光纤自愈环网在水电站自动化的应用

范徐根

南京南瑞集团公司水利水电分公司，江苏 南京 211106

0 引言

近年来，分层分布式体系结构已成为水电站自动化控制系统的基本结构模式。分层分布控制体系结构中网络通信的可靠性是影响整个系统的重要因素之一。由于绝大多数水电站的现场电磁环境恶劣，为提高网络通信可靠性，光纤通信技术越来越多地被应用于该类系统中。

目前在水电站自动化控制系统中应用的光纤通信网络多为星形拓扑结构。星形拓扑结构网络需要星形耦合器作为核心单元。该单元发生故障将导致整个通信网络的瘫痪，且任意光纤或者网络双绞线的断线等对于该套LCU来说，从上位机方向将失去监视及控制功能。因此支持主节点双重化配置且具有自愈功能的光纤双环网将是水电站自动化系统通信网络的一个较好选择。

1 系统设计

1.1 光纤环网结构

整个网络采用双环网结构，分别在上位机和各个现地LCU单元内分别设置网管型环网交换机。在各个网络交换机中，分别具有多对光口和满足要求的电口，交换机中通过光口形成光纤环形主干网，通过电口与各个现地设备连接。网络为主、从式结构。在水电站自动化系统中，主节点一般是通过处理机，从节点为各种测控置或自动装置。为了确保通信的可靠性，主节点一般要求双重化配置，但同时只能有一个主节点处于网络主控状态，另外的主节点工作于从节点状态，工作状态的转换由两主节间的一套双机切换逻辑来控制。

1.2 环网自愈策略

网络能够自动的在极短的时间内（50ms），使业务从故障中恢复传输，使用户几乎感觉不到故障的存在，几乎不影响现场设备的通信。网络具备发现、替代传输路由并重新建立通信的能力。当网络的双环畅通时，正反两个光纤通道的数据各自独立传输，互不影响。假设为左右两侧，当右侧接收不到数据时（右侧节点故障或光纤故障），则将左侧所接收的数据环绕从左侧发送出去，构成左侧自环。反之，如果左侧节点故障，则将右侧接收的信息从右侧发送出去，构成右侧自环，保证从节点发送的数据总线能够传输到主节点，此时网络工作于单环运行状态。当故障区段的故障消除后，节点将自动恢复双环运行状态。节点单元的光纤自愈控制自动完成，无需控制。但是，由于一般交换机采用逻辑断点技术组成环形以太网，所以在实际应用中应特别注意交换机的设置。在同一个环网中只能存在一个冗余管理交换机，若在环形网络中未设置冗余管理交换机，将造成网络数据过载，从而导致整个网络系统的瘫痪。

2 系统特点

在我公司在国内外多个水电站中使用的光纤环网系统, 主干网支持HIPER-Ring 技术，当发生光纤断点时，环网可以在300ms内自动恢复正常工作。100M 介质模块的端口延时小于等于35μs。支持基于端口的VLAN 设置、IGMP Snooping 组播管理、IEEE 802.3x 流控制和SNTP 协议（简单网络时间协议）。在常温下MTBF 值（平均无故障时间）在20 年以上，此外，交换机还有双电源冗余输入，具有网络管理功能，支持SNMP TRAP 的网络管理，允许采用OPC 方式将网络设备的状态信息传递到HMI/SCADA 软件中。支持广播风暴抑制, 自动对数据包进行过滤和MAC地址记忆。从个人的使用情况来看，光纤环网有如下优点：

1）与传统的星型拓扑结构相比，环型拓扑所需光纤长度相对要短很多。对于水电站控制系统，多套LCU常常与中控室不处于厂房的同一层面，相对距离很长，如果采用传统的星型拓扑结构，每套LCU均需光纤连接至中控室，需要很长的光纤，采用环形拓扑结构，只有首尾两套LCU需连接至中控室，其他多套LCU由于在同一层面，之间的连接距离相对较短，若LCU套数较多，总长度相对会减少很多，从而减少了光纤投入成本及故障距离；

2）当发生光纤/双绞线链路故障时，环网的恢复时间保证小于300ms。一方面，以赫斯曼交换机为代表的工业级交换机属于低延迟交换机，他的所有工业级以太网交换机的最大收发延迟均小于10μs；

3）系统的可靠性高，在常温下MTBF 值(平均无故障时间)在20 年以上。支持自动数据链路测试，实现模块死机等故障自动复位恢复；

4）支持SNMP、RMON网络管理功能，具有故障陷阱处理功能，可对于整个网络或单一设备的故障陷阱历史进行精确跟踪，端口管理器对任意连接进行简单设置即可提供全面的负载和故障分析。可组成环形、链形、T形、复合型等多种光纤结构；

5）通过划分VLAN可以将大的网络分成若干个工作组，从而限制网络上的广播流量。IGMPSnooping组播控制可以限制网络上的组播数据，这种组播控制使网络的传输速度、利用率和工作效率都得到了不同层次的提高，从而使系统的实时性得到一定的保证；

6）工业级的网络产品在重负荷设计上是相当牢靠的，在工作现场方面要求电磁兼容性、工作温度、防震等指标必须完全符合；

7）解决了水电站自动化系统通信网络在抗电磁干扰能力方面欠缺的问题，从而在通信主机双重冗余配置及对突发事件快速响应等要求方面得到了满足；

8）由于环形网的连接方式是点到点、一个节点到一个节点，因此可以在网络中根据不同情况自由使用多种传输介质，比如在机组LCU层各LCU距离相当短的情况下 ，它们之间可以使用网络双绞线进行连接，而在距离较远时仍然使用光纤进行通讯。

3 结论

国内外多个电站的实践表明，光纤双环网的运行情况相对还是很稳定的，未出现过断网等情况，而光纤环网的优点也是显而易见的。当然，光纤环网也有一定的缺点，如出现故障后出现诊断困难、不易重新配置网络且环网交换机价格偏高等，若这些问题能够得到一定的解决，相信在水电站自动化系统中具有广阔的应用前景和推广价值。

[1]刘爱雄.计算机串行通信及光纤应用.光纤与电缆及其应用技术.

[2]NETGEAR公司.以太网技术大全，2003.

[3]钟成元.光纤自愈环网技术在微机光纤保护中的应用研究，2008.