光纖網(wǎng)絡(luò)故障監(jiān)測(cè)與恢復(fù)研究論文
摘要：隨著配電通信網(wǎng)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性成為研究的熱點(diǎn)。如何監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的故障以及在故障發(fā)生時(shí)如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)成為可靠通信的關(guān)鍵。為此，文章提出了一種單核環(huán)形配電通信網(wǎng)絡(luò)模型，并在此網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上提出故障管理算法，該算法將配電通信網(wǎng)中的故障分為4類，首先根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)信息確定故障的類型，之后根據(jù)不同的故障類型利用故障管理算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。評(píng)估表明，與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)相比，文章提出的單核網(wǎng)絡(luò)模型和故障管理算法在可靠性、速度和擴(kuò)展性方面具有更好的性能。
關(guān)鍵詞：配電通信網(wǎng)；光纖網(wǎng)絡(luò)；單核環(huán)形；故障管理
在過(guò)去的幾年中，大多數(shù)電力自動(dòng)化都處于電力公司變電站和企業(yè)級(jí)別[1]。其主要原因是實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化需要很高的通信成本，這樣的支出缺乏經(jīng)濟(jì)上的理由以及需要獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)。然而有很多因素正驅(qū)動(dòng)電力公司在應(yīng)用中變化。這些因素是：增加客戶期望的電能質(zhì)量和可靠性，越來(lái)越多的監(jiān)管激勵(lì)機(jī)制，增加的性能和配電自動(dòng)化通信選擇的負(fù)擔(dān)能力，增加多樣性和功能的自動(dòng)化設(shè)備和軟件[2]。一個(gè)高效、可靠和安全的通信基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)成功實(shí)施配電自動(dòng)化是至關(guān)重要的。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)必須滿足今天的需求，同時(shí)提供添加未來(lái)功能的能力。自動(dòng)化顯示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有不同的要求。大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)使用專用通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行[3]。由于市場(chǎng)的新需求，可以認(rèn)為公用共事業(yè)將日益關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比典型辦公環(huán)境，距離更加遠(yuǎn)且難以觸及，特別是在相同的網(wǎng)絡(luò)中不同類型的應(yīng)用程序?qū)煽啃�、操作和維護(hù)的要求不同。自動(dòng)化系統(tǒng)操作隨著分布式系統(tǒng)應(yīng)用的增多也越來(lái)越多。通信穩(wěn)定性是系統(tǒng)可用的一個(gè)重要因素。因此，可靠的通信自動(dòng)化系統(tǒng)必須要有一個(gè)新的結(jié)構(gòu)來(lái)克服通信的問題。本文將討論如何監(jiān)測(cè)到通信故障以及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)技術(shù)如何融入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。從彈性的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)故障管理流程是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@些流程負(fù)責(zé)定位和絡(luò)故障以及啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)行動(dòng)。本文描述了一個(gè)光通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使用邏輯冗余功能，網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)單核環(huán)形拓?fù)洹Ｍ瑫r(shí)描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、適用的算法實(shí)現(xiàn)和分析。評(píng)估表明，與現(xiàn)有的雙核通信網(wǎng)絡(luò)相比，本文提出的單核網(wǎng)絡(luò)模型和故障管理算法在可靠性、速度和擴(kuò)展性方面具有更好的性能。
1問題模型
本文提出的單核環(huán)形配電通信網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。在常規(guī)運(yùn)行中，通信從Tx1到Rx1。當(dāng)消息，如監(jiān)視或控制特定的開關(guān)，從Tx1向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)，并從Rx1返回�？梢詮姆祷氐南z查網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。耦合器的被動(dòng)元器件被應(yīng)用于智能電子裝置和環(huán)之間，所以，當(dāng)一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)有通信問題，這些消息仍然可以從其他節(jié)點(diǎn)傳輸。特定的智能電子裝置可從控制中心發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)方向的結(jié)果來(lái)接收消息。中心單元可以接收來(lái)自Rx1和Rx2的消息。如果中央單元在一個(gè)指定的時(shí)間無(wú)法通過(guò)Rx1接收消息，它將試圖從Rx2獲得消息。如果傳播消息從Tx1不是回到Rx1或Rx2，中央單元使用Tx2向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)出命令消息。通信問題可以定位于網(wǎng)絡(luò)中的4個(gè)點(diǎn)：（1）智能電子裝置的左邊。（2）的智能電子裝置的右邊。（3）智能電子裝置的兩側(cè)。（4）智能電子裝置本身。物理線路的斷開是光網(wǎng)絡(luò)中最嚴(yán)重的問題。4種通信問題如圖1所示。中央單元可以從Tx1向Rx1以及從Tx2向Rx2發(fā)送消息。在第一種情況下的故障，當(dāng)Tx1設(shè)置為主發(fā)射機(jī)，線路故障位于智能電子裝置左側(cè)簡(jiǎn)，Rx1不能接收Tx1的信號(hào)以及智能電子裝置的響應(yīng)消息，也沒消息到達(dá)Rx2。在第二種情況下，線路故障位于右邊的智能電子裝置，Rx1不能接收任何消息，但Rx2可以接收來(lái)自智能電子裝置的響應(yīng)消息。第三個(gè)故障發(fā)生在智能電子裝置本身有問題時(shí)。此時(shí)Rx1和Rx2可以分別接收到來(lái)自Tx1和Tx2的消息。這意味著Rxs可以接收輪詢消息，這是一個(gè)從中央單元到智能電子裝置的命令。因此，可以得出結(jié)論，通信線路沒有問題。因此，智能電子裝置沒有必要發(fā)送確認(rèn)（ACK）給信號(hào)控制中心，這是一個(gè)智能電子裝置給中央單元的簡(jiǎn)單響應(yīng)消息。圖2演示了在故障情況下的數(shù)據(jù)流。
2故障管理算法
管理網(wǎng)絡(luò)的最重要的功能在管理網(wǎng)絡(luò)檢查異常通信、定位故障邊界，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)操作[4]。這些應(yīng)該盡可能早地完成。在一般的網(wǎng)絡(luò)操作中，主要收發(fā)器應(yīng)該確定單向通信。如果Tx1和Rx1被選擇用于主收發(fā)器，Tx2和Rx2作為一個(gè)備用收發(fā)器。中央單元通過(guò)Tx1傳送輪詢消息來(lái)控制和監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中特定的智能電子裝置。最重要的是，中央單元先檢查Rx1是否能接收到來(lái)自Tx1的消息。如果Rx1不能接受輪詢消息或來(lái)自智能電子裝置的響應(yīng)消息，中央單元執(zhí)行故障管理程序和檢查Rx2。如果Rx2已經(jīng)收到了智能電子裝置的響應(yīng)消息，則故障2（智能電子裝置的右側(cè)）發(fā)生。如果沒有，中央單位檢查Rx2是否已經(jīng)收到了通過(guò)Tx2傳輸?shù)妮喸兿�。如果Rx2已經(jīng)收到了輪詢消息和分別來(lái)自Tx2和智能電子裝置的響應(yīng)消息，則故障是臨時(shí)的，網(wǎng)絡(luò)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這種故障的另一種可能性是因?yàn)門x1或Rx1產(chǎn)生故障。如果Rx2接收到了來(lái)自Tx2的輪詢消息，但是沒有來(lái)自智能電子裝置的回應(yīng)消息，那么應(yīng)該再次檢查Rx1是否已收到來(lái)自智能電子裝置的響應(yīng)消息。（a）正�！猅x1發(fā)送數(shù)據(jù)，（b）正�！猅x2發(fā)送數(shù)據(jù)，（c）故障1（智能電子裝置的左邊）—Tx1發(fā)送，（d）故障1（智能電子裝置的左邊）—Tx2發(fā)送，（e）故障2（智能電子裝置的右邊）—Tx1發(fā)送，（f）故障2（智能電子裝置的右邊）—Tx2發(fā)送，（g）故障3（智能電子裝置，調(diào)制解調(diào)器）—Tx1發(fā)送，（h）故障3（智能電子裝置，調(diào)制解調(diào)器）—Tx2發(fā)送，（i）故障4（智能電子裝置的兩邊）—Tx1發(fā)送，（j）故障4（智能電子裝置的兩邊）—Tx2發(fā)送。如果Rx1接收到來(lái)自智能電子裝置的數(shù)據(jù)，故障發(fā)生在智能電子裝置的左邊（故障1），但如果Rx1沒有收到數(shù)據(jù)，故障4發(fā)生，這就是最壞的`情況下的故障。
如果Rx2沒有收到輪詢消息，TX2控制通信。TX2發(fā)送和Tx1相同的輪詢消息到網(wǎng)絡(luò)中。如果Rx1和Rx2僅收到了輪詢消息，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，但智能電子裝置存在一些問題。在這個(gè)情況下，準(zhǔn)確的故障位置可以確定，因?yàn)橹悄茈娮友b置的位置可以很容易找到。在線路故障的情況下，是很難找到確切的位置的。由于線路故障引發(fā)的單向通信故障問題可以利用本文提出的算法來(lái)恢復(fù)。圖3介紹了故障管理算法流程。在下一節(jié)中將解釋如何完成準(zhǔn)確的故障定位。由于本文提出的故障管理算法可以找到網(wǎng)絡(luò)故障位置，故障狀態(tài)可分為故障1、故障2、故障3和故障4，本文將在下一節(jié)中詳細(xì)描述。為了實(shí)現(xiàn)該算法，中央單位管理兩種類型的故障決策表。一個(gè)表是針對(duì)每一個(gè)智能電子裝置，另一個(gè)是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)。中央單位使用Tx1和Rx1分別作為主要的收發(fā)器和接收器。中央單位發(fā)送輪詢（命令）信息給指定的想要通信的智能電子裝置。
網(wǎng)絡(luò)操作過(guò)程如表1—2所示。表1顯示了如何根據(jù)之前描述的變量進(jìn)行故障分類�；谥悄茈娮友b置故障決策表，中央單位產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)故障決策表。圖4說(shuō)明了中央單位決定故障定位。在這個(gè)例子中，智能電子裝置1，2和3都產(chǎn)生故障2，智能電子裝置4，5，6都是故障1。中央單位根據(jù)故障決策表作決定，故障發(fā)生在智能電子裝置3和4之間。如果故障恢復(fù)，根據(jù)表2將被重新設(shè)置算法。圖5顯示了故障的組合及其表內(nèi)容。在這種情況下，一個(gè)故障發(fā)生在智能電子裝置3，另一個(gè)故障發(fā)生在智能電子裝置5和6之間。
所有的單一和組合（但獨(dú)立）的故障都可以通過(guò)所提算法管理。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上的故障同時(shí)發(fā)生，該算法可以找到故障區(qū)域，但是不能確定多少故障和故障發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的位置。圖6顯示了根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的故障決策表可能發(fā)生的故障。有4種類型的故障。該算法只能發(fā)現(xiàn)智能電子裝置2和4之間的兩個(gè)或兩個(gè)以上的故障。有兩種類型的輪詢方法：（1）點(diǎn)名和（2）集中輪詢[5]。本文使用點(diǎn)名輪詢?cè)摼W(wǎng)絡(luò)，因?yàn)槿绻诩休喸冎校悄茈娮友b置有故障，故障可能會(huì)傳播到網(wǎng)絡(luò)。圖7顯示了在一個(gè)服務(wù)器和一個(gè)智能電子裝置之間的總通信時(shí)間。當(dāng)現(xiàn)有的配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生通信故障，故障的位置，在光纖線路或者智能電子裝置，不能檢測(cè)到。使用該算法以后，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)故障可以被定位和固定，控制和監(jiān)測(cè)通信可以繼續(xù)，盡管網(wǎng)絡(luò)中存在故障�，F(xiàn)有的配網(wǎng)自動(dòng)化光纖網(wǎng)絡(luò)從可靠性的角度存在幾個(gè)問題。一個(gè)關(guān)鍵問題是，當(dāng)一個(gè)光學(xué)調(diào)制解調(diào)器有問題，它會(huì)將問題傳播到網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重新配置。許多電力公司開發(fā)了配網(wǎng)自動(dòng)化光纖網(wǎng)絡(luò)，但他們只是應(yīng)用現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5][6]。然而，電力公司的配電通信網(wǎng)與純通信系統(tǒng)有不同的需求。從這個(gè)角度來(lái)看，本文設(shè)計(jì)了適用于電力公司的光纖網(wǎng)絡(luò)。表3提供了一種配電通信網(wǎng)自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)的比較。
3結(jié)語(yǔ)
本文提出一種單核環(huán)形配電通信網(wǎng)絡(luò)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上提出了故障管理算法，并進(jìn)行了定量分析。本文中的網(wǎng)絡(luò)操作技術(shù)可以識(shí)別通信故障的原因以及避免通信網(wǎng)絡(luò)故障。使用本文中所開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并不僅限于配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)。它可以擴(kuò)展到多種客戶數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。本文提出的故障管理算法可以有效監(jiān)測(cè)到配電通信網(wǎng)絡(luò)中的故障，并對(duì)故障進(jìn)行分類，以及在故障發(fā)生會(huì)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行恢復(fù)，可以有效防止故障在網(wǎng)絡(luò)中的傳播。
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