光纖自愈環(huán)網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)中的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對變電站自動化系統(tǒng)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系統(tǒng)的光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計了該方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、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(xiàn)方法。實(shí)際性能測試表明，該光纖自愈環(huán)網(wǎng)在變電站自動化系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

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

近年來，分層分布式體系結(jié)構(gòu)已成為變電站自動化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模式[1]。該體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)場電磁環(huán)境惡劣，為提高通信可靠性，光纖通信技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于該類系統(tǒng)中。

目前在變電站自動化系統(tǒng)中應(yīng)用的光纖通信網(wǎng)絡(luò)多為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dǎo)致整個通信網(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(diǎn)需雙機(jī)雙網(wǎng)配置的要求[3]。因此支持主節(jié)點(diǎn)雙重化配置且具有自愈功能的光纖雙環(huán)網(wǎng)將是變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的一個較好選擇。

變電站自動化系統(tǒng)對各裝置（節(jié)點(diǎn)）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(shè)置一套對時專用網(wǎng)絡(luò)(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(zhì)的場合不會增加太大的成本，但在采用光纖介質(zhì)時，對時專用網(wǎng)絡(luò)的過高成本就令人難以接受了。利用光纖通道時分復(fù)用方式，開辟復(fù)用通道進(jìn)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(wǎng)絡(luò)的上述特點(diǎn)，本文提出了一套適用于該類系統(tǒng)的光纖自愈環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計了該方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、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(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個網(wǎng)絡(luò)為主、從式結(jié)構(gòu)。在變電站自動化系統(tǒng)中，主節(jié)點(diǎn)一般是通過處理機(jī)，從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)一般要求雙重化配置，但同時只能有一個主節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)主控狀態(tài)，另外的主節(jié)點(diǎn)工作于從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由兩主節(jié)間的一套雙機(jī)切換邏輯來控制。處于網(wǎng)絡(luò)主控狀態(tài)的主節(jié)點(diǎn)（簡稱主控節(jié)點(diǎn)，下同）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)工作時鐘，從節(jié)點(diǎn)以這個網(wǎng)絡(luò)工作時鐘同步工作。每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)均從順時針和逆時針兩個方向傳輸，自發(fā)送節(jié)點(diǎn)開始，主控節(jié)點(diǎn)終止，因此每次數(shù)據(jù)傳輸，目的節(jié)點(diǎn)均可從兩個方面接收到數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)收質(zhì)量及速度，要優(yōu)先選擇最先到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的相就通道進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

1.2 環(huán)網(wǎng)自愈策略

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的雙環(huán)者暢通時，正反兩個光纖通道的數(shù)據(jù)各自獨(dú)立傳輸，互不影響，如圖2(a)所示。當(dāng)右側(cè)接收不到工作時鐘進(jìn)（右側(cè)節(jié)點(diǎn)故障或光纖故障），則將左側(cè)所接收的數(shù)據(jù)環(huán)繞從左側(cè)發(fā)送出去，構(gòu)成左側(cè)自環(huán)，如圖2（b）所示。反之，如果左側(cè)節(jié)點(diǎn)故障，則將右側(cè)接收的信息從右側(cè)發(fā)送出去，構(gòu)成右側(cè)自環(huán)，如圖2（c）所示，保證從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)總線能夠傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)，此時網(wǎng)絡(luò)工作于單環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)故障區(qū)段的故障消除后，節(jié)點(diǎn)將自動恢復(fù)到如圖2（a）所示的雙環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)編碼格式

系統(tǒng)設(shè)計為同步工作方式，在光纖通道中傳輸?shù)男畔⒕幋a格式如圖3所示。

每幀由8位組成。首先是一個幀起始標(biāo)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(biāo)起位。IRIG-B通道用于進(jìn)行廣播方式全網(wǎng)對時，IRIG-B信息由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送，從節(jié)點(diǎn)同時接收。主通道用于問答式通信，從主通道發(fā)送的數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)及所有從節(jié)點(diǎn)均能接收到。輔助通道用于從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)主動傳輸緊急數(shù)據(jù)和突發(fā)事件信息，以彌補(bǔ)主通道問答式通信方式響應(yīng)速度方面的不足，提高通信子系統(tǒng)的響應(yīng)速度。從節(jié)點(diǎn)在輔助通道發(fā)送的數(shù)據(jù)，只有主節(jié)點(diǎn)才能接收到。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件電路

圖4為一個光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)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(gòu)成方向相反的兩個環(huán)路，其中F1-F4的數(shù)據(jù)流方向?yàn)閺淖笾劣遥現(xiàn)3-F2為從右至左。發(fā)光二極管V1、V4分別指示左右兩側(cè)通道同步狀態(tài)，V2、V3分別指示左右兩側(cè)數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)的微處理器（MPU）提供網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。RX_L/R指示目前接收的數(shù)據(jù)是來自左側(cè)環(huán)路還是來自右側(cè)環(huán)路。

跳線器JP用于選擇節(jié)點(diǎn)的主、從工作模式。在工作于主節(jié)點(diǎn)方式時，NET_EN用于多重主節(jié)點(diǎn)間切換網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)；在工作于從節(jié)點(diǎn)方式時，NET_EN用于選擇發(fā)送數(shù)據(jù)通道。

B_IN、B_OUT分別為IRIG_B標(biāo)準(zhǔn)時間信號（DC，1kHz）的輸入（主節(jié)點(diǎn)用）和輸出（從節(jié)點(diǎn)用）。IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)時間編碼經(jīng)常應(yīng)用于需要精密時間基準(zhǔn)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)中。

數(shù)據(jù)通信接口信號包括：數(shù)據(jù)接收（RXD）、數(shù)據(jù)發(fā)送（TXD）、發(fā)送使能（TXEN）、收發(fā)時鐘（TRCLK）及輔助通道數(shù)據(jù)接收（RXD_A）。本光纖網(wǎng)設(shè)計為同步通信方式（數(shù)據(jù)鏈路層采用HDLC協(xié)議），由主控節(jié)點(diǎn)提供全網(wǎng)工作時鐘，從節(jié)點(diǎn)以TRCLK為時鐘來收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 EPLD邏輯功能

由圖4可知，光纖節(jié)點(diǎn)單元的主要功能均由EPLD的內(nèi)部邏輯完成。EPLD主要包括如下邏輯功能單元：自愈控制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)選擇單元U7、U8，輸出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shè)計中的核心單元，分別負(fù)責(zé)左右兩側(cè)通道接收數(shù)據(jù)的編碼、解碼，具體功能是：

（1）從光纖接收數(shù)據(jù)流中恢復(fù)主通道、輔助通道通信數(shù)據(jù)；

（2）恢復(fù)IRIG-B時間編碼；

（3）差別網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)（SYNC）；

（4）恢復(fù)數(shù)據(jù)收發(fā)時鐘TRCLK；

（5）提供接收數(shù)據(jù)有效標(biāo)志REC；

（6）將發(fā)送數(shù)據(jù)編碼到輸出數(shù)據(jù)流中。

該單元內(nèi)部工作流程如下：光纖接收器件接收到的數(shù)據(jù)流首先通過數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）產(chǎn)生工作時鐘，用該時鐘驅(qū)動編解碼狀態(tài)機(jī)。該狀態(tài)機(jī)為Mealy型狀態(tài)機(jī)[5]，其狀態(tài)的改變與當(dāng)前狀態(tài)和光纖輸入信號NET_IN有關(guān)。該狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。圖中，“0”和“1”為NET_IN輸入狀態(tài)，其它標(biāo)注為在該步狀態(tài)轉(zhuǎn)移時所產(chǎn)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(jīng)過狀態(tài)S1、S2、S3后才能到達(dá)S4。其間結(jié)果收到“1”則轉(zhuǎn)S0，同時將接收同步狀態(tài)標(biāo)志SYNC清除，表示此時處于失步狀態(tài)。SYNC狀態(tài)是進(jìn)行環(huán)網(wǎng)自愈控制的主要依據(jù)。S4狀態(tài)用于接收幀起始標(biāo)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(rèn)為收到幀起始標(biāo)志，設(shè)置SYNC為有效并轉(zhuǎn)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)一個狀態(tài)機(jī)時鐘無條件轉(zhuǎn)移到S6。S6為主通道數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，在本節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時（TXEN=0），輸出收數(shù)據(jù)。如果本節(jié)點(diǎn)處于正常數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)（TXEN=1/NET_EN=0），則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)插入到發(fā)送數(shù)據(jù)流中的主通道位置。S6經(jīng)一個狀態(tài)機(jī)時鐘無條件轉(zhuǎn)移到S7。S7為輔助通道數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，在本節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時（TXEN=0），輸出接收數(shù)據(jù)。如果本節(jié)點(diǎn)處于輔助數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)（TXEN=1/NET_EN=1），則將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)插入到發(fā)送數(shù)據(jù)流中的輔助通道位置。S7經(jīng)一個狀態(tài)機(jī)時鐘無條件轉(zhuǎn)移到S8。S8之后將連續(xù)接收4位“0”，即經(jīng)過S8、S1、S2、S3后開始下一幀數(shù)據(jù)接收；如果其間收到“1”，則認(rèn)為幀失步，轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)S0。

可見，該狀態(tài)機(jī)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(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。在要求速度較高的場合，可增加通信數(shù)據(jù)的位數(shù)，但無法做到立即同步，不過可通過收發(fā)數(shù)據(jù)間隔（發(fā)送數(shù)據(jù)位全為0）進(jìn)行同步搜索。

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

2.2.2 自愈控制

數(shù)據(jù)選擇器U1、U2用于選擇光纖發(fā)送端的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)工作模式的轉(zhuǎn)換。它有三個數(shù)據(jù)輸入端，分別輸入對側(cè)數(shù)據(jù)、本側(cè)數(shù)據(jù)和主控模式下的發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)兩側(cè)接收都處于同步狀態(tài)時，選擇對側(cè)數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)流向如圖2（a）所示。當(dāng)對側(cè)數(shù)據(jù)收異常時（取決于對側(cè)的SYNC狀態(tài)），則選擇本側(cè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自愈環(huán)功能，如圖2（b）及力2（c）表示。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)處于主控位置時，兩側(cè)數(shù)據(jù)源均由主控編碼單元U13提供。U13輸出數(shù)據(jù)格式如圖3所示。每幀以起始位開始，依次是IRIG-B標(biāo)準(zhǔn)時間位、主通道位、輔助通道位。當(dāng)主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，占用主通道發(fā)送數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)時該位為“0”。本單元的工作模式由單元U6確定。當(dāng)M/S設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)模式時，NET_EN有效時本節(jié)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(xiàn)多主節(jié)點(diǎn)切換網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)，同時只能有一個節(jié)點(diǎn)NET_EN有效，它由主節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的切換邏輯控制。

2.2.3 接收數(shù)據(jù)選擇

因光纖雙環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)可從左右兩個方向接收到，需要在本節(jié)點(diǎn)對采用哪個方向的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，這個任務(wù)由接收數(shù)據(jù)選擇單元U7（主通道）、U8（輔助通道）完成。其選擇依據(jù)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(dá)一側(cè)的數(shù)據(jù)，但必須等兩側(cè)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(shù)據(jù)的重疊接收。其切換關(guān)系可通過圖6所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示。

圖6中，S0為左側(cè)正常接收狀態(tài)，S1為左側(cè)正常接收完畢后空閑狀態(tài)，S2為右側(cè)正常接收狀態(tài)，S3為右側(cè)接收完畢后空閑狀態(tài)。轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)接收狀態(tài)。當(dāng)處于S0及S1狀態(tài)時，選擇左側(cè)通道接收，處于S2及S3狀態(tài)時選擇右側(cè)通道接收。由S1到S0及S3到S2的轉(zhuǎn)移條件可以看出，在兩側(cè)同時接收到數(shù)據(jù)時，優(yōu)先選擇上次接收到數(shù)據(jù)的那一側(cè)，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U5與兩側(cè)通道的同步狀態(tài)共同決策，最終確定接收端采用哪一側(cè)的數(shù)據(jù)，并驅(qū)動數(shù)據(jù)選擇器U9、U10、U11、U12，分別產(chǎn)生最終輸出，包括主通道數(shù)據(jù)RXD，輔助通道數(shù)據(jù)RXD_A、數(shù)據(jù)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(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(jié)點(diǎn)基本相同。

2.3 硬件實(shí)現(xiàn)方案

光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)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(tǒng)內(nèi)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(nèi)部電路集成化程度高，光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)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(nèi)部。

光纖采用1mmPOF光纖或200μmHCS光纖，其中POFD光纖通信距離可達(dá)100m，不需要特殊加工工具，現(xiàn)場布線及維護(hù)方便，適用于近距離通信。HCS光纖通信距離可達(dá)500m，適用于控制點(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，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(wǎng)已應(yīng)用于煙臺東方電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司最新開發(fā)的“DF3600而向?qū)ο蟮母邏鹤冸娬咀詣踊到y(tǒng)”中，目前該系統(tǒng)成功通過了中國電科院RTU質(zhì)檢部嚴(yán)格的型式試驗(yàn)，即將投放現(xiàn)場試運(yùn)行。

試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)顯示：光纖雙環(huán)網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過每個節(jié)點(diǎn)引起延遲不大于0.6μs。按環(huán)網(wǎng)中配置50個節(jié)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(cè)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(diǎn)數(shù)量不多于50個時，可保證小于0.3ms，滿足220～500kV變電所計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)定>>[3]中“整個系統(tǒng)對時精度應(yīng)不大于0.5ms”的要求。

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