电力网继电保护领域保护倒换算法

刘长春，元 辉，贺 信，赵九洲（.山东大学信息科学与工程学院，山东济南5000；.中国人民解放军654部队，北京00094）

电力网继电保护领域保护倒换算法

刘长春1，元 辉1，贺 信2，赵九洲2
（1.山东大学信息科学与工程学院，山东济南250100；2.中国人民解放军61541部队，北京100094）

目前电力网继电保护系统中的光纤通信接口主要使用C37.94标准，为使其安全有效地接入同步数字体系（Synchronous Digita1Hierarchy，SDH）光传输网，提出了一种多模式保护倒换的方案，实现光口在不同工作条件下保护模式的灵活选择。该方案可以支持自动、手动、强制和锁定等操作模式。实验结果表明，该方案可以满足电力网中远端保护设备和复用设备间的光纤通信光口保护要求。

保护倒换；远端保护；数字同步系统

O 引言

IEEE于2002年制定了C37.94标准，对保护设备和数字复用设备之前的光纤接口进行规范［1］。该标准规定了光纤数据传输的帧结构，即帧头（16 bit）+数据头（48 bit）+数据（192 bit）。其中帧头主要规定黄告警和帧同步标准，数据头主要规定实际通信的带宽和时钟的信息，数据中规定了数据传输速率为8 000帧/s，传输带宽是N ×64 kb/s［2］。此外，该标准还规定了产生信号丢失指示信号（Loss of Signa1，LOS）、黄告警（YELLOW）、通道告警指示信号（A1arm Indication Signa，AIS）的告警条件［3］。

IEEE C37.94光接口广泛应用于电力工程领域。在各个变电站的电力继电器保护设备之间需要通过复用设备进行通信。变电站上的继电保护设备发出C37.94光信号首先被接入到复用盘上，然后C37.94光信号被复用盘复用并传输到控制中心的复用设备中，再解复用成C37.94光信号送给另外一端的继电保护设备。复用盘的保护采用“1 +1”保护方式，即互为保护对的两个通道的信号随时保持一致，即使没有故障发生，各路也不能挪作他用。

本文针对C37.94标准光纤传输接口，以4个光口（2个输入2个输出）为例，提出了一套光口1 +1保护方案及具体实现方法。

1 光口多模式“1+1”保护方法

1.1 倒换机制与原理

光通道1 +1保护是采用双发选收的原理，在发送端对工作路径和保护路径同时发送业务，在接收端选择其中符合要求的业务进行接收，对客户侧单个光通道进行保护。在光通道1 +1保护中，业务信号在发送端被永久桥接在工作路径和保护路径，在接收端检测从这两个路径通道收到的业务信号状态，并选择更合适的信号［4］。

电力网继电保护信息的复用盘可配置为2个光口保护对（1 /2，3 /4），切换条件为LOS、AIS。保护对设有自动（默认）、手动、保护锁定和强制模式。手动、自动模式下有返回式、非返回式，倒换回切由软件实现，回切时间（WTR）可设（设置范围1～12 min，默认12 min，颗粒度为分钟）。其中，自动切换是指，开始工作在主通道，当主通道出现告警，满足切换条件时，立即切到备用通道。自动倒换后，如果设置为非返回模式，则一直工作在备用通道。如果工作在备用通道时，备用通道出现错误，无论是否设置返回模式，都回到自动切换模式。如果设置工作在返回模式，则在主通道恢复正常以后经过一个返回时间（WTR），切换回主通道。手动切换是指，如果要切换到的通道正常，则立刻切换过去，否则不切换。以后一直工作在此通道，直到下列任一条件发生：

（1）用户手动切换到另一通道，且另一通道正常。

（2）用户强制切换到另一通道。

（3）工作在主通道时，通道出现告警，满足切换条件，触发切换。

（4）工作在备用通道时，通道出现告警，切换到主通道。

强制模式是指，无条件切换到指定通道，在非人工干预情况下不再切换。锁定模式是指，切换到主通道进行锁定。

1.2 运行环境及流程设置

保护切换工作模式可进行软件配置，配置方法很多，这里以上位机配置为例，上位机通过串口通信对复用设备的保护切换模块进行配置［5］。

除了上位机进行的系统操作，保护切换模块还执行着自我更新，主要是通过定时轮询来实现，详见图1。其中获取保护对中光接口状态，主要是获取端口的告警信息LOS、AIS，来判断4个光口的有效状态；根据状态机状态来更新系统状态，主要是根据状态机的状态信息来更新通信协议中上报给网管盘的保护对状态参数；获取保护对工作状态，主要是获取保护对中当前有效的光口，并判断硬件是否切换到了保护口。

图1 保护切换模块的程序结构图

2 光口保护切换的实现

2.1 保护切换状态机的逻辑算法

为实现保护对的4个工作模式，依据保护对的切换条件，可将保护状态机设置为9个状态参量，其中8个是有效状态，根据其工作模式的不同，考虑到影响状态的决定因素，设计状态机更新矩阵如图2所示。

图2 保护状态机状态更新矩阵表

图2中，NO：表示保持原有状态不更新状态机状态；①：返回模式下，设置的返回时间wtr=0，手动切换一次通道，清除剩余返回时间；②：返回模式下，设置的返回时间wtr>0，创建定时器，更新剩余返回时间；③：删除定时器，更新剩余返回时间；④：清除剩余返回时间，手动切换一次工作通道；⑤：清除剩余返回时间；⑥：如果是返回模式，设置更新剩余返回时间，否则清除剩余返回时间；⑦：删除定时器，清除剩余返回时间；⑧：命令和通道状态优先级矩阵。

2.2 保护倒换网管的通信配置

保护倒换与网管盘的通信是通过系统配置和状态查询函数实现的，通信协议中的配置项如表1所示。

表1 网管盘通信协议说明表

在图3所示保护对配置1流程图中，保护对使能，写硬件（FPGA保护对1 /2使能操作）和初始化保护对全局变量；不使能，写硬件（FPGA保护对1 /2禁能操作），同时强制清除保护对全局变量值，恢复到默认。AIS使能将影响到保护状态机的通道状态，它与LOS告警信息一起来决定光通道的状态，二者存在一个告警，该通道就为无效。返回模式和等待时间这两个配置项没有硬件操作，且又是相关的，所以，配置时需要考虑两者间的相互影响。非返回模式，则等待时间必须为0，还要删除定时器，更新保护对全局变量。返回模式下，等待时间根据配置的值来给保护对全局变量赋值，并设置函数完成状态机状态的更新和定时器的创建。当前工作通道设置，只有在强制和人工手动模式下可进行配置，自动模式下由FPGA完成自动切换，锁定模式下直接锁定到备用通道。

图3 保护对配置1流程图

图4 保护对配置2流程图

在图4保护对配置2流程图中，模式设置与通道设置配合完成。在设置强制和手动模式时，首先判断要设置的强制或手动的通道（保护到主还是到备）来决定配置命令，再与当前的工作通道比较，如一致就不进行硬件操作。否则进行硬件操作，而自动和锁定模式无需进行通道判断，直接进行寄存器的硬件相关操作。图中虚线框内部分是根据保护对结构体中命令的优先级来判断是否进行写硬件操作，当写硬件（操作FPGA的寄存器）时进行虚线内容操作，否则不进行。

2.3 命令和通道优先级逻辑算法

整个保护模式的设置是属于保护设置命令，要进行命令的优先级判断，决定是否写硬件操作，同时还要决定状态机的强制、锁定状态的更新。关于优先级设置，清除>锁定>强制>通道无效>手动，具体的设置矩阵如表2所示。

3 结论

C37.94光传输标准主要应用于电力网，本文针对C37.94标准光传输网，提出了多模式1 +1保护切换方法，对传输中产生的LOS、AIS告警信息都是通过FPGA解析获得，并通过软件设计来实现多功能保护切换。同时，本文提出的方法也同样适用于其他的SDH光传输网。

表2 命令和通道优先级矩阵表

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

［2］刘革明，余冬，朱晓彤.IEEEC3794标准在继电保护设备中的应用［J］.东北电力技术，2013（3）：35-37.

［3］陈建宁，仲惟师.继电保护光纤通信接口技术及标准［J］.电力系统通信，2008，29（186）：54-58.

［4］徐燕燕.光传送网OTN中保护机制的研究与设计准［D］.北京：北京邮电大学，2013.

［5］俞沁璐，赵霞.基于FPGA的数字直放站链路切换设计［J］.微型机与应用，2015，34（18）：32-35.

元辉（1984 -），通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：通信及图像处理。E-mai1：yuanhui0325@163.com。

贺信（1972 -），男，本科，工程师，主要研究方向：卫星通信。

图7 成像实验效果图

5 结论

利用X射线实时成像对石油管道进行缺陷检测，可以大大降低工人的工作强度，并且检测结果一目了然。因为石油管道的壁厚在生产过程中有一致性的特点，所以降低了图像处理的难度，本文采用伪双能X射线成像法，最终分别显示高低能两幅图像。其实，本系统也可以根据求R值的方法，将高低能图像整合在一起，实现一幅图像的显示，会有更好的成像效果。

参考文献

［1］吴昊.基于数字图像处理的工业X光射线检测［D］.重庆：重庆大学，2008.

［2］冈萨雷斯.数字图像处理（第二版）［M］.阮秋琦，阮宇智，等译.北京：电子工业出版社，2003.

［3］何斌，马天予，王运坚，等.Visua1C++数字图像处理（第二版）［M］.北京：人民邮电出版社，2002.

［4］吴韚，段发阶，段晓杰，等.基于图像处理技术的石油筛管割缝在线监测［J］.电子技术应用，2014，40（4）：120-122.

［5］成敏，马士友，董睿，等.基于非局部均值化的医学图像去噪［J］.微型机与应用，2013，32（7）：34-35，39.

［6］康克军，刘胤兵，陈志强.集装箱检查系统中的阵列探测器校正［J］.清华大学学报（自然科学版），2002，42（5）：574-579.

（收稿日期：2016-01-04）

作者简介：

张帅（1989 -），男，硕士研究生，主要研究方向：核技术及应用。

张国光（1971 -），男，博士，研究员，主要研究方向：中子探测技术、核技术及应用。

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

刘长春，元辉，贺信，等.电力网继电保护领域保护倒换算法［J］.微型机与应用，2016，35（9）：20-23.

2016-01-22）

刘长春（1983 -），男，硕士研究生，主要研究方向：通信系统及数字图像处理。