光纖自愈環(huán)網(wǎng)在水電站自動(dòng)化的應(yīng)用

范徐根

南京南瑞集團(tuán)公司水利水電分公司，江蘇 南京 211106

0 引言

近年來(lái)，分層分布式體系結(jié)構(gòu)已成為水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式。分層分布控制體系結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性是影響整個(gè)系統(tǒng)的重要因素之一。由于絕大多數(shù)水電站的現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境惡劣，為提高網(wǎng)絡(luò)通信可靠性，光纖通信技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于該類系統(tǒng)中。

目前在水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的光纖通信網(wǎng)絡(luò)多為星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要星形耦合器作為核心單元。該單元發(fā)生故障將導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，且任意光纖或者網(wǎng)絡(luò)雙絞線的斷線等對(duì)于該套LCU來(lái)說(shuō)，從上位機(jī)方向?qū)⑹ケO(jiān)視及控制功能。因此支持主節(jié)點(diǎn)雙重化配置且具有自愈功能的光纖雙環(huán)網(wǎng)將是水電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)較好選擇。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別在上位機(jī)和各個(gè)現(xiàn)地LCU單元內(nèi)分別設(shè)置網(wǎng)管型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中，分別具有多對(duì)光口和滿足要求的電口，交換機(jī)中通過(guò)光口形成光纖環(huán)形主干網(wǎng)，通過(guò)電口與各個(gè)現(xiàn)地設(shè)備連接。網(wǎng)絡(luò)為主、從式結(jié)構(gòu)。在水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，主節(jié)點(diǎn)一般是通過(guò)處理機(jī)，從節(jié)點(diǎn)為各種測(cè)控置或自動(dòng)裝置。為了確保通信的可靠性，主節(jié)點(diǎn)一般要求雙重化配置，但同時(shí)只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)主控狀態(tài)，另外的主節(jié)點(diǎn)工作于從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由兩主節(jié)間的一套雙機(jī)切換邏輯來(lái)控制。

1.2 環(huán)網(wǎng)自愈策略

網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)的在極短的時(shí)間內(nèi)（50ms），使業(yè)務(wù)從故障中恢復(fù)傳輸，使用戶幾乎感覺不到故障的存在，幾乎不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信。網(wǎng)絡(luò)具備發(fā)現(xiàn)、替代傳輸路由并重新建立通信的能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的雙環(huán)暢通時(shí)，正反兩個(gè)光纖通道的數(shù)據(jù)各自獨(dú)立傳輸，互不影響。假設(shè)為左右兩側(cè)，當(dāng)右側(cè)接收不到數(shù)據(jù)時(shí)（右側(cè)節(jié)點(diǎn)故障或光纖故障），則將左側(cè)所接收的數(shù)據(jù)環(huán)繞從左側(cè)發(fā)送出去，構(gòu)成左側(cè)自環(huán)。反之，如果左側(cè)節(jié)點(diǎn)故障，則將右側(cè)接收的信息從右側(cè)發(fā)送出去，構(gòu)成右側(cè)自環(huán)，保證從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)總線能夠傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)工作于單環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)故障區(qū)段的故障消除后，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)恢復(fù)雙環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)單元的光纖自愈控制自動(dòng)完成，無(wú)需控制。但是，由于一般交換機(jī)采用邏輯斷點(diǎn)技術(shù)組成環(huán)形以太網(wǎng)，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)特別注意交換機(jī)的設(shè)置。在同一個(gè)環(huán)網(wǎng)中只能存在一個(gè)冗余管理交換機(jī)，若在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中未設(shè)置冗余管理交換機(jī)，將造成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過(guò)載，從而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

在我公司在國(guó)內(nèi)外多個(gè)水電站中使用的光纖環(huán)網(wǎng)系統(tǒng), 主干網(wǎng)支持HIPER-Ring 技術(shù)，當(dāng)發(fā)生光纖斷點(diǎn)時(shí)，環(huán)網(wǎng)可以在300ms內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)正常工作。100M 介質(zhì)模塊的端口延時(shí)小于等于35μs。支持基于端口的VLAN 設(shè)置、IGMP Snooping 組播管理、IEEE 802.3x 流控制和SNTP 協(xié)議（簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）。在常溫下MTBF 值（平均無(wú)故障時(shí)間）在20 年以上，此外，交換機(jī)還有雙電源冗余輸入，具有網(wǎng)絡(luò)管理功能，支持SNMP TRAP 的網(wǎng)絡(luò)管理，允許采用OPC 方式將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)信息傳遞到HMI/SCADA 軟件中。支持廣播風(fēng)暴抑制, 自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾和MAC地址記憶。從個(gè)人的使用情況來(lái)看，光纖環(huán)網(wǎng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）與傳統(tǒng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，環(huán)型拓?fù)渌韫饫w長(zhǎng)度相對(duì)要短很多。對(duì)于水電站控制系統(tǒng)，多套LCU常常與中控室不處于廠房的同一層面，相對(duì)距離很長(zhǎng)，如果采用傳統(tǒng)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每套LCU均需光纖連接至中控室，需要很長(zhǎng)的光纖，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只有首尾兩套LCU需連接至中控室，其他多套LCU由于在同一層面，之間的連接距離相對(duì)較短，若LCU套數(shù)較多，總長(zhǎng)度相對(duì)會(huì)減少很多，從而減少了光纖投入成本及故障距離；

2）當(dāng)發(fā)生光纖/雙絞線鏈路故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)的恢復(fù)時(shí)間保證小于300ms。一方面，以赫斯曼交換機(jī)為代表的工業(yè)級(jí)交換機(jī)屬于低延遲交換機(jī)，他的所有工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)的最大收發(fā)延遲均小于10μs；

3）系統(tǒng)的可靠性高，在常溫下MTBF 值(平均無(wú)故障時(shí)間)在20 年以上。支持自動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路測(cè)試，實(shí)現(xiàn)模塊死機(jī)等故障自動(dòng)復(fù)位恢復(fù)；

4）支持SNMP、RMON網(wǎng)絡(luò)管理功能，具有故障陷阱處理功能，可對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或單一設(shè)備的故障陷阱歷史進(jìn)行精確跟蹤，端口管理器對(duì)任意連接進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置即可提供全面的負(fù)載和故障分析。可組成環(huán)形、鏈形、T形、復(fù)合型等多種光纖結(jié)構(gòu)；

5）通過(guò)劃分VLAN可以將大的網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)工作組，從而限制網(wǎng)絡(luò)上的廣播流量。IGMPSnooping組播控制可以限制網(wǎng)絡(luò)上的組播數(shù)據(jù)，這種組播控制使網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度、利用率和工作效率都得到了不同層次的提高，從而使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到一定的保證；

6）工業(yè)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在重負(fù)荷設(shè)計(jì)上是相當(dāng)牢靠的，在工作現(xiàn)場(chǎng)方面要求電磁兼容性、工作溫度、防震等指標(biāo)必須完全符合；

7）解決了水電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)在抗電磁干擾能力方面欠缺的問(wèn)題，從而在通信主機(jī)雙重冗余配置及對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)等要求方面得到了滿足；

8）由于環(huán)形網(wǎng)的連接方式是點(diǎn)到點(diǎn)、一個(gè)節(jié)點(diǎn)到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此可以在網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)不同情況自由使用多種傳輸介質(zhì)，比如在機(jī)組LCU層各LCU距離相當(dāng)短的情況下 ，它們之間可以使用網(wǎng)絡(luò)雙絞線進(jìn)行連接，而在距離較遠(yuǎn)時(shí)仍然使用光纖進(jìn)行通訊。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外多個(gè)電站的實(shí)踐表明，光纖雙環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行情況相對(duì)還是很穩(wěn)定的，未出現(xiàn)過(guò)斷網(wǎng)等情況，而光纖環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。當(dāng)然，光纖環(huán)網(wǎng)也有一定的缺點(diǎn)，如出現(xiàn)故障后出現(xiàn)診斷困難、不易重新配置網(wǎng)絡(luò)且環(huán)網(wǎng)交換機(jī)價(jià)格偏高等，若這些問(wèn)題能夠得到一定的解決，相信在水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

[1]劉愛雄.計(jì)算機(jī)串行通信及光纖應(yīng)用.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù).

[2]NETGEAR公司.以太網(wǎng)技術(shù)大全，2003.

[3]鐘成元.光纖自愈環(huán)網(wǎng)技術(shù)在微機(jī)光纖保護(hù)中的應(yīng)用研究，2008.