一种多通道的电流纵差保护接口方案

一种多通道的电流纵差保护接口方案

1光纤通信接口的通信方案目前，中国高压线电流纵差保护装置通常采用数字通信系统，通信模式主要采用pcm（脉象编码）模式。对远距离线路保护,通道采用复接微波或光纤通道的方式,对于短线路,通常采用保护专用光纤通道。不管何种保护,总是采用64/56kb/s的同步通信接口,与微波或光纤PCM复接设备电接口相连,或直接与专用光纤相连。保护的64/56kb/s的同步通信接口与复用通信系统之间,根据我国电信系统的要求,统一采用同向接口方式,遵循CCITT(国际电话与电报咨询委员会)G.703规约。参照国内外光纤通信设备的保护和使用情况,结合电流纵差保护对保护信息的要求,本文提出了一种通信方案,并介绍了相关设备研制情况。该方案具有一些新的特点:(1)通信速率高,并可以根据现场情况灵活设置;(2)通信可靠性高,采用了多种提高可靠性的方案;(3)通过通信帧结构的合理设置,可以满足保护的更多要求;(4)硬件实现简便可靠。2通信方案的结构2.1对图像的数据处理电流纵差保护要求通信数据帧必须包含保护装置正确动作所需全部数据,数据必须完整、可靠地被传递。目前保护数据的帧结构,其组成大体上可以分为三部分:电流,控制量,附加量。电流是为了对端进行差动计算所必须,根据所选原理需要,既可以传送电流向量也可以传送瞬时电流采样值。控制量是保护功能的组成部分,也是差动保护正确动作要求的,通常包括远跳信号,保护起动、动作信号,CT断线以及同步调整信号等。附加量则是保证前两者正确传输所必须的,如抗干扰编码等。本文设计的帧结构,采用传送电流采样值,总共帧长为142bit;若传送电流向量,则帧长还要增加6个字节,即192bit。如图1所示。帧的组成参考了HDLC(高层数据链路协议),数据采用自动“0”加入和删除技术,减少了码流中的直流成分,这增加了不超过24bit的额外开销。CRC(循环冗余校验码)为每帧数据的校验码,用以检测数据的正确性。由于保护装置的通信一般为点对点或点对两点,因此省略了HDLC规约的地址场。控制字的设计采用增加安全的方法,对所传控制字进行了简单编码,增加安全性。同步字进行动态同步检测,保证两侧采样同步。考虑到光纤通道误码率低的特点,用海明码纠正每帧中1位误码的情况,进一步提高通信可靠性。接收数据时,首先用海明码纠错,再用CRC校验,若仍然存在错误,则该帧被丢弃。考虑丢弃而不是重发的原因:由于通道速率慢,考虑通信的时延,没有重发的可能;重发增加了保护程序的复杂程度,占用计算的资源,延长了保护动作时间。按照每周波12点采样,当采用64kb/s的通道时,每个采样间隔只能传106bit的信息。因此,上述一帧信息无法在1.667ms内全部传递。为了传递更多信息,目前的保护装置通常采用5ms传递一次电流向量的方法。但为了保证远跳等重要信息的可靠性,大多采用多次重复判断的方法。这就造成了两个问题:一是保护动作的时延,特别是出现误码时,通信间隔过长造成的时延就更严重;二是仅能传电流向量限制了保护原理的选择。为了解决这一矛盾,提出以下通信方案。2.2系统的通信板c现场调研发现,采用保护专用光纤通道时,光纤通道由保护专用,通信速率可以很高。采用PCM设备复接通道的保护,虽然保护装置仅使用了其中的一个64kb/s电口,但为了保证安全性,PCM设备中该64k电口所属2M通道一般不再传送其他信息。因此,适当提高保护通信的速率是完全可能的。本文设计了n*64k电接口、2M光接口(线路码型1B1H,码速16.896M)、标准E1接口(2M电接口)三种用户接口,64k电口数n可以根据需要在2M范围内灵活设置。本装置所设计的光通信插板共两块:一块内置于保护机箱,完成将计算机总线信号变为光信号透明传输的功能(透明传输指计算机与通信板信息交换的数据格式,没有指令字头、结束符等数据包信息,只要计算机有数据输出,通信板就把数据编码发送,当接收板接收到数据信号后进行解码,解码后的数据按发送端的格式从总线输出,也就是说通信板对使用者是开放的、透明的);另一块独立机箱,将第一块插板送来的光信号分配给若干64k电口或2M电口,完成和PCM设备的接口功能。两块光通信板的使用方式有两种:一种为经过PCM设备复接通信方式,如图2所示;另一种用于保护专用光纤通道,仅用到内置板,如图3所示。保护CPU板和内置光通信板通过计算机总线直接连接。内置光通信板对外仅提供2M光口,或提供2M光口接入的复接应用方式(见图3),可以直接连接光纤通道进行通信。对图2应用方式,内置板通过光纤和外置板连接,外置接口板提供2M光口到2M电口或n路64k通道的转接服务。当然,在内置光通信板上可以直接设计对外的电口,由电缆或双绞线直接连接到PCM设备的电口。这就可以省略外置板。但考虑到现场恶劣的EMC(电磁兼容)环境和对通道不同于通信的高要求,采用光纤作为保护装置对外的通信通道无疑大大提高了由保护安装处到PCM设备的通信可靠性。3通信方案的实施3.1共享型公务电话系统内置通信板与保护主板之间通过PC104接口连接。主板将数据通过PC104接口交给通信卡,并从通信卡读取对方送过来的数据。内置通信板提供两路独立的通道,也可以设置为主备方式。每个通道模块包括发送和接收两部分。内置通信板的发送部分将来自PC104接口的异步数据按HDLC协议封装,并加上纠错编码,按照可变数据时隙宽度和同步复帧的要求,与公务电话和随路信令一起进行2M同步数据成帧,经CMI(传号反转码)线路编码完成异步数据的同步光传输。内置通信板接收部分将光信号进行CMI解码、2M同步数据帧解复用、HDLC解码、海明码解码和CRC校验,把数据送往PC104接口。公务电话送往电话接口单元。内置通信板对外为2M光纤通道,传输的内容包含数据、公务电话和随路信令,而且实际可用于数据传输的带宽可变。当可以提供光纤链路时,内置通信卡可单独组成专网使用,可以使用尽可能多的时隙;当现场只提供n个64k链路时,内置通信板与外置通信板配合使用,只能使用n个时隙用于数据传输。时隙的选择有硬件开关配置和寄存器(可通过软件读写)配置两种方式。当现场只提供n个64k链路时,内置通信板与外置通信板配合使用。为便于外置通信板同步n个64k链路上的数据,内置通信板引入复帧。每一复帧包含16个2M帧,分为两个子复帧,每个子复帧包含7帧数据和1帧子复帧同步头。为了设备在使用中维护方便,内置通信板附加了两路公务电话。与之对应,公务电话的呼叫方设两个通话呼叫开关,受话方设蜂鸣器和LED(发光二极管)指示灯。3.1.1时钟分配电路如图4所示,时钟电路先从来自2M光口的CMI码流中提取一个2M的时钟,锁相环根据此时钟提取一个高稳时钟,作为接收部分的工作时钟并送时钟分配电路,分配电路根据用户配置决定发送时钟使用本地时钟还是外时钟。本板将LIS(输入信号丢失)、AIS(告警指示信号)、误码率等通过指示灯给出,同时保护可以通过软件读出通信设备的状态,决定保护功能的执行。其他模块的功能和上面介绍的相同。3.1.2单元电路党内法规内置通信板包含电源变换、公务电话接口、光模块接口、时钟电路和FPGA(可编程逻辑器件)及其外围电路5个单元电路。设计中,采用了Xilinx公司FPGA完成接口、HDLC协议及通信功能的关键部分。FPGA以其逻辑单元的灵活性方便了设计工作,也使设计出的内置板结构更紧凑,抗干扰能力更强,可以适应现场恶劣的电磁环境。3.2网络复帧同步模块外置通信板是一个独立的装置,可以与PCM设备安装在同一机架上。外置通信板实现内置通信板和PCM设备之间的连接。内置板将数据以2M速率通过光纤和外置板交换,外置通信板再将数据进行缓冲和码型变换等处理,输出2M电口或多路64k电口与PCM设备可靠连接。外置通信板的电口采用CCITT的G.703同向接口标准。发送数据时,按照内置板所用时隙宽度将同步复帧(用于单个时隙同步)发送到PCM设备的几个64k电口。接收时,根据复帧同步头实现多路64k之间的同步组合。外置板实际是一个独立的光端机,具备独立的电源、时钟等。特殊之处在于,外置板业务侧为2M光口,局侧为2M电口和n个64k同向口可选,并且n个64k电口不能随便接入任意数据格式。因为为保证n个电口之间的同步采用复帧的方式,若接收到的数据中无复帧同步字,就不能正确的识别。由于外置通信板和PCM复接设备共同使用,因此公务电话被省略,可以节省1个64k链路。3.2.1护时时钟电路按照规程规定,保护通道经PCM设备复接构成,保护采用从时钟。因此外置通信板的时钟电路从接收码流中提取,然后作为本板的发送时钟。多路64k电口之间的完全同步,依靠复帧同步逻辑模块实现。3.2.2fpga接口电路外置通信板包括电源变换、2M电接口、光模块接口、多路64k电接口、时钟电路和FPGA及其外围电路6个单元电路,也采用FPGA完成接口电路外的全部通信功能。其他模块的功能同普通光端机。4硬件设计测试结果本文提出了一种适用于高压线路电流纵差保护的光纤通信方案。该方案和目前运行的保护光纤通信设备相比,具有如下特点:(1)可以根据实际需要灵活设定通信速率,解决了通信速率对保护的制约问题;(2)有复帧设计和更加可靠的数据结构,通过多级的抗干扰编码