溪浙特高压直流工程PROFIBUS DP通信告警分析

曾丽丽

（许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

·工程应用·

溪浙特高压直流工程PROFIBUS DP通信告警分析

曾丽丽

（许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

溪浙特高压直流输电工程在调试期间频繁出现PROFIBUS DP通信误告警，该误告警由系统对报文心跳信号的检测引发。研究发现，溪浙工程的PROFIBUS DP为多环节非同步通信系统。心跳信号在多环节非同步系统的传递过程中被改变了时间窗，形成连续多帧有相同的心跳信号的报文，造成了PROFIBUS DP通信误告警。文章详细分析了心跳信号在多环节非同步系统中传递的特性，提出可行的解决方案。该研究方法对类同结构的通信系统问题分析有一定的借鉴作用。

高压直流输电；PROFIBUS DP；多环节非同步系统；心跳信号

0 引言

溪浙特高压直流输电工程（溪浙工程）调试期间，直流站控系统频繁上报与现场层设备的PROFI⁃BUS DP通信故障。经过多方的排查问题定位为在DP通信正常的情况下，在设定的检测时间内系统检测不到报文的有效心跳信号，因而报出DP通信故障。从总体情况来说这属于一种误告警。

溪浙工程的控制保护系统主要由运行人员控制层、控制保护层、现场设备层构成［1－4］，其中DP总线是连接控制保护层和现场层设备的通信总线［5］。经研究发现，溪浙工程的DP通信由多智能非同步环节组成。在以往通信问题排查中，多数研究都集中在通信线路连接、通信协议、相关硬件的状态及通信配置等方面［6］，很少有针对通信中数据传递过程的研究。这方面的研究分析需要具备相应的专业知识，且需要对研究的控制平台系统软硬件设计有深入的了解［7］。从查询的资料来看这方面的研究基本还处在空白阶段，可参考的资料和文献也比较少。

本文以溪浙工程DP通信误告警事件为引，通过对多环节非同步系统对心跳信号的影响做深入的研究和分析，来剖析系统DP通信误告警的原因。同时也希望这一研究对其他类似通信的设计和分析起到一定借鉴作用。

1 问题分析与定位

1.1故障排查和分析

溪浙工程直流站控系统DP通信故障有如下特性：（1）故障通常持续1 s左右后自行恢复；（2）故障为单方面的DP通信故障告警，即在DP主站（直流站控系统）监测到DP故障告警，而DP从站（测控装置）未监视到对应的DP通信故障。经DP监视仪及其他调试设备对报文进行监测，在故障报警期间，双向DP通信均正常，且并未出现“真正的DP故障”。

1.1.1 DP通信心跳信号分析

PROFIBUS DP是一种应用成熟的高速现场总线技术。它采用主从通信的方式，对一定配置的系统具有通信时间稳定等特性，在工业及电力等行业被广泛使用［8］。在溪浙工程中，除开DP协议自身的检测外系统还通过应用层报文的心跳来对报文进行监测。具体检测机制如图1所示。双方的DP报文中，控制字1的最后2位为报文的心跳位。规则如下：

（1）有效心跳值为01和10；

（2）心跳由DP主站发起，心跳值按发送周期在01／10间变化；

（3）DP从站接收主站报文，如果在设定时间内心跳值没有在01／10间变化，则DP从站认为DP通信故障；

（4）DP从站将接收到的心跳值返送主站，如果在设定时间内主站接收的心跳值没有在01／10间变化，则主站认为DP通信故障。

1.1.2 DP通信心跳检测的作用

在通信领域中，心跳检测是一种常用的报文活动性检测方式，在端对端系统中，任何一个环节的心跳信号故障都能在末端被检测出来，因而非常适合用于多传输环节报文的有效性检测。溪浙工程的DP通信由多环节组成，具体组成如图2所示。在这多个环节中DP通信协议的有效检测范围为从ECM板卡的ASIC芯片到COMM板卡的ASIC芯片范围，如图2红框部分。而心跳信号检测则覆盖了整个数据传输环节，是对DP通信协议检测的良好补充。

图2 DP主站到DP从站的数据传递环节Fig.2 Data transfer links between DP master and DP slave

2 多智能环节非同步系统数据传递研究

2.1同步与异步传输特性

在控制保护系统中，通信通常不是点到点的直接传递，而是有多个中间智能传递环节。智能传递是指数据传递不仅是物理接口间的传递，而是要通过有CPU，ASIC，FPGA等具有处理能力芯片的处理和传递。在本文不对这种通信方式的优缺点及其他特性进行探讨，而专注研究多智能传递环节给“DP通信心跳告警”问题所产生的影响。

当2个系统为同步系统时，其数据经过适当处理可以完成同步传递——即完成一比一的传递，数据不会增加，也不会丢失，同时还保持着基本一样的时间窗特性。当2个系统为非同步系统时，系统间的数据传递特性就相对复杂。数据由快速系统传递给慢速系统，数据有丢失的可能，如图3所示。慢速系统因为处理速度跟不上，因而造成部分数据的丢失。如25 ms快速系统将数据传递到40 ms慢速系统时，第1，3，6帧数据被丢失。在某种特殊情况下，比如慢速系统的执行速度是快速系统的2的N次方倍（N为大于等于1的整数），对应本文研究的进行01／10跳变的心跳信号，在经过传递后就有可能一直为01或一直为10。

图3 快速系统到慢速系统的数据传递Fig.3 Data transfer from fast system to slow system

慢速系统数据传递给快速系统，数据会发生重叠，在这种传递中一般不会造成数据丢失，但因为2个互相传递的系统的时间窗特性不同，在进行数据传递后，接收方的数据的时间窗特性相对发送时的数据时间窗特性可能会发生变化。如图4所示，40 ms慢速系统将数据传递到25 ms快速系统时，报文1的数据时间窗由40 ms变成了25 ms，报文2的时间窗由40 ms变成了50 ms。

图4 慢速系统到快速系统的数据传递Fig.4 Data transfer from slow system to fast system

在DP数据的传输中，以上2种方式都会造成报文心跳信号时间窗的改变，使原始的按01，10规律跳变的心跳信号排列发生变化。

2.2溪浙问题分析

溪浙工程的DP通信中多智能环节的组成如图2所示。智能传递环节从DP主站到从站分别由EPU10，ECM－CPU，ECM－ASIC，COMM－ASIC，COMM－CPU，DPU这6个环节组成，从DP从站到主站则按反序进行数据传递。经多方测试和数据收集，故障发生系统的多个环节运行特性如表1所示。

表1中的时间为系统运行的理想周期时间，实际数据交换的时间值会有波动。ECM－CPU为循环执行任务，任务执行时间波动稍大，25 ms为一个中间值。ECM－ASIC到COMM－ASIC为同步方式，执行时间与系统配置的DP从站数量及报文长度相关，在本例中，其执行时间为30 ms左右，但如果实际挂接的DP从站数不同，该时间会稍有变化。

表1 不同环节间的运行特性Table 1 The run character of different link

图5为溪浙工程直流站控系统DP心跳信号传递特性分析图。图5中，纵栏为DP数据从主站到从站再回到主站的各个传递环节；横栏为数据传递的时间轴；以EPU10为起始，EPU10按40 ms周期发起按01，10交替变化的心跳信号，图中蓝色代表01的心跳信号，黄色代表10的心跳信号。DP心跳信号在传递的过程中，其所占据的时间窗特性发生了变化：从ECM－CPU到ECM－ASIC（快速任务到慢速任务），部分报文传递丢失造成心跳时间窗发生大的改变，在大约280 ms的时间点ECM－ASIC丢失了一个10心跳报文，形成120 ms时间窗的连续相同心跳信号的报文组；当数据最终传回EPU10时，10心跳报文由原始发出的6帧报文减少到了3帧报文，丢失了3帧，使在500 ms时间窗内，形成2次连续3帧（120 ms）心跳信号相同的报文。

实际的运行中，每个传递环节读写数据的时间点并不完全是等周期间隔。假设在EPU10读取数据的环节，360 ms节点的任务被推迟到380 ms运行，则这时读取的报文的心跳信号由10变为01，形成连续7帧（280 ms）心跳完全一样的报文。

现场监测的不同环节DP心跳信号特性如表2所示。随着通信数据在各智能环节中的传递，心跳信号由发送方40 ms的01／10规律跳变，逐渐出现有多组连续报文（120 ms）为相同心跳信号的现象。

表2 心跳信号在不同传递环节中的特性Table 2 The heartbeat signal character of different link

以上对DP多环节数据传递的分析结果与现场测试的各传递节点的报文特性非常吻合。可以认为，在通信都正常的情况下，因为DP的数据传递经过了多个不同执行周期的非同步传递环节，造成报文的关键检测信号——心跳信号的丢失和时间窗的改变，心跳信号从开始的按40 ms周期交替变化的01／10信号，变成时间窗不等的非规律交替变换的心跳信号，环节越多，信号越没有规律。在某些的条件下，形成连续多帧报文有相同心跳信号的情况。当这种连续心跳相同的报文帧出现的持续时间超过设置的检测时间时，系统判定DP通信故障，因而误发出DP通信故障的告警。出现能引发DP故障告警的报文特性的几率并不是特别高，因而一般在出现误告警后，因为后续的心跳检测都正常，故告警维系正常检测时间后就复归正常。这也和溪浙工程的“DP误告警”的状态相一致。

图5 溪浙工程“直流站控系统”DP主站到DP从站的多智能非同步环节心跳信号传递的特性分析图Fig.5 The heartbeat signal character of“DC station control system”in Xizhe HVDC project

2.3问题扩展研究

系统增加了另外一些测试项，发现当改变某一非同步传递环节的传递时间周期参数后，心跳信号的时间窗特性也会发生大的改变，在某些测试条件下当心跳信号最终传递回EPU10时，甚至能完美地还原心跳信号01／10的交替间隔的特性。

以溪浙工程不同DP通信系统为例，各子系统配置不同数量的DP从站，不同数量的DP从站改变了DP总线的通信时间［9－15］，使ECM－CPU及ECMASIC环节的运行时间各有差异，因而心跳信号最终的表现也不尽相同。表3列出了溪浙工程各子系统配置的DP从站的个数及对应的ECM－CPU，ECMASIC环节的运行时间特性。

表3 溪浙工程子系统DP从站数量及时间特性Table 3 DP slave's number and time character in Xizhe HVDC project

图5、图6和图7分别是直流站控、交流站控和站用电系统DP心跳信号传递特性分析简图。从图5可以看出，直流站控系统心跳信号的时间窗在ECM－ASIC环节变化最大，最长的连续心跳时间为120 ms。对比同样的ECM－ASIC环节，图6所示的交流站控系统中报文帧均没有丢失，心跳信号仍按40 ms的时间进行翻转。在图7所示的站用电系统中报文帧也没有丢失，但心跳时间窗有所变化，最大的心跳时间窗为60 ms。这3个系统中，直流站控心跳信号在ECM－ASIC改变最大，连续相同时间最长，导致在相同的硬件体系中直流站控系统误报DP故障几率更大。因目前研究的数据和手段有限，还不能有效总结出各环节执行时间对心跳信号影响的规律性，具体规律还有待后续研究。

3 优化及改进方案

从上文的分析可知溪浙工程直流站控系统DP通信误告警的原因由心跳信号传输特性造成，在某些条件下DP主站会接收到连续多帧时间窗超过设定故障检测时间的心跳信号相同的报文，因而报出DP通信故障。根据现场的故障现象及实验结果，可以有以下几种优化方案。

（1）适当延长对心跳信号的故障判别时间，避开对DP通信故障的误判区域。

（2）改变心跳信号的特性。在本文所讨论的系统中，心跳信号由01，10 2个交替变化的值组成，2个值丢1个就容易形成连续相同的心跳信号的报文帧。后续升级设计可考虑扩展有效心跳信号值的数量，比如扩成4个或更多的值作为有效心跳信号，这样即使中间丢失一些报文仍可避开连续多帧为同一个心跳信号的情况，从而避免心跳状态误判。这种方案在其他通信方式中已采用，效果良好。

（3）改变DP从站的配置数量来达到避开系统易发生故障误判的耦合时间点。

考虑工程实际实施的可行性、时间性等因素，溪浙工程采用第一种改进方案。经过参数修改后观察溪浙工程直流站控DP系统运行正常，不再误报DP通信故障。

图6 溪浙工程“交流站控系统”DP主站到DP从站的多智能非同步环节心跳信号传递的特性分析图Fig.6 The heartbeat signal character of“AC station control system”in Xizhe HVDC project

图7 溪浙工程“站用电系统”DP主站到DP从站的多智能非同步环节心跳信号传递的特性分析图Fig.7 The heartbeat signal character of“station power system”in Xizhe HVDC project

4 结语

通过大量研究和分析，本文找出了溪浙工程直流站控系统误报DP通信故障的原因。DP通信的多环节非同步数据传递及直流站控系统一定数量的DP从站配置，在一定的任务执行时间特性下使心跳信号通过多环节传递后，因部分帧的丢失及时间窗的改变而形成多帧连续相同心跳的报文。相同心跳报文帧出现的持续时间超过设置的心跳故障检测时间时，就会引发DP通信故障误判。

在直流输电控制保护系统中，除开PROFIBUS DP外还有多种通信系统也为多环节非同步数据传递系统。通过上文分析可知，多环节非同步数据传递在一定条件可能会造成报文的丢失或时间窗的改变，继而会影响报文的传输特性。因而在设计通信系统时，除考虑总线本身的协议外，还需考虑多传递环节对报文产生的可能影响，从系统设计的角度来规划和把关，满足通信在系统中的应用需求。

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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

曾丽丽

曾丽丽（1975—），女，广西靖西人，高级工程师，从事高压直流输电控制保护平台技术研究和开发工作。

（编辑 徐林菊）

2016－10－08；

2016－12－21