光纖自愈環(huán)網(wǎng)在變電站自動(dòng)化系統中的設計與實(shí)現
加入技術(shù)交流群
摘要：針對變電站自動(dòng)化系統中星形光纖通信網(wǎng)絡(luò )存在的缺陷，提出了一套適用于該類(lèi)系統的光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統結構方案。設計了該方案的網(wǎng)絡(luò )結構、環(huán)網(wǎng)自愈策略及信息編碼格式，并給出了基于EPLD的具體實(shí)現方法。實(shí)際性能測試表明，該光纖自愈環(huán)網(wǎng)在變電站自動(dòng)化系統中有著(zhù)廣闊的應用前景和推廣價(jià)值。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/225742.htm關(guān)鍵詞：變電站自動(dòng)化系統 光纖 環(huán)網(wǎng) 自愈 EPLD
近年來(lái)，分層分布式體系結構已成為變電站自動(dòng)化系統的標準結構模式[1]。該體系結構中網(wǎng)絡(luò )通信于系統的功能與可靠性是影響整個(gè)系統的重要因素之一。由于變電站現場(chǎng)電磁環(huán)境惡劣，為提高通信可靠性，光纖通信技術(shù)越來(lái)越多地被應用于該類(lèi)系統中。
目前在變電站自動(dòng)化系統中應用的光纖通信網(wǎng)絡(luò )多為星形拓撲結構。星形拓撲結構網(wǎng)絡(luò )需要星形耦合器作為核心單元。該單元發(fā)生故障將導致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )的癱瘓，而光纖的特點(diǎn)又決定了星形耦合器不易進(jìn)行雙重化配置，無(wú)法滿(mǎn)足新型變電站自動(dòng)化系統為提高可靠性而提出的重要節點(diǎn)需雙機雙網(wǎng)配置的要求[3]。因此支持主節點(diǎn)雙重化配置且具有自愈功能的光纖雙環(huán)網(wǎng)將是變電站自動(dòng)化系統通信網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)較好選擇。
變電站自動(dòng)化系統對各裝置（節點(diǎn)）間的時(shí)間統一性有著(zhù)較高的要求[3]。為了提高時(shí)間同步精度，很多該類(lèi)系統都通過(guò)設置一套對時(shí)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )(采用IRIG-B碼或秒脈沖)來(lái)解決[4]。這種方案在以銅纜為傳輸介質(zhì)的場(chǎng)合不會(huì )增加太大的成本，但在采用光纖介質(zhì)時(shí)，對時(shí)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的過(guò)高成本就令人難以接受了。利用光纖通道時(shí)分復用方式，開(kāi)辟復用通道進(jìn)行對時(shí)，可方便地解決這個(gè)問(wèn)題。
基于變電站自動(dòng)化系統通信網(wǎng)絡(luò )的上述特點(diǎn)，本文提出了一套適用于該類(lèi)系統的光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統結構方案，設計了該方案的網(wǎng)絡(luò )結構、環(huán)網(wǎng)自愈策略及信息編碼格式，并給出了基于EPLD的具體實(shí)現方法。
1 系統總體設計
1.1 光纖環(huán)網(wǎng)結構
光纖環(huán)網(wǎng)結構如圖1所示。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò )為主、從式結構。在變電站自動(dòng)化系統中，主節點(diǎn)一般是通過(guò)處理機，從節點(diǎn)為各種測控置或自動(dòng)裝置。為了確保通信的可靠性，主節點(diǎn)一般要求雙重化配置，但同時(shí)只能有一個(gè)主節點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò )主控狀態(tài)，另外的主節點(diǎn)工作于從節點(diǎn)狀態(tài)，工作狀態(tài)的轉換由兩主節間的一套雙機切換邏輯來(lái)控制。處于網(wǎng)絡(luò )主控狀態(tài)的主節點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)主控節點(diǎn)，下同）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )工作時(shí)鐘，從節點(diǎn)以這個(gè)網(wǎng)絡(luò )工作時(shí)鐘同步工作。每個(gè)節點(diǎn)發(fā)送數據均從順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向傳輸，自發(fā)送節點(diǎn)開(kāi)始，主控節點(diǎn)終止，因此每次數據傳輸，目的節點(diǎn)均可從兩個(gè)方面接收到數據。為了保證數據收質(zhì)量及速度，要優(yōu)先選擇最先到達目的節點(diǎn)的相就通道進(jìn)行數據接收。
1.2 環(huán)網(wǎng)自愈策略
當網(wǎng)絡(luò )的雙環(huán)者暢通時(shí)，正反兩個(gè)光纖通道的數據各自獨立傳輸，互不影響，如圖2(a)所示。當右側接收不到工作時(shí)鐘進(jìn)（右側節點(diǎn)故障或光纖故障），則將左側所接收的數據環(huán)繞從左側發(fā)送出去，構成左側自環(huán)，如圖2（b）所示。反之，如果左側節點(diǎn)故障，則將右側接收的信息從右側發(fā)送出去，構成右側自環(huán)，如圖2（c）所示，
保證從節點(diǎn)發(fā)送的數據總線(xiàn)能夠傳輸到主節點(diǎn)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò )工作于單環(huán)運行狀態(tài)。當故障區段的故障消除后，節點(diǎn)將自動(dòng)恢復到如圖2（a）所示的雙環(huán)運行狀態(tài)。節點(diǎn)單元的光纖自愈控制由EPLD自動(dòng)完成，無(wú)需MPU控制。
1.3 光纖通道數據編碼格式
系統設計為同步工作方式，在光纖通道中傳輸的信息編碼格式如圖3所示。
每幀由8位組成。首先是一個(gè)幀起始標志位（1），依次是IRIG-B通道、主通道、輔助通道，接下來(lái)是連續4位“0”，然后是下一幀的起始標起位。IRIG-B通道用于進(jìn)行廣播方式全網(wǎng)對時(shí)，IRIG-B信息由主控節點(diǎn)發(fā)送，從節點(diǎn)同時(shí)接收。主通道用于問(wèn)答式通信，從主通道發(fā)送的數據，主節點(diǎn)及所有從節點(diǎn)均能接收到。輔助通道用于從節點(diǎn)向主節點(diǎn)主動(dòng)傳輸緊急數據和突發(fā)事件信息，以彌補主通道問(wèn)答式通信方式響應速度方面的不足，提高通信子系統的響應速度。從節點(diǎn)在輔助通道發(fā)送的數據，只有主節點(diǎn)才能接收到。
2 系統實(shí)現
2.1 光纖環(huán)網(wǎng)節點(diǎn)硬件電路
圖4為一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)節點(diǎn)單元的電阻圖。該電路以電擦除可編程邏輯器件（EPLD）為核心，外圍光纖收發(fā)器件F1與F4、F2與F3分別構成方向相反的兩個(gè)環(huán)路，其中F1-F4的數據流方向為從左至右，F3-F2為從右至左。發(fā)光二極管V1、V4分別指示左右兩側通道同步狀態(tài)，V2、V3分別指示左右兩側數據接收狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)指示信號SYNC_L、SYNC_R性質(zhì)與V1、V4相同，用于向本節點(diǎn)的微處理器（MPU）提供網(wǎng)絡(luò )運行狀態(tài)。RX_L/R指示目前接收的數據是來(lái)自左側環(huán)路還是來(lái)自右側環(huán)路。
跳線(xiàn)器JP用于選擇節點(diǎn)的主、從工作模式。在工作于主節點(diǎn)方式時(shí)，NET_EN用于多重主節點(diǎn)間切換網(wǎng)絡(luò )控制權；在工作于從節點(diǎn)方式時(shí)，NET_EN用于選擇發(fā)送數據通道。
B_IN、B_OUT分別為IRIG_B標準時(shí)間信號（DC，1kHz）的輸入（主節點(diǎn)用）和輸出（從節點(diǎn)用）。IRIG-B標準時(shí)間編碼經(jīng)常應用于需要精密時(shí)間基準的分布式監控系統中。
數據通信接口信號包括：數據接收（RXD）、數據發(fā)送（TXD）、發(fā)送使能（TXEN）、收發(fā)時(shí)鐘（TRCLK）及輔助通道數據接收（RXD_A）。本光纖網(wǎng)設計為同步通信方式（數據鏈路層采用HDLC協(xié)議），由主控節點(diǎn)提供全網(wǎng)工作時(shí)鐘，從節點(diǎn)以TRCLK為時(shí)鐘來(lái)收發(fā)數據。
2.2 EPLD邏輯功能
由圖4可知，光纖節點(diǎn)單元的主要功能均由EPLD的內部邏輯完成。EPLD主要包括如下邏輯功能單元：自愈控制數據選擇器U1、U2，通道編解碼單元U3、U4，通道同步狀態(tài)檢測器U5，工作模式選擇單元U6，接收數據選擇單元U7、U8，輸出數據選擇器U9～U12及控模式發(fā)送編碼器U13。其中U1與U2、U3與U4功能相同，分別處理兩個(gè)光纖環(huán)路上的數據。U5～U13為公用單元。
2.2.1 編解碼單元
編解碼單元U3、U4是本設計中的核心單元，分別負責左右兩側通道接收數據的編碼、解碼，具體功能是：
（1）從光纖接收數據流中恢復主通道、輔助通道通信數據；
（2）恢復IRIG-B時(shí)間編碼；
（3）差別網(wǎng)絡(luò )通信狀態(tài)（SYNC）；
（4）恢復數據收發(fā)時(shí)鐘TRCLK；
（5）提供接收數據有效標志REC；
（6）將發(fā)送數據編碼到輸出數據流中。
該單元內部工作流程如下：光纖接收器件接收到的數據流首先通過(guò)數字鎖相環(huán)（DPLL）產(chǎn)生工作時(shí)鐘，用該時(shí)鐘驅動(dòng)編解碼狀態(tài)機。該狀態(tài)機為Mealy型狀態(tài)機[5]，其狀態(tài)的改變與當前狀態(tài)和光纖輸入信號NET_IN有關(guān)。該狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖如圖5所示。圖中，“0”和“1”為NET_IN輸入狀態(tài)，其它標注為在該步狀態(tài)轉移時(shí)所產(chǎn)生的附加動(dòng)作。
其中S0為初始狀態(tài)，在該狀態(tài)下，必須連續接收到4個(gè)“0”，即經(jīng)過(guò)狀態(tài)S1、S2、S3后才能到達S4。其間結果收到“1”則轉S0，同時(shí)將接收同步狀態(tài)標志SYNC清除，表示此時(shí)處于失步狀態(tài)。SYNC狀態(tài)是進(jìn)行環(huán)網(wǎng)自愈控制的主要依據。S4狀態(tài)用于接收幀起始標志位“1”，如果此時(shí)輸入為“0”，則輸出SYNC無(wú)效且保持在該狀態(tài)。如果收到“1”則認為收到幀起始標志，設置SYNC為有效并轉狀態(tài)S5。S5為IRIG-B碼接收狀態(tài)，在該狀態(tài)下輸出IRIG-B碼。S5經(jīng)一個(gè)狀態(tài)機時(shí)鐘無(wú)條件轉移到S6。S6為主通道數據處理狀態(tài)，在本節點(diǎn)處于接收狀態(tài)時(shí)（TXEN=0），輸出收數據。如果本節點(diǎn)處于正常數據發(fā)送狀態(tài)（TXEN=1/NET_EN=0），則將需要發(fā)送的數據插入到發(fā)送數據流中的主通道位置。S6經(jīng)一個(gè)狀態(tài)機時(shí)鐘無(wú)條件轉移到S7。S7為輔助通道數據處理狀態(tài)，在本節點(diǎn)處于接收狀態(tài)時(shí)（TXEN=0），輸出接收數據。如果本節點(diǎn)處于輔助數據發(fā)送狀態(tài)（TXEN=1/NET_EN=1），則將需要發(fā)送的數據插入到發(fā)送數據流中的輔助通道位置。S7經(jīng)一個(gè)狀態(tài)機時(shí)鐘無(wú)條件轉移到S8。S8之后將連續接收4位“0”，即經(jīng)過(guò)S8、S1、S2、S3后開(kāi)始下一幀數據接收；如果其間收到“1”，則認為幀失步，轉入初始狀態(tài)S0。
可見(jiàn)，該狀態(tài)機通過(guò)識別每幀后面連續4位“0”和后續的幀起始位來(lái)唯一地確定一幀的開(kāi)始，并立即進(jìn)入同步狀態(tài)，這種做法同步搜索速度快，但要以犧牲通道速度為代價(jià)。在要求速度較高的場(chǎng)合，可增加通信數據的位數，但無(wú)法做到立即同步，不過(guò)可通過(guò)收發(fā)數據間隔（發(fā)送數據位全為0）進(jìn)行同步搜索。
2.2.2 自愈控制
數據選擇器U1、U2用于選擇光纖發(fā)送端的數據源，實(shí)現環(huán)網(wǎng)工作模式的轉換。它有三個(gè)數據輸入端，分別輸入對側數據、本側數據和主控模式下的發(fā)送數據。當從節點(diǎn)兩側接收都處于同步狀態(tài)時(shí)，選擇對側數據，則數據流向如圖2（a）所示。當對側數據收異常時(shí)（取決于對側的SYNC狀態(tài)），則選擇本側數據，從而實(shí)現自愈環(huán)功能，如圖2（b）及力2（c）表示。當該節點(diǎn)處于主控位置時(shí)，兩側數據源均由主控編碼單元U13提供。U13輸出數據格式如圖3所示。每幀以起始位開(kāi)始，依次是IRIG-B標準時(shí)間位、主通道位、輔助通道位。當主控節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，占用主通道發(fā)送數據，不發(fā)送數據時(shí)該位為“0”。本單元的工作模式由單元U6確定。當M/S設置為主節點(diǎn)模式時(shí)，NET_EN有效時(shí)本節點(diǎn)處于主控模式，否則處于非主控模式，非主控模式下的工作狀態(tài)同從械。NET_EN用于實(shí)現多主節點(diǎn)切換網(wǎng)絡(luò )控制權，同時(shí)只能有一個(gè)節點(diǎn)NET_EN有效，它由主節點(diǎn)設備上的切換邏輯控制。
2.2.3 接收數據選擇
因光纖雙環(huán)網(wǎng)的數據可從左右兩個(gè)方向接收到，需要在本節點(diǎn)對采用哪個(gè)方向的接收數據進(jìn)行選擇，這個(gè)任務(wù)由接收數據選擇單元U7（主通道）、U8（輔助通道）完成。其選擇依據是：離發(fā)送源路徑最后 ，則傳輸延遲最小，最先收到。每次接收信息時(shí)，總是選擇最先到達一側的數據，但必須等兩側都傳送完畢后才能允許重新切換接收源，以防頻繁切換造成時(shí)鐘抖動(dòng)及數據的重疊接收。其切換關(guān)系可通過(guò)圖6所示的狀態(tài)轉移圖表示。
圖6中，S0為左側正常接收狀態(tài)，S1為左側正常接收完畢后空閑狀態(tài)，S2為右側正常接收狀態(tài)，S3為右側接收完畢后空閑狀態(tài)。轉移條件由REC_L和REC_R的組合確定，REC_L及REC_R分別指示兩通道數據接收狀態(tài)。當處于S0及S1狀態(tài)時(shí)，選擇左側通道接收，處于S2及S3狀態(tài)時(shí)選擇右側通道接收。由S1到S0及S3到S2的轉移條件可以看出，在兩側同時(shí)接收到數據時(shí)，優(yōu)先選擇上次接收到數據的那一側，這樣可以避免通道的頻繁切換。
經(jīng)U7進(jìn)行通道選擇后，還要經(jīng)過(guò)U5與兩側通道的同步狀態(tài)共同決策，最終確定接收端采用哪一側的數據，并驅動(dòng)數據選擇器U9、U10、U11、U12，分別產(chǎn)生最終輸出，包括主通道數據RXD，輔助通道數據RXD_A、數據收發(fā)時(shí)鐘TRCLK及IRIG-B時(shí)間編碼B_OUT。
以上論述主要是針對工作于從節點(diǎn)模式下的情況。在主控模式下，發(fā)送編碼由U13完成，接收情況與從節點(diǎn)基本相同。
2.3 硬件實(shí)現方案
光纖環(huán)網(wǎng)節點(diǎn)單元的EPLD芯片選用ALTERA公司的電源除可編程邏輯器件EPM7128[6]。它具有“在系統內編程”（In-System Programmability）功能，使用其JATG接口編程，以后功能上的升級非常方便。
光纖收發(fā)器件采用HP公司的Versatile Link系列產(chǎn)品，其內部電路集成化程度高，光纖環(huán)網(wǎng)節點(diǎn)模塊可做得非常小，實(shí)際為54mm×40mm，很容易嵌入到產(chǎn)品內部。
光纖采用1mmPOF光纖或200μmHCS光纖，其中POFD光纖通信距離可達100m，不需要特殊加工工具，現場(chǎng)布線(xiàn)及維護方便，適用于近距離通信。HCS光纖通信距離可達500m，適用于控制點(diǎn)分散的場(chǎng)合，兩種光纖使用相同的光纖收發(fā)器件，可混合使用。
2.4 軟件實(shí)現方案
上述各單元的邏輯功能均采用AHDL語(yǔ)言（ALTERA公司的硬件描述語(yǔ)言）編程實(shí)現，限于篇幅，程序清單略。
3 系統性能測試
本文所論述的光纖自愈環(huán)網(wǎng)已應用于煙臺東方電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司最新開(kāi)發(fā)的“DF3600而向對象的高壓變電站自動(dòng)化系統”中，目前該系統成功通過(guò)了中國電科院RTU質(zhì)檢部嚴格的型式試驗，即將投放現場(chǎng)試運行。
試驗實(shí)測數據顯示：光纖雙環(huán)網(wǎng)在通信速率為1Mbps時(shí)，IRIG-B信號由通道組幀造成的最大誤差為1μs，通信速率為187.5kbps時(shí)的最大誤差為6μs；數據傳輸經(jīng)過(guò)每個(gè)節點(diǎn)引起延遲不大于0.6μs。按環(huán)網(wǎng)中配置50個(gè)節點(diǎn)計算，正常狀態(tài)下（雙環(huán)工作），總延遲不大于150μs，最壞情況（在主控點(diǎn)附近發(fā)生單側故障）總延遲不大于300μs，即IRIG-B時(shí)間精度主要取決于光纖環(huán)路傳輸延遲，在節點(diǎn)數量不多于50個(gè)時(shí)，可保證小于0.3ms，滿(mǎn)足220～500kV變電所計算機監控系統設計技術(shù)規定>>[3]中“整個(gè)系統對時(shí)精度應不大于0.5ms”的要求。
針對變電站自動(dòng)化系統中光纖網(wǎng)絡(luò )存在的缺陷，本文提出并設計實(shí)現了一套光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統。該系統解決了變電站自動(dòng)變系統通信網(wǎng)絡(luò )的抗電磁干擾能力問(wèn)題，滿(mǎn)足了通信主機雙重冗余配置、高對時(shí)精度及對突發(fā)事件快速響應等要求，且具有現場(chǎng)施工維護方便等優(yōu)點(diǎn)。該光纖網(wǎng)絡(luò )還可通過(guò)降低通信速率的方式應用于異步通信系統中。因此，該光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統在變電站自動(dòng)化系統中具有廣闊的應用前景和推廣價(jià)值。
評論