ЧЕТЫРЕХПОРТОВОЕ УСТРОЙСТВО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ДЛЯ КОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ И КОММУНИКАЦИОННАЯ СЕТЬ С ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области построения коммуникационных сетей передачи данных с резервированием и может найти применение в системах автоматизации энергообъектов, построенных по международному стандарту IEC61850 [1] с повышенными требованиями к точности временной синхронизации В частности, предлагаемое четырехпортовое устройство может быть применено для сопряжения пары кольцевых сетей в общую коммуникационную сеть, работающую по протоколу HSR международного стандарта IEC 62439-3 [2].
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно четырехпортовое устройство резервирования для сопряжения двух кольцевых сетей в единую коммуникационную сеть, и коммуникационная сеть с таким устройством [2]. При этом в объединенной сети обеспечивается кольцевое резервирование передачи данных.
Синхронизации передачи данных в известном устройстве осуществляется благодаря использованию специфического регламента передачи пакетов данных, что не позволяет обеспечить повышенные требования к точности синхронизации, предъявляемые стандартом IEC61850 (например, в соответствии с классами Т4 или Т5 указанного стандарта, точность синхронизации должна быть не хуже ±4 мкс или ±1 мкс соответственно).
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническим результатом полезной модели является повышение точности тактовой синхронизации при передаче данных в коммуникационной сети с резервированием, образованной сопряжением, по меньшей мере, двух кольцевых сетей. В случае использования полезной модели в системе автоматизации энергообъекта, построенной в соответствии со стандартом IEC 61850, обеспечивается точность синхронизации в соответствии с классом Т5.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что:
- в четырехпортовом устройстве резервирования, содержащем два соединенных между собой коммутатора пакетов данных, каждый из которых связан с двумя портами передачи данных, и блок тактовой синхронизации, дополнительно введены четыре приемника и четыре передатчика тактовых сигналов, и приемник сигнала внешней синхронизации, при этом выходы приемников и входы передатчиков подключены к блоку тактовой синхронизации, который выполнен с возможностью генерации тактового сигнала, синхронизированного выходными сигналами приемников тактовых сигналов с введением фиксированной задержки для каждого из приемников, и выдачи сгенерированного сигнала на входы передатчиков, и с возможностью трансляции выходных сигналов, по меньшей мере, двух приемников тактовых сигналов на входы соответствующих передатчиков.
- коммуникационная сеть передачи данных содержит, по меньшей мере, две кольцевые сети, каждая из которых включает узлы, в которых размещены порты передачи данных, приемники и передатчики тактовых сигналов, связанные через указанные узлы однопроводные сегменты для передачи данных и двухпроводные сегменты для передачи тактовой синхронизации, при этом коммуникационная сеть содержит предлагаемое четырехпортовое устройство резервирования, включенное в каждую из указанных кольцевых сетей в качестве ее узла.
Развития полезной модели предусматривают, что:
- устройство может быть снабжено интерфейсом конфигурирования, обеспечивающим возможность задания режимов приемников и передатчиков тактовых сигналов, величин задержки выходных сигналов приемников и разрешения или запрета трансляции тактовых сигналовмежду приемниками и передатчиками, предназначенными для подключения к одноименной кольцевой коммуникационной сети. При этом обеспечивается более высокая гибкость настройки функционирования устройств резервирования на конкретном объекте, а возможность настройки величин задержки выходных сигналов приемников позволяет дополнительно повысить обеспечиваемую точность тактовой синхронизации;
- однопроводные и двухпроводные сегменты, по меньшей мере, между двумя соседними узлами выполнены единым трехпроводным кабелем. Этим обеспечивается дополнительное сокращение количества кабелей, используемых для соединения между собой сетевых узлов коммуникационной сети, что снижает стоимость ее монтажа и эксплуатации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена схема предлагаемого ЧУР.
На фиг.2 приведена примерная схема предлагаемой коммуникационной сети с двумя кольцевыми сетями, связанными предлагаемым ЧУР.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ С УЧЕТОМ ЕЕ РАЗВИТИЯ
ЧУР 1 содержит (см. фиг.1):
- два коммутатора 2 пакетов данных, связанные между собой;
- два коммуникационных порта 3, связанные между собой коммутатором 2 и предназначенные для первой кольцевой сети;
- два коммуникационных порта 4, связанные между собой другим коммутатором 2 и предназначенных для второй кольцевой сети;
- блок 5 тактовой синхронизации;
- первый 6 и второй 7 приемники тактовых сигналов, предназначенные для первой кольцевой сети;
- первый 8 и второй 9 передатчики тактовых сигналов, предназначенные для первой кольцевой сети;
- первый 10 и второй 11 приемники тактовых сигналов, предназначенные для второй кольцевой сети;
- первый 12 и второй 13 передатчики тактовых сигналов, предназначенные для второй кольцевой сети;
- приемник 14 внешней синхронизации;
- интерфейс 15 конфигурирования.
Часть ЧУР 1, включающя в себя пару коммуникационных портов 3, пару коммуникационных портов 4 и два связанных между собой коммутатора 2 пакетов данных, функционирует аналогично устройствам «QuadBox», описанным в [2]. Работа остальной части ЧУР, включающей в себя блок 5, приемники 6, 7, 10, 11 и 14, передатчики 8, 9, 12 и 13 описана ниже.
Приемники 6, 7, 10, 11 и 14 осуществляют прием сигналов тактовой синхронизации из внешних каналов связи и трансляцию полученных сигналов блоку 5. Передатчики 8, 9, 12 и 13 транслируют полученный от блока 5 сигнал тактовой синхронизации в соответствующие кольцевые сети. При этом как приемники 6, 7, 10, 11 и 14, так и передатчики 8, 9, 12 и 13 обеспечивают практически детерминированное время выполнения операции трансляции тактового сигнала с величиной неопределенности времени выполнения операции не более ±0,01 мкс.
Функционирование блока 5 тактовой синхронизации зависит от выбранного режима работы ЧУР, которое допускает работу в одном из двух режимов: режим источника и режим ретранслятора сигналов тактовой синхронизации.
При работе ЧУР в режиме источника сигналов тактовой синхронизации блок 5 в составе устройства 1 выполняет следующие функции:
- принимает внешний сигнал приемником 14 и вводит фиксированную задержку выходного сигнала для этого приемника;
- генерирует тактовый сигнал, синхронизированный задержанным выходным сигналом приемника 14;
- выдает сгенерированный сигнал на передатчики 8, 9, 12 и 13.
При этом обеспечивается непрерывное формирование внутренней шкалы времени, ее коррекция за счет синхронизации задержанным сигналом приемника 14, формирование и трансляция выходного сигнала тактовой синхронизации на передатчики 8, 9, 12 и 13.
Введение фиксированной задержки обеспечивает компенсацию времени доставки тактового сигнала от внешнего источника синхронизации по каналу связи до устройства ЧУР. Величина указанной задержки может составлять от нуля до нескольких микросекунд и должна задаваться с дискретностью не более 0,25 мкс.
При работе ЧУР в режиме ретранслятора сигналов тактовой синхронизации функционирование блока 5 тактовой синхронизации зависит от местоположения источника тактовой синхронизации, который может находиться как в первой, так и во второй кольцевой коммуникационной сети, к которым данное устройство ЧУР подключено.
При нахождении источника тактовой синхронизации в первой кольцевой коммуникационной сети блок 5 осуществляет прием тактовых сигналов от приемников 6 и 7, при нахождении источника тактовой синхронизации во второй кольцевой коммуникационной сети - соответственно от приемников 10 и 11;
При нахождении источника тактовой синхронизации в первой кольцевой коммуникационной сети тактовый сигнал, полученный от приемника 6, транслируется на передатчик 9, а тактовый сигнал, полученный от приемника 7 - на передатчик 8. При нахождении источника тактовой синхронизации во второй кольцевой коммуникационной сети производится трансляция тактового сигнала, полученного от приемника 10, на передатчик 13, и сигнала, полученного от приемника 11 на передатчик 12.
При выполнении вышеописанных трансляций тактового сигнала блок 5 обеспечивает практически детерминированное время выполнения отдельных операций трансляции тактового сигнала (с величиной неопределенности времени выполнения операции трансляции с приемника на соответствующий передатчик не более ±0,1 мкс).
При работе ЧУР в режиме ретранслятора блок 5 выполняет следующие функции:
- вводит фиксированную задержку выходного сигнала для приемников 6 и 7 или приемников 10 и 11;
- генерирует тактовый сигнал, синхронизированный задержанными выходными сигналами соответствующих приемников;
- выдает сгенерированный сигнал на соответствующие передатчики.
При этом обеспечивается непрерывное формирование внутренней шкалы времени, ее коррекция за счет синхронизации задержанными сигналами приемников 6 и 7 или приемников 10 и 11, формирование и трансляция выходного сигнала тактовой синхронизации на передатчики 12 и 13 или на передатчики 8 и 9 в зависимости от того, в какой кольцевой сети находится источник тактовой синхронизации.
Введение фиксированной задержки сигналов приемников и в этом режиме обеспечивает компенсацию времени доставки тактового сигнала от внешнего источника синхронизации по каналу связи до устройства ЧУР.
Интерфейс 15 конфигурирования обеспечивает подключение к ЧУР внешней рабочей станции для выполнения конфигурирования устройства, в частности, настройки параметров функционирования блока 5 тактовой синхронизации. При выполнении конфигурирования ЧУР через интерфейс 15 обеспечивается:
- задание режима функционирования ЧУР - режима источника или режима ретранслятора сигналов тактовой синхронизации, а также в случае выбора режима ретранслятора - задание местоположения источника тактовой синхронизации (в первой или во второй кольцевой коммуникационной сети);
- задание величин задержки выходных сигналов для каждого из приемников 6, 7, 10, 11 и 14.
В случае задания функционирования ЧУР в режиме источника в качестве приемника синхронизирующего сигнала устанавливается один приемник 14, устанавливается запрет трансляции сигналов между всеми парами приемников и передатчиков, подключаемых к первой и второй кольцевой коммуникационной сети (пары приемник-передатчик 6-9, 7-8, 10-13, 11-12).
В случае задания функционирования ЧУР в режиме ретранслятора и задания местоположения источника тактовой синхронизации в первой кольцевой коммуникационной сети в качестве приемников синхронизирующих сигналов устанавливаются приемники 6 и 7, устанавливается разрешение трансляции синхронизирующих сигналов между парами приемников и передатчиков 6-9 и 7-8 и запрет трансляции между парами приемников и передатчиков 10-13 и 11-12. В случае задания функционирования ЧУР в режиме ретранслятора и задания местоположения источника тактовой синхронизации во второй кольцевой коммуникационной сети в качестве приемников синхронизирующих сигналов устанавливаются приемники 10 и 11, устанавливается разрешение трансляции синхронизирующих сигналов между парами приемников и передатчиков 10-13 и 11-12 и запрет трансляции между парами приемников и передатчиков 6-9 и 7-8;
Приемники 6, 7, 10, 11 и 14 и передатчики 8, 9, 12 и 13 в устройстве ЧУР могут быть реализованы на базе стандартных оптических приемников и передатчиков, например, HFBR-24×6Z и HFBR-1712TZ от производителя Avago Technologies. Блок 5 тактовой синхронизации может быть выполнен на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и высокостабильного кварцевого генератора. Интерфейс 15 конфигурирования может быть выполнен на базе стандартного Ethernet-интерфейса (IEEE 802.3).
На фиг.2 показан пример построения коммуникационной сети с резервированием, включающей в себя две кольцевые коммуникационные сети, связанные посредством четырехпортового устройства резервирования, показанного на фиг.1. Коммуникационная сеть содержит:
- внешний источник 16 сигналов тактовой синхронизации;
- однопроводные сегменты 17 и 18 для передачи данных в первой и второй кольцевой сети соответственно;
- двухпроводные сегменты 19 и 20 для двунаправленной передачи тактовых сигналов в первой и второй кольцевой сети соответственно;
- четырехпортовое устройство 1 резервирования, подключенное к сегментам 17, 19 первой кольцевой сети и к сегментам 18 и 20 второй кольцевой сети и, тем самым, включенное в каждую кольцевую сеть в качестве ее узла;
- интеллектуальные электронные устройства 21, поддерживающие включение в кольцевую коммуникационную сеть напрямую (без использования промежуточных устройств резервирования);
- интеллектуальные электронные устройства 22, не поддерживающие включение в кольцевую коммуникационную сеть, и включаемые в кольца 17 и 18 посредством узлов 23;
Сеть, представленная на фиг.2, в части передачи данных функционирует согласно [2], а в части передачи сигналов тактовой синхронизации следующим образом.
Сигнал тактовой синхронизации поступает в первую кольцевую сеть (с сегментами 19) от внешнего источника 16 (в качестве которого может выступать, к примеру, система обеспечения единого времени энергообъекта) через один из узлов 23, который функционирует в режиме источника, генерируя и отправляя сигнал тактовой синхронизации другим устройствам первой кольцевой сети, связанным сегментами 19, а также интеллектуальному электронному устройству 22, включенному в первую кольцевую сеть через данный узел 23. Прочие узлы 23 в первой кольцевой сети при получении сигнала тактовой синхронизации от соседнего узла 23 ретранслируют указанный сигнал другому соседнему узлу 23, обеспечивая, таким образом, двунаправленную передачу сигнала тактовой синхронизации по сегментам 19.
ЧУР 1 ретранслирует сигналы тактовой синхронизации из первой кольцевой сети, к которой подключен источник 16 тактовых сигналов, во вторую сеть, узлы которой связаны сегментами 20. При этом в объединенной сети обеспечивается кольцевое резервирование, как передачи данных, так и сигналов тактовой синхронизации.
Сегменты 19 и 20 для двунаправленной передачи сигналов тактовой синхронизации могут быть реализованы, к примеру, на основе волоконно-оптических сетей передачи сигналов 1PPS («one-pulse-per-second»). При этом в случае обеспечения выполнения узлами 22 и ЧУР компенсации времени доставки тактового сигнала от источника сигнала до приемника с дискретностью задания величины временной компенсации не более 0,25 мкс и с учетом указанных выше допустимых величин неопределенностей задержек, обеспечиваемых узлами 22 и ЧУР при трансляции тактовых сигналов (±0,01 мкс - неопределенность задержки, вносимая приемником или передатчиком, ±0,1 мкс - неопределенность задержки, вносимая блоком тактовой синхронизации устройства при трансляции с приемника на передатчик) обеспечивается точность тактовой синхронизации устройств в коммуникационной сети не хуже ±1 мкс.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. IEC 61850-5 «Системы и сети связи на подстанциях. Часть 5. Требования к связи для выполнения функций и эквивалентным схемам (электронных) приборов». 2003 г. (Электронный ресурс). Режим доступа http://www.standards.ru/document/3643715.aspx
2. IEC 62439-3 «Промышленные сети связи. Сети с высокой готовностью к автоматической обработке. Часть 3. Протокол параллельной избыточности (PRP) и бесшовная избыточность с высокой готовностью (HSR)». 2010 г. (Электронный ресурс). Режим доступа: http://www.standards.ru/document/4561443.aspx.