一種多通道的電流縱差保護(hù)接口方案

一種多通道的電流縱差保護(hù)接口方案

1光纖通信接口的通信方案目前，中國(guó)高壓線電流縱差保護(hù)裝置通常采用數(shù)字通信系統(tǒng)，通信模式主要采用pcm（脈象編碼）模式。對(duì)遠(yuǎn)距離線路保護(hù),通道采用復(fù)接微波或光纖通道的方式,對(duì)于短線路,通常采用保護(hù)專用光纖通道。不管何種保護(hù),總是采用64/56kb/s的同步通信接口,與微波或光纖PCM復(fù)接設(shè)備電接口相連,或直接與專用光纖相連。保護(hù)的64/56kb/s的同步通信接口與復(fù)用通信系統(tǒng)之間,根據(jù)我國(guó)電信系統(tǒng)的要求,統(tǒng)一采用同向接口方式,遵循CCITT(國(guó)際電話與電報(bào)咨詢委員會(huì))G.703規(guī)約。參照國(guó)內(nèi)外光纖通信設(shè)備的保護(hù)和使用情況,結(jié)合電流縱差保護(hù)對(duì)保護(hù)信息的要求,本文提出了一種通信方案,并介紹了相關(guān)設(shè)備研制情況。該方案具有一些新的特點(diǎn):(1)通信速率高,并可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活設(shè)置;(2)通信可靠性高,采用了多種提高可靠性的方案;(3)通過(guò)通信幀結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置,可以滿足保護(hù)的更多要求;(4)硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便可靠。2通信方案的結(jié)構(gòu)2.1對(duì)圖像的數(shù)據(jù)處理電流縱差保護(hù)要求通信數(shù)據(jù)幀必須包含保護(hù)裝置正確動(dòng)作所需全部數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)必須完整、可靠地被傳遞。目前保護(hù)數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu),其組成大體上可以分為三部分:電流,控制量,附加量。電流是為了對(duì)端進(jìn)行差動(dòng)計(jì)算所必須,根據(jù)所選原理需要,既可以傳送電流向量也可以傳送瞬時(shí)電流采樣值。控制量是保護(hù)功能的組成部分,也是差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作要求的,通常包括遠(yuǎn)跳信號(hào),保護(hù)起動(dòng)、動(dòng)作信號(hào),CT斷線以及同步調(diào)整信號(hào)等。附加量則是保證前兩者正確傳輸所必須的,如抗干擾編碼等。本文設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu),采用傳送電流采樣值,總共幀長(zhǎng)為142bit;若傳送電流向量,則幀長(zhǎng)還要增加6個(gè)字節(jié),即192bit。如圖1所示。幀的組成參考了HDLC(高層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議),數(shù)據(jù)采用自動(dòng)“0”加入和刪除技術(shù),減少了碼流中的直流成分,這增加了不超過(guò)24bit的額外開(kāi)銷。CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)為每幀數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼,用以檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。由于保護(hù)裝置的通信一般為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)兩點(diǎn),因此省略了HDLC規(guī)約的地址場(chǎng)。控制字的設(shè)計(jì)采用增加安全的方法,對(duì)所傳控制字進(jìn)行了簡(jiǎn)單編碼,增加安全性。同步字進(jìn)行動(dòng)態(tài)同步檢測(cè),保證兩側(cè)采樣同步。考慮到光纖通道誤碼率低的特點(diǎn),用海明碼糾正每幀中1位誤碼的情況,進(jìn)一步提高通信可靠性。接收數(shù)據(jù)時(shí),首先用海明碼糾錯(cuò),再用CRC校驗(yàn),若仍然存在錯(cuò)誤,則該幀被丟棄?？紤]丟棄而不是重發(fā)的原因:由于通道速率慢,考慮通信的時(shí)延,沒(méi)有重發(fā)的可能;重發(fā)增加了保護(hù)程序的復(fù)雜程度,占用計(jì)算的資源,延長(zhǎng)了保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。按照每周波12點(diǎn)采樣,當(dāng)采用64kb/s的通道時(shí),每個(gè)采樣間隔只能傳106bit的信息。因此,上述一幀信息無(wú)法在1.667ms內(nèi)全部傳遞。為了傳遞更多信息,目前的保護(hù)裝置通常采用5ms傳遞一次電流向量的方法。但為了保證遠(yuǎn)跳等重要信息的可靠性,大多采用多次重復(fù)判斷的方法。這就造成了兩個(gè)問(wèn)題:一是保護(hù)動(dòng)作的時(shí)延,特別是出現(xiàn)誤碼時(shí),通信間隔過(guò)長(zhǎng)造成的時(shí)延就更嚴(yán)重;二是僅能傳電流向量限制了保護(hù)原理的選擇。為了解決這一矛盾,提出以下通信方案。2.2系統(tǒng)的通信板c現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),采用保護(hù)專用光纖通道時(shí),光纖通道由保護(hù)專用,通信速率可以很高。采用PCM設(shè)備復(fù)接通道的保護(hù),雖然保護(hù)裝置僅使用了其中的一個(gè)64kb/s電口,但為了保證安全性,PCM設(shè)備中該64k電口所屬2M通道一般不再傳送其他信息。因此,適當(dāng)提高保護(hù)通信的速率是完全可能的。本文設(shè)計(jì)了n*64k電接口、2M光接口(線路碼型1B1H,碼速16.896M)、標(biāo)準(zhǔn)E1接口(2M電接口)三種用戶接口,64k電口數(shù)n可以根據(jù)需要在2M范圍內(nèi)靈活設(shè)置。本裝置所設(shè)計(jì)的光通信插板共兩塊:一塊內(nèi)置于保護(hù)機(jī)箱,完成將計(jì)算機(jī)總線信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)透明傳輸?shù)墓δ?透明傳輸指計(jì)算機(jī)與通信板信息交換的數(shù)據(jù)格式,沒(méi)有指令字頭、結(jié)束符等數(shù)據(jù)包信息,只要計(jì)算機(jī)有數(shù)據(jù)輸出,通信板就把數(shù)據(jù)編碼發(fā)送,當(dāng)接收板接收到數(shù)據(jù)信號(hào)后進(jìn)行解碼,解碼后的數(shù)據(jù)按發(fā)送端的格式從總線輸出,也就是說(shuō)通信板對(duì)使用者是開(kāi)放的、透明的);另一塊獨(dú)立機(jī)箱,將第一塊插板送來(lái)的光信號(hào)分配給若干64k電口或2M電口,完成和PCM設(shè)備的接口功能。兩塊光通信板的使用方式有兩種:一種為經(jīng)過(guò)PCM設(shè)備復(fù)接通信方式,如圖2所示;另一種用于保護(hù)專用光纖通道,僅用到內(nèi)置板,如圖3所示。保護(hù)CPU板和內(nèi)置光通信板通過(guò)計(jì)算機(jī)總線直接連接。內(nèi)置光通信板對(duì)外僅提供2M光口,或提供2M光口接入的復(fù)接應(yīng)用方式(見(jiàn)圖3),可以直接連接光纖通道進(jìn)行通信。對(duì)圖2應(yīng)用方式,內(nèi)置板通過(guò)光纖和外置板連接,外置接口板提供2M光口到2M電口或n路64k通道的轉(zhuǎn)接服務(wù)。當(dāng)然,在內(nèi)置光通信板上可以直接設(shè)計(jì)對(duì)外的電口,由電纜或雙絞線直接連接到PCM設(shè)備的電口。這就可以省略外置板。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)惡劣的EMC(電磁兼容)環(huán)境和對(duì)通道不同于通信的高要求,采用光纖作為保護(hù)裝置對(duì)外的通信通道無(wú)疑大大提高了由保護(hù)安裝處到PCM設(shè)備的通信可靠性。3通信方案的實(shí)施3.1共享型公務(wù)電話系統(tǒng)內(nèi)置通信板與保護(hù)主板之間通過(guò)PC104接口連接。主板將數(shù)據(jù)通過(guò)PC104接口交給通信卡,并從通信卡讀取對(duì)方送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。內(nèi)置通信板提供兩路獨(dú)立的通道,也可以設(shè)置為主備方式。每個(gè)通道模塊包括發(fā)送和接收兩部分。內(nèi)置通信板的發(fā)送部分將來(lái)自PC104接口的異步數(shù)據(jù)按HDLC協(xié)議封裝,并加上糾錯(cuò)編碼,按照可變數(shù)據(jù)時(shí)隙寬度和同步復(fù)幀的要求,與公務(wù)電話和隨路信令一起進(jìn)行2M同步數(shù)據(jù)成幀,經(jīng)CMI(傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼)線路編碼完成異步數(shù)據(jù)的同步光傳輸。內(nèi)置通信板接收部分將光信號(hào)進(jìn)行CMI解碼、2M同步數(shù)據(jù)幀解復(fù)用、HDLC解碼、海明碼解碼和CRC校驗(yàn),把數(shù)據(jù)送往PC104接口。公務(wù)電話送往電話接口單元。內(nèi)置通信板對(duì)外為2M光纖通道,傳輸?shù)膬?nèi)容包含數(shù)據(jù)、公務(wù)電話和隨路信令,而且實(shí)際可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捒勺儭．?dāng)可以提供光纖鏈路時(shí),內(nèi)置通信卡可單獨(dú)組成專網(wǎng)使用,可以使用盡可能多的時(shí)隙;當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)只提供n個(gè)64k鏈路時(shí),內(nèi)置通信板與外置通信板配合使用,只能使用n個(gè)時(shí)隙用于數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)隙的選擇有硬件開(kāi)關(guān)配置和寄存器(可通過(guò)軟件讀寫(xiě))配置兩種方式。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)只提供n個(gè)64k鏈路時(shí),內(nèi)置通信板與外置通信板配合使用。為便于外置通信板同步n個(gè)64k鏈路上的數(shù)據(jù),內(nèi)置通信板引入復(fù)幀。每一復(fù)幀包含16個(gè)2M幀,分為兩個(gè)子復(fù)幀,每個(gè)子復(fù)幀包含7幀數(shù)據(jù)和1幀子復(fù)幀同步頭。為了設(shè)備在使用中維護(hù)方便,內(nèi)置通信板附加了兩路公務(wù)電話。與之對(duì)應(yīng),公務(wù)電話的呼叫方設(shè)兩個(gè)通話呼叫開(kāi)關(guān),受話方設(shè)蜂鳴器和LED(發(fā)光二極管)指示燈。3.1.1時(shí)鐘分配電路如圖4所示,時(shí)鐘電路先從來(lái)自2M光口的CMI碼流中提取一個(gè)2M的時(shí)鐘,鎖相環(huán)根據(jù)此時(shí)鐘提取一個(gè)高穩(wěn)時(shí)鐘,作為接收部分的工作時(shí)鐘并送時(shí)鐘分配電路,分配電路根據(jù)用戶配置決定發(fā)送時(shí)鐘使用本地時(shí)鐘還是外時(shí)鐘。本板將LIS(輸入信號(hào)丟失)、AIS(告警指示信號(hào))、誤碼率等通過(guò)指示燈給出,同時(shí)保護(hù)可以通過(guò)軟件讀出通信設(shè)備的狀態(tài),決定保護(hù)功能的執(zhí)行。其他模塊的功能和上面介紹的相同。3.1.2單元電路黨內(nèi)法規(guī)內(nèi)置通信板包含電源變換、公務(wù)電話接口、光模塊接口、時(shí)鐘電路和FPGA(可編程邏輯器件)及其外圍電路5個(gè)單元電路。設(shè)計(jì)中,采用了Xilinx公司FPGA完成接口、HDLC協(xié)議及通信功能的關(guān)鍵部分。FPGA以其邏輯單元的靈活性方便了設(shè)計(jì)工作,也使設(shè)計(jì)出的內(nèi)置板結(jié)構(gòu)更緊湊,抗干擾能力更強(qiáng),可以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的電磁環(huán)境。3.2網(wǎng)絡(luò)復(fù)幀同步模塊外置通信板是一個(gè)獨(dú)立的裝置,可以與PCM設(shè)備安裝在同一機(jī)架上。外置通信板實(shí)現(xiàn)內(nèi)置通信板和PCM設(shè)備之間的連接。內(nèi)置板將數(shù)據(jù)以2M速率通過(guò)光纖和外置板交換,外置通信板再將數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和碼型變換等處理,輸出2M電口或多路64k電口與PCM設(shè)備可靠連接。外置通信板的電口采用CCITT的G.703同向接口標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),按照內(nèi)置板所用時(shí)隙寬度將同步復(fù)幀(用于單個(gè)時(shí)隙同步)發(fā)送到PCM設(shè)備的幾個(gè)64k電口。接收時(shí),根據(jù)復(fù)幀同步頭實(shí)現(xiàn)多路64k之間的同步組合。外置板實(shí)際是一個(gè)獨(dú)立的光端機(jī),具備獨(dú)立的電源、時(shí)鐘等。特殊之處在于,外置板業(yè)務(wù)側(cè)為2M光口,局側(cè)為2M電口和n個(gè)64k同向口可選,并且n個(gè)64k電口不能隨便接入任意數(shù)據(jù)格式。因?yàn)闉楸ＷCn個(gè)電口之間的同步采用復(fù)幀的方式,若接收到的數(shù)據(jù)中無(wú)復(fù)幀同步字,就不能正確的識(shí)別。由于外置通信板和PCM復(fù)接設(shè)備共同使用,因此公務(wù)電話被省略,可以節(jié)省1個(gè)64k鏈路。3.2.1護(hù)時(shí)時(shí)鐘電路按照規(guī)程規(guī)定,保護(hù)通道經(jīng)PCM設(shè)備復(fù)接構(gòu)成,保護(hù)采用從時(shí)鐘。因此外置通信板的時(shí)鐘電路從接收碼流中提取,然后作為本板的發(fā)送時(shí)鐘。多路64k電口之間的完全同步,依靠復(fù)幀同步邏輯模塊實(shí)現(xiàn)。3.2.2fpga接口電路外置通信板包括電源變換、2M電接口、光模塊接口、多路64k電接口、時(shí)鐘電路和FPGA及其外圍電路6個(gè)單元電路,也采用FPGA完成接口電路外的全部通信功能。其他模塊的功能同普通光端機(jī)。4硬件設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果本文提出了一種適用于高壓線路電流縱差保護(hù)的光纖通信方案。該方案和目前運(yùn)行的保護(hù)光纖通信設(shè)備相比,具有如下特點(diǎn):(1)可以根據(jù)實(shí)際需要靈活設(shè)定通信速率,解決了通信速率對(duì)保護(hù)的制約問(wèn)題;(2)有復(fù)幀設(shè)計(jì)和更加可靠的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),通過(guò)多級(jí)的抗干擾編碼