光纖自愈環網在水電站自動化的應用

范徐根

南京南瑞集團公司水利水電分公司，江蘇 南京 211106

0 引言

近年來，分層分布式體系結構已成為水電站自動化控制系統的基本結構模式。分層分布控制體系結構中網絡通信的可靠性是影響整個系統的重要因素之一。由于絕大多數水電站的現場電磁環境惡劣，為提高網絡通信可靠性，光纖通信技術越來越多地被應用于該類系統中。

目前在水電站自動化控制系統中應用的光纖通信網絡多為星形拓撲結構。星形拓撲結構網絡需要星形耦合器作為核心單元。該單元發生故障將導致整個通信網絡的癱瘓，且任意光纖或者網絡雙絞線的斷線等對于該套LCU來說，從上位機方向將失去監視及控制功能。因此支持主節點雙重化配置且具有自愈功能的光纖雙環網將是水電站自動化系統通信網絡的一個較好選擇。

1 系統設計

1.1 光纖環網結構

整個網絡采用雙環網結構，分別在上位機和各個現地LCU單元內分別設置網管型環網交換機。在各個網絡交換機中，分別具有多對光口和滿足要求的電口，交換機中通過光口形成光纖環形主干網，通過電口與各個現地設備連接。網絡為主、從式結構。在水電站自動化系統中，主節點一般是通過處理機，從節點為各種測控置或自動裝置。為了確保通信的可靠性，主節點一般要求雙重化配置，但同時只能有一個主節點處于網絡主控狀態，另外的主節點工作于從節點狀態，工作狀態的轉換由兩主節間的一套雙機切換邏輯來控制。

1.2 環網自愈策略

網絡能夠自動的在極短的時間內（50ms），使業務從故障中恢復傳輸，使用戶幾乎感覺不到故障的存在，幾乎不影響現場設備的通信。網絡具備發現、替代傳輸路由并重新建立通信的能力。當網絡的雙環暢通時，正反兩個光纖通道的數據各自獨立傳輸，互不影響。假設為左右兩側，當右側接收不到數據時（右側節點故障或光纖故障），則將左側所接收的數據環繞從左側發送出去，構成左側自環。反之，如果左側節點故障，則將右側接收的信息從右側發送出去，構成右側自環，保證從節點發送的數據總線能夠傳輸到主節點，此時網絡工作于單環運行狀態。當故障區段的故障消除后，節點將自動恢復雙環運行狀態。節點單元的光纖自愈控制自動完成，無需控制。但是，由于一般交換機采用邏輯斷點技術組成環形以太網，所以在實際應用中應特別注意交換機的設置。在同一個環網中只能存在一個冗余管理交換機，若在環形網絡中未設置冗余管理交換機，將造成網絡數據過載，從而導致整個網絡系統的癱瘓。

2 系統特點

在我公司在國內外多個水電站中使用的光纖環網系統, 主干網支持HIPER-Ring 技術，當發生光纖斷點時，環網可以在300ms內自動恢復正常工作。100M 介質模塊的端口延時小于等于35μs。支持基于端口的VLAN 設置、IGMP Snooping 組播管理、IEEE 802.3x 流控制和SNTP 協議（簡單網絡時間協議）。在常溫下MTBF 值（平均無故障時間）在20 年以上，此外，交換機還有雙電源冗余輸入，具有網絡管理功能，支持SNMP TRAP 的網絡管理，允許采用OPC 方式將網絡設備的狀態信息傳遞到HMI/SCADA 軟件中。支持廣播風暴抑制, 自動對數據包進行過濾和MAC地址記憶。從個人的使用情況來看，光纖環網有如下優點：

1）與傳統的星型拓撲結構相比，環型拓撲所需光纖長度相對要短很多。對于水電站控制系統，多套LCU常常與中控室不處于廠房的同一層面，相對距離很長，如果采用傳統的星型拓撲結構，每套LCU均需光纖連接至中控室，需要很長的光纖，采用環形拓撲結構，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較短，若LCU套數較多，總長度相對會減少很多，從而減少了光纖投入成本及故障距離；

2）當發生光纖/雙絞線鏈路故障時，環網的恢復時間保證小于300ms。一方面，以赫斯曼交換機為代表的工業級交換機屬于低延遲交換機，他的所有工業級以太網交換機的最大收發延遲均小于10μs；

3）系統的可靠性高，在常溫下MTBF 值(平均無故障時間)在20 年以上。支持自動數據鏈路測試，實現模塊死機等故障自動復位恢復；

4）支持SNMP、RMON網絡管理功能，具有故障陷阱處理功能，可對于整個網絡或單一設備的故障陷阱歷史進行精確跟蹤，端口管理器對任意連接進行簡單設置即可提供全面的負載和故障分析。可組成環形、鏈形、T形、復合型等多種光纖結構；

5）通過劃分VLAN可以將大的網絡分成若干個工作組，從而限制網絡上的廣播流量。IGMPSnooping組播控制可以限制網絡上的組播數據，這種組播控制使網絡的傳輸速度、利用率和工作效率都得到了不同層次的提高，從而使系統的實時性得到一定的保證；

6）工業級的網絡產品在重負荷設計上是相當牢靠的，在工作現場方面要求電磁兼容性、工作溫度、防震等指標必須完全符合；

7）解決了水電站自動化系統通信網絡在抗電磁干擾能力方面欠缺的問題，從而在通信主機雙重冗余配置及對突發事件快速響應等要求方面得到了滿足；

8）由于環形網的連接方式是點到點、一個節點到一個節點，因此可以在網絡中根據不同情況自由使用多種傳輸介質，比如在機組LCU層各LCU距離相當短的情況下 ，它們之間可以使用網絡雙絞線進行連接，而在距離較遠時仍然使用光纖進行通訊。

3 結論

國內外多個電站的實踐表明，光纖雙環網的運行情況相對還是很穩定的，未出現過斷網等情況，而光纖環網的優點也是顯而易見的。當然，光纖環網也有一定的缺點，如出現故障后出現診斷困難、不易重新配置網絡且環網交換機價格偏高等，若這些問題能夠得到一定的解決，相信在水電站自動化系統中具有廣闊的應用前景和推廣價值。

[1]劉愛雄.計算機串行通信及光纖應用.光纖與電纜及其應用技術.

[2]NETGEAR公司.以太網技術大全，2003.

[3]鐘成元.光纖自愈環網技術在微機光纖保護中的應用研究，2008.