基于配电通信网的光纤网络故障监测与恢复研究

江龙才，霍朝辉，步冬静

（国网安徽省电力公司 池州供电公司，安徽 池州 230061）



基于配电通信网的光纤网络故障监测与恢复研究

江龙才，霍朝辉，步冬静

（国网安徽省电力公司 池州供电公司，安徽 池州 230061）

摘 要：随着配电通信网的快速发展，通信网络的可靠性和稳定性成为研究的热点。如何监测到网络中的故障以及在故障发生时如何实现网络的恢复成为可靠通信的关键。为此，文章提出了一种单核环形配电通信网络模型，并在此网络模型的基础上提出故障管理算法，该算法将配电通信网中的故障分为4类，首先根据不同的监测信息确定故障的类型，之后根据不同的故障类型利用故障管理算法进行网络恢复。评估表明，与现有的通信网络相比，文章提出的单核网络模型和故障管理算法在可靠性、速度和扩展性方面具有更好的性能。

关键词：配电通信网；光纤网络；单核环形；故障管理

在过去的几年中，大多数电力自动化都处于电力公司变电站和企业级别［1］。其主要原因是实现配电自动化需要很高的通信成本，这样的支出缺乏经济上的理由以及需要独特的技术挑战。然而有很多因素正驱动电力公司在应用中变化。这些因素是：增加客户期望的电能质量和可靠性，越来越多的监管激励机制，增加的性能和配电自动化通信选择的负担能力，增加多样性和功能的自动化设备和软件［2］。一个高效、可靠和安全的通信基础设施对成功实施配电自动化是至关重要的。

配网自动化系统必须满足今天的需求，同时提供添加未来功能的能力。自动化显示网络系统有不同的要求。大多数自动化系统通过使用专用通信网络独立运行［3］。

由于市场的新需求，可以认为公用共事业将日益关注的焦点转向网络通信系统。网络系统相比典型办公环境，距离更加远且难以触及，特别是在相同的网络中不同类型的应用程序对可靠性、操作和维护的要求不同。自动化系统操作随着分布式系统应用的增多也越来越多。

通信稳定性是系统可用的一个重要因素。因此，可靠的通信自动化系统必须要有一个新的结构来克服通信的问题。本文将讨论如何监测到通信故障以及网络恢复技术如何融入网络体系结构。从弹性的观点来说故障管理流程是至关重要的，因为这些流程负责定位和报告网络故障以及启动网络恢复行动。本文描述了一个光通信网络。通过使用逻辑冗余功能，网络有一个单核环形拓扑。同时描述了系统的结构、适用的算法实现和分析。评估表明，与现有的双核通信网络相比，本文提出的单核网络模型和故障管理算法在可靠性、速度和扩展性方面具有更好的性能。

1　问题模型

本文提出的单核环形配电通信网络模型如图1所示。在常规运行中，通信从Tx1到Rx1。当消息，如监视或控制特定的开关，从Tx1向网络发送信号，并从Rx1返回。可以从返回的消息检查网络的状态。耦合器的被动元器件被应用于智能电子装置和环之间，所以，当一个连接节点有通信问题，这些消息仍然可以从其他节点传输。

特定的智能电子装置可从控制中心发送到网络上的两个方向的结果来接收消息。中心单元可以接收来自Rx1和Rx2的消息。如果中央单元在一个指定的时间无法通过Rx1接收消息，它将试图从Rx2获得消息。如果传播消息从Tx1不是回到Rx1或Rx2，中央单元使用Tx2向网络中发出命令消息。通信问题可以定位于网络中的4个点：（1）智能电子装置的左边。（2）的智能电子装置的右边。（3）智能电子装置的两侧。（4）智能电子装置本身。物理线路的断开是光网络中最严重的问题。4种通信问题如图1所示。

图1　通信故障的潜在区域

中央单元可以从Tx1向Rx1以及从Tx2向Rx2发送消息。在第一种情况下的故障，当Tx1设置为主发射机，线路故障位于智能电子装置左侧简，Rx1不能接收Tx1的信号以及智能电子装置的响应消息，也没消息到达Rx2。在第二种情况下，线路故障位于右边的智能电子装置，Rx1不能接收任何消息，但Rx2可以接收来自智能电子装置的响应消息。第三个故障发生在智能电子装置本身有问题时。此时Rx1和Rx2可以分别接收到来自Tx1和Tx2的消息。这意味着Rxs可以接收轮询消息，这是一个从中央单元到智能电子装置的命令。因此，可以得出结论，通信线路没有问题。因此，智能电子装置没有必要发送确认（ACK）给信号控制中心，这是一个智能电子装置给中央单元的简单响应消息。图2演示了在故障情况下的数据流。

图2　故障场景下的数据流

2　故障管理算法

管理网络的最重要的功能在管理网络检查异常通信、定位故障边界，恢复网络操作［4］。这些应该尽可能早地完成。

在一般的网络操作中，主要收发器应该确定单向通信。如果Tx1和Rx1被选择用于主收发器，Tx2和Rx2作为一个备用收发器。中央单元通过Tx1传送轮询消息来控制和监视网络中特定的智能电子装置。最重要的是，中央单元先检查Rx1是否能接收到来自Tx1的消息。

如果Rx1不能接受轮询消息或来自智能电子装置的响应消息，中央单元执行故障管理程序和检查Rx2。如果Rx2已经收到了智能电子装置的响应消息，则故障2（智能电子装置的右侧）发生。如果没有，中央单位检查Rx2是否已经收到了通过Tx2传输的轮询消息。

如果Rx2已经收到了轮询消息和分别来自Tx2和智能电子装置的响应消息，则故障是临时的，网络可以正常运转。这种故障的另一种可能性是因为Tx1或Rx1产生故障。如果Rx2接收到了来自Tx2的轮询消息，但是没有来自智能电子装置的回应消息，那么应该再次检查Rx1是否已收到来自智能电子装置的响应消息。

（a）正常-Tx1发送数据，（b）正常-Tx2发送数据，（c）故障1（智能电子装置的左边）-Tx1发送，（d）故障1（智能电子装置的左边）-Tx2发送，（e）故障2（智能电子装置的右边）-Tx1发送，（f）故障2（智能电子装置的右边）-Tx2发送，（g）故障3（智能电子装置，调制解调器）-Tx1发送，（h）故障3（智能电子装置，调制解调器）-Tx2发送，（i）故障4（智能电子装置的两边）-Tx1发送，（j）故障4（智能电子装置的两边）-Tx2发送。

如果Rx1接收到来自智能电子装置的数据，故障发生在智能电子装置的左边（故障1），但如果Rx1没有收到数据，故障4发生，这就是最坏的情况下的故障。如果Rx2没有收到轮询消息，TX2控制通信。TX2发送和Tx1相同的轮询消息到网络中。如果Rx1和Rx2仅收到了轮询消息，网络运行良好，但智能电子装置存在一些问题。在这个情况下，准确的故障位置可以确定，因为智能电子装置的位置可以很容易找到。

在线路故障的情况下，是很难找到确切的位置的。由于线路故障引发的单向通信故障问题可以利用本文提出的算法来恢复。图3介绍了故障管理算法流程。

图3　故障管理算法流程

在下一节中将解释如何完成准确的故障定位。由于本文提出的故障管理算法可以找到网络故障位置，故障状态可分为故障1、故障2、故障3和故障4，本文将在下一节中详细描述。

为了实现该算法，中央单位管理两种类型的故障决策表。一个表是针对每一个智能电子装置，另一个是针对整个系统。中央单位使用Tx1和Rx1分别作为主要的收发器和接收器。中央单位发送轮询（命令）信息给指定的想要通信的智能电子装置。网络操作过程如表1-2所示。

表1　网络操作过程

表2　智能电子装置故障决策表

0表示正常，1表示不正常，X表示不关心。

表1显示了如何根据之前描述的变量进行故障分类。基于智能电子装置故障决策表，中央单位产生网络故障决策表。

图4说明了中央单位决定故障定位。在这个例子中，智能电子装置1，2和3都产生故障2，智能电子装置4，5，6都是故障1。中央单位根据故障决策表作决定，故障发生在智能电子装置3和4之间。如果故障恢复，根据表2将被重新设置算法。

图4　智能电子装置3和4发生故障

图5显示了故障的组合及其表内容。在这种情况下，一个故障发生在智能电子装置3，另一个故障发生在智能电子装置5和6之间。

所有的单一和组合（但独立）的故障都可以通过所提算法管理。如果两个或两个以上的故障同时发生，该算法可以找到故障区域，但是不能确定多少故障和故障发生在网络的位置。

图6显示了根据网络中的故障决策表可能发生的故障。有4种类型的故障。该算法只能发现智能电子装置2和4之间的两个或两个以上的故障。

图5　组合故障

图6　4种可能的故障对性能分析

有两种类型的轮询方法：（1）点名和（2）集中轮询［5］。本文使用点名轮询该网络，因为如果在集中轮询中，智能电子装置有故障，故障可能会传播到网络。图7显示了在一个服务器和一个智能电子装置之间的总通信时间。

图7　服务器和智能电子装置之间的轮询过程

从所有的智能电子装置收集信息所花费的总时间取决于以下因素：从服务器到智能电子装置的传播延迟（t1-t0）；轮询传输延迟（t2-t1）；智能电子装置的处理时间（t3-t2）；从智能电子装置到服务器的传播延迟（t4-t3），数据传输延迟（t5-t4）；在服务器的处理时间（t6-t5）和ACK传播延迟和传输时间（t7-t6）。可以忽略ACK传播和传输时间因为ACK消息的长度很小。由于处理时间取决于处理器，用Tproc表示这个变量。然后，可以计算与所有的智能电子装置通信所需要的总时间：

假设传播延迟的时间是需要达到的最远的智能电子装置所需要的时间，用N表示智能电子装置的数量。总的传播时间的方程如下：

总的数据传输时间，用Tt表示，是固定的。把公式（2）代入公式（1）可以得到：

参数取值如下［6］：

智能电子装置的数目=100。

光纤网络的平均距离d=23km。

传输速度R=155Mb/s。

光速度V=2×108m/sec。

平均数据长度L=10kB。

传播时延tp= d / v = 1.2 5×10- 4s e c，传输时间Tt=L/R=5.1×10-4sec，从公式（3）中，总的时间为（0.12+200×Tproc）sec。从这个结果可以看出总的响应时间依赖于智能电子装置的数量以及CPU和智能电子装置的处理时间，也可以从公式（3）中计算得到线路利用率：

当现有的配电自动化通信网络产生通信故障，故障的位置，在光纤线路或者智能电子装置，不能检测到。使用该算法以后，现有的网络故障可以被定位和固定，控制和监测通信可以继续，尽管网络中存在故障。现有的配网自动化光纤网络从可靠性的角度存在几个问题。一个关键问题是，当一个光学调制解调器有问题，它会将问题传播到网络中，导致网络重新配置。

表3　配电通信网自动化环网的比较

许多电力公司开发了配网自动化光纤网络，但他们只是应用现有的光网络技术［5］［6］。然而，电力公司的配电通信网与纯通信系统有不同的需求。从这个角度来看，本文设计了适用于电力公司的光纤网络。表3提供了一种配电通信网自动化环网的比较。

3　结语

本文提出一种单核环形配电通信网络模型，并在此模型的基础上提出了故障管理算法，并进行了定量分析。本文中的网络操作技术可以识别通信故障的原因以及避免通信网络故障。使用本文中所开发的网络系统并不仅限于配网自动化通信系统。它可以扩展到多种客户数据服务系统。本文提出的故障管理算法可以有效监测到配电通信网络中的故障，并对故障进行分类，以及在故障发生会对通信网络进行恢复，可以有效防止故障在网络中的传播。

［参考文献］

［1］GERMANN J，Willimann A.The PIA solution-cost effective acquisition and distribution of information between electr ical power supply companies in one integrated network［J］. International Council on Large Electric Systems，2000（8）：35-101.

［2SINGH U，CACERES D. An integrated approach for implementing a distribution automation system. ［J］.Transmission an d Distribution Conference and Expo，2005（5）：9-11.

［3］GUNGOR V C，LAMBERT F C. A survey on communication networks for electric system automation［J］. Computer Networks，2006（7）：877-897.

［4］MATSUMOTO Y，ONO A，HASE S，et al.Development of advanced distribution automation system using genetic algorithm［J］.Transmission and Distribution Conference and Exhibition：Asia Pacific，2012（10）：214-219.

［5］KASAJIMA T，ENDO R，WADA Y，et al.The development of the advanced distribution automation system with optical fib er network of Tokyo Electric Power Co.，Inc.，［J］.Power Engineering Society General Meeting，2004（10）：1441-1445.

［6］KIM M S，HYUN D H，CHO S K. Development of DAS using optical network［J］.Technical Report of Korea Electric Power Research Institute，2002（25）：300-301.

Monitoring and Recovery of Optical Fiber Network Fault Based on Distribution Communication Network

Jiang Longcai ，Huo Chaohui ，Bu Dongjing
（State Grid AnhuiI Chizhou Power Supply Company，Chizhou 230061，China）

Abstract:With the rapid development of distribution communication network，the reliability and stability of the communication network has become a hot spot of research. How to detect fault in a communication network and how to recover the network in the fault occurs become the key to reliable communication.Therefore，this paper proposes a single-core ring distribution network model and fault management algorithm is proposed on the basis of which，the algorithm of distribution communication network fault can be divided into four categories. First of all，fault types are determined according to the different monitoring information，on the basis of which，we can make use of fault management algorithms to restore the network.The result shows that compared with the existing communication network，single core network model and fault management algorithm proposed in this article have better performance in reliability，speed，and expansibility.

Key words:distribution communication network；optical fiber network；single-core ring；fault management

作者简介：江龙才（1968-），男，安徽池州，高级工程师；研究方向：电力信息与通信技术管理。