電力網(wǎng)繼電保護(hù)領(lǐng)域保護(hù)倒換算法

劉長春，元 輝，賀 信，趙九洲（.山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南5000；.中國人民解放軍654部隊(duì)，北京00094）

電力網(wǎng)繼電保護(hù)領(lǐng)域保護(hù)倒換算法

劉長春1，元 輝1，賀 信2，趙九洲2
（1.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(duì)，北京100094）

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 Digita1Hierarchy，SDH）光傳輸網(wǎng)，提出了一種多模式保護(hù)倒換的方案，實(shí)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(shí)驗(yàn)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。

保護(hù)倒換；遠(yuǎn)端保護(hù)；數(shù)字同步系統(tǒng)

O 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(shí)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 Signa1，LOS）、黃告警（YELLOW）、通道告警指示信號（A1arm 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(shí)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(shí)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：

（1）用戶手動切換到另一通道，且另一通道正常。

（2）用戶強(qiáng)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。

（4）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(yùn)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(shí)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(bào)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。

圖1 保護(hù)切換模塊的程序結(jié)構(gòu)圖

2 光口保護(hù)切換的實(shí)現(xiàn)

2.1 保護(hù)切換狀態(tài)機(jī)的邏輯算法

為實(shí)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(jì)狀態(tài)機(jī)更新矩陣如圖2所示。

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(shí)現(xiàn)的，通信協(xié)議中的配置項(xiàng)如表1所示。

表1 網(wǎng)管盤通信協(xié)議說明表

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(xiàng)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。

圖3 保護(hù)對配置1流程圖

圖4 保護(hù)對配置2流程圖

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(jì)來實(shí)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)。

表2 命令和通道優(yōu)先級矩陣表

［1］IEEE C37.94.IEEE standard for N times 64 Ki1obit Per second oPtoca1 fiber interfaces between te1eProtection and mu1tiP1exer equiPment［S］.2002.

［2］劉革明，余冬，朱曉彤.IEEEC3794標(biāo)準(zhǔn)在繼電保護(hù)設(shè)備中的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2013（3）：35-37.

［3］陳建寧，仲惟師.繼電保護(hù)光纖通信接口技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)［J］.電力系統(tǒng)通信，2008，29（186）：54-58.

［4］徐燕燕.光傳送網(wǎng)OTN中保護(hù)機(jī)制的研究與設(shè)計(jì)準(zhǔn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2013.

［5］俞沁璐，趙霞.基于FPGA的數(shù)字直放站鏈路切換設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：32-35.

元輝（1984 -），通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：通信及圖像處理。E-mai1：yuanhui0325@163.com。

賀信（1972 -），男，本科，工程師，主要研究方向：衛(wèi)星通信。

圖7 成像實(shí)驗(yàn)效果圖

5 結(jié)論

利用X射線實(shí)時成像對石油管道進(jìn)行缺陷檢測，可以大大降低工人的工作強(qiáng)度，并且檢測結(jié)果一目了然。因?yàn)槭凸艿赖谋诤裨谏a(chǎn)過程中有一致性的特點(diǎn)，所以降低了圖像處理的難度，本文采用偽雙能X射線成像法，最終分別顯示高低能兩幅圖像。其實(shí)，本系統(tǒng)也可以根據(jù)求R值的方法，將高低能圖像整合在一起，實(shí)現(xiàn)一幅圖像的顯示，會有更好的成像效果。

參考文獻(xiàn)

［1］吳昊.基于數(shù)字圖像處理的工業(yè)X光射線檢測［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［2］岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理（第二版）［M］.阮秋琦，阮宇智，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］何斌，馬天予，王運(yùn)堅(jiān)，等.Visua1C++數(shù)字圖像處理（第二版）［M］.北京：人民郵電出版社，2002.

［4］吳韚，段發(fā)階，段曉杰，等.基于圖像處理技術(shù)的石油篩管割縫在線監(jiān)測［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（4）：120-122.

［5］成敏，馬士友，董睿，等.基于非局部均值化的醫(yī)學(xué)圖像去噪［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（7）：34-35，39.

［6］康克軍，劉胤兵，陳志強(qiáng).集裝箱檢查系統(tǒng)中的陣列探測器校正［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，42（5）：574-579.

（收稿日期：2016-01-04）

作者簡介：

張帥（1989 -），男，碩士研究生，主要研究方向：核技術(shù)及應(yīng)用。

張國光（1971 -），男，博士，研究員，主要研究方向：中子探測技術(shù)、核技術(shù)及應(yīng)用。

A1gorithm of Protection switching in re1ay Protection fie1d of Power network

Liu Changchun1，Yuan Hui1，He Xin2，Zhao Jiuzhou2
（1.Schoo1 of Information Science and Engineering，Shandong University，Jinan 250100，China；2.The Chinese PeoP1e's Liberation Army 61541 TrooPs，Beijing 100094，China）

The simu1taneous existences of various fiber oPtic communication interface wi11 reduce the insecurity in the re1ay Protection system of Power network.In order to effective1y and safe1y access to the oPtica1 transmission network of Synchronous Digita1Hierarchy（SDH），a nove1 scheme formu1ti-mode Protection switching oPtica1 fiber communications is ProPosed for achieving the oPtica1Port's f1exib1e routing of Protection mode1under different oPerating condition in this PaPer.The scheme can suPPort kinds of oPeration modes inc1uding automatic，manua1，mandatory and 1ock oPeration.The exPeriment resu1ts demonstrate that the ProPosed scheme can meet the requirements of fiber communication between remote Protection equiPment and mu1tiP1exing equiPments in Power network.

Protection switching；remote Protection；synchronous digita1 hierarchy

TN915

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.007

劉長春，元輝，賀信，等.電力網(wǎng)繼電保護(hù)領(lǐng)域保護(hù)倒換算法［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（9）：20-23.

2016-01-22）

劉長春（1983 -），男，碩士研究生，主要研究方向：通信系統(tǒng)及數(shù)字圖像處理。