光纖網(wǎng)絡(luò )故障監測與恢復研究論文
摘要：隨著(zhù)配電通信網(wǎng)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò )的可靠性和穩定性成為研究的熱點(diǎn)。如何監測到網(wǎng)絡(luò )中的故障以及在故障發(fā)生時(shí)如何實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的恢復成為可靠通信的關(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(lèi)，首先根據不同的監測信息確定故障的類(lèi)型，之后根據不同的故障類(lèi)型利用故障管理算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )恢復。評估表明，與現有的通信網(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，大多數電力自動(dòng)化都處于電力公司變電站和企業(yè)級別[1]。其主要原因是實(shí)現配電自動(dòng)化需要很高的通信成本，這樣的支出缺乏經(jīng)濟上的理由以及需要獨特的技術(shù)挑戰。然而有很多因素正驅動(dòng)電力公司在應用中變化。這些因素是：增加客戶(hù)期望的電能質(zhì)量和可靠性，越來(lái)越多的監管激勵機制，增加的性能和配電自動(dòng)化通信選擇的負擔能力，增加多樣性和功能的自動(dòng)化設備和軟件[2]。一個(gè)高效、可靠和安全的通信基礎設施對成功實(shí)施配電自動(dòng)化是至關(guān)重要的。配網(wǎng)自動(dòng)化系統必須滿(mǎn)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 )系統有不同的要求。大多數自動(dòng)化系統通過(guò)使用專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )獨立運行[3]。由于市場(chǎng)的新需求，可以認為公用共事業(yè)將日益關(guān)注的焦點(diǎn)轉向網(wǎng)絡(luò )通信系統。網(wǎng)絡(luò )系統相比典型辦公環(huán)境，距離更加遠且難以觸及，特別是在相同的網(wǎng)絡(luò )中不同類(lèi)型的應用程序對可靠性、操作和維護的要求不同。自動(dòng)化系統操作隨著(zhù)分布式系統應用的增多也越來(lái)越多。通信穩定性是系統可用的一個(gè)重要因素。因此，可靠的通信自動(dòng)化系統必須要有一個(gè)新的結構來(lái)克服通信的問(wèn)題。本文將討論如何監測到通信故障以及網(wǎng)絡(luò )恢復技術(shù)如何融入網(wǎng)絡(luò )體系結構。從彈性的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)故障管理流程是至關(guān)重要的，因為這些流程負責定位和絡(luò )故障以及啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )恢復行動(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)形拓撲。同時(shí)描述了系統的結構、適用的算法實(shí)現和分析。評估表明，與現有的雙核通信網(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、速度和擴展性方面具有更好的性能。
1問(wèn)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。在常規運行中，通信從Tx1到Rx1。當消息，如監視或控制特定的開(kāi)關(guān)，從Tx1向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送信號，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)元器件被應用于智能電子裝置和環(huán)之間，所以，當一個(gè)連接節點(diǎn)有通信問(wèn)題，這些消息仍然可以從其他節點(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(wèn)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。（4）智能電子裝置本身。物理線(xiàn)路的斷開(kāi)是光網(wǎng)絡(luò )中最嚴重的問(wèn)題。4種通信問(wèn)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Tx1設置為主發(fā)射機，線(xiàn)路故障位于智能電子裝置左側簡(jiǎn)，Rx1不能接收Tx1的信號以及智能電子裝置的響應消息，也沒(méi)消息到達Rx2。在第二種情況下，線(xiàn)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消息。第三個(gè)故障發(fā)生在智能電子裝置本身有問(wèn)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(zhù)Rxs可以接收輪詢(xún)消息，這是一個(gè)從中央單元到智能電子裝置的命令。因此，可以得出結論，通信線(xiàn)路沒(méi)有問(wèn)題。因此，智能電子裝置沒(méi)有必要發(fā)送確認（ACK）給信號控制中心，這是一個(gè)智能電子裝置給中央單元的簡(jiǎn)單響應消息。圖2演示了在故障情況下的數據流。
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，恢復網(wǎng)絡(luò )操作[4]。這些應該盡可能早地完成。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(xún)消息來(lái)控制和監視網(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(xún)消息或來(lái)自智能電子裝置的響應消息，中央單元執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消息，則故障2（智能電子裝置的右側）發(fā)生。如果沒(méi)有，中央單位檢查Rx2是否已經(jīng)收到了通過(guò)Tx2傳輸的輪詢(xún)消息。如果Rx2已經(jīng)收到了輪詢(xún)消息和分別來(lái)自Tx2和智能電子裝置的響應消息，則故障是臨時(shí)的，網(wǎng)絡(luò )可以正常運轉。這種故障的另一種可能性是因為T(mén)x1或Rx1產(chǎn)生故障。如果Rx2接收到了來(lái)自Tx2的輪詢(xún)消息，但是沒(méi)有來(lái)自智能電子裝置的回應消息，那么應該再次檢查Rx1是否已收到來(lái)自智能電子裝置的響應消息。（a）正�！猅x1發(fā)送數據，（b）正�！猅x2發(fā)送數據，（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，調制解調器）—Tx1發(fā)送，（h）故障3（智能電子裝置，調制解調器）—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據，故障發(fā)生在智能電子裝置的左邊（故障1），但如果Rx1沒(méi)有收到數據，故障4發(fā)生，這就是最壞的`情況下的故障。
如果Rx2沒(méi)有收到輪詢(xún)消息，TX2控制通信。TX2發(fā)送和Tx1相同的輪詢(xún)消息到網(wǎng)絡(luò )中。如果Rx1和Rx2僅收到了輪詢(xún)消息，網(wǎng)絡(luò )運行良好，但智能電子裝置存在一些問(wèn)題。在這個(gè)情況下，準確的故障位置可以確定，因為智能電子裝置的位置可以很容易找到。在線(xiàn)路故障的情況下，是很難找到確切的位置的。由于線(xiàn)路故障引發(fā)的單向通信故障問(wèn)題可以利用本文提出的算法來(lái)恢復。圖3介紹了故障管理算法流程。在下一節中將解釋如何完成準確的故障定位。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，本文將在下一節中詳細描述。為了實(shí)現該算法，中央單位管理兩種類(lèi)型的故障決策表。一個(gè)表是針對每一個(gè)智能電子裝置，另一個(gè)是針對整個(gè)系統。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(xún)（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顯示了如何根據之前描述的變量進(jìn)行故障分類(lèi)�；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，根據表2將被重新設置算法。圖5顯示了故障的組合及其表內容。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顯示了根據網(wǎng)絡(luò )中的故障決策表可能發(fā)生的故障。有4種類(lèi)型的故障。該算法只能發(fā)現智能電子裝置2和4之間的兩個(gè)或兩個(gè)以上的故障。有兩種類(lèi)型的輪詢(xún)方法：（1）點(diǎn)名和（2）集中輪詢(xún)[5]。本文使用點(diǎn)名輪詢(xún)該網(wǎng)絡(luò )，因為如果在集中輪詢(xún)中，智能電子裝置有故障，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。當現有的配電自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生通信故障，故障的位置，在光纖線(xiàn)路或者智能電子裝置，不能檢測到。使用該算法以后，現有的網(wǎng)絡(luò )故障可以被定位和固定，控制和監測通信可以繼續，盡管網(wǎng)絡(luò )中存在故障�，F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(wèn)題。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，當一個(gè)光學(xué)調制解調器有問(wèn)題，它會(huì )將問(wèn)題傳播到網(wǎng)絡(luò )中，導致網(wǎng)絡(luò )重新配置。許多電力公司開(kāi)發(fā)了配網(wǎng)自動(dòng)化光纖網(wǎng)絡(luò )，但他們只是應用現有的光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)[5][6]。然而，電力公司的配電通信網(wǎng)與純通信系統有不同的需求。從這個(gè)角度來(lái)看，本文設計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(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )系統并不僅限于配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統。它可以擴展到多種客戶(hù)數據服務(wù)系統。本文提出的故障管理算法可以有效監測到配電通信網(wǎng)絡(luò )中的故障，并對故障進(jìn)行分類(lèi)，以及在故障發(fā)生會(huì )對通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行恢復，可以有效防止故障在網(wǎng)絡(luò )中的傳播。
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