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高壓直流電源輸電快速總線通信故障檢測與處理

来源:美端电气 发布时间:2019-06-07 16:52

高壓直流電源輸電快速總線通信故障檢測與處理的方法针对特高压直流电源输电工程中快速总线通信存在的故障检测功能不完善的问题,基于HCM3000系统(system)进行设计,通过在用户层数据中增加用户故障检测协议域并在底层增加相应的处理策略,实现链路初始状态分析、链路故障告警、故障及故障恢复防抖功能、报文握手及报文确认、用户CRC故障处理与告警等功能;并将其封装成功能块的形式为用户提供灵活配置的接口和状态与数据的输出。

 
該方法遵循了可靠性、易用性和靈活性的設計(Design)原則,工程應用(application)表明,其故障檢測和處理機制完善、高效、快速。
 
隨著我國經濟的高速發展,電力需求日益增多;同時環境問題日益突出,清潔能源的使用和電能替代工作已勢在必行。但目前資源分布的情況(Condition)是能源供地、清潔能源基地遠離負荷中心,因而特高壓直流電源輸電成爲了國家的戰略選擇。特高壓直流電源輸電可實現遠距離、大容量的電能傳輸,適合大區電網之間的非同步連接,具有損耗小、線路造價低、調節靈活快速等優點[1-4]。
 
目前,國家電網公司提出了構建亞歐洲際特高壓能源通道的戰略構想,計劃實現從中亞及中國西北地區向歐洲進行超遠距離大規模輸電[5]。如何實現和保障直流輸電系統的可靠穩定運行成爲了目前的研究熱點。
 
直流输电控制保护系统是直流输电系统的重要组成部分和大脑[6],其配置复杂,使用多种总线实现外部和内部设备之间的连接,其中使用最多的是快速总线通信,在要求数据尽可能高速传输的情况下,更对数据的正确性和可靠性有苛刻的要求,需要完善的故障检测(jiǎn cè)与处理机制。
 
本論文針對特高壓直流電源輸電控制保護應用提出了一種快速總線通信故障檢測與處理的方法,在實現數據高速傳輸的同時,又兼顧了可靠性和靈活性,工程應用效果好。
 
1  快速总线通信技术介绍
 
快速總線是直流輸電控制保護通信系統(system)的重要組成部分,本設計基于HCM3000系統進行實現。
 
1.1  特高压直流电源输电控制保护系统
 
控制保护是特高压直流电源(power supply)输电系统的核心,其对直流工程的稳定运行(Windows)起着至关重要的作用,因而要求相应的平台、设备(shèbèi)要有极快的处理和响应速度;要求相应的通信方案稳定、可靠性强、具备完善可靠的故障诊断机制。
 
HCM3000是許繼自主研發的高端直流輸電控制(control)保護通用平台,基于並行總線架構;通過CFC圖形化的方式爲工程人員提供二次編程和在線調試的功能,功能強大,層次清晰[7]。多種硬件、外設和算法以功能塊的形式提供給用戶使用,使得工程應用人員可以把主要精力放在控制保護的具體邏輯設計上,而不用關注底層實現。
 
1.2  快速总线通信
 
直流輸電控制保護系統由極控系統、閥控系統、直流站控、交流站控、極保護、閥保護、交流濾波器保護、換流變保護系統等組成,其中控制主機采用雙重化冗余配置,保護主機采用三取二的冗余方案,這些子系統除與外部設備進行接口外,自身內部、子系統之間還需要一些快速信號的傳遞[8]。
 
直流輸電控制保護系統對數據傳輸的實時性和可靠性有很高的要求,尤其是兩個主處理器板卡或者子系統之間進行傳輸時,要求能實現關鍵數據和信號的高速傳輸,這種點對點的通信方式就是快速總線。
 
快速總線一般是通過子板的形式安裝在主處理器板卡上實現功能的,一個完整的快速總線通信鏈路由一收一發兩個節點組成。接地電阻測量儀是一種電阻測量裝置,用于電力、郵電、鐵路、通信、礦山等部門測量各種裝置的接地電阻以及測量低電阻的導體電阻值;還可以測量土壤電阻率及地電壓。HCM3000中快速總線通信子板由FPGA+橋片構成,如圖1所示。FPGA主要完成數據的高速收發和處理,橋片負責處理器和FPGA的接口。但在具體的使用中存在以下問題。
 
图1  快速总线子板结构图
 
1)已有的快速總線通信只有基于硬件本身的數據鏈路層故障檢測機制,這種方法(method)在斷開通信介質情況下,能准確檢測到鏈路的故障,但在發送方狀態機跑死或者發送任務中斷而通信物理鏈路未斷開的情況下則不能及時發現故障。
 
2)在特殊状态下,链路通信会出现短时间内频繁的故障与恢复,常规快速总线故障检测(jiǎn cè)机制在此期间会显示链路状态正确与故障的频繁切换,这显然会增加系统的不稳定性。
 
3)快速總線通信子板是扣在主處理器板卡上使用,其故障(fault)判斷的信息一般來自于插件本身的處理器或FPGA,並未將處理器板卡和通信插件之間傳輸的故障考慮進去,這是不夠完整和嚴謹的。
 
4)有些應用中需要使用(use)握人人视频制,如雲廣工程的極保護與極控之間,發送方只有在接收到接收方回複的確認信號之後才會組織發送新的報文。而這些機制在應用層實現會增加應用程序的複雜度,因此,該功能更應該直接封裝在底層程序中實現。
 
基于這些問題,本文提出了一種低成本、易實現的解決方案,即通過在用戶層增加用戶故障檢測協議域(以下簡稱XHUEC域),並在底層程序中增加相關的處理策略,實現了快速總線通信的故障檢測與處理功能,包括鏈路初始狀態分析、鏈路故障告警、鏈路故障及狀態恢複防抖、報文握手與報文確認機制等功能、用戶CRC數據(data)校驗與CRC故障處理等功能。
 
2  快速总线通信故障检测与处理的方法
 
通信協議的設計需要結合HCM3000系統相關的特性和工程具體使用需求來進行開發,具體原則如下。
 
1)可靠性。
 
可靠性既要考慮包括故障(fault)診斷的快速性,又要考慮工程使用中的穩定(解釋:穩固安定;沒有變動)性。具體的工程使用中,最終故障診斷結果除由協議判斷産生,還應綜合考慮硬件本身的故障檢測結果,對兩者的信息進行綜合,可以保證故障診斷的快速産生,以使工程應用程序能據此快速的進行相關動作,如切換冗余系統、跳閘保護等。
 
穩定性是指故障處理應考慮通信的單次誤碼、鏈路故障産生和消除時的抖動問題,在嚴格的故障診斷要求下還要考慮一定程度的容錯性,以避免系統出現不必要和頻繁的動作。
 
2)易用性。
 
將應實現的功能封裝在底層程序中,並通過功能塊的形式提供給用戶使用,工程人員只需在功能塊上進行相應的配置(deploy)和使能,即可使用相應的功能,同時只需在功能塊的輸出接口讀取最終故障診斷結果,就能獲取鏈路實時情況並用于控制保護的判斷邏輯。這樣就將複雜的協議和故障處理機制變爲了清晰而簡單的輸入輸出接口。
 
3)靈活性。
 
在具体的工程应用中,有些要求高可靠性,因此需要报文握手和确认机制;有些需要对数据进行二次校验,因此需要用户CRC校验机制。此外,通信双方可能使用不同的发送接收周期,故需要据此对链路故障防抖时间进行灵活设置(set up)。因此需要针对各个子功能设计使能接口,用户根据具体使用情况选择使用或不使用某项功能,同时提供接口供应用人员配置(deploy)相关参数。
 
快速總線通信提供了原始的數據(data)通道和基于數據鏈路層的故障診斷功能,本論文的設計方案(plan)需要在用戶層數據幀中增加XHUEC域,該域包含了報文信息子域、活動報文子域、報文握手子域、報文確認子域和報文CRC自校驗子域。如圖2所示。
 
報文信息子域含有報文基本信息,包括發送周期、報文長度、報文狀態等信息。活動報文子域可用于實現鏈路初始狀態分析和鏈路狀態實時檢測等功能。報文握手子域和報文確認子域配合使用,用于實現報文接收確認和重發功能。報文CRC自校驗子域在報文的最後,用于實現用戶CRC自校驗功能[9]。
 
图2  增加XHUEC域的快速总线用户报文结构图
 
2.1  报文故障检测与防抖功能
 
报文故障检测和防抖功能由接收方配置并实现。接收方对接收到报文XHUEC域中的活动报文子域进行检测,若数值不在规定的范围(fàn wéi)内(0~127),则认为发送方未与接收方建立有效连接或发送方从未发送过有效数据,此时属于链路初始化状态故障。若活动报文子域数值正常,则转入图3所示流程进行处理。方法如下。
 
1)若活動報文更新,且鏈路狀態指示正確,則轉入報文送出流程。
 
2)若活動報文不更新,而此時鏈路指示正確,則啓動故障告警防抖計數器,時間到時則認爲鏈路真正故障,置位鏈路故障指示位。在計時期間若出現1次活動報文更新的情況,則複位計數器初始值進行重新計時。爲保證鏈路故障告警的快速性,此故障告警信息一般與硬件本身提供的告警信息進行相或,此功能由用戶編程設置。
 
3)若活動報文不更新,而鏈路狀態指示錯誤,則直接置位鏈路故障(fault)指示位。電阻測試儀是测量物体导电性的一种仪器,電阻測試儀被广泛的应用于电气安全检查与接地工程竣工验等场合。
 
4)若活動報文更新,而鏈路狀態指示錯誤,則啓動故障恢複防抖計數器,時間到則認爲鏈路故障真正恢複,清零鏈路故障指示。在計時期間若出現1次活動報文不更新的情況,則複位計數器初始值進行重新計時。
 
图3  报文故障检测与防抖功能流程图
 
2.2  通信握手与报文确认功能
 
發送方和接收方同時維護報文握手和確認子域,並據此實現報文接收確認和重發功能。用戶可以通過編程接口配置是否使用該機制。如圖4所示,在使用該機制的情況下,發送方只有在接收到對方的確認標記之後,才組織發送新的報文,新的報文內容包括新報文的標記、對接收到對方報文的確認回複標記和有效數據(data)。
 
若接收不到對方的確認回複報文,則重發上次的報文。該功能要求通信雙方都配置了發送和接收功能,即使發送有效數據爲空的情況也可以。爲兼顧數據的重發和實時更新功能,發送方需要使用雙緩存區的內存結構,保證一個緩存區存放上次發送但未收到確認信號的數據,另一緩存區存放最新待發送的數據。
 
图4  报文握手与报文确认机制流程图
 
2.3  用户CRC校验功能
 
用戶CRC自校驗子域位于整個報文的最後,用戶通過編程接口選擇使用該功能,在發送前計算發送數據的CRC值,之後再進行發送,接收端在也使能了接收校驗的情況下對接收到的數據進行CRC計算並將結果與接收到報文的最後一個數據(即發送端計算的CRC)進行比較,若一致,則報CRC計算正確;反之,則報CRC錯誤。
 
当出现CRC错误时,单次CRC故障指示位置1,内部计数器自加2,当CRC正确时,单次CRC故障指示位清零,内部计数器自减1。接地電阻測量儀是一种电阻测量装置,用于电力、邮电、铁路、通信、矿山等部门测量各种装置的接地电阻以及测量低电阻的导体电阻值;还可以测量土壤电阻率及地电压。内部计数器最小值为0,最大值用户可配置(deploy)(默认为200),若计数器值大于阈值(默认为5),则认为CRC频繁出错,链路故障指示位置1,故障状态下,若计数器值小于阈值,则清除CRC频繁出错标志,并清零链路故障指示位,如图5所示。
 
图5  CRC故障处理机制流程图
 
3  设计的应用
 
設計遵循可靠性、易用性和靈活性的設計准則,將通信協議和處理策略封裝在快速總線通信數據幀和相應的功能塊中,子功能的使能選擇、參數配置(deploy)、故障診斷結果以功能塊輸入輸出的形式爲工程(Engineering)應用人員提供接口。
 
从传输效率、处理器计算(calculate )性能方面综合考虑,将链路故障检测与报文防抖功能作为默认功能使用,不可取消,防抖时间参数可设置;通信握手与报文确认功能、用户CRC校验功能作为可选功能由用户根据需求设置。
 
具體應用中,快速總線通信由一收一發兩節點組成,由于通信子板支持雙工通信,所以發送方也可以是另一通信鏈路的接收方。每一個通信子板需要配置初始化功能塊以初始化PCI設備、開辟發送、接收緩存區,産生初始化人人视频。
 
如圖6所示,在發送側,發送功能塊根據初始化人人视频組織待發送的有效數據,並在每一包數據的活動報文子域填寫新的標記;在使用報文確認功能情況下,發送程序根據上次接收到的報文比較報文握手和確認子域,以確定對方是否有效接收了數據,進而判斷是重發還是發送新的報文,重發時活動報文依然需要更新;用戶CRC發送端使能時,發送程序會根據發送數據的長度計算報文CRC並將其寫在有效數據的尾部。發送程序最終通過PCI將全部數據幀寫入FPGA的FIFO並啓動發送。
 
图6  发送侧配置图
 
如圖7所示,接收側,接收程序根據初始化人人视频讀出接收到的有效數據。接收側可根據具體需求和應用程序配置情況靈活設置鏈路故障確認防抖時間和鏈路故障恢複防抖時間,以實現穩定可靠地檢測鏈路故障和故障恢複,並實時指示鏈路工作狀態;用戶CRC接收端使能置位的情況下,接收程序將對接收到的有效數據根據長度進行CRC計算,並與發送方的計算值進行比較,比較的結果和硬件本身的CRC校驗情況相或,任何一種CRC校驗故障均會觸發CRC的故障指示。
 
图7  接收侧配置图
 
4  结论
 
本文介紹了基于特高壓直流電源輸電系統的快速總線通信的使用場合、工作特性和硬件形式,並遵循可靠性、易用性、靈活性的設計(Design)原則,基于HCM3000系統設計了一種快速總線通信故障檢測與處理方法,即在用戶層數據幀中增加用戶故障檢測協議域,並將故障處理策略封裝在功能塊中,從而爲用戶提供了功能完善、快速靈活的故障檢測和處理功能。
 
該方法易于編程實現,易于移植,實現成本低,造成的系統開銷小,目前已在多個特高壓直流電源輸電工程中得到成功應用[10]。本設計也適用于對數據傳輸有高速、高可靠性要求的工業點對點通信應用場合。