許繼電氣股份有限公司、國網(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，針對特高壓直流輸電工程中快速總線通信存在的故障檢測功能不完善的問題，基于HCM3000系統(tǒng)進行設計，通過在用戶層數(shù)據(jù)中增加用戶故障檢測協(xié)議域并在底層增加相應的處理策略，實現(xiàn)鏈路初始狀態(tài)分析、鏈路故障告警、故障及故障恢復防抖功能、報文握手及報文確認、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計原則，工程應用表明，其故障檢測和處理機制完善、高效、快速。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，電力需求日益增多；同時環(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、清潔能源基地遠離負荷中心，因而特高壓直流輸電成為了國家的戰(zhàn)略選擇。特高壓直流輸電可實現(xiàn)遠距離、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、線路造價低、調(diào)節(jié)靈活快速等優(yōu)點[1-4]。

目前，國家電網(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，計劃實現(xiàn)從中亞及中國西北地區(qū)向歐洲進行超遠距離大規(guī)模輸電[5]。如何實現(xiàn)和保障直流輸電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行成為了目前的研究熱點。

直流輸電控制保護系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分和大腦[6]，其配置復雜，使用多種總線實現(xiàn)外部和內(nèi)部設備之間的連接，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與處理機制。

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

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通信系統(tǒng)的重要組成部分，本設計基于HCM3000系統(tǒng)進行實現(xiàn)。

1.1 特高壓直流輸電控制保護系統(tǒng)

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

HCM3000是許繼自主研發(fā)的高端直流輸電控制保護通用平臺，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，功能強大，層次清晰[7]。多種硬件、外設和算法以功能塊的形式提供給用戶使用，使得工程應用人員可以把主要精力放在控制保護的具體邏輯設計上，而不用關(guān)注底層實現(xiàn)。

1.2 快速總線通信

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

直流輸電控制保護系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性有很高的要求，尤其是兩個主處理器板卡或者子系統(tǒng)之間進行傳輸時，要求能實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信號的高速傳輸，這種點對點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現(xiàn)功能的，一個完整的快速總線通信鏈路由一收一發(fā)兩個節(jié)點組成。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，橋片負責處理器和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)鏈路層故障檢測機制，這種方法在斷開通信介質(zhì)情況下，能準確檢測到鏈路的故障，但在發(fā)送方狀態(tài)機跑死或者發(fā)送任務中斷而通信物理鏈路未斷開的情況下則不能及時發(fā)現(xiàn)故障。

2）在特殊狀態(tài)下，鏈路通信會出現(xiàn)短時間內(nèi)頻繁的故障與恢復，常規(guī)快速總線故障檢測機制在此期間會顯示鏈路狀態(tài)正確與故障的頻繁切換，這顯然會增加系統(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]進去，這是不夠完整和嚴謹?shù)摹?/span>

4）有些應用中需要使用握手機制，如云廣工程的極保護與極控之間，發(fā)送方只有在接收到接收方回復的確認信號之后才會組織發(fā)送新的報文。而這些機制在應用層實現(xiàn)會增加應用程序的復雜度，因此，該功能更應該直接封裝在底層程序中實現(xiàn)。

基于這些問題，本文提出了一種低成本、易實現(xiàn)的解決方案，即通過在用戶層增加用戶故障檢測協(xié)議域（以下簡稱XHUEC域），并在底層程序中增加相關(guān)的處理策略，實現(xiàn)了快速總線通信的故障檢測與處理功能，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)恢復防抖、報文握手與報文確認機制等功能、用戶CRC數(shù)據(jù)校驗與CRC故障處理等功能。

2 快速總線通信故障檢測與處理的方法

通信協(xié)議的設計需要結(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，還應綜合考慮硬件本身的故障檢測結(jié)果，對兩者的信息進行綜合，可以保證故障診斷的快速產(chǎn)生，以使工程應用程序能據(jù)此快速的進行相關(guān)動作，如切換冗余系統(tǒng)、跳閘保護等。

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

2）易用性。

將應實現(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行相應的配置和使能，即可使用相應的功能，同時只需在功能塊的輸出接口讀取最終故障診斷結(jié)果，就能獲取鏈路實時情況并用于控制保護的判斷邏輯。這樣就將復雜的協(xié)議和故障處理機制變?yōu)榱饲逦唵蔚妮斎胼敵鼋涌凇?/span>

3）靈活性。

在具體的工程應用中，有些要求高可靠性，因此需要報文握手和確認機制；有些需要對數(shù)據(jù)進行二次校驗，因此需要用戶CRC校驗機制。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)此對鏈路故障防抖時間進行靈活設置。因此需要針對各個子功能設計使能接口，用戶根據(jù)具體使用情況選擇使用或不使用某項功能，同時提供接口供應用人員配置相關(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，本論文的設計方案需要在用戶層數(shù)據(jù)幀中增加XHUEC域，該域包含了報文信息子域、活動報文子域、報文握手子域、報文確認子域和報文CRC自校驗子域。如圖2所示。

報文信息子域含有報文基本信息，包括發(fā)送周期、報文長度、報文狀態(tài)等信息。活動報文子域可用于實現(xiàn)鏈路初始狀態(tài)分析和鏈路狀態(tài)實時檢測等功能。報文握手子域和報文確認子域配合使用，用于實現(xiàn)報文接收確認和重發(fā)功能。報文CRC自校驗子域在報文的最后，用于實現(xiàn)用戶CRC自校驗功能[9]。

圖2 增加XHUEC域的快速總線用戶報文結(jié)構(gòu)圖

2.1 報文故障檢測與防抖功能

報文故障檢測和防抖功能由接收方配置并實現(xiàn)。接收方對接收到報文XHUEC域中的活動報文子域進行檢測，若數(shù)值不在規(guī)定的范圍內(nèi)（0～127），則認為發(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)，此時屬于鏈路初始化狀態(tài)故障。若活動報文子域數(shù)值正常，則轉(zhuǎn)入圖3所示流程進行處理。方法如下。

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

2）若活動報文不更新，而此時鏈路指示正確，則啟動故障告警防抖計數(shù)器，時間到時則認為鏈路真正故障，置位鏈路故障指示位。在計時期間若出現(xiàn)1次活動報文更新的情況，則復位計數(shù)器初始值進行重新計時。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行相或，此功能由用戶編程設置。

3）若活動報文不更新，而鏈路狀態(tài)指示錯誤，則直接置位鏈路故障指示位。

4）若活動報文更新，而鏈路狀態(tài)指示錯誤，則啟動故障恢復防抖計數(shù)器，時間到則認為鏈路故障真正恢復，清零鏈路故障指示。在計時期間若出現(xiàn)1次活動報文不更新的情況，則復位計數(shù)器初始值進行重新計時。

圖3 報文故障檢測與防抖功能流程圖

2.2 通信握手與報文確認功能

發(fā)送方和接收方同時維護報文握手和確認子域，并據(jù)此實現(xiàn)報文接收確認和重發(fā)功能。用戶可以通過編程接口配置是否使用該機制。如圖4所示，在使用該機制的情況下，發(fā)送方只有