針對實際運維提出通道故障錄波方案，通道診斷位元組變位觸發故障錄波，觸發前後通道狀態相關資訊被記錄並生成錄波檔案，高速採集和大容量儲存硬體方案實現短時多次故障完整錄波，透過中間節點資訊檔案及展示軟體方便檢視；通道診斷相關資訊按規範建模，可傳輸至遠方診斷。實驗表明，本文提出的方案快速定位效果良好，不影響保護原有功能，具有推廣價值。
隨著光纖通訊和繼電保護技術的發展，基於光纖通道的差動保護越來越多地作為線路主保護。差動保護用的光纖通道主要有專用光纖通道和複用光纖通道（以下簡稱複用通道）兩種型別。專用光纖通道拓撲結構簡單，但應用距離較短，光纖芯利用率低。
複用光纖通道中兩側保護裝置與各側通訊介面裝置MUX（multiplexer）連線，經過數字配線架（digital distribution frame, DDF）接入同步數字體系（synchronous digital hierarchy, SDH）光纖通訊環網後互相通訊。複用光纖通道與專用光纖通道相比具有光纖利用率高、通訊距離長的優點，同時對傳輸的SDH網路可實現遠方監控。
複用光纖通道拓撲復雜，中間經過多次光電轉換及SDH網路傳輸，當出現故障時，需快速定位故障點位置和性質，通常採用的故障定位方式有：①在通道各連線處逐步擴大範圍自環測試，這種方法通常需兩側人員配合，耗時耗力；②基於通道拓撲、各環節裝置狀態及裝置告警等資訊，分析和判斷故障點位置和性質，該方法需要深刻的通道認識、經驗和技巧才能較快定位故障；③對於偶發性故障，故障現象難以捕捉和定位，透過自環或告警分析法處理困難，耗時最長，很多時候只能透過替換的方式排除故障。
通常通道故障定位流程需保護人員和通訊人員相配合，到現場收集大量資訊並做好安保後才能實施故障定位方法，因而故障定位實施緩慢。
本文首先研究了現有判斷通道裝置通訊異常的機制，在此基礎上提出了複用通道故障定位方法，該方法能很好地定位通道故障；再進一步結合實際運維情況，提出了通道故障觸發錄波的方案，錄波檔案按照電力系統暫態資料交換通用格式輸出，透過增加中間節點資訊檔案並配套相關的展示軟體，可直觀展示故障發生前後通道的相關狀態。
錄波檔案、通道告警和故障點定位等資訊按規範建模並上送，可方便收集通道故障相關資訊並傳輸至遠方，配合SDH網路遠方監控，可以進一步區分光纖傳輸網的故障環節，實現通道故障的遠方線上診斷，極大提升通道故障診斷效率。
1 通道裝置通訊異常判斷機制及處理方法複用通道的傳輸結構如圖1所示。保護裝置與通訊介面裝置之間透過光纖連線，通訊介面裝置與站內的SDH終端之間透過電纜連線，兩側SDH終端光纖直連或經站間中轉的傳輸網路連線。
圖1 複用通道傳輸結構
1.1 保護裝置通訊異常的判斷機制
保護裝置通訊異常的檢測原理如圖2所示。保護裝置監視收到的資料幀的幀格式、幀內容、接收光功率等資訊，並對幀內容進行資料分析，判斷是否發生通道延時變化、丟幀等情況。當保護裝置監測到資料異常時，記錄故障發生時刻和資訊，並報告。
圖2 保護裝置通訊異常的檢測原理
1.2 MUX通訊異常判斷機制
MUX內部通訊異常的檢測原理如圖3所示。MUX由光電轉換模組、資料編碼模組、E1訊號轉換模組3個環節組成，光電轉換模組將光（電）訊號轉成電（光）訊號，資料編碼模組根據接收的資料碼型判斷資料是否出現異常，E1訊號轉換模組將TTL的電平訊號轉成G.703標準電口的HDB3編碼電訊號。
圖3 MUX通訊異常的檢測原理
MUX光收異常識別包括光功率監視和鏈路監視兩個模組。其中：①光功率監視模組用於檢測光纖物理通道是否正常，當檢測到光口接收功率超限時，判斷為光纖通道異常；②鏈路監視模組用於監視資料傳輸是否正常，當檢測到光口收到的碼型不正確時，判斷為光傳輸通道出現了異常。
MUX電收異常識別包括訊號監視和鏈路監視兩個模組。其中：①訊號監視模組由E1訊號轉換晶片完成，當接收到訊號丟失時，會產生訊號丟失（LOS）訊號；②鏈路監視模組與上述光收異常類似，電口根據收到的訊號碼型來判斷是否存在異常。
1.3 SDH通訊異常的處理方法
按照國家標準GB/T 16712—2008 SDH裝置功能塊特性對SDH的規範要求，SDH終端的簡化邏輯功能塊結構如圖4所示。
圖4 SDH終端通訊異常檢測原理
下邊的PHD物理支路介面（PDH physical interface, PPI）為準同步數字體系（plesiochronous digital hierarchy, PDH），HDB3編碼的電訊號從這裡輸入或輸出；上邊為SDH物理介面（SDH physical interface, SPI），光訊號從這裡輸入或輸出；中間環節是對訊號的處理，包括再生、複用、濾波等。
正常情況下SDH接收到的訊號正常，SDH不會對訊號本身進行任何處理。當接收到的訊號異常、丟失或者SDH在中間環節處理出現了問題時，訊號就會發生改變。
具體分析如下：
①光收訊號異常，在圖4中，光訊號從A點輸入，透過SPI的光電轉換輸出B，當SPI檢測到輸入訊號失效時，觸發接收訊號丟失（LOS）訊號，再生段終端（RST）接收到LOS訊號後在C點輸出全“1”訊號，即恆高電平訊號；
②電收訊號異常，當電訊號從支路埠輸入時，如果出現訊號中斷，J點就會產生訊號丟失（LOS）訊號，導致後面環節資料變為全“1”；
由以上分析可知，不管是接收環節還是中間環節，只要出現了異常，SDH終端便會將訊號置全“1”。
2 複用通道故障定位2.1 不同環節故障通道裝置的響應
現將圖1中不同通道環節發生故障時各通道裝置的響應情況說明如下：
1）環節1故障。保護裝置1光收功率低於閾值，光收異常。2）環節2故障。MUX1收到恆低電平的電訊號，轉換成TTL為全“0”訊號，電收異常；保護裝置1收到全“0”訊號，碼型不對，光收異常。3）環節3故障。SDH1光收異常，訊號置全“1”；MUX1收到的電訊號為HDB3編碼的全“1”訊號，電收異常；保護裝置1收到全“1”訊號，光收異常。4）環節4故障。SDH2電收異常，訊號置全“1”；MUX1收到的電訊號為HDB3編碼的全“1”訊號，MUX1電收異常；保護裝置1收到全“1”訊號，光收異常。5）環節5故障。MUX2收到的光訊號為全“0”，光收異常；MUX1收到的電訊號為HDB3編碼的全“0”訊號，電收異常；保護裝置1收到全“0”訊號，光收異常。6）環節6—10與之前的分析對稱，故不再贅述。由於SDH的通道資訊對保護裝置不開放，所以暫不考慮SDH。現將不同環節故障時保護裝置和MUX的響應列表總結，見表1。表1 不同環節故障各裝置的響應
由表1可知，當複用通道環節故障時，由於SDH裝置不支援故障定位，故除了環節3與4、環節8與9之間無法區分外，其他環節故障時，均可從一側保護裝置檢視，以確定故障點。當通道中間環節裝置發生掉電等情況時，等效於多點故障，各側保護裝置可判斷至距離裝置側最近的故障點。
2.2 故障診斷位元組
由上節分析可知，通道故障點與保護裝置或MUX異常狀態存在一一對應的狀態，當本側保護裝置接收通道上發生異常時，透過本側裝置或MUX判斷出故障點，考慮兩側裝置均能檢視故障點，在通道傳輸的應用資料增加1個通道診斷位元組用於故障點定位。
在通道診斷位元組僅需定義5種故障型別，此5種故障型別分別佔據不同的位元位，保護裝置及通訊介面裝置按照後續設定的規則修改通道診斷位元組。當通道發生故障時，保護裝置透過讀取和判斷通道診斷位元組即可定位故障點。5種故障型別的通道診斷位元組定義見表2。
表2 5種故障型別的通道診斷位元組定義
2.3 通道故障定位及傳輸機理
保護裝置及MUX基於高階資料鏈路控制（high- level data link control, HDLC）協議對通道診斷位元組進行操作，具體方法如下：
1）當通訊介面裝置檢測到光口接收為全0時，向本側通道寫入RMOR0，保護裝置告警環節5（環節10）為故障點，同時向對側通道寫入MOR0。2）當縱差保護裝置檢測到接收光功率低於閾值時，告警環節1（環節6）為故障點，同時向對側傳送的資料幀寫入RLOP。3）當縱差保護裝置檢測到光口接收為全1時，告警環節3/4（環節8/9）為故障點，同時將向對側傳送的資料寫入RPOR1。4）當縱差保護裝置檢測到光口接收為全0且無RMOR0時，告警環節2（環節7）為故障點，同時將向對側傳送的資料寫入RPOR0。5）對於MOR0、RMOR0為1的通道診斷位元組，保護裝置僅接收而不將這些狀態轉發給對側。6）通訊介面裝置將上游通道資料中其他資料與本地需要操作的通道診斷位元組繼續向下遊轉發。7）在通訊介面裝置中，當檢測到光、電口接收訊號有效時，不改變通道資料幀內容，正常向本鏈路後級轉發報文。由以上分析可知，當通道出現故障時，保護裝置根據接收到訊號的特徵和通道診斷位元組即可定位故障點；各裝置檢測到一幀錯誤即可修改通道診斷位元組，對於瞬時性故障點也能定位。
3 複用通道故障錄波複用通道故障診斷定位方法雖然能較好地定位單點故障，但僅顯示通道故障點；考慮實際應用中當複用通道發生穩定的故障時，為了解通道故障性質和確保通道故障點診斷正確，運維人員依然需要去收集通道故障後的通道相關資訊，包括裝置通道狀態統計資訊、裝置相關告警等資料，而對通道故障發生前的資料資訊無法得知；對於複雜的通道故障情況，甚至需要去掛錶分析通道狀態；對於瞬時性的通道故障，僅僅知道通道故障點依然不夠。
為方便對通道故障情況進行全面的分析，對應複雜通道故障，可在通道故障診斷位元組發生變位時觸發錄波，記錄通道診斷位元組變位前後的通道狀態資訊、通道相關告警、通道故障診斷位元組及通道相關定值，以形成錄波檔案。
3.1 通道故障錄波硬體方案
考慮能夠完整對短時發生多次通道瞬時故障前後相關資訊進行錄波，需要高速採集和大容量儲存通道故障資料：為避免錄波資料短時間內過多而導致傳輸堵塞，可採用大容量快取單元，並設立多路並行資料通道；考慮轉存速度匹配問題，可設定控制單元與之配合使用，從而保證即使短時內發生多次瞬時通道故障，通道故障資料也能可靠地被儲存在保護裝置中。
本文采用大規模現場可程式設計門陣列（field pro- grammable gate array, FPGA）、大容量雙倍速率同步動態隨機儲存器（double data rate, DDR）和兩級快取技術實現通道多次瞬時性故障錄波資料的無死區快取。
其方法是：通道接收資料先在FGPA的片內快取區持續迴圈快取，此為第1級快取；在通道故障診斷位元組變位後，FPGA擷取變位期間的資料並將其快取到大容量DDR中，此為第2級快取；DSP依次從DDR取出資料進行分析，並將通道相關的原始資料及分析結果傳送給CPU，最終存入非易失儲存卡；大容量DDR可實現足夠多次數的通道資料快取（例如64～1028次），使得在通道故障診斷位元組多次連續觸發的情況下，裝置仍能有足夠的時間進行分析和進行通道故障錄波資料永久儲存。其示意圖如圖5所示。
圖5 故障瞬時錄波高速儲存技術示意
3.2 通道故障展示方案
為了方便展示通道故障時故障點資訊、故障前後通道接收光強及相關告警，通道故障觸發生成錄波的同時會生成中間節點資訊檔案。透過開發對應的中間節點資訊展示軟體，將通道故障前的通道狀態資訊、通道診斷位元組和通道相關告警按照時間序列的變化方式展示出來，方便運維人員透過調取故障波形檔案，以展示工具軟體直觀快捷地瞭解故障點定位及通道故障前後的狀態資訊。該展示軟體的結構示意圖如圖6所示。
圖6 通道錄波展示軟體的結構示意圖
運維人員透過播放錄波中間節點資訊檔案的各個展示框，實時展示當前時刻下各資訊的狀態。當通道發生故障時，在右上的通道連線示意圖中標註故障的環節，運維人員也可將其任意拖動到特定時刻檢視通道相關資訊，便於分析故障前後時刻的通道故障完整狀態，進而高效和全面地排查故障點。
3.3 通道故障遠方線上診斷方案
由前文2.1節的分析可知，當現場發生兩點或複雜故障時，單從一側保護裝置無法確定故障型別，為此可透過遠方“召喚”兩側保護裝置故障錄波檔案來分析通道故障。
複用通道故障錄波檔案可採用國家標準GB/T 14598.24—2017中規定的電力系統暫態資料交換通用格式，通道相關告警和定位資訊按照標準化方式建模，藉助現有的保護通訊子站、遠動機等網路實現遠方召喚故障錄波檔案和通道相關變位報告，配合SDH網路遠方監控進一步區分故障環節3/4和環節8/9，可以很方便地實現通道故障的遠方線上診斷，極大提升通道故障的診斷效率。
4 實驗驗證按照圖1搭建了複用通道的測試模型，兩側保護裝置透過試驗儀測試保護功能。測試了複用通道正常執行情況，透過斷開連線、鬆開接頭等形式模擬通道各環節發生永久性、瞬時性通道故障的情況，檢查保護裝置的通道故障診斷、通道故障錄波及故障定位資訊。
實驗表明，在複用通道正常執行情況下，保護裝置無通道異常告警；當通道各環節發生永久性和瞬時性故障時，保護裝置能發出對應環節的故障診斷告警、觸發通道故障錄波和生成自檢報告。同時，還分別測試了在複用通道正常、異常情況下保護動作的情況。測試結果表明，保護功能不受影響。不同環節故障保護裝置的自檢及定位資訊見表3。
表3 故障保護裝置的自檢及定位資訊
5 結論複用光纖通道故障點的快速定位能減少運維人員的工作量，故障原因的快速定位有利於及時排查通道故障隱患。傳統的通道故障點定位方法低效、耗時且耗力，對瞬時性故障更加難以捕捉和復現，給運維工作帶來極大不便。
本文得出結論如下：
①透過研究現有通道裝置通訊異常判斷機制，分析通道故障時通道裝置響應的差異，在通道傳輸應用資料中增加通道診斷位元組用於通道故障點定位方案；
②進一步結合現場處理流程，提出通道故障觸發錄波方案，通道診斷位元組變位觸發故障錄波，記錄觸發前後通道狀態相關資訊進而生成錄波檔案，採用高速採集和大容量儲存硬體設計來實現短時多次故障完整錄波，錄波檔案按照電力系統暫態資料交換通用格式輸出，並配套故障點展示波形軟體；
實驗表明，本文提出的方案快速定位效果良好，不影響保護的原有功能，具有推廣應用價值。