溪浙特高壓直流工程PROFIBUS DP通信告警分析

曾麗麗

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

·工程應(yīng)用·

溪浙特高壓直流工程PROFIBUS DP通信告警分析

曾麗麗

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

溪浙特高壓直流輸電工程在調(diào)試期間頻繁出現(xiàn)PROFIBUS DP通信誤告警，該誤告警由系統(tǒng)對報文心跳信號的檢測引發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，溪浙工程的PROFIBUS DP為多環(huán)節(jié)非同步通信系統(tǒng)。心跳信號在多環(huán)節(jié)非同步系統(tǒng)的傳遞過程中被改變了時間窗，形成連續(xù)多幀有相同的心跳信號的報文，造成了PROFIBUS DP通信誤告警。文章詳細(xì)分析了心跳信號在多環(huán)節(jié)非同步系統(tǒng)中傳遞的特性，提出可行的解決方案。該研究方法對類同結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng)問題分析有一定的借鑒作用。

高壓直流輸電；PROFIBUS DP；多環(huán)節(jié)非同步系統(tǒng)；心跳信號

0 引言

溪浙特高壓直流輸電工程（溪浙工程）調(diào)試期間，直流站控系統(tǒng)頻繁上報與現(xiàn)場層設(shè)備的PROFI?BUS DP通信故障。經(jīng)過多方的排查問題定位為在DP通信正常的情況下，在設(shè)定的檢測時間內(nèi)系統(tǒng)檢測不到報文的有效心跳信號，因而報出DP通信故障。從總體情況來說這屬于一種誤告警。

溪浙工程的控制保護系統(tǒng)主要由運行人員控制層、控制保護層、現(xiàn)場設(shè)備層構(gòu)成［1－4］，其中DP總線是連接控制保護層和現(xiàn)場層設(shè)備的通信總線［5］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，溪浙工程的DP通信由多智能非同步環(huán)節(jié)組成。在以往通信問題排查中，多數(shù)研究都集中在通信線路連接、通信協(xié)議、相關(guān)硬件的狀態(tài)及通信配置等方面［6］，很少有針對通信中數(shù)據(jù)傳遞過程的研究。這方面的研究分析需要具備相應(yīng)的專業(yè)知識，且需要對研究的控制平臺系統(tǒng)軟硬件設(shè)計有深入的了解［7］。從查詢的資料來看這方面的研究基本還處在空白階段，可參考的資料和文獻也比較少。

本文以溪浙工程DP通信誤告警事件為引，通過對多環(huán)節(jié)非同步系統(tǒng)對心跳信號的影響做深入的研究和分析，來剖析系統(tǒng)DP通信誤告警的原因。同時也希望這一研究對其他類似通信的設(shè)計和分析起到一定借鑒作用。

1 問題分析與定位

1.1故障排查和分析

溪浙工程直流站控系統(tǒng)DP通信故障有如下特性：（1）故障通常持續(xù)1 s左右后自行恢復(fù)；（2）故障為單方面的DP通信故障告警，即在DP主站（直流站控系統(tǒng)）監(jiān)測到DP故障告警，而DP從站（測控裝置）未監(jiān)視到對應(yīng)的DP通信故障。經(jīng)DP監(jiān)視儀及其他調(diào)試設(shè)備對報文進行監(jiān)測，在故障報警期間，雙向DP通信均正常，且并未出現(xiàn)“真正的DP故障”。

1.1.1 DP通信心跳信號分析

PROFIBUS DP是一種應(yīng)用成熟的高速現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用主從通信的方式，對一定配置的系統(tǒng)具有通信時間穩(wěn)定等特性，在工業(yè)及電力等行業(yè)被廣泛使用［8］。在溪浙工程中，除開DP協(xié)議自身的檢測外系統(tǒng)還通過應(yīng)用層報文的心跳來對報文進行監(jiān)測。具體檢測機制如圖1所示。雙方的DP報文中，控制字1的最后2位為報文的心跳位。規(guī)則如下：

（1）有效心跳值為01和10；

（2）心跳由DP主站發(fā)起，心跳值按發(fā)送周期在01／10間變化；

（3）DP從站接收主站報文，如果在設(shè)定時間內(nèi)心跳值沒有在01／10間變化，則DP從站認(rèn)為DP通信故障；

（4）DP從站將接收到的心跳值返送主站，如果在設(shè)定時間內(nèi)主站接收的心跳值沒有在01／10間變化，則主站認(rèn)為DP通信故障。

1.1.2 DP通信心跳檢測的作用

在通信領(lǐng)域中，心跳檢測是一種常用的報文活動性檢測方式，在端對端系統(tǒng)中，任何一個環(huán)節(jié)的心跳信號故障都能在末端被檢測出來，因而非常適合用于多傳輸環(huán)節(jié)報文的有效性檢測。溪浙工程的DP通信由多環(huán)節(jié)組成，具體組成如圖2所示。在這多個環(huán)節(jié)中DP通信協(xié)議的有效檢測范圍為從ECM板卡的ASIC芯片到COMM板卡的ASIC芯片范圍，如圖2紅框部分。而心跳信號檢測則覆蓋了整個數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，是對DP通信協(xié)議檢測的良好補充。

圖2 DP主站到DP從站的數(shù)據(jù)傳遞環(huán)節(jié)Fig.2 Data transfer links between DP master and DP slave

2 多智能環(huán)節(jié)非同步系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞研究

2.1同步與異步傳輸特性

在控制保護系統(tǒng)中，通信通常不是點到點的直接傳遞，而是有多個中間智能傳遞環(huán)節(jié)。智能傳遞是指數(shù)據(jù)傳遞不僅是物理接口間的傳遞，而是要通過有CPU，ASIC，F(xiàn)PGA等具有處理能力芯片的處理和傳遞。在本文不對這種通信方式的優(yōu)缺點及其他特性進行探討，而專注研究多智能傳遞環(huán)節(jié)給“DP通信心跳告警”問題所產(chǎn)生的影響。

當(dāng)2個系統(tǒng)為同步系統(tǒng)時，其數(shù)據(jù)經(jīng)過適當(dāng)處理可以完成同步傳遞——即完成一比一的傳遞，數(shù)據(jù)不會增加，也不會丟失，同時還保持著基本一樣的時間窗特性。當(dāng)2個系統(tǒng)為非同步系統(tǒng)時，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞特性就相對復(fù)雜。數(shù)據(jù)由快速系統(tǒng)傳遞給慢速系統(tǒng)，數(shù)據(jù)有丟失的可能，如圖3所示。慢速系統(tǒng)因為處理速度跟不上，因而造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失。如25 ms快速系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳遞到40 ms慢速系統(tǒng)時，第1，3，6幀數(shù)據(jù)被丟失。在某種特殊情況下，比如慢速系統(tǒng)的執(zhí)行速度是快速系統(tǒng)的2的N次方倍（N為大于等于1的整數(shù)），對應(yīng)本文研究的進行01／10跳變的心跳信號，在經(jīng)過傳遞后就有可能一直為01或一直為10。

圖3 快速系統(tǒng)到慢速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞Fig.3 Data transfer from fast system to slow system

慢速系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞給快速系統(tǒng)，數(shù)據(jù)會發(fā)生重疊，在這種傳遞中一般不會造成數(shù)據(jù)丟失，但因為2個互相傳遞的系統(tǒng)的時間窗特性不同，在進行數(shù)據(jù)傳遞后，接收方的數(shù)據(jù)的時間窗特性相對發(fā)送時的數(shù)據(jù)時間窗特性可能會發(fā)生變化。如圖4所示，40 ms慢速系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳遞到25 ms快速系統(tǒng)時，報文1的數(shù)據(jù)時間窗由40 ms變成了25 ms，報文2的時間窗由40 ms變成了50 ms。

圖4 慢速系統(tǒng)到快速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞Fig.4 Data transfer from slow system to fast system

在DP數(shù)據(jù)的傳輸中，以上2種方式都會造成報文心跳信號時間窗的改變，使原始的按01，10規(guī)律跳變的心跳信號排列發(fā)生變化。

2.2溪浙問題分析

溪浙工程的DP通信中多智能環(huán)節(jié)的組成如圖2所示。智能傳遞環(huán)節(jié)從DP主站到從站分別由EPU10，ECM－CPU，ECM－ASIC，COMM－ASIC，COMM－CPU，DPU這6個環(huán)節(jié)組成，從DP從站到主站則按反序進行數(shù)據(jù)傳遞。經(jīng)多方測試和數(shù)據(jù)收集，故障發(fā)生系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)運行特性如表1所示。

表1中的時間為系統(tǒng)運行的理想周期時間，實際數(shù)據(jù)交換的時間值會有波動。ECM－CPU為循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行時間波動稍大，25 ms為一個中間值。ECM－ASIC到COMM－ASIC為同步方式，執(zhí)行時間與系統(tǒng)配置的DP從站數(shù)量及報文長度相關(guān)，在本例中，其執(zhí)行時間為30 ms左右，但如果實際掛接的DP從站數(shù)不同，該時間會稍有變化。

表1 不同環(huán)節(jié)間的運行特性Table 1 The run character of different link

圖5為溪浙工程直流站控系統(tǒng)DP心跳信號傳遞特性分析圖。圖5中，縱欄為DP數(shù)據(jù)從主站到從站再回到主站的各個傳遞環(huán)節(jié)；橫欄為數(shù)據(jù)傳遞的時間軸；以EPU10為起始，EPU10按40 ms周期發(fā)起按01，10交替變化的心跳信號，圖中藍(lán)色代表01的心跳信號，黃色代表10的心跳信號。DP心跳信號在傳遞的過程中，其所占據(jù)的時間窗特性發(fā)生了變化：從ECM－CPU到ECM－ASIC（快速任務(wù)到慢速任務(wù)），部分報文傳遞丟失造成心跳時間窗發(fā)生大的改變，在大約280 ms的時間點ECM－ASIC丟失了一個10心跳報文，形成120 ms時間窗的連續(xù)相同心跳信號的報文組；當(dāng)數(shù)據(jù)最終傳回EPU10時，10心跳報文由原始發(fā)出的6幀報文減少到了3幀報文，丟失了3幀，使在500 ms時間窗內(nèi)，形成2次連續(xù)3幀（120 ms）心跳信號相同的報文。

實際的運行中，每個傳遞環(huán)節(jié)讀寫數(shù)據(jù)的時間點并不完全是等周期間隔。假設(shè)在EPU10讀取數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)，360 ms節(jié)點的任務(wù)被推遲到380 ms運行，則這時讀取的報文的心跳信號由10變?yōu)?1，形成連續(xù)7幀（280 ms）心跳完全一樣的報文。

現(xiàn)場監(jiān)測的不同環(huán)節(jié)DP心跳信號特性如表2所示。隨著通信數(shù)據(jù)在各智能環(huán)節(jié)中的傳遞，心跳信號由發(fā)送方40 ms的01／10規(guī)律跳變，逐漸出現(xiàn)有多組連續(xù)報文（120 ms）為相同心跳信號的現(xiàn)象。

表2 心跳信號在不同傳遞環(huán)節(jié)中的特性Table 2 The heartbeat signal character of different link

以上對DP多環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞的分析結(jié)果與現(xiàn)場測試的各傳遞節(jié)點的報文特性非常吻合。可以認(rèn)為，在通信都正常的情況下，因為DP的數(shù)據(jù)傳遞經(jīng)過了多個不同執(zhí)行周期的非同步傳遞環(huán)節(jié)，造成報文的關(guān)鍵檢測信號——心跳信號的丟失和時間窗的改變，心跳信號從開始的按40 ms周期交替變化的01／10信號，變成時間窗不等的非規(guī)律交替變換的心跳信號，環(huán)節(jié)越多，信號越?jīng)]有規(guī)律。在某些的條件下，形成連續(xù)多幀報文有相同心跳信號的情況。當(dāng)這種連續(xù)心跳相同的報文幀出現(xiàn)的持續(xù)時間超過設(shè)置的檢測時間時，系統(tǒng)判定DP通信故障，因而誤發(fā)出DP通信故障的告警。出現(xiàn)能引發(fā)DP故障告警的報文特性的幾率并不是特別高，因而一般在出現(xiàn)誤告警后，因為后續(xù)的心跳檢測都正常，故告警維系正常檢測時間后就復(fù)歸正常。這也和溪浙工程的“DP誤告警”的狀態(tài)相一致。

圖5 溪浙工程“直流站控系統(tǒng)”DP主站到DP從站的多智能非同步環(huán)節(jié)心跳信號傳遞的特性分析圖Fig.5 The heartbeat signal character of“DC station control system”in Xizhe HVDC project

2.3問題擴展研究

系統(tǒng)增加了另外一些測試項，發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變某一非同步傳遞環(huán)節(jié)的傳遞時間周期參數(shù)后，心跳信號的時間窗特性也會發(fā)生大的改變，在某些測試條件下當(dāng)心跳信號最終傳遞回EPU10時，甚至能完美地還原心跳信號01／10的交替間隔的特性。

以溪浙工程不同DP通信系統(tǒng)為例，各子系統(tǒng)配置不同數(shù)量的DP從站，不同數(shù)量的DP從站改變了DP總線的通信時間［9－15］，使ECM－CPU及ECMASIC環(huán)節(jié)的運行時間各有差異，因而心跳信號最終的表現(xiàn)也不盡相同。表3列出了溪浙工程各子系統(tǒng)配置的DP從站的個數(shù)及對應(yīng)的ECM－CPU，ECMASIC環(huán)節(jié)的運行時間特性。

表3 溪浙工程子系統(tǒng)DP從站數(shù)量及時間特性Table 3 DP slave's number and time character in Xizhe HVDC project

圖5、圖6和圖7分別是直流站控、交流站控和站用電系統(tǒng)DP心跳信號傳遞特性分析簡圖。從圖5可以看出，直流站控系統(tǒng)心跳信號的時間窗在ECM－ASIC環(huán)節(jié)變化最大，最長的連續(xù)心跳時間為120 ms。對比同樣的ECM－ASIC環(huán)節(jié)，圖6所示的交流站控系統(tǒng)中報文幀均沒有丟失，心跳信號仍按40 ms的時間進行翻轉(zhuǎn)。在圖7所示的站用電系統(tǒng)中報文幀也沒有丟失，但心跳時間窗有所變化，最大的心跳時間窗為60 ms。這3個系統(tǒng)中，直流站控心跳信號在ECM－ASIC改變最大，連續(xù)相同時間最長，導(dǎo)致在相同的硬件體系中直流站控系統(tǒng)誤報DP故障幾率更大。因目前研究的數(shù)據(jù)和手段有限，還不能有效總結(jié)出各環(huán)節(jié)執(zhí)行時間對心跳信號影響的規(guī)律性，具體規(guī)律還有待后續(xù)研究。

3 優(yōu)化及改進方案

從上文的分析可知溪浙工程直流站控系統(tǒng)DP通信誤告警的原因由心跳信號傳輸特性造成，在某些條件下DP主站會接收到連續(xù)多幀時間窗超過設(shè)定故障檢測時間的心跳信號相同的報文，因而報出DP通信故障。根據(jù)現(xiàn)場的故障現(xiàn)象及實驗結(jié)果，可以有以下幾種優(yōu)化方案。

（1）適當(dāng)延長對心跳信號的故障判別時間，避開對DP通信故障的誤判區(qū)域。

（2）改變心跳信號的特性。在本文所討論的系統(tǒng)中，心跳信號由01，10 2個交替變化的值組成，2個值丟1個就容易形成連續(xù)相同的心跳信號的報文幀。后續(xù)升級設(shè)計可考慮擴展有效心跳信號值的數(shù)量，比如擴成4個或更多的值作為有效心跳信號，這樣即使中間丟失一些報文仍可避開連續(xù)多幀為同一個心跳信號的情況，從而避免心跳狀態(tài)誤判。這種方案在其他通信方式中已采用，效果良好。

（3）改變DP從站的配置數(shù)量來達到避開系統(tǒng)易發(fā)生故障誤判的耦合時間點。

考慮工程實際實施的可行性、時間性等因素，溪浙工程采用第一種改進方案。經(jīng)過參數(shù)修改后觀察溪浙工程直流站控DP系統(tǒng)運行正常，不再誤報DP通信故障。

圖6 溪浙工程“交流站控系統(tǒng)”DP主站到DP從站的多智能非同步環(huán)節(jié)心跳信號傳遞的特性分析圖Fig.6 The heartbeat signal character of“AC station control system”in Xizhe HVDC project

圖7 溪浙工程“站用電系統(tǒng)”DP主站到DP從站的多智能非同步環(huán)節(jié)心跳信號傳遞的特性分析圖Fig.7 The heartbeat signal character of“station power system”in Xizhe HVDC project

4 結(jié)語

通過大量研究和分析，本文找出了溪浙工程直流站控系統(tǒng)誤報DP通信故障的原因。DP通信的多環(huán)節(jié)非同步數(shù)據(jù)傳遞及直流站控系統(tǒng)一定數(shù)量的DP從站配置，在一定的任務(wù)執(zhí)行時間特性下使心跳信號通過多環(huán)節(jié)傳遞后，因部分幀的丟失及時間窗的改變而形成多幀連續(xù)相同心跳的報文。相同心跳報文幀出現(xiàn)的持續(xù)時間超過設(shè)置的心跳故障檢測時間時，就會引發(fā)DP通信故障誤判。

在直流輸電控制保護系統(tǒng)中，除開PROFIBUS DP外還有多種通信系統(tǒng)也為多環(huán)節(jié)非同步數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)。通過上文分析可知，多環(huán)節(jié)非同步數(shù)據(jù)傳遞在一定條件可能會造成報文的丟失或時間窗的改變，繼而會影響報文的傳輸特性。因而在設(shè)計通信系統(tǒng)時，除考慮總線本身的協(xié)議外，還需考慮多傳遞環(huán)節(jié)對報文產(chǎn)生的可能影響，從系統(tǒng)設(shè)計的角度來規(guī)劃和把關(guān)，滿足通信在系統(tǒng)中的應(yīng)用需求。

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Analysis of PROFIBUS DP Alarm in Xizhe HVDC Project

ZENG Lili
（XJ Electric Co.，Ltd，Xuchang 461000，China）

In Xizhe HVDC project the PROFIBUS DP communication false alarm occurs frequently，which is triggered by the detection of the heartbeat signal.It is found that the PROFIBUS DP communication system is a multi?link asynchronous system. The time window of the heartbeat signal is changed by the data transfer in the multi?link asynchronous system，and the continuous multi?frame has the same heartbeat signal，which causes the false alarm of PROFIBUS DP.In this paper，the characteristics of heartbeat signal transmission in multi?link asynchronous system are analyzed in detail.The research method can be applied to similar structure commnunication systems.

HVDC；PROFIBUS DP；multi?link asynchronous system；heartbeat signal

TM721.1

：A

：2096－3203（2017）02－0038－05

曾麗麗

曾麗麗（1975—），女，廣西靖西人，高級工程師，從事高壓直流輸電控制保護平臺技術(shù)研究和開發(fā)工作。

（編輯 徐林菊）

2016－10－08；

2016－12－21