摘要：針對變電站自動化系統(tǒng)中星形光纖通信網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)結構方案。設計了該方案的網(wǎng)絡結構、環(huán)網(wǎng)自愈策略及信息編碼格式,并給出了基于EPLD的具體實現(xiàn)方法。實際性能測試表明,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(wǎng) 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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)絡多為星形拓撲結構。星形拓撲結構網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)將是變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)結構方案,設計了該方案的網(wǎng)絡結構、環(huán)網(wǎng)自愈策略及信息編碼格式,并給出了基于EPLD的具體實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)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。

整個網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡主控狀態(tài)的主節(jié)點（簡稱主控節(jié)點,下同）產(chǎn)生網(wǎng)絡工作時鐘,從節(jié)點以這個網(wǎng)絡工作時鐘同步工作。每個節(jié)點發(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)點開始,主控節(jié)點終止,因此每次數(shù)據(jù)傳輸,目的節(jié)點均可從兩個方面接收到數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收。

1.2 環(huán)網(wǎng)自愈策略

當網(wǎng)絡的雙環(huán)者暢通時,正反兩個光纖通道的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線能夠傳輸?shù)街鞴?jié)點,此時網(wǎng)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(shù)據(jù)編碼格式

系統(tǒng)設計為同步工作方式,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(wǎng)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(shù)據(jù),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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),只有主節(jié)點才能接收到。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點硬件電路

圖4為一個光纖環(huán)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接收狀態(tài)。網(wǎng)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(wǎng)絡運行狀態(tài)。RX_L/R指示目前接收的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(jīng)常應用于需要精密時間基準的分布式監(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)點提供全網(wǎng)工作時鐘,從節(jié)點以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(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。