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1、一种线路保护复用通道故障自诊断机制 蔡菠 谈浩 李彦 李响 国家能源电力控制保护研发中心(南京南瑞继保电气有限公司) 摘 要： 针对线路保护复用光纤通道故障点定位的问题, 在数字复接装置及保护装置上, 通过检测物理层报文的编码有效性, 识别通道中各位置故障标志;通过扩充通信报文保留字段, 使各位置故障生成状态戳;在数字复接装置上使用心跳帧机制, 解决通道故障时状态戳交换问题, 通道内故障点位置能实时反映在保护装置上, 实现了复用通道故障点位置在线自诊断功能。关键词： 复用通道; 故障诊断; 线路保护; 心跳帧; 作者简介：蔡菠 (1987) , 男, 江苏常州人, 工程师, 从事电力系统自动化
2、的开发 (E-mail:) ;作者简介：谈浩 (1988) , 男, 湖北鄂州人, 工程师, 从事电力系统继电保护开发;作者简介：李彦 (1979) , 男, 江苏无锡人, 高级工程师, 从事电力系统自动化的开发;作者简介：李响 (1981) , 男, 江苏南京人, 工程师, 从事电力系统交直流保护控制系统平台开发。收稿日期：2017-07-08A Fault Self-diagnosis Mechanism for Multiplexing Optical Channels of Relay ProtectionCAI Bo TAN Hao LI Yan LI Xiang National
3、Energy Power Control and Protection Research and Development Center ( Nanjing NR Electric Co., Ltd.) ; Abstract： Aiming at fault point locating problem of the line protection multiplexing optical channels, the digital multiplexing device and protection device detect the channel fault flags by the va
4、lidity of physical layer encoding, generate a status stamp at reserved field by expanding communication message, and use heartbeat frame mechanism of digital multiplexing device to solve the problem of exchanging status stamp when error occurs in channel. The fault point location of the channel can
5、be detected on the protection device directly. Fault self-diagnosis mechanism is implemented for multiplexing optical channels.Keyword： multiplexing channels; fault diagnosis; line protection; heartbeat frame; Received： 2017-07-080 引言光纤通信, 由于其通信容量大、可靠性高、传输距离远、抗干扰性好等优点, 广泛应用于继电保护领域1-3。随着保护装置的更新换代, 对光
6、纤通道的要求也日益提高4-6, 目前光纤纵联保护通道主要有两种实现方式7:专用光纤通道和复用光纤通道。专用光纤通道拓扑简单, 但有下列局限:受限于装置发光功率影响, 通信距离较短;每个通道独立占用光纤芯, 光纤利用率低;专用光纤通道故障时, 不能切换到复用通道, 相对可靠性低。复用光纤通道通常需通过复接装置 (multiplexer, MUX) 接入专用的通信网络中。常用的复用光纤通道拓扑形式为, 保护装置通过数字复接装置, 转换成电信号, 由同步数字系列 (synchronous digital hierarchy, SDH) 的 E1 通道进入专用的通信网络中。复用通道有下列优点:光纤纤芯
7、利用率高;利用中继技术能实现长距离传输;光纤通信网络能实现在线监控8。复用光纤通道的网络拓扑复杂, 中间环节多, 一旦出现故障, 运维人员需要迅速定位故障位置, 通常采用的故障定位方式有9-11: (1) 在各个环节逐点自环测试, 这种方法需要耗费大量的人力、时间成本; (2) 分析装置告警、指示灯等信息, 判断故障类型、位置, 这种方法需要一定的经验、技巧才能定位故障。传统的定位方法实施缓慢, 且运维人员需要对光纤通信网络的拓扑有深入的理解, 尤其是遇到偶发性故障时12, 往往很难短时间内定位故障原因, 不仅费时费力, 还给电网运行带来了隐患13,14。本文针对复用通道网络结构, 使用一种带
8、心跳帧的数字复接装置, 在通信报文中生成状态戳, 通过识别状态戳快速定位通道故障位置, 实现复用通道的故障在线自诊断。运维人员在通道任意一侧都能通过告警、液晶等手段, 及时定位通道故障位置。1 复用通道自诊断的实现1.1 自诊断整体实现复用通道的通信拓扑如图 1 所示, 线路两端的保护装置分别通过数字复接装置, 接入到专用的光纤通信网络中, 对于保护装置来说, SDH 通信网络可以认为是透传方式15, 本文不考虑 SDH 通信网络的故障点定位问题。本方案共定义了6 处故障点。图 1 复用光纤通道通信拓扑 Fig.1 Multiplexing optical channels communica
9、tion topology 下载原图为了能够在两侧的保护装置上监视通道的状态信息, 方案使用图 2 所示的传输机制。图 2 通道自诊断整体结构 Fig.2 Structure of channel self-diagnosis 下载原图数字复接装置能检测光、电口的高级数据链路控 (high-level data link control, HDLC) 报文有效性, 当 HDLC 报文无效时, 数字复接装置立即改发心跳报文, 并将链路状态标志插入到数据帧的保留字段, 两侧的保护装置通过该状态信息, 定位故障点位置。1.2 通道故障判别本方案把接收信号的编码有效性作为通道故障的判别依据, 通常复用
10、通道上的HDLC 报文, 在物理层上有固定的编码, 如 1B4B 方式下, 2.048 Mbps 的串行流, 链路层码流即 512 kbps, 编码方式可采用不归零码 (non-return to zero, NRZ) :1 被编为 1100, 0 被编为 1010。通道故障判别的整体框图如图 3 所示, 通过数字鉴相的方式, 从原始码流中恢复出同步时钟, 再根据恢复时钟鉴别原始码流的物理层编码是否在编码表中, 由此鉴别接收到的 HDLC 报文是否有效。把 HDLC 报文的编码有效性作为链路是否故障的状态标志。图 3 通道故障判别方式 Fig.3 Detection of channel fa
11、ults 下载原图1.3 状态戳定义为使 HDLC 报文能够携带通道状态信息, 本方案给 HDLC 报文增加一个保留字段, 如图 4 所示, 保护装置和数字复接装置把检测到的通道状态标志, 填充到保留字段, 作为状态戳。图 4 状态戳字段 Fig.4 Status stamp field 下载原图在 HDLC 报文中, 数据部分和循环冗余校验 (cyclic redundancy check, CRC) 部分有“5 连 1 插 0”的功能17, 便于链路层在串行流中定位帧头、帧尾的位置。在帧头之后, 固定增加 8 bit 保留字段, 用于生成状态戳。该保留字段定义如表 1 所示。图 5 是 H
12、DLC 报文的帧结构, 每一个字节低 bit 先发时, 由于帧头、帧尾字段固定为 0x7E, 数据及校验部分遵循“5 连 1 插 0”的规则, 状态戳占用 8 bit, 使用 6 bit 作为通道状态标志, 剩余 2 bit 固定为零, 状态标志发生变位时, 不会影响数据部分“5 连 1 插 0”的规则, 保留字段本身也不会出现 6 个连续 1。表 1 保留字段定义 Table 1 Reserved field definitions 下载原表 图 5 增加保留字段后的 HDLC 帧结构 Fig.5 HDLC frame structure with reserved field 下载原图因此
13、本方法生成状态戳不影响帧头帧尾的识别, 同时也不影响数据字段 CRC 的计算。1.4 心跳帧机制复用通道有任意一处故障时, 故障通路上接收端的保护装置无法得到任何报文信息, HDLC 报文中保留字段携带的状态戳不能到达保护装置上。为此, 在数字复接装置上增加心跳帧机制, 如图 6 所示, 当数字复接装置检测到 HDLC 报文编码无效时, 转为向后级发送心跳帧, 心跳帧的数据部分长度为一个字节, 帧结构与普通的 HDLC 数据帧一致, 同样携带一个字节的保留字段用于生成状态戳。数字复接装置和保护装置在生成状态戳时, 不区分心跳帧和数据帧, 最终两侧的保护装置通过设置最小数据长度的方式, 过滤心跳
14、帧。1.5 自诊断过程保护装置和数字复接装置按照下列规则生成状态戳:(1) 在数字复接装置中, 检测到光、电口接收信号无效时, 向本侧通道后级发送心跳帧, 同时生成“MUX 装置本侧通路光 (电) 口接收错误”标记作为心跳帧的状态戳;向对侧链路上的数据帧生成“MUX 装置对侧通路光 (电) 口接收错误”状态戳。(2) 在数字复接装置中, 检测到光、电口接收信号有效时, 不改变状态戳内容, 正常向本链路后级转发报文。图 6 数字复接装置的心跳帧机制 Fig.6 Heartbeat frame mechanism of the MUX device 下载原图(3) 在保护装置中, 检测到接收信号无
15、效时, 向对侧通道数据帧生成“保护装置对侧通路光口接收错误”状态戳;将“保护装置本侧通路光口接收错误”信息上送应用层处理。(4) 在保护装置中, 检测到接收信号有效时, 将报文状态戳上送应用层处理, 并通过报文的帧长判断是否为心跳帧。数据帧正常上送应用层, 心跳帧直接过滤。按照上述规则, 当线路发生故障时, 故障通路上的保护装置从心跳帧的状态戳读取通道状态, 故障通路对侧的保护装置从数据帧的状态戳读取通道状态。以图 3 为例, 故障通路上, 数字复接装置 A 改发心跳帧, 并生成“MUX 装置本侧通路光口接收错误”状态戳, 数字复接装置 B 正常向后级转发, 保护装置 B正常接收报文, 从状态
16、戳中读取通道状态信息, 并通过报文长度识别为心跳帧, 该帧数据部分直接丢弃。而未发生故障的通路上, 数字复接装置 A 生成“MUX 装置对侧通路光口接收错误”状态戳, 并打在保护装置 B 往保护装置 A 发送的正常报文中, 保护装置 A从报文中提取状态信息和正常通信数据。2 自诊断功能验证由于 SDH 通信网络对于本方案来说, 相当于透传, 因此搭建图 7 所示的测试网络。图 7 测试网络的拓扑 Fig.7 Testing communication topology 下载原图当网络中任意一处发生故障时, 两侧保护装置读取到的状态戳与故障发生点唯一对应, 如表 2 所示。保护装置接收到这些状态戳, 即能定位故障点位置。表 2 一处故障位置与状态戳对应关系 Table 2 Relationship between one fault location and status stamp 下载原表 当复用通道上发生两处以上故障
