gòu)
1.1 保護(hù)裝置通信異常的判斷機(jī)制
保護(hù)裝置通信異常的檢測(cè)原理如圖2所示。保護(hù)裝置監(jiān)視收到的數(shù)據(jù)幀的幀格式、幀內(nèi)容、接收光功率等信息,并對(duì)幀內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,判斷是否發(fā)生通道延時(shí)變化、丟幀等情況。當(dāng)保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí),記錄故障發(fā)生時(shí)刻和信息,并報(bào)告。
圖2 保護(hù)裝置通信異常的檢測(cè)原理
1.2 MUX通信異常判斷機(jī)制
MUX內(nèi)部通信異常的檢測(cè)原理如圖3所示。MUX由光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)編碼模塊、E1信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊3個(gè)環(huán)節(jié)組成,光電轉(zhuǎn)換模塊將光(電)信號(hào)轉(zhuǎn)成電(光)信號(hào),數(shù)據(jù)編碼模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)碼型判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常,E1信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將TTL的電平信號(hào)轉(zhuǎn)成G.703標(biāo)準(zhǔn)電口的HDB3編碼電信號(hào)。
圖3 MUX通信異常的檢測(cè)原理
MUX光收異常識(shí)別包括光功率監(jiān)視和鏈路監(jiān)視兩個(gè)模塊。其中:①光功率監(jiān)視模塊用于檢測(cè)光纖物理通道是否正常,當(dāng)檢測(cè)到光口接收功率超限時(shí),判斷為光纖通道異常;②鏈路監(jiān)視模塊用于監(jiān)視數(shù)據(jù)傳輸是否正常,當(dāng)檢測(cè)到光口收到的碼型不正確時(shí),判斷為光傳輸通道出現(xiàn)了異常。
MUX電收異常識(shí)別包括信號(hào)監(jiān)視和鏈路監(jiān)視兩個(gè)模塊。其中:①信號(hào)監(jiān)視模塊由E1信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片完成,當(dāng)接收到信號(hào)丟失時(shí),會(huì)產(chǎn)生信號(hào)丟失(LOS)信號(hào);②鏈路監(jiān)視模塊與上述光收異常類似,電口根據(jù)收到的信號(hào)碼型來(lái)判斷是否存在異常。
1.3 SDH通信異常的處理方法
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16712—2008 SDH設(shè)備功能塊特性對(duì)SDH的規(guī)范要求,SDH終端的簡(jiǎn)化邏輯功能塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 SDH終端通信異常檢測(cè)原理
下邊的PHD物理支路接口(PDH physical interface, PPI)為準(zhǔn)同步數(shù)字體系(plesiochronous digital hierarchy, PDH),HDB3編碼的電信號(hào)從這里輸入或輸出;上邊為SDH物理接口(SDH physical interface, SPI),光信號(hào)從這里輸入或輸出;中間環(huán)節(jié)是對(duì)信號(hào)的處理,包括再生、復(fù)用、濾波等。
正常情況下SDH接收到的信號(hào)正常,SDH不會(huì)對(duì)信號(hào)本身進(jìn)行任何處理。當(dāng)接收到的信號(hào)異常、丟失或者SDH在中間環(huán)節(jié)處理出現(xiàn)了問題時(shí),信號(hào)就會(huì)發(fā)生改變。
具體分析如下:
①光收信號(hào)異常,在圖4中,光信號(hào)從A點(diǎn)輸入,通過SPI的光電轉(zhuǎn)換輸出B,當(dāng)SPI檢測(cè)到輸入信號(hào)失效時(shí),觸發(fā)接收信號(hào)丟失(LOS)信號(hào),再生段終端(RST)接收到LOS信號(hào)后在C點(diǎn)輸出全“1”信號(hào),即恒高電平信號(hào);
②電收信號(hào)異常,當(dāng)電信號(hào)從支路端口輸入時(shí),如果出現(xiàn)信號(hào)中斷,J點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)丟失(LOS)信號(hào),導(dǎo)致后面環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)變?yōu)槿?”;
③中間環(huán)節(jié)處理異常,當(dāng)信號(hào)流在中間傳輸(比如從E到F)時(shí),如果出現(xiàn)了指針丟失或管理單元告警,在F點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)全部置“1”的信號(hào),故障排除后,全“1”信號(hào)消失。
由以上分析可知,不管是接收環(huán)節(jié)還是中間環(huán)節(jié),只要出現(xiàn)了異常,SDH終端便會(huì)將信號(hào)置全“1”。
2.1 不同環(huán)節(jié)故障通道設(shè)備的響應(yīng)
現(xiàn)將圖1中不同通道環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)各通道設(shè)備的響應(yīng)情況說明如下:
表1 不同環(huán)節(jié)故障各設(shè)備的響應(yīng)
由表1可知,當(dāng)復(fù)用通道環(huán)節(jié)故障時(shí),由于SDH設(shè)備不支持故障定位,故除了環(huán)節(jié)3與4、環(huán)節(jié)8與9之間無(wú)法區(qū)分外,其他環(huán)節(jié)故障時(shí),均可從一側(cè)保護(hù)裝置查看,以確定故障點(diǎn)。當(dāng)通道中間環(huán)節(jié)設(shè)備發(fā)生掉電等情況時(shí),等效于多點(diǎn)故障,各側(cè)保護(hù)裝置可判斷至距離裝置側(cè)最近的故障點(diǎn)。
2.2 故障診斷字節(jié)
由上節(jié)分析可知,通道故障點(diǎn)與保護(hù)裝置或MUX異常狀態(tài)存在一一對(duì)應(yīng)的狀態(tài),當(dāng)本側(cè)保護(hù)裝置接收通道上發(fā)生異常時(shí),通過本側(cè)裝置或MUX判斷出故障點(diǎn),考慮兩側(cè)裝置均能查看故障點(diǎn),在通道傳輸?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)增加1個(gè)通道診斷字節(jié)用于故障點(diǎn)定位。
在通道診斷字節(jié)僅需定義5種故障類型,此5種故障類型分別占據(jù)不同的比特位,保護(hù)裝置及通信接口裝置按照后續(xù)設(shè)定的規(guī)則修改通道診斷字節(jié)。當(dāng)通道發(fā)生故障時(shí),保護(hù)裝置通過讀取和判斷通道診斷字節(jié)即可定位故障點(diǎn)。5種故障類型的通道診斷字節(jié)定義見表2。
表2 5種故障類型的通道診斷字節(jié)定義
2.3 通道故障定位及傳輸機(jī)理
保護(hù)裝置及MUX基于高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(high- level data link control, HDLC)協(xié)議對(duì)通道診斷字節(jié)進(jìn)行操作,具體方法如下:
由以上分析可知,當(dāng)通道出現(xiàn)故障時(shí),保護(hù)裝置根據(jù)接收到信號(hào)的特征和通道診斷字節(jié)即可定位故障點(diǎn);各裝置檢測(cè)到一幀錯(cuò)誤即可修改通道診斷字節(jié),對(duì)于瞬時(shí)性故障點(diǎn)也能定位。
復(fù)用通道故障診斷定位方法雖然能較好地定位單點(diǎn)故障,但僅顯示通道故障點(diǎn);考慮實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)復(fù)用通道發(fā)生穩(wěn)定的故障時(shí),為了解通道故障性質(zhì)和確保通道故障點(diǎn)診斷正確,運(yùn)維人員依然需要去收集通道故障后的通道相關(guān)信息,包括裝置通道狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息、裝置相關(guān)告警等數(shù)據(jù),而對(duì)通道故障發(fā)生前的數(shù)據(jù)信息無(wú)法得知;對(duì)于復(fù)雜的通道故障情況,甚至需要去掛表分析通道狀態(tài);對(duì)于瞬時(shí)性的通道故障,僅僅知道通道故障點(diǎn)依然不夠。
為方便對(duì)通道故障情況進(jìn)行全面的分析,對(duì)應(yīng)復(fù)雜通道故障,可在通道故障診斷字節(jié)發(fā)生變位時(shí)觸發(fā)錄波,記錄通道診斷字節(jié)變位前后的通道狀態(tài)信息、通道相關(guān)告警、通道故障診斷字節(jié)及通道相關(guān)定值,以形成錄波文件。
3.1 通道故障錄波硬件方案
考慮能夠完整對(duì)短時(shí)發(fā)生多次通道瞬時(shí)故障前后相關(guān)信息進(jìn)行錄波,需要高速采集和大容量存儲(chǔ)通道故障數(shù)據(jù):為避免錄波數(shù)據(jù)短時(shí)間內(nèi)過多而導(dǎo)致傳輸堵塞,可采用大容量緩存單元,并設(shè)立多路并行數(shù)據(jù)通道;考慮轉(zhuǎn)存速度匹配問題,可設(shè)置控制單元與之配合使用,從而保證即使短時(shí)內(nèi)發(fā)生多次瞬時(shí)通道故障,通道故障數(shù)據(jù)也能可靠地被保存在保護(hù)裝置中。
本文采用大規(guī)?,F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field pro- grammable gate array, FPGA)、大容量雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(double data rate, DDR)和兩級(jí)緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)通道多次瞬時(shí)性故障錄波數(shù)據(jù)的無(wú)死區(qū)緩存。
其方法是:通道接收數(shù)據(jù)先在FGPA的片內(nèi)緩存區(qū)持續(xù)循環(huán)緩存,此為第1級(jí)緩存;在通道故障診斷字節(jié)變位后,F(xiàn)PGA截取變位期間的數(shù)據(jù)并將其緩存到大容量DDR中,此為第2級(jí)緩存;DSP依次從DDR取出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并將通道相關(guān)的原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳送給CPU,最終存入非易失存儲(chǔ)卡;大容量DDR可實(shí)現(xiàn)足夠多次數(shù)的通道數(shù)據(jù)緩存(例如64~1028次),使得在通道故障診斷字節(jié)多次連續(xù)觸發(fā)的情況下,裝置仍能有足夠的時(shí)間進(jìn)行分析和進(jìn)行通道故障錄波數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)。其示意圖如圖5所示。
圖5 故障瞬時(shí)錄波高速存儲(chǔ)技術(shù)示意
3.2 通道故障展示方案
為了方便展示通道故障時(shí)故障點(diǎn)信息、故障前后通道接收光強(qiáng)及相關(guān)告警,通道故障觸發(fā)生成錄波的同時(shí)會(huì)生成中間節(jié)點(diǎn)信息文件。通過開發(fā)對(duì)應(yīng)的中間節(jié)點(diǎn)信息展示軟件,將通道故障前的通道狀態(tài)信息、通道診斷字節(jié)和通道相關(guān)告警按照時(shí)間序列的變化方式展示出來(lái),方便運(yùn)維人員通過調(diào)取故障波形文件,以展示工具軟件直觀快捷地了解故障點(diǎn)定位及通道故障前后的狀態(tài)信息。該展示軟件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。
圖6 通道錄波展示軟件的結(jié)構(gòu)示意圖
運(yùn)維人員通過播放錄波中間節(jié)點(diǎn)信息文件的各個(gè)展示框,實(shí)時(shí)展示當(dāng)前時(shí)刻下各信息的狀態(tài)。當(dāng)通道發(fā)生故障時(shí),在右上的通道連接示意圖中標(biāo)注故障的環(huán)節(jié),運(yùn)維人員也可將其任意拖動(dòng)到特定時(shí)刻查看通道相關(guān)信息,便于分析故障前后時(shí)刻的通道故障完整狀態(tài),進(jìn)而高效和全面地排查故障點(diǎn)。
3.3 通道故障遠(yuǎn)方在線診斷方案
由前文2.1節(jié)的分析可知,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生兩點(diǎn)或復(fù)雜故障時(shí),單從一側(cè)保護(hù)裝置無(wú)法確定故障類型,為此可通過遠(yuǎn)方“召喚”兩側(cè)保護(hù)裝置故障錄波文件來(lái)分析通道故障。
復(fù)用通道故障錄波文件可采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14598.24—2017中規(guī)定的電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式,通道相關(guān)告警和定位信息按照標(biāo)準(zhǔn)化方式建模,借助現(xiàn)有的保護(hù)通信子站、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方召喚故障錄波文件和通道相關(guān)變位報(bào)告,配合SDH網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)方監(jiān)控進(jìn)一步區(qū)分故障環(huán)節(jié)3/4和環(huán)節(jié)8/9,可以很方便地實(shí)現(xiàn)通道故障的遠(yuǎn)方在線診斷,極大提升通道故障的診斷效率。
按照?qǐng)D1搭建了復(fù)用通道的測(cè)試模型,兩側(cè)保護(hù)裝置通過試驗(yàn)儀測(cè)試保護(hù)功能。測(cè)試了復(fù)用通道正常運(yùn)行情況,通過斷開連接、松開接頭等形式模擬通道各環(huán)節(jié)發(fā)生永久性、瞬時(shí)性通道故障的情況,檢查保護(hù)裝置的通道故障診斷、通道故障錄波及故障定位信息。
實(shí)驗(yàn)表明,在復(fù)用通道正常運(yùn)行情況下,保護(hù)裝置無(wú)通道異常告警;當(dāng)通道各環(huán)節(jié)發(fā)生永久性和瞬時(shí)性故障時(shí),保護(hù)裝置能發(fā)出對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)的故障診斷告警、觸發(fā)通道故障錄波和生成自檢報(bào)告。同時(shí),還分別測(cè)試了在復(fù)用通道正常、異常情況下保護(hù)動(dòng)作的情況。測(cè)試結(jié)果表明,保護(hù)功能不受影響。不同環(huán)節(jié)故障保護(hù)裝置的自檢及定位信息見表3。
表3 故障保護(hù)裝置的自檢及定位信息
復(fù)用光纖通道故障點(diǎn)的快速定位能減少運(yùn)維人員的工作量,故障原因的快速定位有利于及時(shí)排查通道故障隱患。傳統(tǒng)的通道故障點(diǎn)定位方法低效、耗時(shí)且耗力,對(duì)瞬時(shí)性故障更加難以捕捉和復(fù)現(xiàn),給運(yùn)維工作帶來(lái)極大不便。
本文得出結(jié)論如下:
①通過研究現(xiàn)有通道設(shè)備通信異常判斷機(jī)制,分析通道故障時(shí)通道設(shè)備響應(yīng)的差異,在通道傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)中增加通道診斷字節(jié)用于通道故障點(diǎn)定位方案;
②進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)處理流程,提出通道故障觸發(fā)錄波方案,通道診斷字節(jié)變位觸發(fā)故障錄波,記錄觸發(fā)前后通道狀態(tài)相關(guān)信息進(jìn)而生成錄波文件,采用高速采集和大容量存儲(chǔ)硬件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)短時(shí)多次故障完整錄波,錄波文件按照電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式輸出,并配套故障點(diǎn)展示波形軟件;
③對(duì)于通道告警和故障點(diǎn)定位信息按照標(biāo)準(zhǔn)化建模上送,可方便收集通道故障相關(guān)信息并將其傳輸至遠(yuǎn)方,配合SDH網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)方監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了通道故障點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)化的遠(yuǎn)方診斷。
實(shí)驗(yàn)表明,本文提出的方案快速定位效果良好,不影響保護(hù)的原有功能,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
本文編自2020年第11期《電氣技術(shù)》,論文標(biāo)題為“一種繼電保護(hù)復(fù)用通道瞬時(shí)性故障診斷方案”,作者為羅義暉、王榮超 等。