劉長春1，元輝1，賀信2，趙九洲2
?。?. 山東大學 信息科學與工程學院，山東 濟南 250100；2. 中國人民解放軍61541部隊，北京 100094）
摘要： 目前電力網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)中的光纖通信接口主要使用C37.94標準，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倒換的方案，實現(xiàn)光口在不同工作條件下保護模式的靈活選擇。該方案可以支持自動、手動、強制和鎖定等操作模式。實驗結果表明，該方案可以滿足電力網(wǎng)中遠端保護設備和復用設備間的光纖通信光口保護要求。
關鍵詞：保護倒換；遠端保護；數(shù)字同步系統(tǒng)
0引言
IEEE于2002年制定了C37.94標準，對保護設備和數(shù)字復用設備之前的光纖接口進行規(guī)范［1］。該標準規(guī)定了光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸Y構，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準，數(shù)據(jù)頭主要規(guī)定實際通信的帶寬和時鐘的信息，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，該標準還規(guī)定了產生信號丟失指示信號 (Loss of Signal，LOS)、黃告警(YELLOW)、通道告警指示信號(Alarm Indication Signa，AIS)的告警條件［3］。
IEEE C37.94光接口廣泛應用于電力工程領域。在各個變電站的電力繼電器保護設備之間需要通過復用設備進行通信。變電站上的繼電保護設備發(fā)出C37.94光信號首先被接入到復用盤上，然后C37.94光信號被復用盤復用并傳輸?shù)娇刂浦行牡膹陀迷O備中，再解復用成C37.94光信號送給另外一端的繼電保護設備。復用盤的保護采用 “1+1” 保護方式，即互為保護對的兩個通道的信號隨時保持一致，即使沒有故障發(fā)生，各路也不能挪作他用。
本文針對C37.94標準光纖傳輸接口，以4個光口(2個輸入2個輸出)為例，提出了一套光口1+1保護方案及具體實現(xiàn)方法。
1光口多模式 “1+1” 保護方法
1.1倒換機制與原理
光通道1+1保護是采用雙發(fā)選收的原理,在發(fā)送端對工作路徑和保護路徑同時發(fā)送業(yè)務，在接收端選擇其中符合要求的業(yè)務進行接收,對客戶側單個光通道進行保護。在光通道1+1保護中，業(yè)務信號在發(fā)送端被永久橋接在工作路徑和保護路徑，在接收端檢測從這兩個路徑通道收到的業(yè)務信號狀態(tài),并選擇更合適的信號［4］。
電力網(wǎng)繼電保護信息的復用盤可配置為2個光口保護對(1/2,3/4)，切換條件為LOS、AIS。保護對設有自動（默認）、手動、保護鎖定和強制模式。手動、自動模式下有返回式、非返回式，倒換回切由軟件實現(xiàn)，回切時間(WTR)可設(設置范圍1~12 min，默認12 min，顆粒度為分鐘)。其中，自動切換是指，開始工作在主通道，當主通道出現(xiàn)告警，滿足切換條件時，立即切到備用通道。自動倒換后，如果設置為非返回模式，則一直工作在備用通道。如果工作在備用通道時，備用通道出現(xiàn)錯誤，無論是否設置返回模式，都回到自動切換模式。如果設置工作在返回模式，則在主通道恢復正常以后經過一個返回時間(WTR)，切換回主通道。手動切換是指，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：
?。?）用戶手動切換到另一通道，且另一通道正常。
?。?）用戶強制切換到另一通道。
（3）工作在主通道時，通道出現(xiàn)告警，滿足切換條件，觸發(fā)切換。
?。?）工作在備用通道時，通道出現(xiàn)告警，切換到主通道。
強制模式是指，無條件切換到指定通道，在非人工干預情況下不再切換。鎖定模式是指，切換到主通道進行鎖定。
1.2運行環(huán)境及流程設置
保護切換工作模式可進行軟件配置，配置方法很多，這里以上位機配置為例，上位機通過串口通信對復用設備的保護切換模塊進行配置［5］。
除了上位機進行的系統(tǒng)操作，保護切換模塊還執(zhí)行著自我更新，主要是通過定時輪詢來實現(xiàn)，詳見圖1。其中獲取保護對中光接口狀態(tài)，主要是獲取端口的告警信息LOS、AIS，來判斷4個光口的有效狀態(tài)；根據(jù)狀態(tài)機狀態(tài)來更新系統(tǒng)狀態(tài)，主要是根據(jù)狀態(tài)機的狀態(tài)信息來更新通信協(xié)議中上報給網(wǎng)管盤的保護對狀態(tài)參數(shù)；獲取保護對工作狀態(tài)，主要是獲取保護對中當前有效的光口，并判斷硬件是否切換到了保護口。
2光口保護切換的實現(xiàn)
2.1保護切換狀態(tài)機的邏輯算法
為實現(xiàn)保護對的4個工作模式，依據(jù)保護對的切換條件，可將保護狀態(tài)機設置為9個狀態(tài)參量，其中8個是有效狀態(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，設計狀態(tài)機更新矩陣如圖2所示。
狀態(tài)保護鎖定⑧圖2保護狀態(tài)機狀態(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)機狀態(tài)；①：返回模式下，設置的返回時間wtr=0，手動切換一次通道，清除剩余返回時間；②：返回模式下，設置的返回時間wtr>0，創(chuàng)建定時器，更新剩余返回時間；③：刪除定時器，更新剩余返回時間；④：清除剩余返回時間，手動切換一次工作通道；⑤：清除剩余返回時間；⑥：如果是返回模式，設置更新剩余返回時間，否則清除剩余返回時間；⑦：刪除定時器，清除剩余返回時間；⑧：命令和通道狀態(tài)優(yōu)先級矩陣。
2.2保護倒換網(wǎng)管的通信配置
保護倒換與網(wǎng)管盤的通信是通過系統(tǒng)配置和狀態(tài)查詢函數(shù)實現(xiàn)的，通信協(xié)議中的配置項如表1所示。
在圖3所示保護對配置1流程圖中，保護對使能，寫硬件(FPGA保護對1/2使能操作)和初始化保護對全局變量；不使能，寫硬件(FPGA保護對1/2禁能操作)，同時強制清除保護對全局變量值，恢復到默認。AIS使能將影響到保護狀態(tài)機的通道狀態(tài)，它與LOS告警信息一起來決定光通道的狀態(tài)，二者存在一個告警，該通道就為無效。返回模式和等待時間這兩個配置項沒有硬件操作，且又是相關的，所以，配置時需要考慮兩者間的相互影響。非返回模式，則等待時間必須為0，還要刪除定時器，更新圖3保護對配置1流程圖圖4保護對配置2流程圖保護對全局變量。返回模式下，等待時間根據(jù)配置的值來給保護對全局變量賦值，并設置函數(shù)完成狀態(tài)機狀態(tài)的更新和定時器的創(chuàng)建。當前工作通道設置，只有在強制和人工手動模式下可進行配置，自動模式下由FPGA完成自動切換，鎖定模式下直接鎖定到備用通道。
在圖4保護對配置2流程圖中，模式設置與通道設置配合完成。在設置強制和手動模式時，首先判斷要設置的強制或手動的通道(保護到主還是到備)來決定配置命令，再與當前的工作通道比較，如一致就不進行硬件操作。否則進行硬件操作，而自動和鎖定模式無需進行通道判斷，直接進行寄存器的硬件相關操作。圖中虛線框內部分是根據(jù)保護對結構體中命令的優(yōu)先級來判斷是否進行寫硬件操作，當寫硬件(操作FPGA的寄存器)時進行虛線內容操作，否則不進行。
2.3命令和通道優(yōu)先級邏輯算法
整個保護模式的設置是屬于保護設置命令，要進行命令的優(yōu)先級判斷，決定是否寫硬件操作，同時還要決定狀態(tài)機的強制、鎖定狀態(tài)的更新。關于優(yōu)先級設置，清除>鎖定>強制>通道無效>手動，具體的設置矩陣如表2所示。
3結論
C37.94光傳輸標準主要應用于電力網(wǎng)，本文針對C37.94標準光傳輸網(wǎng)，提出了多模式1+1保護切換方法，對傳輸中產生的LOS、AIS告警信息都是通過FPGA解析獲得，并通過軟件設計來實現(xiàn)多功能保護切換。同時，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
［1］ IEEE C37.94. IEEE standard for N times 64 Kilobit per second optocal fiber interfaces between teleprotection and multiplexer equipment［S］. 2002.
?。?］ 劉革明, 余冬, 朱曉彤. IEEEC3794標準在繼電保護設備中的應用［J］.東北電力技術, 2013(3): 3537.
［3］ 陳建寧,仲惟師.繼電保護光纖通信接口技術及標準［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29(186):5458.
［4］ 徐燕燕.光傳送網(wǎng)OTN中保護機制的研究與設計準［D］.北京:北京郵電大學,2013.
?。?］ 俞沁璐,趙霞.基于FPGA的數(shù)字直放站鏈路切換設計［J］.微型機與應用,2015,34(18):3235.