光纖網絡故障監測與恢復研究論文
摘要：隨著配電通信網的快速發展，通信網絡的可靠性和穩定性成為研究的熱點。如何監測到網絡中的故障以及在故障發生時如何實現網絡的恢復成為可靠通信的關鍵。為此，文章提出了一種單核環形配電通信網絡模型，并在此網絡模型的基礎上提出故障管理算法，該算法將配電通信網中的故障分為4類，首先根據不同的監測信息確定故障的類型，之后根據不同的故障類型利用故障管理算法進行網絡恢復。評估表明，與現有的通信網絡相比，文章提出的單核網絡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。
關鍵詞：配電通信網；光纖網絡；單核環形；故障管理
在過去的幾年中，大多數電力自動化都處于電力公司變電站和企業級別[1]。其主要原因是實現配電自動化需要很高的通信成本，這樣的支出缺乏經濟上的理由以及需要獨特的技術挑戰。然而有很多因素正驅動電力公司在應用中變化。這些因素是：增加客戶期望的電能質量和可靠性，越來越多的監管激勵機制，增加的性能和配電自動化通信選擇的負擔能力，增加多樣性和功能的自動化設備和軟件[2]。一個高效、可靠和安全的通信基礎設施對成功實施配電自動化是至關重要的。配網自動化系統必須滿足今天的需求，同時提供添加未來功能的能力。自動化顯示網絡系統有不同的要求。大多數自動化系統通過使用專用通信網絡獨立運行[3]。由于市場的新需求，可以認為公用共事業將日益關注的焦點轉向網絡通信系統。網絡系統相比典型辦公環境，距離更加遠且難以觸及，特別是在相同的網絡中不同類型的應用程序對可靠性、操作和維護的要求不同。自動化系統操作隨著分布式系統應用的增多也越來越多。通信穩定性是系統可用的一個重要因素。因此，可靠的通信自動化系統必須要有一個新的結構來克服通信的問題。本文將討論如何監測到通信故障以及網絡恢復技術如何融入網絡體系結構。從彈性的觀點來說故障管理流程是至關重要的，因為這些流程負責定位和絡故障以及啟動網絡恢復行動。本文描述了一個光通信網絡。通過使用邏輯冗余功能，網絡有一個單核環形拓撲。同時描述了系統的結構、適用的算法實現和分析。評估表明，與現有的雙核通信網絡相比，本文提出的單核網絡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問題模型
本文提出的單核環形配電通信網絡模型如圖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關，從Tx1向網絡發送信號，并從Rx1返回。可以從返回的消息檢查網絡的狀態。耦合器的被動元器件被應用于智能電子裝置和環之間，所以，當一個連接節點有通信問題，這些消息仍然可以從其他節點傳輸。特定的智能電子裝置可從控制中心發送到網絡上的兩個方向的結果來接收消息。中心單元可以接收來自Rx1和Rx2的消息。如果中央單元在一個指定的時間無法通過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向網絡中發出命令消息。通信問題可以定位于網絡中的4個點：（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。物理線路的斷開是光網絡中最嚴重的問題。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發送消息。在第一種情況下的故障，當Tx1設置為主發射機，線路故障位于智能電子裝置左側簡，Rx1不能接收Tx1的信號以及智能電子裝置的響應消息，也沒消息到達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可以接收來自智能電子裝置的響應消息。第三個故障發生在智能電子裝置本身有問題時。此時Rx1和Rx2可以分別接收到來自Tx1和Tx2的消息。這意味著Rxs可以接收輪詢消息，這是一個從中央單元到智能電子裝置的命令。因此，可以得出結論，通信線路沒有問題。因此，智能電子裝置沒有必要發送確認（ACK）給信號控制中心，這是一個智能電子裝置給中央單元的簡單響應消息。圖2演示了在故障情況下的數據流。
2故障管理算法
管理網絡的最重要的功能在管理網絡檢查異常通信、定位故障邊界，恢復網絡操作[4]。這些應該盡可能早地完成。在一般的網絡操作中，主要收發器應該確定單向通信。如果Tx1和Rx1被選擇用于主收發器，Tx2和Rx2作為一個備用收發器。中央單元通過Tx1傳送輪詢消息來控制和監視網絡中特定的智能電子裝置。最重要的是，中央單元先檢查Rx1是否能接收到來自Tx1的消息。如果Rx1不能接受輪詢消息或來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）發生。如果沒有，中央單位檢查Rx2是否已經收到了通過Tx2傳輸的輪詢消息。如果Rx2已經收到了輪詢消息和分別來自Tx2和智能電子裝置的響應消息，則故障是臨時的，網絡可以正常運轉。這種故障的另一種可能性是因為Tx1或Rx1產生故障。如果Rx2接收到了來自Tx2的輪詢消息，但是沒有來自智能電子裝置的回應消息，那么應該再次檢查Rx1是否已收到來自智能電子裝置的響應消息。（a）正常—Tx1發送數據，（b）正常—Tx2發送數據，（c）故障1（智能電子裝置的左邊）—Tx1發送，（d）故障1（智能電子裝置的左邊）—Tx2發送，（e）故障2（智能電子裝置的右邊）—Tx1發送，（f）故障2（智能電子裝置的右邊）—Tx2發送，（g）故障3（智能電子裝置，調制解調器）—Tx1發送，（h）故障3（智能電子裝置，調制解調器）—Tx2發送，（i）故障4（智能電子裝置的兩邊）—Tx1發送，（j）故障4（智能電子裝置的兩邊）—Tx2發送。如果Rx1接收到來自智能電子裝置的數據，故障發生在智能電子裝置的左邊（故障1），但如果Rx1沒有收到數據，故障4發生，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發送和Tx1相同的輪詢消息到網絡中。如果Rx1和Rx2僅收到了輪詢消息，網絡運行良好，但智能電子裝置存在一些問題。在這個情況下，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。由于線路故障引發的'單向通信故障問題可以利用本文提出的算法來恢復。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絡故障位置，故障狀態可分為故障1、故障2、故障3和故障4，本文將在下一節中詳細描述。為了實現該算法，中央單位管理兩種類型的故障決策表。一個表是針對每一個智能電子裝置，另一個是針對整個系統。中央單位使用Tx1和Rx1分別作為主要的收發器和接收器。中央單位發送輪詢（命令）信息給指定的想要通信的智能電子裝置。
網絡操作過程如表1—2所示。表1顯示了如何根據之前描述的變量進行故障分類。基于智能電子裝置故障決策表，中央單位產生網絡故障決策表。圖4說明了中央單位決定故障定位。在這個例子中，智能電子裝置1，2和3都產生故障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，一個故障發生在智能電子裝置3，另一個故障發生在智能電子裝置5和6之間。
所有的單一和組合（但獨立）的故障都可以通過所提算法管理。如果兩個或兩個以上的故障同時發生，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生在網絡的位置。圖6顯示了根據網絡中的故障決策表可能發生的故障。有4種類型的故障。該算法只能發現智能電子裝置2和4之間的兩個或兩個以上的故障。有兩種類型的輪詢方法：（1）點名和（2）集中輪詢[5]。本文使用點名輪詢該網絡，因為如果在集中輪詢中，智能電子裝置有故障，故障可能會傳播到網絡。圖7顯示了在一個服務器和一個智能電子裝置之間的總通信時間。當現有的配電自動化通信網絡產生通信故障，故障的位置，在光纖線路或者智能電子裝置，不能檢測到。使用該算法以后，現有的網絡故障可以被定位和固定，控制和監測通信可以繼續，盡管網絡中存在故障。現有的配網自動化光纖網絡從可靠性的角度存在幾個問題。一個關鍵問題是，當一個光學調制解調器有問題，它會將問題傳播到網絡中，導致網絡重新配置。許多電力公司開發了配網自動化光纖網絡，但他們只是應用現有的光網絡技術[5][6]。然而，電力公司的配電通信網與純通信系統有不同的需求。從這個角度來看，本文設計了適用于電力公司的光纖網絡。表3提供了一種配電通信網自動化環網的比較。
3結語
本文提出一種單核環形配電通信網絡模型，并在此模型的基礎上提出了故障管理算法，并進行了定量分析。本文中的網絡操作技術可以識別通信故障的原因以及避免通信網絡故障。使用本文中所開發的網絡系統并不僅限于配網自動化通信系統。它可以擴展到多種客戶數據服務系統。本文提出的故障管理算法可以有效監測到配電通信網絡中的故障，并對故障進行分類，以及在故障發生會對通信網絡進行恢復，可以有效防止故障在網絡中的傳播。
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