一種線路保護復(fù)用通道故障自診斷機制

蔡 菠， 談 浩， 李 彥，李 響

(國家能源電力控制保護研發(fā)中心(南京南瑞繼保電氣有限公司), 江蘇 南京 211102)

一種線路保護復(fù)用通道故障自診斷機制

蔡 菠， 談 浩， 李 彥，李 響

(國家能源電力控制保護研發(fā)中心(南京南瑞繼保電氣有限公司), 江蘇 南京 211102)

針對線路保護復(fù)用光纖通道故障點定位的問題，在數(shù)字復(fù)接裝置及保護裝置上，通過檢測物理層報文的編碼有效性，識別通道中各位置故障標(biāo)志；通過擴充通信報文保留字段，使各位置故障生成狀態(tài)戳；在數(shù)字復(fù)接裝置上使用心跳幀機制，解決通道故障時狀態(tài)戳交換問題，通道內(nèi)故障點位置能實時反映在保護裝置上，實現(xiàn)了復(fù)用通道故障點位置在線自診斷功能。

復(fù)用通道; 故障診斷; 線路保護; 心跳幀

0 引言

光纖通信，由于其通信容量大、可靠性高、傳輸距離遠、抗干擾性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于繼電保護領(lǐng)域[1-3]。隨著保護裝置的更新?lián)Q代，對光纖通道的要求也日益提高[4-6]，目前光纖縱聯(lián)保護通道主要有兩種實現(xiàn)方式[7]：專用光纖通道和復(fù)用光纖通道。專用光纖通道拓撲簡單，但有下列局限：受限于裝置發(fā)光功率影響，通信距離較短；每個通道獨立占用光纖芯，光纖利用率低；專用光纖通道故障時，不能切換到復(fù)用通道，相對可靠性低。

復(fù)用光纖通道通常需通過復(fù)接裝置(multi-plexer, MUX)接入專用的通信網(wǎng)絡(luò)中。常用的復(fù)用光纖通道拓撲形式為，保護裝置通過數(shù)字復(fù)接裝置，轉(zhuǎn)換成電信號，由同步數(shù)字系列(synchronous digital hierarchy, SDH)的E1通道進入專用的通信網(wǎng)絡(luò)中。復(fù)用通道有下列優(yōu)點：光纖纖芯利用率高；利用中繼技術(shù)能實現(xiàn)長距離傳輸；光纖通信網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)在線監(jiān)控[8]。

復(fù)用光纖通道的網(wǎng)絡(luò)拓撲復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)多，一旦出現(xiàn)故障，運維人員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) 在各個環(huán)節(jié)逐點自環(huán)測試，這種方法需要耗費大量的人力、時間成本；(2) 分析裝置告警、指示燈等信息，判斷故障類型、位置，這種方法需要一定的經(jīng)驗、技巧才能定位故障。

傳統(tǒng)的定位方法實施緩慢，且運維人員需要對光纖通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲有深入的理解，尤其是遇到偶發(fā)性故障時[12]，往往很難短時間內(nèi)定位故障原因，不僅費時費力，還給電網(wǎng)運行帶來了隱患[13，14]。

本文針對復(fù)用通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用一種帶心跳幀的數(shù)字復(fù)接裝置，在通信報文中生成狀態(tài)戳，通過識別狀態(tài)戳快速定位通道故障位置，實現(xiàn)復(fù)用通道的故障在線自診斷。運維人員在通道任意一側(cè)都能通過告警、液晶等手段，及時定位通道故障位置。

1 復(fù)用通道自診斷的實現(xiàn)

1.1 自診斷整體實現(xiàn)

復(fù)用通道的通信拓撲如圖1所示，線路兩端的保護裝置分別通過數(shù)字復(fù)接裝置，接入到專用的光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，對于保護裝置來說，SDH通信網(wǎng)絡(luò)可以認為是透傳方式[15]，本文不考慮SDH通信網(wǎng)絡(luò)的故障點定位問題。本方案共定義了6處故障點。

圖1 復(fù)用光纖通道通信拓撲Fig.1 Multiplexing optical channels communication topology

為了能夠在兩側(cè)的保護裝置上監(jiān)視通道的狀態(tài)信息，方案使用圖2所示的傳輸機制。

圖2 通道自診斷整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of channel self-diagnosis

數(shù)字復(fù)接裝置能檢測光、電口的高級數(shù)據(jù)鏈路控(high-level data link control, HDLC)報文有效性，當(dāng)HDLC報文無效時，數(shù)字復(fù)接裝置立即改發(fā)心跳報文，并將鏈路狀態(tài)標(biāo)志插入到數(shù)據(jù)幀的保留字段，兩側(cè)的保護裝置通過該狀態(tài)信息，定位故障點位置。

1.2 通道故障判別

本方案把接收信號的編碼有效性作為通道故障的判別依據(jù)，通常復(fù)用通道上的HDLC報文，在物理層上有固定的編碼，如1B4B方式下，2.048 Mbps的串行流，鏈路層碼流即512 kbps，編碼方式可采用不歸零碼(non-return to zero, NRZ)： 1被編為1100，0被編為1010。

通道故障判別的整體框圖如圖3所示，通過數(shù)字鑒相的方式，從原始碼流中恢復(fù)出同步時鐘，再根據(jù)恢復(fù)時鐘鑒別原始碼流的物理層編碼是否在編碼表中，由此鑒別接收到的HDLC報文是否有效。把HDLC報文的編碼有效性作為鏈路是否故障的狀態(tài)標(biāo)志。

圖3 通道故障判別方式Fig.3 Detection of channel faults

1.3 狀態(tài)戳定義

為使HDLC報文能夠攜帶通道狀態(tài)信息，本方案給HDLC報文增加一個保留字段，如圖4所示，保護裝置和數(shù)字復(fù)接裝置把檢測到的通道狀態(tài)標(biāo)志，填充到保留字段，作為狀態(tài)戳。

圖4 狀態(tài)戳字段Fig.4 Status stamp field

在HDLC報文中，數(shù)據(jù)部分和循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check, CRC)部分有“5連1插0”的功能[17]，便于鏈路層在串行流中定位幀頭、幀尾的位置。

在幀頭之后，固定增加8 bit保留字段，用于生成狀態(tài)戳。該保留字段定義如表1所示。

表1 保留字段定義Table 1 Reserved field definitions

8bit保留字段各bit的定義bit0MUX裝置本側(cè)通路光口接收錯誤bit1MUX裝置對側(cè)通路光口接收錯誤bit2MUX裝置本側(cè)通路電口接收錯誤bit3MUX裝置對側(cè)通路電口接收錯誤bit4保護裝置本側(cè)通路光口接收錯誤bit5固定為0bit6保護裝置對側(cè)通路光口接收錯誤bit7固定為0

圖5是HDLC報文的幀結(jié)構(gòu)，每一個字節(jié)低bit先發(fā)時，由于幀頭、幀尾字段固定為0x7E，數(shù)據(jù)及校驗部分遵循“5連1插0”的規(guī)則，狀態(tài)戳占用8 bit，使用6 bit作為通道狀態(tài)標(biāo)志，剩余2 bit固定為零，狀態(tài)標(biāo)志發(fā)生變位時，不會影響數(shù)據(jù)部分“5連1插0”的規(guī)則，保留字段本身也不會出現(xiàn)6個連續(xù)1。

圖5 增加保留字段后的HDLC幀結(jié)構(gòu)Fig.5 HDLC frame structure with reserved field

因此本方法生成狀態(tài)戳不影響幀頭幀尾的識別，同時也不影響數(shù)據(jù)字段CRC的計算。

1.4 心跳幀機制

復(fù)用通道有任意一處故障時，故障通路上接收端的保護裝置無法得到任何報文信息，HDLC報文中保留字段攜帶的狀態(tài)戳不能到達保護裝置上。

為此，在數(shù)字復(fù)接裝置上增加心跳幀機制，如圖6所示，當(dāng)數(shù)字復(fù)接裝置檢測到HDLC報文編碼無效時，轉(zhuǎn)為向后級發(fā)送心跳幀，心跳幀的數(shù)據(jù)部分長度為一個字節(jié)，幀結(jié)構(gòu)與普通的HDLC數(shù)據(jù)幀一致，同樣攜帶一個字節(jié)的保留字段用于生成狀態(tài)戳。

數(shù)字復(fù)接裝置和保護裝置在生成狀態(tài)戳?xí)r，不區(qū)分心跳幀和數(shù)據(jù)幀，最終兩側(cè)的保護裝置通過設(shè)置最小數(shù)據(jù)長度的方式，過濾心跳幀。

圖6 數(shù)字復(fù)接裝置的心跳幀機制Fig.6 Heartbeat frame mechanism of the MUX device

1.5 自診斷過程

保護裝置和數(shù)字復(fù)接裝置按照下列規(guī)則生成狀態(tài)戳：

(1) 在數(shù)字復(fù)接裝置中，檢測到光、電口接收信號無效時，向本側(cè)通道后級發(fā)送心跳幀，同時生成“MUX裝置本側(cè)通路光(電)口接收錯誤”標(biāo)記作為心跳幀的狀態(tài)戳；向?qū)?cè)鏈路上的數(shù)據(jù)幀生成“MUX裝置對側(cè)通路光(電)口接收錯誤”狀態(tài)戳。

(2) 在數(shù)字復(fù)接裝置中，檢測到光、電口接收信號有效時，不改變狀態(tài)戳內(nèi)容，正常向本鏈路后級轉(zhuǎn)發(fā)報文。

(3) 在保護裝置中，檢測到接收信號無效時，向?qū)?cè)通道數(shù)據(jù)幀生成“保護裝置對側(cè)通路光口接收錯誤”狀態(tài)戳；將“保護裝置本側(cè)通路光口接收錯誤”信息上送應(yīng)用層處理。

(4) 在保護裝置中，檢測到接收信號有效時，將報文狀態(tài)戳上送應(yīng)用層處理，并通過報文的幀長判斷是否為心跳幀。數(shù)據(jù)幀正常上送應(yīng)用層，心跳幀直接過濾。

按照上述規(guī)則，當(dāng)線路發(fā)生故障時，故障通路上的保護裝置從心跳幀的狀態(tài)戳讀取通道狀態(tài)，故障通路對側(cè)的保護裝置從數(shù)據(jù)幀的狀態(tài)戳讀取通道狀態(tài)。

以圖3為例，故障通路上，數(shù)字復(fù)接裝置A改發(fā)心跳幀，并生成“MUX裝置本側(cè)通路光口接收錯誤” 狀態(tài)戳，數(shù)字復(fù)接裝置B正常向后級轉(zhuǎn)發(fā)，保護裝置B正常接收報文，從狀態(tài)戳中讀取通道狀態(tài)信息，并通過報文長度識別為心跳幀，該幀數(shù)據(jù)部分直接丟棄。

而未發(fā)生故障的通路上，數(shù)字復(fù)接裝置A生成“MUX裝置對側(cè)通路光口接收錯誤”狀態(tài)戳，并打在保護裝置B往保護裝置A發(fā)送的正常報文中，保護裝置A從報文中提取狀態(tài)信息和正常通信數(shù)據(jù)。

2 自診斷功能驗證

由于SDH通信網(wǎng)絡(luò)對于本方案來說，相當(dāng)于透傳，因此搭建圖7所示的測試網(wǎng)絡(luò)。

圖7 測試網(wǎng)絡(luò)的拓撲Fig.7 Testing communication topology

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一處發(fā)生故障時，兩側(cè)保護裝置讀取到的狀態(tài)戳與故障發(fā)生點唯一對應(yīng)，如表2所示。保護裝置接收到這些狀態(tài)戳，即能定位故障點位置。

表2 一處故障位置與狀態(tài)戳對應(yīng)關(guān)系Table 2 Relationship between one fault location and status stamp

當(dāng)復(fù)用通道上發(fā)生兩處以上故障時，故障通路接收端的保護裝置，能定位離它最近的故障點位置；故障通路對側(cè)通路上，接收端的保護裝置，能定位所有故障點的位置，如表3所示。

表3 兩處故障位置與狀態(tài)戳對應(yīng)關(guān)系Table 3 Relationship between two fault locations and status stamps

由于自診斷過程是在線實時運行，即使發(fā)生多處故障，修復(fù)一處故障后，兩側(cè)保護裝置也能實時定位出剩余故障。

3 結(jié)語

通過檢測HDLC報文編碼的有效性作為通道故障的標(biāo)志，使用狀態(tài)戳記錄通信鏈路各級故障標(biāo)志。當(dāng)通道故障時，使用數(shù)字復(fù)接裝置上的心跳幀傳輸狀態(tài)戳。在不改變硬件結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓撲，不改變保護裝置運用狀況的情況下，實現(xiàn)了通道故障在線自診斷功能。自診斷機制使用在數(shù)字復(fù)接裝置和線路保護樣機中，能通過保護裝置液晶直接觀察到故障點所處位置。項目設(shè)計的驗證過程體現(xiàn)了其工程實用性。

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蔡 菠

蔡 菠(1987—)，男，江蘇常州人，工程師，從事電力系統(tǒng)自動化的開發(fā)(E-mail: caibo@nrec.com)；

談 浩(1988—)，男，湖北鄂州人，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護開發(fā)；

李 彥(1979—)，男，江蘇無錫人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化的開發(fā)；

李 響(1981—)，男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)交直流保護控制系統(tǒng)平臺開發(fā)。

(編輯陳 娜)

AFaultSelf-diagnosisMechanismforMultiplexingOpticalChannelsofRelayProtection

CAI Bo, TAN Hao, LI Yan, LI Xiang

(National Energy Power Control and Protection Research and Development Center(Nanjing NR Electric Co., Ltd.), Nanjing 211111, China)

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 validity 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 be detected on the protection device directly. Fault self-diagnosis mechanism is implemented for multiplexing optical channels.

multiplexing channels; fault diagnosis; line protection; heartbeat frame

TM774

A

2096-3203(2017)06-0073-05

2017-07-08；

2017-09-06