0 引　言

随着舰船电力系统容量和规模的增大以及新型高能武器应用的增多，电力系统的安全和可靠性变得更加重要。高效可靠的电力系统是舰船发挥先进武器装备性能的可靠保障。性能优良的录波装置对保证电力系统的安全可靠运行具有非常重要的作用^[1]，成为电力监控系统的重要组成部分，可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的系统电流、电压、有功、无功以及系统频率的全过程变化现象^[2]。

电力监控录波领域应用较多的方案是故障触发录波，即满足特定触发条件（频率偏差、过流、欠压等）时，记录触发条件前后的波形信息。但由于电网运行的复杂性和触发条件的不确定性（有时故障时刻点与触发时刻点时间差不确定），触发录波不能确保对敏感波形的获取与记录。

全时段录波虽然会增加录波和存储的资源利用，但在船舶电力系统、小型发电站等阶段性执行任务的电力系统场合却有着广泛的应用需求。很多船舶一次出航的任务周期为几个月到十几个月，在该时间段内实现全周期多通道录波，能实时、完整、准确地记录电网运行过程中发生的各种状况，直观反映继电保护装置和断路器在故障过程中的动作情况^[3]，这对于电网系统的运行状况以及研究故障发生的原因具有十分重要的现实意义。波形信息为电力系统故障分析及对各种保护动作行为的分析和评价提供了主要依据，在事故的调查和分析中发挥着重要的作用^[4]，能够发现电力设备缺陷，及时消除潜在隐患，分析电网的电能质量水平，从而提升电力系统运行安全可靠性^{[5 − 6]}，提高舰船整体的水平。

录波装置一般采用前置机^[7]、后台机的组成架构，前置机与后台机之间一般采用以太网、CAN、并行总线的通信方式，后台机主要实现数据分析处理、存储。前置机一般安装于发电或配电现场，实现采样和波形发送的功能。同时录波装置作为电力监控系统的一部分，由于舰船内部空间狭小有限，电力监控系统的控制指令收发与执行、监测静态信息收发往往也在前置机中完成。这要求前置机一方面要完成多个通道的全周期波形数据信息的发送，另一方面完成电力监控系统控制指令的响应、静态监测数据的发送等任务。

1 FC-AE通信在电力监控录波中的应用

实现全时段多通道录波，需要解决两方面问题：一是全时段波形采集带来的海量数据传输；二是多通道以及同一通道不同时刻波形信息的时间戳问题。波形信息帧的长度与前置机的采样率直接相关，为了满足后台机谐波分析、故障诊断等功能，录波装置的采样率的选择要综合考虑。高的采样率加大了前置机的数据传输压力。一般录波装置最高采样率不低于5kSPS，监控系统一个前置机对应24个录波通道，采用16 bit的模数转换器，则全时段录波时1 s内需要传输的数据量（不包含控制指令、静态监测数据）为：

$ 24\times 5\;000\times 16=1.920\;{\mathrm{Mbit}}\text{，} $

(1)

当多个前置机共用一个后台机的时候，数据量会出现成倍增长。显然，传统的以太网、CAN等通信方式已经不能满足数据传输的要求，不能适应电力监控系统发展的需要。

光纤通道（Fibre Channel，FC）协议的提出与设计主要是为了满足高性能数据传输的要求^[8]，具有低延迟、高带宽、拓扑灵活、抗干扰性强等特点。光纤通道航空电子环境（Fibre Channel Avionics Environment，FC-AE）用于详细定义可用于光纤通道航空环境上的增强专用系统，主要用来支持光纤通道中各类处理器、传感器和显示器之间而预定、安全、低延迟的通信^[9]。FC-AE的传输速率可达4.25 Gb/s以上，满足多通道录波的需求，端到端的延迟不大于10 μs。

全时段多通道录波技术中采用FC-AE总线实现前置机与后台机之间的波形数据传输。同时使用FC-AE通信链路实现时间同步功能，用于解决不同通道、不同时刻波形信息的时间戳问题，使得所有波形信息按照含通道号和时间标记的帧头在前置机有序发送，在后台机有序接收和处理。

FC-AE的时间同步精度优于±80 ns，满足电力录波领域的需求。当进行时间同步时，根据在时间同步功能的角色划分，相邻设备分别作为主时钟和从时钟，其中主时钟作为授时设备，从时钟作为被授时设备。前置机作为从时钟的框图如图1所示，前置机作为主时钟的框图如图2所示。

前置机作为从时钟时，前置机会请求与FC-AE交换机进行时间同步校准，前置机与交换机之间通过多个时间同步帧交互后，前置机调整本地计时信息，并在每整秒时间输出1PPS+TOD信号到前置机的内部模块。而FC-AE交换机则根据本地计时时间信息每整秒输出1PPS+TOD信号。其中1PPS为前置机通信执行单元通过时间同步帧恢复出的1s/次的脉冲信号，该信号的边沿用于指示整秒对应的时刻，TOD为低速串口信号，用于指示具体的年、月、日、时、分、秒信息。

前置机作为主时钟时，前置机会根据本地计时时间信息每整秒输出1PPS+TOD信号，当FC-AE交换机通过多个时间同步帧完成与前置机进行时间同步对准后，FC-AE交换机会调整本地计时信息。

具体的时间同步过程为：从时钟端口在T₁时刻发起时间同步，发送同步报文（Sync），主时钟端口接收到该报文的时刻为T₂。主端口收到Sync报文后，在T₃时刻，发出延时请求报文（Delay_Req），Delay_Req报文被收到时刻为T₄。其中T₁和T₄为从时钟端口记录的时间，T₂和T₃为主时钟端口记录的时间。主时钟通过Delay_Resp消息将本次同步的T₁~T₄时间标签发送给从时钟，从时钟依据这4个时间标签进行估算。假设链路时延对称，主从时间偏差为offset，链路平均时延为delay，则有：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{T_2} - {T_1} = delay + offset}，\\ {{T_4} - {T_3} = delay - offset} 。\end{array}} \right. $

(2)

可估算出主从时钟时间偏差值为：

$ offset{\text{ = }}\frac{{{T_2} - {T_1} - {T_4} + {T_3}}}{2} 。$

(3)

从时钟根据估算的时间偏差，对本地时钟的时间进行补偿，从而实现时间同步。

2 全时段多通道录波技术 2.1 体系架构

全时段多通道技术方案采用的结构如图3所示。其中前置机主要有通信与授时单元、时钟与发送控制中心、24个波形缓存功能模块（对应24个模拟采集通道）、监控中心组成。其中监控中心实现控制指令帧的收发与静态帧的发送，与其他电力监控系统进行信息交互并响应监控指令，该模块由DSP实现。

该方案中后台机作为时间同步的主时钟，多个前置机作为时间同步的从时钟。通信与授时单元一方面通过FC-AE通信的时间同步功能实现本地前置机的时间校准，另一方面将待发送的数据经过协议层、传输层、数据链路层、物理层后通过光纤发送到FC-AE交换机。

24个波形缓存功能模块由通道波形控制单元、存储器A、存储器B组成，主要完成24个通道波形数据的无缝缓存与受控发送。时钟与发送控制中心是该录波技术的关键，它最重要的作用是实现多通道波形帧与DSP的控制指令帧、静态帧合理有序调配发送，实现录波数据与控制指令帧、静态帧共用一个通信单元。

24个波形缓存功能模块、时钟与发送控制中心、通信与授时单元均由现场可编程逻辑门阵列（FPGA）中的硬件状态机实现。

2.2 全时段多通道录波的实现

通道波形控制单元通过交替控制本缓存功能模块内存储器A、存储器B的写控制信号有效，实现对应通道的波形数据全周期无缝存储。该技术方案中单次波形缓存时间T为500 ms，前端模数转换器采样率为5 kSPS，则第1个500 ms通道波形控制单元控制存储器A写控制信号有效，同时存储器B写控制信号无效，第2个500 ms通道波形控制单元控制存储器B写控制信号有效，同时存储器A写控制信号无效，依次类推。

前置机的通信与授时单元通过FC-AE时间同步机制，获得本地前置机的1PPS与TOD信息。与此同时，时钟与发送控制中心通过1PPS与TOD信息恢复出完整时间信息（精确到微秒）并将完整时间信息实时同步到24个通道波形控制单元，24个通道波形控制单元在每次写存储器Ａ或Ｂ的第一个波形数据前，将对应的通道号和完整时间信息一同存入存储器Ａ或Ｂ。后台机可根据完整时间信息和采样率信息，恢复出每一个录波数据点对应的绝对时刻。

时钟与发送控制中心将T=500 ms的时间划分为N=24（对应波形缓存功能模块数量）个数据传输子周期，每个数据传输子周期提取一个缓存功能模块中的正常录波数据。单通道传输预留时间τ需满足下列关系：

$ T/N\geqslant \tau+\Delta\tau\text{，}且\tau > \Delta \tau。$

(4)

其中，Δτ为发送用时，定义为录波数据从时钟与发送控制中心到达通信与授时单元的所需时间长度，由时钟与发送控制中心的状态机电路决定。

在（n−1）×（τ+Δτ）~nτ+（n−1）×Δτ内（n为通道号，1$\leqslant $n$\leqslant $24），时钟与发送控制中心会置通道n的通道读取控制信号有效，此时波形通道控制单元根据情况会选取写控制信号无效的存储器，并置对应的存储器的读控制信号有效，读取存储器后将带完整时间信息的波形数据送到时钟与发送控制中心，时钟与发送控制中心添加目的地址等帧头信息后形成串行数据帧，并在n×（τ+Δτ）时刻前录波数据的发送。

本技术方案的Δτ为0.5 ms，τ为19.5 ms，即时钟与发送控制中心在0～19.5 ms内选通通道1的波形数据，并在20 ms以前完成波形数据帧的发送；在20～39.5 ms内选通通道2的波形数据，并在40 ms以前完成波形数据帧的发送，依次类推。

由于时钟与发送控制中心在单次波形缓存时间T=500 ms内只在特定数据传输子周期中启动一次对应通道波形的选通发送，前端缓存功能模块在单次波形缓存时间T=500 ms内实现交替存储，前置机实现了24个通道的全时段录波。

2.3 录波数据与静态数据的有序分配

由于舰船内部空间狭小有限，电力监控系统的控制指令收发与执行、监测静态信息收发往往也在前置机中完成。FC-AE通信的硬件成本较高，使得一个前置机往往只有一个FC-AE通信节点，实现录波数据帧与控制帧、静态帧有序分配资源成为全时段录波必须解决的问题。

全时段多通道录波装置的时钟与发送控制中心能够根据录波数据和静态数据的发送需求有序分配FC-AE信道：时钟与发送控制中心在（n−1）×（τ+Δτ）~nτ+（n−1）×Δτ传输子周期内启动通道n的波形数据发送前，首先判断监控中心是否有控制帧或静态帧正在发送，如果控制帧或静态帧正在发送，则等待控制帧或静态帧发送完毕后再设置通道n的通道读取控制信号有效。一旦有任何一个通道读取控制信号有效，则时钟发送与控制中心会设置录波发送忙标志有效，用于指示当前正在发送录波数据，监控中心识别到该信号后会暂停控制帧和静态帧的收发。

全时段多通道录波技术中还设计发送容错机制，若监控中心在录波发送忙标志有效时仍然错误的发送了控制帧或静态帧，时钟与发送控制中心会自动屏蔽当前控制帧或静态帧，仍然处理并发送波形数据。若缓存功能模块在通道读取控制信号无效时发送了波形数据，则时钟与发送控制中心会屏蔽相应通道的波形数据，保证在第n个数据传输子周期只选通通道n的波形数据。

2.4 电力监控系统全时段多通道录波

电力监控系统全时段多通道技术方案如图4所示，由8个采集控制模块（前置机）、多个FC-AE交换机、监控台（后台机）组成。该装置属于分布式录波架构，采集控制模块分布于各个交流、直流主配电板，其中前后舱以及左右弦分别布置4台，实现区域分布式录波和分布式监控组网。采集控制模块和监控台通过高速FC-AE光纤通信网络连接成一个有机的整体，共同完成电力监控系统的故障录波和分析功能。

利用FC-AE高速、高可靠通信技术，实现各个采集控制模块和监控台的数据共享和协调控制，避免了局部故障而引起整套录波装置退出运行。监控台采用多CPU核心架构，为每一个前置机分配独立的线程，实现对相应前置机的波形数据组帧、波形存储与故障识别等功能。依据式（1）可得到8台前置机在1 s内总波形数据量为15.36 Mbit，前置机内监控中心的控制帧和静态数据帧的数据量一般远小于波形数据量，而FC-AE的传输速率为4.25 Gbps，完全满足数据传输需求。

3 试验验证

使用3号交流采集控制模块作为前置机和监控台作为后台机进行试验。前置机和后台机之间通过FC-AE光纤通道进行通信。采集控制模块一方面将多个通道的全时段模拟采集数据通过FC-AE通信源源不断的发送到监控台，另一方面以2帧/s的频次将三号交流配电板各个支路的电压、功率等信息发送到监控台，同时响应监控台操作员发出的或监控台自动判断的控制指令帧，控制指令帧主要包括配电板内部断路器的远程遥操分合闸、合闸抑制操作等。

为了直观观测波形状态，外接信号源模拟配电板传感器输出的电压波形，手动控制外接电压信号通断模拟U_ab支路电压间歇失电，得到的波形如图5所示。

波形时间长度为800 ms，大于500 ms的单次波形缓存时间，说明通过FC-AE的时间同步功能将前置机多次的波形数据拼合成一个完整波形。U_ab电压波形在0～200 ms附近无波形，与外部模拟传感器的给定状态一致，U_cb的波形在800 ms内连续，同样与外部状态一致，说明作为前置机的采集控制模块将全时段多通道的波形信息发送到了监控台，作为后台机的监控台将波形数据进行了分析处理和显示存储。在多个通道进行录波的同时，监控台能够显示采集控制模块发出的静态帧，在监控台操作面板上进行断路器远程遥控分合闸操作，采集控制模块能够实时作出响应。

以上试验验证了3号交流采集控制模块作为前置机、使用FC-AE光纤通信的方案在电力监控系统中实现录波的可行性。通过在舰船电力监控系统中布置多台前置机，可实现对电力系统所有重要支路的进行录波。

4 结　语

为了能够实时、完整、准确地记录舰船电力系统在任务周期中发生的各种状况，本文提出一种全时段多通道录波设计方案，采集舰船电力系统所有重要通道的全时段波形数据并通过FC-AE高速通信发送，后台机接收完整波形数据后进行波形存储、显示和故障分析。在录波的同时，前置机的静态帧和控制指令帧不受录波过程影响。由于多个前置机按照区域分布在不同的舱段，避免了局部故障而引起整套录波装置退出运行。该录波设计方案在某型号电力监控系统得到验证，特别适用于工程应用实践。