基于配電通信網(wǎng)的光纖網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測與恢復(fù)研究

江龍才，霍朝輝，步冬靜

（國網(wǎng)安徽省電力公司 池州供電公司，安徽 池州 230061）

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基于配電通信網(wǎng)的光纖網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測與恢復(fù)研究

江龍才，霍朝輝，步冬靜

（國網(wǎng)安徽省電力公司 池州供電公司，安徽 池州 230061）

摘 要：隨著配電通信網(wǎng)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性成為研究的熱點。如何監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)中的故障以及在故障發(fā)生時如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)成為可靠通信的關(guān)鍵。為此，文章提出了一種單核環(huán)形配電通信網(wǎng)絡(luò)模型，并在此網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上提出故障管理算法，該算法將配電通信網(wǎng)中的故障分為4類，首先根據(jù)不同的監(jiān)測信息確定故障的類型，之后根據(jù)不同的故障類型利用故障管理算法進行網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。評估表明，與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)相比，文章提出的單核網(wǎng)絡(luò)模型和故障管理算法在可靠性、速度和擴展性方面具有更好的性能。

關(guān)鍵詞：配電通信網(wǎng)；光纖網(wǎng)絡(luò)；單核環(huán)形；故障管理

在過去的幾年中，大多數(shù)電力自動化都處于電力公司變電站和企業(yè)級別［1］。其主要原因是實現(xiàn)配電自動化需要很高的通信成本，這樣的支出缺乏經(jīng)濟上的理由以及需要獨特的技術(shù)挑戰(zhàn)。然而有很多因素正驅(qū)動電力公司在應(yīng)用中變化。這些因素是：增加客戶期望的電能質(zhì)量和可靠性，越來越多的監(jiān)管激勵機制，增加的性能和配電自動化通信選擇的負擔(dān)能力，增加多樣性和功能的自動化設(shè)備和軟件［2］。一個高效、可靠和安全的通信基礎(chǔ)設(shè)施對成功實施配電自動化是至關(guān)重要的。

配網(wǎng)自動化系統(tǒng)必須滿足今天的需求，同時提供添加未來功能的能力。自動化顯示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有不同的要求。大多數(shù)自動化系統(tǒng)通過使用專用通信網(wǎng)絡(luò)獨立運行［3］。

由于市場的新需求，可以認為公用共事業(yè)將日益關(guān)注的焦點轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比典型辦公環(huán)境，距離更加遠且難以觸及，特別是在相同的網(wǎng)絡(luò)中不同類型的應(yīng)用程序?qū)煽啃?、操作和維護的要求不同。自動化系統(tǒng)操作隨著分布式系統(tǒng)應(yīng)用的增多也越來越多。

通信穩(wěn)定性是系統(tǒng)可用的一個重要因素。因此，可靠的通信自動化系統(tǒng)必須要有一個新的結(jié)構(gòu)來克服通信的問題。本文將討論如何監(jiān)測到通信故障以及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)技術(shù)如何融入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。從彈性的觀點來說故障管理流程是至關(guān)重要的，因為這些流程負責(zé)定位和報告網(wǎng)絡(luò)故障以及啟動網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)行動。本文描述了一個光通信網(wǎng)絡(luò)。通過使用邏輯冗余功能，網(wǎng)絡(luò)有一個單核環(huán)形拓撲。同時描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、適用的算法實現(xiàn)和分析。評估表明，與現(xiàn)有的雙核通信網(wǎng)絡(luò)相比，本文提出的單核網(wǎng)絡(luò)模型和故障管理算法在可靠性、速度和擴展性方面具有更好的性能。

1　問題模型

本文提出的單核環(huán)形配電通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。在常規(guī)運行中，通信從Tx1到Rx1。當消息，如監(jiān)視或控制特定的開關(guān)，從Tx1向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號，并從Rx1返回?？梢詮姆祷氐南z查網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。耦合器的被動元器件被應(yīng)用于智能電子裝置和環(huán)之間，所以，當一個連接節(jié)點有通信問題，這些消息仍然可以從其他節(jié)點傳輸。

特定的智能電子裝置可從控制中心發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的兩個方向的結(jié)果來接收消息。中心單元可以接收來自Rx1和Rx2的消息。如果中央單元在一個指定的時間無法通過Rx1接收消息，它將試圖從Rx2獲得消息。如果傳播消息從Tx1不是回到Rx1或Rx2，中央單元使用Tx2向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出命令消息。通信問題可以定位于網(wǎng)絡(luò)中的4個點：（1）智能電子裝置的左邊。（2）的智能電子裝置的右邊。（3）智能電子裝置的兩側(cè)。（4）智能電子裝置本身。物理線路的斷開是光網(wǎng)絡(luò)中最嚴重的問題。4種通信問題如圖1所示。

圖1　通信故障的潛在區(qū)域

中央單元可以從Tx1向Rx1以及從Tx2向Rx2發(fā)送消息。在第一種情況下的故障，當Tx1設(shè)置為主發(fā)射機，線路故障位于智能電子裝置左側(cè)簡，Rx1不能接收Tx1的信號以及智能電子裝置的響應(yīng)消息，也沒消息到達Rx2。在第二種情況下，線路故障位于右邊的智能電子裝置，Rx1不能接收任何消息，但Rx2可以接收來自智能電子裝置的響應(yīng)消息。第三個故障發(fā)生在智能電子裝置本身有問題時。此時Rx1和Rx2可以分別接收到來自Tx1和Tx2的消息。這意味著Rxs可以接收輪詢消息，這是一個從中央單元到智能電子裝置的命令。因此，可以得出結(jié)論，通信線路沒有問題。因此，智能電子裝置沒有必要發(fā)送確認（ACK）給信號控制中心，這是一個智能電子裝置給中央單元的簡單響應(yīng)消息。圖2演示了在故障情況下的數(shù)據(jù)流。

圖2　故障場景下的數(shù)據(jù)流

2　故障管理算法

管理網(wǎng)絡(luò)的最重要的功能在管理網(wǎng)絡(luò)檢查異常通信、定位故障邊界，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)操作［4］。這些應(yīng)該盡可能早地完成。

在一般的網(wǎng)絡(luò)操作中，主要收發(fā)器應(yīng)該確定單向通信。如果Tx1和Rx1被選擇用于主收發(fā)器，Tx2和Rx2作為一個備用收發(fā)器。中央單元通過Tx1傳送輪詢消息來控制和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中特定的智能電子裝置。最重要的是，中央單元先檢查Rx1是否能接收到來自Tx1的消息。

如果Rx1不能接受輪詢消息或來自智能電子裝置的響應(yīng)消息，中央單元執(zhí)行故障管理程序和檢查Rx2。如果Rx2已經(jīng)收到了智能電子裝置的響應(yīng)消息，則故障2（智能電子裝置的右側(cè)）發(fā)生。如果沒有，中央單位檢查Rx2是否已經(jīng)收到了通過Tx2傳輸?shù)妮喸兿ⅰ?/p>

如果Rx2已經(jīng)收到了輪詢消息和分別來自Tx2和智能電子裝置的響應(yīng)消息，則故障是臨時的，網(wǎng)絡(luò)可以正常運轉(zhuǎn)。這種故障的另一種可能性是因為Tx1或Rx1產(chǎn)生故障。如果Rx2接收到了來自Tx2的輪詢消息，但是沒有來自智能電子裝置的回應(yīng)消息，那么應(yīng)該再次檢查Rx1是否已收到來自智能電子裝置的響應(yīng)消息。

（a）正常-Tx1發(fā)送數(shù)據(jù)，（b）正常-Tx2發(fā)送數(shù)據(jù)，（c）故障1（智能電子裝置的左邊）-Tx1發(fā)送，（d）故障1（智能電子裝置的左邊）-Tx2發(fā)送，（e）故障2（智能電子裝置的右邊）-Tx1發(fā)送，（f）故障2（智能電子裝置的右邊）-Tx2發(fā)送，（g）故障3（智能電子裝置，調(diào)制解調(diào)器）-Tx1發(fā)送，（h）故障3（智能電子裝置，調(diào)制解調(diào)器）-Tx2發(fā)送，（i）故障4（智能電子裝置的兩邊）-Tx1發(fā)送，（j）故障4（智能電子裝置的兩邊）-Tx2發(fā)送。

如果Rx1接收到來自智能電子裝置的數(shù)據(jù)，故障發(fā)生在智能電子裝置的左邊（故障1），但如果Rx1沒有收到數(shù)據(jù)，故障4發(fā)生，這就是最壞的情況下的故障。如果Rx2沒有收到輪詢消息，TX2控制通信。TX2發(fā)送和Tx1相同的輪詢消息到網(wǎng)絡(luò)中。如果Rx1和Rx2僅收到了輪詢消息，網(wǎng)絡(luò)運行良好，但智能電子裝置存在一些問題。在這個情況下，準確的故障位置可以確定，因為智能電子裝置的位置可以很容易找到。

在線路故障的情況下，是很難找到確切的位置的。由于線路故障引發(fā)的單向通信故障問題可以利用本文提出的算法來恢復(fù)。圖3介紹了故障管理算法流程。

圖3　故障管理算法流程

在下一節(jié)中將解釋如何完成準確的故障定位。由于本文提出的故障管理算法可以找到網(wǎng)絡(luò)故障位置，故障狀態(tài)可分為故障1、故障2、故障3和故障4，本文將在下一節(jié)中詳細描述。

為了實現(xiàn)該算法，中央單位管理兩種類型的故障決策表。一個表是針對每一個智能電子裝置，另一個是針對整個系統(tǒng)。中央單位使用Tx1和Rx1分別作為主要的收發(fā)器和接收器。中央單位發(fā)送輪詢（命令）信息給指定的想要通信的智能電子裝置。網(wǎng)絡(luò)操作過程如表1-2所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)操作過程

表2　智能電子裝置故障決策表

0表示正常，1表示不正常，X表示不關(guān)心。

表1顯示了如何根據(jù)之前描述的變量進行故障分類。基于智能電子裝置故障決策表，中央單位產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)故障決策表。

圖4說明了中央單位決定故障定位。在這個例子中，智能電子裝置1，2和3都產(chǎn)生故障2，智能電子裝置4，5，6都是故障1。中央單位根據(jù)故障決策表作決定，故障發(fā)生在智能電子裝置3和4之間。如果故障恢復(fù)，根據(jù)表2將被重新設(shè)置算法。

圖4　智能電子裝置3和4發(fā)生故障

圖5顯示了故障的組合及其表內(nèi)容。在這種情況下，一個故障發(fā)生在智能電子裝置3，另一個故障發(fā)生在智能電子裝置5和6之間。

所有的單一和組合（但獨立）的故障都可以通過所提算法管理。如果兩個或兩個以上的故障同時發(fā)生，該算法可以找到故障區(qū)域，但是不能確定多少故障和故障發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的位置。

圖6顯示了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的故障決策表可能發(fā)生的故障。有4種類型的故障。該算法只能發(fā)現(xiàn)智能電子裝置2和4之間的兩個或兩個以上的故障。

圖5　組合故障

圖6　4種可能的故障對性能分析

有兩種類型的輪詢方法：（1）點名和（2）集中輪詢［5］。本文使用點名輪詢該網(wǎng)絡(luò)，因為如果在集中輪詢中，智能電子裝置有故障，故障可能會傳播到網(wǎng)絡(luò)。圖7顯示了在一個服務(wù)器和一個智能電子裝置之間的總通信時間。

圖7　服務(wù)器和智能電子裝置之間的輪詢過程

從所有的智能電子裝置收集信息所花費的總時間取決于以下因素：從服務(wù)器到智能電子裝置的傳播延遲（t1-t0）；輪詢傳輸延遲（t2-t1）；智能電子裝置的處理時間（t3-t2）；從智能電子裝置到服務(wù)器的傳播延遲（t4-t3），數(shù)據(jù)傳輸延遲（t5-t4）；在服務(wù)器的處理時間（t6-t5）和ACK傳播延遲和傳輸時間（t7-t6）?？梢院雎訟CK傳播和傳輸時間因為ACK消息的長度很小。由于處理時間取決于處理器，用Tproc表示這個變量。然后，可以計算與所有的智能電子裝置通信所需要的總時間：

假設(shè)傳播延遲的時間是需要達到的最遠的智能電子裝置所需要的時間，用N表示智能電子裝置的數(shù)量?？偟膫鞑r間的方程如下：

總的數(shù)據(jù)傳輸時間，用Tt表示，是固定的。把公式（2）代入公式（1）可以得到：

參數(shù)取值如下［6］：

智能電子裝置的數(shù)目=100。

光纖網(wǎng)絡(luò)的平均距離d=23km。

傳輸速度R=155Mb/s。

光速度V=2×108m/sec。

平均數(shù)據(jù)長度L=10kB。

傳播時延tp= d / v = 1.2 5×10- 4s e c，傳輸時間Tt=L/R=5.1×10-4sec，從公式（3）中，總的時間為（0.12+200×Tproc）sec。從這個結(jié)果可以看出總的響應(yīng)時間依賴于智能電子裝置的數(shù)量以及CPU和智能電子裝置的處理時間，也可以從公式（3）中計算得到線路利用率：

當現(xiàn)有的配電自動化通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生通信故障，故障的位置，在光纖線路或者智能電子裝置，不能檢測到。使用該算法以后，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)故障可以被定位和固定，控制和監(jiān)測通信可以繼續(xù)，盡管網(wǎng)絡(luò)中存在故障。現(xiàn)有的配網(wǎng)自動化光纖網(wǎng)絡(luò)從可靠性的角度存在幾個問題。一個關(guān)鍵問題是，當一個光學(xué)調(diào)制解調(diào)器有問題，它會將問題傳播到網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重新配置。

表3　配電通信網(wǎng)自動化環(huán)網(wǎng)的比較

許多電力公司開發(fā)了配網(wǎng)自動化光纖網(wǎng)絡(luò)，但他們只是應(yīng)用現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［5］［6］。然而，電力公司的配電通信網(wǎng)與純通信系統(tǒng)有不同的需求。從這個角度來看，本文設(shè)計了適用于電力公司的光纖網(wǎng)絡(luò)。表3提供了一種配電通信網(wǎng)自動化環(huán)網(wǎng)的比較。

3　結(jié)語

本文提出一種單核環(huán)形配電通信網(wǎng)絡(luò)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上提出了故障管理算法，并進行了定量分析。本文中的網(wǎng)絡(luò)操作技術(shù)可以識別通信故障的原因以及避免通信網(wǎng)絡(luò)故障。使用本文中所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不僅限于配網(wǎng)自動化通信系統(tǒng)。它可以擴展到多種客戶數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。本文提出的故障管理算法可以有效監(jiān)測到配電通信網(wǎng)絡(luò)中的故障，并對故障進行分類，以及在故障發(fā)生會對通信網(wǎng)絡(luò)進行恢復(fù)，可以有效防止故障在網(wǎng)絡(luò)中的傳播。

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Monitoring and Recovery of Optical Fiber Network Fault Based on Distribution Communication Network

Jiang Longcai ，Huo Chaohui ，Bu Dongjing
（State Grid AnhuiI Chizhou Power Supply Company，Chizhou 230061，China）

Abstract:With the rapid development of distribution communication network，the reliability and stability of the communication network has become a hot spot of research. How to detect fault in a communication network and how to recover the network in the fault occurs become the key to reliable communication.Therefore，this paper proposes a single-core ring distribution network model and fault management algorithm is proposed on the basis of which，the algorithm of distribution communication network fault can be divided into four categories. First of all，fault types are determined according to the different monitoring information，on the basis of which，we can make use of fault management algorithms to restore the network.The result shows that compared with the existing communication network，single core network model and fault management algorithm proposed in this article have better performance in reliability，speed，and expansibility.

Key words:distribution communication network；optical fiber network；single-core ring；fault management

作者簡介：江龍才（1968-），男，安徽池州，高級工程師；研究方向：電力信息與通信技術(shù)管理。