光纤自愈环网在变电站自动化系统中的设计与实现

    摘要：针对变电站自动化系统中星形光纤通信网络存在的缺陷，提出了一套适用于该类系统的光纤自愈环网系统结构方案。设计了该方案的网络结构、环网自愈策略及信息编码格式，并给出了基于EPLD的具体实现方法。实际性能测试表明，该光纤自愈环网在变电站自动化系统中有着广阔的应用前景和推广价值。

    关键词：变电站自动化系统 光纤 环网 自愈 EPLD

近年来，分层分布式体系结构已成为变电站自动化系统的标准结构模式[1]。该体系结构中网络通信于系统的功能与可靠性是影响整个系统的重要因素之一。由于变电站现场电磁环境恶劣，为提高通信可靠性，光纤通信技术越来越多地被应用于该类系统中。

目前在变电站自动化系统中应用的光纤通信网络多为星形拓扑结构。星形拓扑结构网络需要星形耦合器作为核心单元。该单元发生故障将导致整个通信网络的瘫痪，而光纤的特点又决定了星形耦合器不易进行双重化配置，无法满足新型变电站自动化系统为提高可靠性而提出的重要节点需双机双网配置的要求[3]。因此支持主节点双重化配置且具有自愈功能的光纤双环网将是变电站自动化系统通信网络的一个较好选择。

变电站自动化系统对各装置（节点）间的时间统一性有着较高的要求[3]。为了提高时间同步精度，很多该类系统都通过设置一套对时专用网络(采用IRIG-B码或秒脉冲)来解决[4]。这种方案在以铜缆为传输介质的场合不会增加太大的成本，但在采用光纤介质时，对时专用网络的过高成本就令人难以接受了。利用光纤通道时分复用方式，开辟复用通道进行对时，可方便地解决这个问题。

基于变电站自动化系统通信网络的上述特点，本文提出了一套适用于该类系统的光纤自愈环网系统结构方案，设计了该方案的网络结构、环网自愈策略及信息编码格式，并给出了基于EPLD的具体实现方法。

1 系统总体设计

1.1 光纤环网结构

光纤环网结构如图1所示。

整个网络为主、从式结构。在变电站自动化系统中，主节点一般是通过处理机，从节点为各种测控置或自动装置。为了确保通信的可靠性，主节点一般要求双重化配置，但同时只能有一个主节点处于网络主控状态，另外的主节点工作于从节点状态，工作状态的转换由两主节间的一套双机切换逻辑来控制。处于网络主控状态的主节点（简称主控节点，下同）产生网络工作时钟，从节点以这个网络工作时钟同步工作。每个节点发送数据均从顺时针和逆时针两个方向传输，自发送节点开始，主控节点终止，因此每次数据传输，目的节点均可从两个方面接收到数据。为了保证数据收质量及速度，要优先选择最先到达目的节点的相就通道进行数据接收。

1.2 环网自愈策略

当网络的双环者畅通时，正反两个光纤通道的数据各自独立传输，互不影响，如图2(a)所示。当右侧接收不到工作时钟进（右侧节点故障或光纤故障），则将左侧所接收的数据环绕从左侧发送出去，构成左侧自环，如图2（b）所示。反之，如果左侧节点故障，则将右侧接收的信息从右侧发送出去，构成右侧自环，如图2（c）所示，保证从节点发送的数据总线能够传输到主节点，此时网络工作于单环运行状态。当故障区段的故障消除后，节点将自动恢复到如图2（a）所示的双环运行状态。节点单元的光纤自愈控制由EPLD自动完成，无需MPU控制。

1.3 光纤通道数据编码格式

系统设计为同步工作方式，在光纤通道中传输的信息编码格式如图3所示。

每帧由8位组成。首先是一个帧起始标志位（1），依次是IRIG-B通道、主通道、辅助通道，接下来是连续4位“0”，然后是下一帧的起始标起位。IRIG-B通道用于进行广播方式全网对时，IRIG-B信息由主控节点发送，从节点同时接收。主通道用于问答式通信，从主通道发送的数据，主节点及所有从节点均能接收到。辅助通道用于从节点向主节点主动传输紧急数据和突发事件信息，以弥补主通道问答式通信方式响应速度方面的不足，提高通信子系统的响应速度。从节点在辅助通道发送的数据，只有主节点才能接收到。

2 系统实现

2.1 光纤环网节点硬件电路

图4为一个光纤环网节点单元的电阻图。该电路以电擦除可编程逻辑器件（EPLD）为核心，外围光纤收发器件F1与F4、F2与F3分别构成方向相反的两个环路，其中F1-F4的数据流方向为从左至右，F3-F2为从右至左。发光二极管V1、V4分别指示左右两侧通道同步状态，V2、V3分别指示左右两侧数据接收状态。网络状态指示信号SYNC_L、SYNC_R性质与V1、V4相同，用于向本节点的微处理器（MPU）提供网络运行状态。RX_L/R指示目前接收的数据是来自左侧环路还是来自右侧环路。

跳线器JP用于选择节点的主、从工作模式。在工作于主节点方式时，NET_EN用于多重主节点间切换网络控制权；在工作于从节点方式时，NET_EN用于选择发送数据通道。

B_IN、B_OUT分别为IRIG_B标准时间信号（DC，1kHz）的输入（主节点用）和输出（从节点用）。IRIG-B标准时间编码经常应用于需要精密时间基准的分布式监控系统中。

数据通信接口信号包括：数据接收（RXD）、数据发送（TXD）、发送使能（TXEN）、收发时钟（TRCLK）及辅助通道数据接收（RXD_A）。本光纤网设计为同步通信方式（数据链路层采用HDLC协议），由主控节点提供全网工作时钟，从节点以TRCLK为时钟来收发数据。

2.2 EPLD逻辑功能

由图4可知，光纤节点单元的主要功能均由EPLD的内部逻辑完成。EPLD主要包括如下逻辑功能单元：自愈控制数据选择器U1、U2，通道编解码单元U3、U4，通道同步状态检测器U5，工作模式选择单元U6，接收数据选择单元U7、U8，输出数据选择器U9～U12及控模式发送编码器U13。其中U1与U2、U3与U4功能相同，分别处理两个光纤环路上的数据。U5～U13为公用单元。
 
    2.2.1 编解码单元

编解码单元U3、U4是本设计中的核心单元，分别负责左右两侧通道接收数据的编码、解码，具体功能是：

（1）从光纤接收数据流中恢复主通道、辅助通道通信数据；

（2）恢复IRIG-B时间编码；

（3）差别网络通信状态（SYNC）；

（4）恢复数据收发时钟TRCLK；

（5）提供接收数据有效标志REC；

（6）将发送数据编码到输出数据流中。

该单元内部工作流程如下：光纤接收器件接收到的数据流首先通过数字锁相环（DPLL）产生工作时钟，用该时钟驱动编解码状态机。该状态机为Mealy型状态机[5]，其状态的改变与当前状态和光纤输入信号NET_IN有关。该状态机的状态转移图如图5所示。图中，“0”和“1”为NET_IN输入状态，其它标注为在该步状态转移时所产生的附加动作。

其中S0为初始状态，在该状态下，必须连续接收到4个“0”，即经过状态S1、S2、S3后才能到达S4。其间结果收到“1”则转S0，同时将接收同步状态标志SYNC清除，表示此时处于失步状态。SYNC状态是进行环网自愈控制的主要依据。S4状态用于接收帧起始标志位“1”，如果此时输入为“0”，则输出SYNC无效且保持在该状态。如果收到“1”则认为收到帧起始标志，设置SYNC为有效并转状态S5。S5为IRIG-B码接收状态，在该状态下输出IRIG-B码。S5经一个状态机时钟无条件转移到S6。S6为主通道数据处理状态，在本节点处于接收状态时（TXEN=0），输出收数据。如果本节点处于正常数据发送状态（TXEN=1/NET_EN=0），则将需要发送的数据插入到发送数据流中的主通道位置。S6经一个状态机时钟无条件转移到S7。S7为辅助通道数据处理状态，在本节点处于接收状态时（TXEN=0），输出接收数据。如果本节点处于辅助数据发送状态（TXEN=1/NET_EN=1），则将需要发送的数据插入到发送数据流中的辅助通道位置。S7经一个状态机时钟无条件转移到S8。S8之后将连续接收4位“0”，即经过S8、S1、S2、S3后开始下一帧数据接收；如果其间收到“1”，则认为帧失步，转入初始状态S0。

可见，该状态机通过识别每帧后面连续4位“0”和后续的帧起始位来唯一地确定一帧的开始，并立即进入同步状态，这种做法同步搜索速度快，但要以牺牲通道速度为代价。在要求速度较高的场合，可增加通信数据的位数，但无法做到立即同步，不过可通过收发数据间隔（发送数据位全为0）进行同步搜索。

    NET_OUT为该单元的输出，当处于接收状态时，它严格地与输入NET_IN相同；当片于发送状态时，它的主/辅助通道数据位将被发送数据替换，其它保持原来的状态不变。

2.2.2 自愈控制

数据选择器U1、U2用于选择光纤发送端的数据源，实现环网工作模式的转换。它有三个数据输入端，分别输入对侧数据、本侧数据和主控模式下的发送数据。当从节点两侧接收都处于同步状态时，选择对侧数据，则数据流向如图2（a）所示。当对侧数据收异常时（取决于对侧的SYNC状态），则选择本侧数据，从而实现自愈环功能，如图2（b）及力2（c）表示。当该节点处于主控位置时，两侧数据源均由主控编码单元U13提供。U13输出数据格式如图3所示。每帧以起始位开始，依次是IRIG-B标准时间位、主通道位、辅助通道位。当主控节点发送数据时，占用主通道发送数据，不发送数据时该位为“0”。本单元的工作模式由单元U6确定。当M/S设置为主节点模式时，NET_EN有效时本节点处于主控模式，否则处于非主控模式，非主控模式下的工作状态同从械。NET_EN用于实现多主节点切换网络控制权，同时只能有一个节点NET_EN有效，它由主节点设备上的切换逻辑控制。

2.2.3 接收数据选择

因光纤双环网的数据可从左右两个方向接收到，需要在本节点对采用哪个方向的接收数据进行选择，这个任务由接收数据选择单元U7（主通道）、U8（辅助通道）完成。其选择依据是：离发送源路径最后 ，则传输延迟最小，最先收到。每次接收信息时，总是选择最先到达一侧的数据，但必须等两侧都传送完毕后才能允许重新切换接收源，以防频繁切换造成时钟抖动及数据的重叠接收。其切换关系可通过图6所示的状态转移图表示。

图6中，S0为左侧正常接收状态，S1为左侧正常接收完毕后空闲状态，S2为右侧正常接收状态，S3为右侧接收完毕后空闲状态。转移条件由REC_L和REC_R的组合确定，REC_L及REC_R分别指示两通道数据接收状态。当处于S0及S1状态时，选择左侧通道接收，处于S2及S3状态时选择右侧通道接收。由S1到S0及S3到S2的转移条件可以看出，在两侧同时接收到数据时，优先选择上次接收到数据的那一侧，这样可以避免通道的频繁切换。

经U7进行通道选择后，还要经过U5与两侧通道的同步状态共同决策，最终确定接收端采用哪一侧的数据，并驱动数据选择器U9、U10、U11、U12，分别产生最终输出，包括主通道数据RXD，辅助通道数据RXD_A、数据收发时钟TRCLK及IRIG-B时间编码B_OUT。

以上论述主要是针对工作于从节点模式下的情况。在主控模式下，发送编码由U13完成，接收情况与从节点基本相同。

2.3 硬件实现方案

光纤环网节点单元的EPLD芯片选用ALTERA公司的电源除可编程逻辑器件EPM7128[6]。它具有“在系统内编程”（In-System Programmability）功能，使用其JATG接口编程，以后功能上的升级非常方便。

光纤收发器件采用HP公司的Versatile Link系列产品，其内部电路集成化程度高，光纤环网节点模块可做得非常小，实际为54mm×40mm，很容易嵌入到产品内部。

光纤采用1mmPOF光纤或200μmHCS光纤，其中POFD光纤通信距离可达100m，不需要特殊加工工具，现场布线及维护方便，适用于近距离通信。HCS光纤通信距离可达500m，适用于控制点分散的场合，两种光纤使用相同的光纤收发器件，可混合使用。

2.4 软件实现方案

上述各单元的逻辑功能均采用AHDL语言（ALTERA公司的硬件描述语言）编程实现，限于篇幅，程序清单略。

3 系统性能测试

本文所论述的光纤自愈环网已应用于烟台东方电子信息产业股份有限公司最新开发的“DF3600而向对象的高压变电站自动化系统”中，目前该系统成功通过了中国电科院RTU质检部严格的型式试验，即将投放现场试运行。

试验实测数据显示：光纤双环网在通信速率为1Mbps时，IRIG-B信号由通道组帧造成的最大误差为1μs，通信速率为187.5kbps时的最大误差为6μs；数据传输经过每个节点引起延迟不大于0.6μs。按环网中配置50个节点计算，正常状态下（双环工作），总延迟不大于150μs，最坏情况（在主控点附近发生单侧故障）总延迟不大于300μs，即IRIG-B时间精度主要取决于光纤环路传输延迟，在节点数量不多于50个时，可保证小于0.3ms，满足<<220～500kV变电所计算机监控系统设计技术规定>>[3]中“整个系统对时精度应不大于0.5ms”的要求。