劉長(zhǎng)春1，元輝1，賀信2，趙九洲2

　　（1. 山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2. 中國(guó)人民解放軍61541部隊(duì)，北京 100094）

       摘要： 目前電力網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)中的光纖通信接口主要使用C37.94標(biāo)準(zhǔn)，為使其安全有效地接入同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)光傳輸網(wǎng)，提出了一種多模式保護(hù)倒換的方案，實(shí)現(xiàn)光口在不同工作條件下保護(hù)模式的靈活選擇。該方案可以支持自動(dòng)、手動(dòng)、強(qiáng)制和鎖定等操作模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可以滿足電力網(wǎng)中遠(yuǎn)端保護(hù)設(shè)備和復(fù)用設(shè)備間的光纖通信光口保護(hù)要求。

　　關(guān)鍵詞：保護(hù)倒換；遠(yuǎn)端保護(hù)；數(shù)字同步系統(tǒng)

0引言

　　IEEE于2002年制定了C37.94標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保護(hù)設(shè)備和數(shù)字復(fù)用設(shè)備之前的光纖接口進(jìn)行規(guī)范［1］。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)，即幀頭(16 bit)+數(shù)據(jù)頭(48 bit)+數(shù)據(jù)(192 bit)。其中幀頭主要規(guī)定黃告警和幀同步標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)頭主要規(guī)定實(shí)際通信的帶寬和時(shí)鐘的信息，數(shù)據(jù)中規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸速率為8 000幀/s，傳輸帶寬是N×64 kb/s［2］。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了產(chǎn)生信號(hào)丟失指示信號(hào) (Loss of Signal，LOS)、黃告警(YELLOW)、通道告警指示信號(hào)(Alarm Indication Signa，AIS)的告警條件［3］。

　　IEEE C37.94光接口廣泛應(yīng)用于電力工程領(lǐng)域。在各個(gè)變電站的電力繼電器保護(hù)設(shè)備之間需要通過復(fù)用設(shè)備進(jìn)行通信。變電站上的繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)出C37.94光信號(hào)首先被接入到復(fù)用盤上，然后C37.94光信號(hào)被復(fù)用盤復(fù)用并傳輸?shù)娇刂浦行牡膹?fù)用設(shè)備中，再解復(fù)用成C37.94光信號(hào)送給另外一端的繼電保護(hù)設(shè)備。復(fù)用盤的保護(hù)采用 “1+1” 保護(hù)方式，即互為保護(hù)對(duì)的兩個(gè)通道的信號(hào)隨時(shí)保持一致，即使沒有故障發(fā)生，各路也不能挪作他用。

　　本文針對(duì)C37.94標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸接口，以4個(gè)光口(2個(gè)輸入2個(gè)輸出)為例，提出了一套光口1+1保護(hù)方案及具體實(shí)現(xiàn)方法。

1光口多模式 “1+1” 保護(hù)方法

　　1.1倒換機(jī)制與原理

　　光通道1+1保護(hù)是采用雙發(fā)選收的原理,在發(fā)送端對(duì)工作路徑和保護(hù)路徑同時(shí)發(fā)送業(yè)務(wù)，在接收端選擇其中符合要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行接收,對(duì)客戶側(cè)單個(gè)光通道進(jìn)行保護(hù)。在光通道1+1保護(hù)中，業(yè)務(wù)信號(hào)在發(fā)送端被永久橋接在工作路徑和保護(hù)路徑，在接收端檢測(cè)從這兩個(gè)路徑通道收到的業(yè)務(wù)信號(hào)狀態(tài),并選擇更合適的信號(hào)［4］。

　　電力網(wǎng)繼電保護(hù)信息的復(fù)用盤可配置為2個(gè)光口保護(hù)對(duì)(1/2,3/4)，切換條件為L(zhǎng)OS、AIS。保護(hù)對(duì)設(shè)有自動(dòng)（默認(rèn)）、手動(dòng)、保護(hù)鎖定和強(qiáng)制模式。手動(dòng)、自動(dòng)模式下有返回式、非返回式，倒換回切由軟件實(shí)現(xiàn)，回切時(shí)間(WTR)可設(shè)(設(shè)置范圍1~12 min，默認(rèn)12 min，顆粒度為分鐘)。其中，自動(dòng)切換是指，開始工作在主通道，當(dāng)主通道出現(xiàn)告警，滿足切換條件時(shí)，立即切到備用通道。自動(dòng)倒換后，如果設(shè)置為非返回模式，則一直工作在備用通道。如果工作在備用通道時(shí)，備用通道出現(xiàn)錯(cuò)誤，無(wú)論是否設(shè)置返回模式，都回到自動(dòng)切換模式。如果設(shè)置工作在返回模式，則在主通道恢復(fù)正常以后經(jīng)過一個(gè)返回時(shí)間(WTR)，切換回主通道。手動(dòng)切換是指，如果要切換到的通道正常，則立刻切換過去，否則不切換。以后一直工作在此通道，直到下列任一條件發(fā)生：

　　（1）用戶手動(dòng)切換到另一通道，且另一通道正常。

　　（2）用戶強(qiáng)制切換到另一通道。

　　（3）工作在主通道時(shí)，通道出現(xiàn)告警，滿足切換條件，觸發(fā)切換。

　　（4）工作在備用通道時(shí)，通道出現(xiàn)告警，切換到主通道。

　　強(qiáng)制模式是指，無(wú)條件切換到指定通道，在非人工干預(yù)情況下不再切換。鎖定模式是指，切換到主通道進(jìn)行鎖定。

　　1.2運(yùn)行環(huán)境及流程設(shè)置

　　保護(hù)切換工作模式可進(jìn)行軟件配置，配置方法很多，這里以上位機(jī)配置為例，上位機(jī)通過串口通信對(duì)復(fù)用設(shè)備的保護(hù)切換模塊進(jìn)行配置［5］。

　　除了上位機(jī)進(jìn)行的系統(tǒng)操作，保護(hù)切換模塊還執(zhí)行著自我更新，主要是通過定時(shí)輪詢來(lái)實(shí)現(xiàn)，詳見圖1。其中獲取保護(hù)對(duì)中光接口狀態(tài)，主要是獲取端口的告警信息LOS、AIS，來(lái)判斷4個(gè)光口的有效狀態(tài)；根據(jù)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)來(lái)更新系統(tǒng)狀態(tài)，主要是根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息來(lái)更新通信協(xié)議中上報(bào)給網(wǎng)管盤的保護(hù)對(duì)狀態(tài)參數(shù)；獲取保護(hù)對(duì)工作狀態(tài)，主要是獲取保護(hù)對(duì)中當(dāng)前有效的光口，并判斷硬件是否切換到了保護(hù)口。

2光口保護(hù)切換的實(shí)現(xiàn)

　　2.1保護(hù)切換狀態(tài)機(jī)的邏輯算法

　　為實(shí)現(xiàn)保護(hù)對(duì)的4個(gè)工作模式，依據(jù)保護(hù)對(duì)的切換條件，可將保護(hù)狀態(tài)機(jī)設(shè)置為9個(gè)狀態(tài)參量，其中8個(gè)是有效狀態(tài)，根據(jù)其工作模式的不同，考慮到影響狀態(tài)的決定因素，設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)更新矩陣如圖2所示。

　　狀態(tài)保護(hù)鎖定⑧圖2保護(hù)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)更新矩陣表圖2中，NO：表示保持原有狀態(tài)不更新狀態(tài)機(jī)狀態(tài)；①：返回模式下，設(shè)置的返回時(shí)間wtr=0，手動(dòng)切換一次通道，清除剩余返回時(shí)間；②：返回模式下，設(shè)置的返回時(shí)間wtr>0，創(chuàng)建定時(shí)器，更新剩余返回時(shí)間；③：刪除定時(shí)器，更新剩余返回時(shí)間；④：清除剩余返回時(shí)間，手動(dòng)切換一次工作通道；⑤：清除剩余返回時(shí)間；⑥：如果是返回模式，設(shè)置更新剩余返回時(shí)間，否則清除剩余返回時(shí)間；⑦：刪除定時(shí)器，清除剩余返回時(shí)間；⑧：命令和通道狀態(tài)優(yōu)先級(jí)矩陣。

　　2.2保護(hù)倒換網(wǎng)管的通信配置

　　保護(hù)倒換與網(wǎng)管盤的通信是通過系統(tǒng)配置和狀態(tài)查詢函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，通信協(xié)議中的配置項(xiàng)如表1所示。

    在圖3所示保護(hù)對(duì)配置1流程圖中，保護(hù)對(duì)使能，寫硬件(FPGA保護(hù)對(duì)1/2使能操作)和初始化保護(hù)對(duì)全局變量；不使能，寫硬件(FPGA保護(hù)對(duì)1/2禁能操作)，同時(shí)強(qiáng)制清除保護(hù)對(duì)全局變量值，恢復(fù)到默認(rèn)。AIS使能將影響到保護(hù)狀態(tài)機(jī)的通道狀態(tài)，它與LOS告警信息一起來(lái)決定光通道的狀態(tài)，二者存在一個(gè)告警，該通道就為無(wú)效。返回模式和等待時(shí)間這兩個(gè)配置項(xiàng)沒有硬件操作，且又是相關(guān)的，所以，配置時(shí)需要考慮兩者間的相互影響。非返回模式，則等待時(shí)間必須為0，還要?jiǎng)h除定時(shí)器，更新圖3保護(hù)對(duì)配置1流程圖圖4保護(hù)對(duì)配置2流程圖保護(hù)對(duì)全局變量。返回模式下，等待時(shí)間根據(jù)配置的值來(lái)給保護(hù)對(duì)全局變量賦值，并設(shè)置函數(shù)完成狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的更新和定時(shí)器的創(chuàng)建。當(dāng)前工作通道設(shè)置，只有在強(qiáng)制和人工手動(dòng)模式下可進(jìn)行配置，自動(dòng)模式下由FPGA完成自動(dòng)切換，鎖定模式下直接鎖定到備用通道。

　　在圖4保護(hù)對(duì)配置2流程圖中，模式設(shè)置與通道設(shè)置配合完成。在設(shè)置強(qiáng)制和手動(dòng)模式時(shí)，首先判斷要設(shè)置的強(qiáng)制或手動(dòng)的通道(保護(hù)到主還是到備)來(lái)決定配置命令，再與當(dāng)前的工作通道比較，如一致就不進(jìn)行硬件操作。否則進(jìn)行硬件操作，而自動(dòng)和鎖定模式無(wú)需進(jìn)行通道判斷，直接進(jìn)行寄存器的硬件相關(guān)操作。圖中虛線框內(nèi)部分是根據(jù)保護(hù)對(duì)結(jié)構(gòu)體中命令的優(yōu)先級(jí)來(lái)判斷是否進(jìn)行寫硬件操作，當(dāng)寫硬件(操作FPGA的寄存器)時(shí)進(jìn)行虛線內(nèi)容操作，否則不進(jìn)行。

　　2.3命令和通道優(yōu)先級(jí)邏輯算法

　　整個(gè)保護(hù)模式的設(shè)置是屬于保護(hù)設(shè)置命令，要進(jìn)行命令的優(yōu)先級(jí)判斷，決定是否寫硬件操作，同時(shí)還要決定狀態(tài)機(jī)的強(qiáng)制、鎖定狀態(tài)的更新。關(guān)于優(yōu)先級(jí)設(shè)置，清除>鎖定>強(qiáng)制>通道無(wú)效>手動(dòng)，具體的設(shè)置矩陣如表2所示。

3結(jié)論

　　C37.94光傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于電力網(wǎng)，本文針對(duì)C37.94標(biāo)準(zhǔn)光傳輸網(wǎng)，提出了多模式1+1保護(hù)切換方法，對(duì)傳輸中產(chǎn)生的LOS、AIS告警信息都是通過FPGA解析獲得，并通過軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能保護(hù)切換。同時(shí)，本文提出的方法也同樣適用于其他的SDH光傳輸網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ IEEE C37.94. IEEE standard for N times 64 Kilobit per second optocal fiber interfaces between teleprotection and multiplexer equipment［S］. 2002.

　　［2］ 劉革明, 余冬, 朱曉彤. IEEEC3794標(biāo)準(zhǔn)在繼電保護(hù)設(shè)備中的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù), 2013(3): 3537.

　　［3］ 陳建寧,仲惟師.繼電保護(hù)光纖通信接口技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29(186):5458.

　　［4］ 徐燕燕.光傳送網(wǎng)OTN中保護(hù)機(jī)制的研究與設(shè)計(jì)準(zhǔn)［D］.北京:北京郵電大學(xué),2013.

　　［5］ 俞沁璐,趙霞.基于FPGA的數(shù)字直放站鏈路切換設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2015,34(18):3235.