許繼電氣股份有限公司、國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司的研究人員劉威鵬、曾麗麗等，在2018年第6期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，針對(duì)特高壓直流輸電工程中快速總線通信存在的故障檢測(cè)功能不完善的問題，基于HCM3000系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過在用戶層數(shù)據(jù)中增加用戶故障檢測(cè)協(xié)議域并在底層增加相應(yīng)的處理策略，實(shí)現(xiàn)鏈路初始狀態(tài)分析、鏈路故障告警、故障及故障恢復(fù)防抖功能、報(bào)文握手及報(bào)文確認(rèn)、用戶CRC故障處理與告警等功能；并將其封裝成功能塊的形式為用戶提供靈活配置的接口和狀態(tài)與數(shù)據(jù)的輸出。該方法遵循了可靠性、易用性和靈活性的設(shè)計(jì)原則，工程應(yīng)用表明，其故障檢測(cè)和處理機(jī)制完善、高效、快速。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力需求日益增多；同時(shí)環(huán)境問題日益突出，清潔能源的使用和電能替代工作已勢(shì)在必行。但目前資源分布的情況是能源供地、清潔能源基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，因而特高壓直流輸電成為了國(guó)家的戰(zhàn)略選擇。特高壓直流輸電可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量的電能傳輸，適合大區(qū)電網(wǎng)之間的非同步連接，具有損耗小、線路造價(jià)低、調(diào)節(jié)靈活快速等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

目前，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了構(gòu)建亞歐洲際特高壓能源通道的戰(zhàn)略構(gòu)想，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)從中亞及中國(guó)西北地區(qū)向歐洲進(jìn)行超遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸電[5]。如何實(shí)現(xiàn)和保障直流輸電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行成為了目前的研究熱點(diǎn)。

直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分和大腦[6]，其配置復(fù)雜，使用多種總線實(shí)現(xiàn)外部和內(nèi)部設(shè)備之間的連接，其中使用最多的是快速總線通信，在要求數(shù)據(jù)盡可能高速傳輸?shù)那闆r下，更對(duì)數(shù)據(jù)的正確性和可靠性有苛刻的要求，需要完善的故障檢測(cè)與處理機(jī)制。

本論文針對(duì)特高壓直流輸電控制保護(hù)應(yīng)用提出了一種快速總線通信故障檢測(cè)與處理的方法，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)耐瑫r(shí)，又兼顧了可靠性和靈活性，工程應(yīng)用效果好。

1 快速總線通信技術(shù)介紹

快速總線是直流輸電控制保護(hù)通信系統(tǒng)的重要組成部分，本設(shè)計(jì)基于HCM3000系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.1 特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)

控制保護(hù)是特高壓直流輸電系統(tǒng)的核心，其對(duì)直流工程的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，因而要求相應(yīng)的平臺(tái)、設(shè)備要有極快的處理和響應(yīng)速度；要求相應(yīng)的通信方案穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、具備完善可靠的故障診斷機(jī)制。

HCM3000是許繼自主研發(fā)的高端直流輸電控制保護(hù)通用平臺(tái)，基于并行總線架構(gòu)；通過CFC圖形化的方式為工程人員提供二次編程和在線調(diào)試的功能，功能強(qiáng)大，層次清晰[7]。多種硬件、外設(shè)和算法以功能塊的形式提供給用戶使用，使得工程應(yīng)用人員可以把主要精力放在控制保護(hù)的具體邏輯設(shè)計(jì)上，而不用關(guān)注底層實(shí)現(xiàn)。

1.2 快速總線通信

直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)由極控系統(tǒng)、閥控系統(tǒng)、直流站控、交流站控、極保護(hù)、閥保護(hù)、交流濾波器保護(hù)、換流變保護(hù)系統(tǒng)等組成，其中控制主機(jī)采用雙重化冗余配置，保護(hù)主機(jī)采用三取二的冗余方案，這些子系統(tǒng)除與外部設(shè)備進(jìn)行接口外，自身內(nèi)部、子系統(tǒng)之間還需要一些快速信號(hào)的傳遞[8]。

直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性有很高的要求，尤其是兩個(gè)主處理器板卡或者子系統(tǒng)之間進(jìn)行傳輸時(shí)，要求能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信號(hào)的高速傳輸，這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)功能的，一個(gè)完整的快速總線通信鏈路由一收一發(fā)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。HCM3000中快速總線通信子板由FPGA+橋片構(gòu)成，如圖1所示。FPGA主要完成數(shù)據(jù)的高速收發(fā)和處理，橋片負(fù)責(zé)處理器和FPGA的接口。但在具體的使用中存在以下問題。

圖1 快速總線子板結(jié)構(gòu)圖

1）已有的快速總線通信只有基于硬件本身的數(shù)據(jù)鏈路層故障檢測(cè)機(jī)制，這種方法在斷開通信介質(zhì)情況下，能準(zhǔn)確檢測(cè)到鏈路的故障，但在發(fā)送方狀態(tài)機(jī)跑死或者發(fā)送任務(wù)中斷而通信物理鏈路未斷開的情況下則不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

2）在特殊狀態(tài)下，鏈路通信會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)頻繁的故障與恢復(fù)，常規(guī)快速總線故障檢測(cè)機(jī)制在此期間會(huì)顯示鏈路狀態(tài)正確與故障的頻繁切換，這顯然會(huì)增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

3）快速總線通信子板是扣在主處理器板卡上使用，其故障判斷的信息一般來自于插件本身的處理器或FPGA，并未將處理器板卡和通信插件之間傳輸?shù)墓收峡紤]進(jìn)去，這是不夠完整和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/span>

4）有些應(yīng)用中需要使用握手機(jī)制，如云廣工程的極保護(hù)與極控之間，發(fā)送方只有在接收到接收方回復(fù)的確認(rèn)信號(hào)之后才會(huì)組織發(fā)送新的報(bào)文。而這些機(jī)制在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)會(huì)增加應(yīng)用程序的復(fù)雜度，因此，該功能更應(yīng)該直接封裝在底層程序中實(shí)現(xiàn)。

基于這些問題，本文提出了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的解決方案，即通過在用戶層增加用戶故障檢測(cè)協(xié)議域（以下簡(jiǎn)稱XHUEC域），并在底層程序中增加相關(guān)的處理策略，實(shí)現(xiàn)了快速總線通信的故障檢測(cè)與處理功能，包括鏈路初始狀態(tài)分析、鏈路故障告警、鏈路故障及狀態(tài)恢復(fù)防抖、報(bào)文握手與報(bào)文確認(rèn)機(jī)制等功能、用戶CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)與CRC故障處理等功能。

2 快速總線通信故障檢測(cè)與處理的方法

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)需要結(jié)合HCM3000系統(tǒng)相關(guān)的特性和工程具體使用需求來進(jìn)行開發(fā)，具體原則如下。

1）可靠性。

可靠性既要考慮包括故障診斷的快速性，又要考慮工程使用中的穩(wěn)定性。具體的工程使用中，最終故障診斷結(jié)果除由協(xié)議判斷產(chǎn)生，還應(yīng)綜合考慮硬件本身的故障檢測(cè)結(jié)果，對(duì)兩者的信息進(jìn)行綜合，可以保證故障診斷的快速產(chǎn)生，以使工程應(yīng)用程序能據(jù)此快速的進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，如切換冗余系統(tǒng)、跳閘保護(hù)等。

穩(wěn)定性是指故障處理應(yīng)考慮通信的單次誤碼、鏈路故障產(chǎn)生和消除時(shí)的抖動(dòng)問題，在嚴(yán)格的故障診斷要求下還要考慮一定程度的容錯(cuò)性，以避免系統(tǒng)出現(xiàn)不必要和頻繁的動(dòng)作。

2）易用性。

將應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能封裝在底層程序中，并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(jìn)行相應(yīng)的配置和使能，即可使用相應(yīng)的功能，同時(shí)只需在功能塊的輸出接口讀取最終故障診斷結(jié)果，就能獲取鏈路實(shí)時(shí)情況并用于控制保護(hù)的判斷邏輯。這樣就將復(fù)雜的協(xié)議和故障處理機(jī)制變?yōu)榱饲逦?jiǎn)單的輸入輸出接口。

3）靈活性。

在具體的工程應(yīng)用中，有些要求高可靠性，因此需要報(bào)文握手和確認(rèn)機(jī)制；有些需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次校驗(yàn)，因此需要用戶CRC校驗(yàn)機(jī)制。此外，通信雙方可能使用不同的發(fā)送接收周期，故需要據(jù)此對(duì)鏈路故障防抖時(shí)間進(jìn)行靈活設(shè)置。因此需要針對(duì)各個(gè)子功能設(shè)計(jì)使能接口，用戶根據(jù)具體使用情況選擇使用或不使用某項(xiàng)功能，同時(shí)提供接口供應(yīng)用人員配置相關(guān)參數(shù)。

快速總線通信提供了原始的數(shù)據(jù)通道和基于數(shù)據(jù)鏈路層的故障診斷功能，本論文的設(shè)計(jì)方案需要在用戶層數(shù)據(jù)幀中增加XHUEC域，該域包含了報(bào)文信息子域、活動(dòng)報(bào)文子域、報(bào)文握手子域、報(bào)文確認(rèn)子域和報(bào)文CRC自校驗(yàn)子域。如圖2所示。

報(bào)文信息子域含有報(bào)文基本信息，包括發(fā)送周期、報(bào)文長(zhǎng)度、報(bào)文狀態(tài)等信息。活動(dòng)報(bào)文子域可用于實(shí)現(xiàn)鏈路初始狀態(tài)分析和鏈路狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)等功能。報(bào)文握手子域和報(bào)文確認(rèn)子域配合使用，用于實(shí)現(xiàn)報(bào)文接收確認(rèn)和重發(fā)功能。報(bào)文CRC自校驗(yàn)子域在報(bào)文的最后，用于實(shí)現(xiàn)用戶CRC自校驗(yàn)功能[9]。

圖2 增加XHUEC域的快速總線用戶報(bào)文結(jié)構(gòu)圖

2.1 報(bào)文故障檢測(cè)與防抖功能

報(bào)文故障檢測(cè)和防抖功能由接收方配置并實(shí)現(xiàn)。接收方對(duì)接收到報(bào)文XHUEC域中的活動(dòng)報(bào)文子域進(jìn)行檢測(cè)，若數(shù)值不在規(guī)定的范圍內(nèi)（0～127），則認(rèn)為發(fā)送方未與接收方建立有效連接或發(fā)送方從未發(fā)送過有效數(shù)據(jù)，此時(shí)屬于鏈路初始化狀態(tài)故障。若活動(dòng)報(bào)文子域數(shù)值正常，則轉(zhuǎn)入圖3所示流程進(jìn)行處理。方法如下。

1）若活動(dòng)報(bào)文更新，且鏈路狀態(tài)指示正確，則轉(zhuǎn)入報(bào)文送出流程。

2）若活動(dòng)報(bào)文不更新，而此時(shí)鏈路指示正確，則啟動(dòng)故障告警防抖計(jì)數(shù)器，時(shí)間到時(shí)則認(rèn)為鏈路真正故障，置位鏈路故障指示位。在計(jì)時(shí)期間若出現(xiàn)1次活動(dòng)報(bào)文更新的情況，則復(fù)位計(jì)數(shù)器初始值進(jìn)行重新計(jì)時(shí)。為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(jìn)行相或，此功能由用戶編程設(shè)置。

3）若活動(dòng)報(bào)文不更新，而鏈路狀態(tài)指示錯(cuò)誤，則直接置位鏈路故障指示位。

4）若活動(dòng)報(bào)文更新，而鏈路狀態(tài)指示錯(cuò)誤，則啟動(dòng)故障恢復(fù)防抖計(jì)數(shù)器，時(shí)間到則認(rèn)為鏈路故障真正恢復(fù)，清零鏈路故障指示。在計(jì)時(shí)期間若出現(xiàn)1次活動(dòng)報(bào)文不更新的情況，則復(fù)位計(jì)數(shù)器初始值進(jìn)行重新計(jì)時(shí)。

圖3 報(bào)文故障檢測(cè)與防抖功能流程圖

2.2 通信握手與報(bào)文確認(rèn)功能

發(fā)送方和接收方同時(shí)維護(hù)報(bào)文握手和確認(rèn)子域，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)報(bào)文接收確認(rèn)和重發(fā)功能。用戶可以通過編程接口配置是否使用該機(jī)制。如圖4所示，在使用該機(jī)制的情況下，發(fā)送方只有