劉長春1，元輝1，賀信2，趙九洲2

　?。?. 山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2. 中國人民解放軍61541部隊，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、手動、強(qiáng)制和鎖定等操作模式。實驗結(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(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了產(chǎn)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(yīng)用于電力工程領(lǐng)域。在各個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光信號首先被接入到復(fù)用盤上，然后C37.94光信號被復(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(biāo)準(zhǔn)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(hù)方案及具體實現(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)送端對工作路徑和保護(hù)路徑同時發(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,對客戶側(cè)單個光通道進(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，在接收端檢測從這兩個路徑通道收到的業(yè)務(wù)信號狀態(tài),并選擇更合適的信號［4］。

　　電力網(wǎng)繼電保護(hù)信息的復(fù)用盤可配置為2個光口保護(hù)對(1/2,3/4)，切換條件為LOS、AIS。保護(hù)對設(shè)有自動（默認(rèn)）、手動、保護(hù)鎖定和強(qiáng)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(shè)(設(shè)置范圍1~12 min，默認(rèn)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(dāng)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(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，備用通道出現(xiàn)錯誤，無論是否設(shè)置返回模式，都回到自動切換模式。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(qiáng)制切換到另一通道。

　?。?）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(qiáng)制模式是指，無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，主要是通過定時輪詢來實現(xiàn)，詳見圖1。其中獲取保護(hù)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(jī)狀態(tài)來更新系統(tǒng)狀態(tài)，主要是根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息來更新通信協(xié)議中上報給網(wǎng)管盤的保護(hù)對狀態(tài)參數(shù)；獲取保護(hù)對工作狀態(tài)，主要是獲取保護(hù)對中當(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)切換的實現(xiàn)

　　2.1保護(hù)切換狀態(tài)機(jī)的邏輯算法

　　為實現(xiàn)保護(hù)對的4個工作模式，依據(jù)保護(hù)對的切換條件，可將保護(hù)狀態(tài)機(jī)設(shè)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(shè)計狀態(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(shè)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(shè)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(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(hù)對配置1流程圖中，保護(hù)對使能，寫硬件(FPGA保護(hù)對1/2使能操作)和初始化保護(hù)對全局變量；不使能，寫硬件(FPGA保護(hù)對1/2禁能操作)，同時強(qiáng)制清除保護(hù)對全局變量值，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(guān)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(hù)對配置1流程圖圖4保護(hù)對配置2流程圖保護(hù)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(hù)對全局變量賦值，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)制和人工手動模式下可進(jìn)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(hù)對配置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)制和手動模式時，首先判斷要設(shè)置的強(qiáng)制或手動的通道(保護(hù)到主還是到備)來決定配置命令，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，而自動和鎖定模式無需進(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)對結(jié)構(gòu)體中命令的優(yōu)先級來判斷是否進(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)先級邏輯算法

　　整個保護(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)先級判斷，決定是否寫硬件操作，同時還要決定狀態(tài)機(jī)的強(qiáng)制、鎖定狀態(tài)的更新。關(guān)于優(yōu)先級設(shè)置，清除>鎖定>強(qiáng)制>通道無效>手動，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)計來實現(xiàn)多功能保護(hù)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)。

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