光纖自愈環(huán)網在變電站自動化系統(tǒng)中的設計與實現

摘要：針對變電站自動化系統(tǒng)中星形光纖通信網絡存在的缺陷，提出了一套適用于該類系統(tǒng)的光纖自愈環(huán)網系統(tǒng)結構方案。設計了該方案的網絡結構、環(huán)網自愈策略及信息編碼格式，并給出了基于EPLD的具體實現方法。實際性能測試表明，該光纖自愈環(huán)網在變電站自動化系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景和推廣價值。

關鍵詞：變電站自動化系統(tǒng) 光纖 環(huán)網 自愈 EPLD

近年來，分層分布式體系結構已成為變電站自動化系統(tǒng)的標準結構模式[1]。該體系結構中網絡通信于系統(tǒng)的功能與可靠性是影響整個系統(tǒng)的重要因素之一。由于變電站現場電磁環(huán)境惡劣，為提高通信可靠性，光纖通信技術越來越多地被應用于該類系統(tǒng)中。

目前在變電站自動化系統(tǒng)中應用的光纖通信網絡多為星形拓撲結構。星形拓撲結構網絡需要星形耦合器作為核心單元。該單元發(fā)生故障將導致整個通信網絡的癱瘓，而光纖的特點又決定了星形耦合器不易進行雙重化配置，無法滿足新型變電站自動化系統(tǒng)為提高可靠性而提出的重要節(jié)點需雙機雙網配置的要求[3]。因此支持主節(jié)點雙重化配置且具有自愈功能的光纖雙環(huán)網將是變電站自動化系統(tǒng)通信網絡的一個較好選擇。

變電站自動化系統(tǒng)對各裝置（節(jié)點）間的時間統(tǒng)一性有著較高的要求[3]。為了提高時間同步精度，很多該類系統(tǒng)都通過設置一套對時專用網絡(采用IRIG-B碼或秒脈沖)來解決[4]。這種方案在以銅纜為傳輸介質的場合不會增加太大的成本，但在采用光纖介質時，對時專用網絡的過高成本就令人難以接受了。利用光纖通道時分復用方式，開辟復用通道進行對時，可方便地解決這個問題。

基于變電站自動化系統(tǒng)通信網絡的上述特點，本文提出了一套適用于該類系統(tǒng)的光纖自愈環(huán)網系統(tǒng)結構方案，設計了該方案的網絡結構、環(huán)網自愈策略及信息編碼格式，并給出了基于EPLD的具體實現方法。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 光纖環(huán)網結構

光纖環(huán)網結構如圖1所示。

整個網絡為主、從式結構。在變電站自動化系統(tǒng)中，主節(jié)點一般是通過處理機，從節(jié)點為各種測控置或自動裝置。為了確保通信的可靠性，主節(jié)點一般要求雙重化配置，但同時只能有一個主節(jié)點處于網絡主控狀態(tài)，另外的主節(jié)點工作于從節(jié)點狀態(tài)，工作狀態(tài)的轉換由兩主節(jié)間的一套雙機切換邏輯來控制。處于網絡主控狀態(tài)的主節(jié)點（簡稱主控節(jié)點，下同）產生網絡工作時鐘，從節(jié)點以這個網絡工作時鐘同步工作。每個節(jié)點發(fā)送數據均從順時針和逆時針兩個方向傳輸，自發(fā)送節(jié)點開始，主控節(jié)點終止，因此每次數據傳輸，目的節(jié)點均可從兩個方面接收到數據。為了保證數據收質量及速度，要優(yōu)先選擇最先到達目的節(jié)點的相就通道進行數據接收。

1.2 環(huán)網自愈策略

當網絡的雙環(huán)者暢通時，正反兩個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鐘進（右側節(jié)點故障或光纖故障），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(jié)點故障，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(jié)點發(fā)送的數據總線能夠傳輸到主節(jié)點，此時網絡工作于單環(huán)運行狀態(tài)。當故障區(qū)段的故障消除后，節(jié)點將自動恢復到如圖2（a）所示的雙環(huán)運行狀態(tài)。節(jié)點單元的光纖自愈控制由EPLD自動完成，無需MPU控制。

1.3 光纖通道數據編碼格式

系統(tǒng)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。首先是一個幀起始標志位（1），依次是IRIG-B通道、主通道、輔助通道，接下來是連續(xù)4位“0”，然后是下一幀的起始標起位。IRIG-B通道用于進行廣播方式全網對時，IRIG-B信息由主控節(jié)點發(fā)送，從節(jié)點同時接收。主通道用于問答式通信，從主通道發(fā)送的數據，主節(jié)點及所有從節(jié)點均能接收到。輔助通道用于從節(jié)點向主節(jié)點主動傳輸緊急數據和突發(fā)事件信息，以彌補主通道問答式通信方式響應速度方面的不足，提高通信子系統(tǒng)的響應速度。從節(jié)點在輔助通道發(fā)送的數據，只有主節(jié)點才能接收到。

2 系統(tǒng)實現

2.1 光纖環(huán)網節(jié)點硬件電路

圖4為一個光纖環(huán)網節(jié)點單元的電阻圖。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)。網絡狀態(tài)指示信號SYNC_L、SYNC_R性質與V1、V4相同，用于向本節(jié)點的微處理器（MPU）提供網絡運行狀態(tài)。RX_L/R指示目前接收的數據是來自左側環(huán)路還是來自右側環(huán)路。

跳線器JP用于選擇節(jié)點的主、從工作模式。在工作于主節(jié)點方式時，NET_EN用于多重主節(jié)點間切換網絡控制權；在工作于從節(jié)點方式時，NET_EN用于選擇發(fā)送數據通道。

B_IN、B_OUT分別為IRIG_B標準時間信號（DC，1kHz）的輸入（主節(jié)點用）和輸出（從節(jié)點用）。IRIG-B標準時間編碼經常應用于需要精密時間基準的分布式監(jiān)控系統(tǒng)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)時鐘（TRCLK）及輔助通道數據接收（RXD_A）。本光纖網設計為同步通信方式（數據鏈路層采用HDLC協(xié)議），由主控節(jié)點提供全網工作時鐘，從節(jié)點以TRCLK為時鐘來收發(fā)數據。

2.2 EPLD邏輯功能

由圖4可知，光纖節(jié)點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時間編碼；

（3）差別網絡通信狀態(tài)（SYNC）；

（4）恢復數據收發(fā)時鐘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數字鎖相環(huán)（DPLL）產生工作時鐘，用該時鐘驅動編解碼狀態(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。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)轉移時所產生的附加動作。

其中S0為初始狀態(tài)，在該狀態(tài)下，必須連續(xù)接收到4個“0”，即經過狀態(tài)S1、S2、S3后才能到達S4。其間結果收到“1”則轉S0，同時將接收同步狀態(tài)標志SYNC清除，表示此時處于失步狀態(tài)。SYNC狀態(tài)是進行環(huán)網自愈控制的主要依據。S4狀態(tài)用于接收幀起始標志位“1”，如果此時輸入為“0”，則輸出SYNC無效且保持在該狀態(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經一個狀態(tài)機時鐘無條件轉移到S6。S6為主通道數據處理狀態(tài)，在本節(jié)點處于接收狀態(tài)時（TXEN=0），輸出收數據。如果本節(jié)點處于正常數據發(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經一個狀態(tài)機時鐘無條件轉移到S7。S7為輔助通道數據處理狀態(tài)，在本節(jié)點處于接收狀態(tài)時（TXEN=0），輸出接收數據。如果本節(jié)點處于輔助數據發(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經一個狀態(tài)機時鐘無條件轉移到S8。S8之后將連續(xù)接收4位“0”，即經過S8、S1、S2、S3后開始下一幀數據接收；如果其間收到“1”，則認為幀失步，轉入初始狀態(tài)S0。

可見，該狀態(tài)機通過識別每幀后面連續(xù)4位“0”和后續(xù)的幀起始位來唯一地確定一幀的開始，并立即進入同步狀態(tài)，這種做法同步搜索速度快，但要以犧牲通道速度為代價。在要求速度較高的場合，可增加通信數據的位數，但無法做到立即同步，不過可通過收發(fā)數據間隔（發(fā)送數據位全為0）進行同步搜索。

NET_OUT為該單元的輸出，當處于接收狀態(tài)時，它嚴格地與輸入NET_IN相同；當片于發(fā)送狀態(tài)時，它的主/輔助通道數據位將被發(fā)送數據替換，其它保持原來的狀態(tài)不變。

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，實現環(huán)網工作模式的轉換。它有三個數據輸入端，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(jié)點兩側接收都處于同步狀態(tài)時，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（取決于對側的SYNC狀態(tài)），則選擇本側數據，從而實現自愈環(huán)功能，如圖2（b）及力2（c）表示。當該節(jié)點處于主控位置時，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。每幀以起始位開始，依次是IRIG-B標準時間位、主通道位、輔助通道位。當主控節(jié)點發(fā)送數據時，占用主通道發(fā)送數據，不發(fā)送數據時該位為“0”。本單元的工作模式由單元U6確定。當M/S設置為主節(jié)點模式時，NET_EN有效時本節(jié)點處于主控模式，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用于實現多主節(jié)點切換網絡控制權，同時只能有一個節(jié)點NET_EN有效，它由主節(jié)點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)網的數據可從左右兩個方向接收到，需要在本節(jié)點對采用哪個方向的接收數據進行選擇，這個任務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，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鐘抖動及數據的重疊接收。其切換關系可通過圖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，選擇左側通道接收，處于S2及S3狀態(tài)時選擇右側通道接收。由S1到S0及S3到S2的轉移條件可以看出，在兩側同時接收到數據時，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U7進行通道選擇后，還要經過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，并驅動數據選擇器U9、U10、U11、U12，分別產生最終輸出，包括主通道數據RXD，輔助通道數據RXD_A、數據收發(fā)時鐘TRCLK及IRIG-B時間編碼B_OUT。

以上論述主要是針對工作于從節(jié)點模式下的情況。在主控模式下，發(fā)送編碼由U13完成，接收情況與從節(jié)點基本相同。

2.3 硬件實現方案

光纖環(huán)網節(jié)點單元的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(tǒng)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系列產品，其內部電路集成化程度高，光纖環(huán)網節(jié)點模塊可做得非常小，實際為54mm×40mm，很容易嵌入到產品內部。

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，現場布線及維護方便，適用于近距離通信。HCS光纖通信距離可達500m，適用于控制點分散的場合，兩種光纖使用相同的光纖收發(fā)器件，可混合使用。

2.4 軟件實現方案

上述各單元的邏輯功能均采用AHDL語言（ALTERA公司的硬件描述語言）編程實現，限于篇幅，程序清單略。

3 系統(tǒng)性能測試

本文所論述的光纖自愈環(huán)網已應用于煙臺東方電子信息產業(yè)股份有限公司最新開發(fā)的“DF3600而向對象的高壓變電站自動化系統(tǒng)”中，目前該系統(tǒng)成功通過了中國電科院RTU質檢部嚴格的型式試驗，即將投放現場試運行。

試驗實測數據顯示：光纖雙環(huán)網在通信速率為1Mbps時，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時的最大誤差為6μs；數據傳輸經過每個節(jié)點引起延遲不大于0.6μs。按環(huán)網中配置50個節(jié)點計算，正常狀態(tài)下（雙環(huán)工作），總延遲不大于150μs，最壞情況（在主控點附近發(fā)生單側故障）總延遲不大于300μs，即IRIG-B時間精度主要取決于光纖環(huán)路傳輸延遲，在節(jié)點數量不多于50個時，可保證小于0.3ms，滿足220～500kV變電所計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計技術規(guī)定>>[3]中“整個系統(tǒng)對時精度應不大于0.5ms”的要求。

針對變電站自動化系統(tǒng)中光纖網絡存在的缺陷，本文提出并設計實現了一套光纖自愈環(huán)網系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了變電站自動變系統(tǒng)通信網絡的抗電磁干擾能力問題，滿足了通信主機雙重冗余配置、高對時精度及對突發(fā)事件快速響應等要求，且具有現場施工維護方便等優(yōu)點。該光纖網絡還可通過降低通信速率的方式應用于異步通信系統(tǒng)中。因此，該光纖自愈環(huán)網系統(tǒng)在變電站自動化系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景和推廣價值。