CN113347512A - 一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置。为了克服现有技术双机热备冗余存在成本、空间问题，环网存在同时出现两台及以上环网交换机出现故障导致的通信中断的问题；本发明设置于构成环网的工业以太网交换机中，交换机包括用于数据转发处理的交换单元，交换单元通过光路分别与前级、后级交换机通信；交换机的光路中分别设置有光功率检测模块和光开关；光功率检测模块用于检测交换机的发光功率，光开关用于对光信号进行光路的切换。本方案的装置即节省成本与空间，也能在同时出现两台及以上的环网交换机故障时保证通信质量。

Description

一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置

技术领域

本发明涉及一种交换机光路自检保护的领域，尤其涉及一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置。

背景技术

随着行业的快速发展，风力发电场通信系统的稳定性及可靠性问题显得尤为突出。风电机组与升压站之间的通信系统为各类业务系统提供支撑，包括能量管理系统、SCADA系统、视频监控系统、振动监测系统等，都需要通过通信系统对风机的运行状态信号采集和反馈。

通信系统故障，升压站将失去对风力发电机组的监视和控制，轻则会导致风力发电机组状态不可获取，严重的会出现机组批量停机事故，引起电网波动。风力发电机组的可利用率降低了，发电量减少了，也就直接影响了风力发电场的经济效益。

传统的工业以太网交换机，仅能保证其自身正常工作的情况下，通信正常。一旦出现故障，整个环网通信就会出现质量差、闪断，甚至中断等情况。随着技术的不断演变，出现了多种多样保障通信的方法，比较常见的有双机热备部署、环网架构、光纤旁路等。

双机热备部署，虽然可以实现环网中某台环网交换机发生故障，不影响整体网络通信，但是该部署方式存在以下几项致命的缺陷：

1、成本增加了一倍：所有的环网交换机都部署两套，设备成本及光缆成本等都是原来的两倍，维护成本也大大的增加。

2、故障节点增加了一倍：由于设备都存在着发生故障的可能性，设备越多，可能性就越多。

3、空间、取电位置压力增大：在塔筒和机舱内的主控柜、变流柜的空间位置是有限，设备增加一倍，使得原先就捉襟见肘的塔基变流柜、主控柜的空间、取电位置压力增大。

环网架构，虽然可以在不增加设备的情况下，提高通信的稳定性及可靠性。在整个环网中，其中一台环网交换机出现故障，环网由环状变成了链状，可以保证正常通信。但是若一个环网中出现两台（或以上）环网交换机出现故障，则这两台故障环网交换机之间的发电机组就会离线，Ring协议也不再能保障整个环网的通信都正常。

双机热备部署及环网架构都存在着一些局限性，例如，一种在中国专利文献上公开的“一种以太网实现环网冗余和网络恢复的方法”，其公告号CN101741674A，由多个交换机组成以太网环形网络，交换机在物理上连接成环，在逻辑上为链状结构，所述交换机中有且仅有一个设置为主站，主站负责控制网络逻辑结构，其他设置为从站，主站和每个从站都有两个环端口，通过各交换机环端口状态切换实现环网冗余链路备份，其实现网络冗余和恢复。该方案无法克服双机热备冗余成本和空间等问题，也无法克服因同时出现两台及以上环网交换机出现故障导致的通信中断问题。

发明内容

本发明主要解决现有技术双机热备冗余存在成本、空间问题，环网存在同时出现两台及以上环网交换机出现故障导致的通信中断的问题；提供一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，在风电工业环网交换机内增加光功率检测模块对光路质量进行监测，通过1×2光开关对光路进行旁通保护，即节省成本与空间，在同时出现两台及以上的环网交换机故障时保证通信质量。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，设置于构成环网的工业以太网交换机中，交换机包括用于数据转发处理的交换单元，交换单元通过光路分别与前级、后级交换机通信；交换机的光路中分别设置有光功率检测模块和光开关；光功率检测模块用于检测交换机的发光功率，光开关用于对光信号进行光路的切换。

当交换机自身出现发光异常时，输出光路上的光功率检测模块会检测出异常，通过光电效应，把光信号转换成电信号，电信号对光开关的电磁驱动装置发送电流，电磁驱动装置控制反射镜对信号进行切换，停止环网交换机对光信号转发，直接通过旁通光路进行传输。当环网中在两台环网交换机同时发生故障出现发光异常的情况下，则两台交换机的旁通功能都会激活，光信号不再经过交换机的交换单元处理，经过光开关反射切换光路，从旁路直接输出光信号，保证光路畅通，不影响环网中其他交换机之间的正常数据转换交换。

作为优选，所述的光开关为1×2光开关，光开关包括依次平行设置的输入端、第一输出端和第二输出端；输入端与第二输出端的正上方对称设置有固定反射组件；固定反射组件用于将从输入端进入的光信号反射至第二输出端输出；固定反射组件之间设置有活动反射组件，活动反射组件通过旋转的反射镜将光信号反射至第一输出端输出。通过旋转的反射镜对光信号进行切换，结构紧凑，占用的空间小，使用方便。

作为优选，所述的活动反射组件包括步进电机、转盘和镜面；步进电机的转轴设置在转盘的圆心处，镜面设置在转盘边缘；活动反射组件包括第一状态和第二状态，当活动反射组件处于第一状态时，镜面反射光信号，将光信号反射至第一输出端输出；当活动反射组件处于第二状态时，光信号穿过活动反射组件。通过步进电机驱动切换活动反射组件的第一状态和第二状态，用于切换光信号的光路从第一输出端输出或是从第二输出端输出。

作为优选，所述的镜面一端设置有永磁体，设置有永磁体的镜面一端在活动反射组件处于第一状态时，对应位置处设置有电磁限位件。

电磁限位件在活动反射组件处于第一状态时通电产生磁性，通过磁力吸附辅助镜面到位，同时通过磁力吸附，对镜面进行限位，保证镜面角度，确保反射后的光信号能够通过第一输出端输出。

作为优选，当活动反射组件处于第一状态时，镜面一端与电磁限位件接触，构成到位检测回路。

镜面与电磁限位件接触构成到位检测回路，通过是否构成通电回路来判断镜面是否到位，避免活动反射组件故障带来的问题，进一步确保镜面的反射角度。

作为优选，所述的镜面设置有永磁体的一端固定连接有第一电容片，永磁体设置在第一电容片上；所述的电磁限位件为与第一电容片适配的第二电容片，第二电容片中设置有电磁铁。

在活动反射组件处于第一状态时，镜面与电磁限位件构成一个电容，通过检测电容值能够判断第一电容片与第二电容片之间的相对面积，从而能够判断镜面是否到位，进一步确保镜面的反射角度。

作为优选，所述的转盘上均匀设置还有4个镜片，光信号的光路与转盘边缘相切。充分利用转盘，顺时针或逆时针旋转均能够进行光路切换。

作为优选，所述的光功率检测模块包括依次连接的半导体PN结以及放大电路；放大电路的输出端连接有控制芯片，控制芯片与光开关连接。

当环网交换机的交换单元发光异常，在光功率检测模块的半导体PN结附近会形成耗尽层。耗尽层形成使得P层和N层连接的电路开路时，产生电动势。光电效应的功能，二极管产生了光电流，由于光电流很小，不能直接用于测量或者其他用途，通过放大电路的放大后，才能被使用。

本发明的有益效果是：

1. 通过光功率检测模块对光路质量进行监测，通过光开关对光路进行旁通保护，即节省成本与空间，在同时出现两台及以上的环网交换机故障时保证通信质量。

2.光开光通过活动反射组件旋转切换光路，结构紧凑，占用的空间小，使用方便。

3. 电磁限位件在活动反射组件处于第一状态时通电产生磁性，通过磁力吸附辅助镜面到位，同时通过磁力吸附，对镜面进行限位，保证镜面角度。

4.通过接触构成通过电回路从而能够判断镜面是否到位，进一步确保镜面的反射角度。

5.通过电容值判断镜面是否到位，进一步确保镜面的反射角度。

附图说明

图1是本发明的一种交换机内部结构框图。

图2是本发明的光开关第一状态的结构示意图。

图3是本发明的光开光第二状态的结构示意图。

图4是本发明实施例一的活动反射组件结构示意图。

图5是本发明实施例二的活动反射组件结构示意图。

图中1.交换单元，2.光功率检测模块，3.光开关，4.输入端，5.第一输出端，6.第二输出端，7.固定反射组件，71.固定座，72.反射镜，8.活动反射组件，81.转盘，82.镜面，83.永磁体，84.电磁限位件，85.第一电容片，86.第二电容片。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例一：

本实施例的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，设置于构成环网的工业以太网交换机中，如图1所示，交换机包括交换处理单元1、光功率检测模块2和光开关3。

交换单元1用于数据转发处理；光功率检测模块2用于检测交换机的发光功率，光开关.用于对光信号进行光路的切换。

交换单元1通过光路分别与前级、后级交换机通信。在本实施例中，在环网交换机发送光功率正常的情况下，它通过RX1、TX1、RX2、TX2对数据进行正常转发，光信号通道分别为：RX1->RX3->交换单元->TX3->TX1； RX2->RX4->交换单元-> TX4->TX2。

当交换机自身出现发光异常时，则TX3、TX4路径上的光功率检测模块2会检测出异常，通过光电效应，把光信号转换成电信号，电信号对光开关3的驱动装置发送电流，驱动装置光开关对信号进行切换，停止环网交换机对光信号转发，直接通过旁通光路进行传输。环网交换机光路旁路分别为：RX1->RX1/TX2->光开关->TX2；RX2-> RX2/TX1>光开关->TX1。

光功率检测模块2包括依次连接的半导体PN结以及放大电路.放大电路的输出端连接有控制芯片，控制芯片与光开关3连接。

PN结是光功率检测模块的最重要组成部分。在PN结的界面上，分别存在着电子、空穴的扩散运动，形成内部一个由N区向P区的内电场，类似与电磁铁的N和S极产生的内磁场。内电场使电子和空穴与扩展运动方向相反的漂移运动，最终使的能带发生倾斜，于是会在PN区之间形成一个耗尽层。在光信号的作用下，光子的能量增加，能量积攒到一定程度，电子吸收光子的能量跃迁，产生一对空穴电子。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，电流形成。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电压。当交换机发射光异常了，产生电流电压也会随之变化，通过该过程把光信号转换成电信号。由于光电流很小，不能直接用于测量或者其他用途，所以需要通过放大电路适当的放大后，才能被使用。

当环网交换机发送的光功率低于一定数值（例如在-11dBm）时，通信就会出现异常。抵消磁光晶体产生的静态磁场的电流强度是固定的，而每个风电场的实际需求却各有不同。例如某风电场的环网交换机，对光信号强度要求严格，在环网交换机发送的光功率低于-10dBm时，判定交换机发光异常，需要在此刻激活光旁通功能。而另一个风电场的环网交换机，这一数值是-15dBm。

为调节阈值，在本实施例中，光功率检测模块2中采用程控I/V变换运放装置，在抵消光晶体产生的静态磁场所需电流强度不变的情况下，通过对电流放大倍数变化，实现可根据现场实际情况对光强度要求可调。

以光强度范围-10dBm~-15dBm可调节情况下，I/V通过改变运放电路上的电阻大小，达到放大倍数切换的效果。运放电路包含对数比转换器和线性运算放大器两个重要组成部分。由于光电检测单元输出的是微小的电流信号，对数放大器完成电流到电压的对数比转换。为了适应对光衰减需求的不同，运算放大器作为缓冲级来调节电压值。对数放大器的输出电压值和被测功率值P有简单的线性对应关系。抵消磁光晶体产生的静态磁场的电流是固定I，通过调节运放装置，某风电场环网交换机在光功率-10dBm的情况下，达到电流I；而另一个风电场环网交换机在光功率-15dBm的情况下，达到电流I。

光开关3为1×2光开关。光开关3包括依次平行设置的输入端4、第一输出端5和第二输出端6。

输入端4与第二输出端6的正上方对称设置有固定反射组件7，固定反射组件7用于将从输入端4进入的光信号反射至第二输出端6输出；固定反射组件7之间设置有活动反射组件8，活动反射组件8通过旋转的镜面将光信号反射至第一输出端5输出。

在本实施例中，固定反射组件7包括固定座71和反射镜72。反射镜72固定设置在固定座71下方。反射镜71的镜面与光信号输入方向呈45°。正常情况下，从输入端4输入的光信号经过输入端4上方的反射镜71反射到第二输出端6上方的反射镜71；再经过反射镜71反射后从第二输出端6输出。

活动反射组件8包括步进电机、转盘81和镜面82。步进电机的转轴设置在转盘81的圆心处，镜面82设置在转盘81边缘。

转盘81上均匀设置还有4个镜片82，光信号的光路与转盘81边缘相切。在活动反射组件8处于第一状态时，镜片82与光路呈45°。充分利用转盘，顺时针或逆时针旋转均能够进行光路切换。

如图2、图3所示，活动反射组件8包括第一状态和第二状态，当活动反射组件8处于第一状态时，镜面82反射光信号，将光信号反射至第一输出端5输出；当活动反射组件8处于第二状态时，光信号穿过活动反射组件8，从经过固定反射组件7反射后从第二输出端6输出。

如图4所示，镜面82一端设置有永磁体84，设置有永磁体84的镜面82一端在活动反射组件8处于第一状态时，对应位置处设置有电磁限位件84。

电磁限位件84在活动反射组件8处于第一状态时通电产生磁性，通过磁力吸附辅助镜面82到位，同时通过磁力吸附，对镜面82进行限位，保证镜面82角度，确保反射后的光信号能够通过第一输出端5输出。

当活动反射组件8处于第一状态时，镜面82一端与电磁限位件84接触，构成到位检测回路。镜面82与电磁限位件84接触构成到位检测回路，通过是否构成通电回路来判断镜面82是否到位，避免活动反射组件8故障带来的问题，进一步确保镜面的反射角度。

本实施例方案通过光功率检测模2块对光路质量进行监测，通过光开关2对光路进行旁通保护，即节省成本与空间，在同时出现两台及以上的环网交换机故障时保证通信质量。

光开光3通过活动反射组件旋转切换光路，结构紧凑，占用的空间小，使用方便。电磁限位件84在活动反射组件8处于第一状态时通电产生磁性，通过磁力吸附辅助镜面到位，同时通过磁力吸附，对镜面82进行限位，保证镜面82角度。通过接触构成通过电回路从而能够判断镜面是否到位，进一步确保镜面的反射角度。

实施例二：

本实施例的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置对活动反射组件8的到位检测进行优化。如图5所示，

镜面82设置有永磁体83的一端固定连接有第一电容片85，永磁体83设置在第一电容片85上；电磁限位件86为与第一电容片85适配的第二电容片86，第二电容片86中设置有电磁铁。

在活动反射组件8处于第一状态时，镜面82末端的第一电容片85与电磁限位件86构成一个电容，通过检测电容值能够判断第一电容片85与第二电容片86之间的相对面积，从而能够判断镜面82是否到位，进一步确保镜面的反射角度。

本实施例对活动反射组件8的到位检测进行优化，其他设置同实施例一。

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，设置于构成环网的工业以太网交换机中，交换机包括用于数据转发处理的交换单元（1），交换单元通过光路分别与前级、后级交换机通信；其特征在于，交换机的光路中分别设置有光功率检测模块（2）和光开关（3）；光功率检测模块用于检测交换机的发光功率，光开关用于对光信号进行光路的切换。

2.根据权利要求1所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，所述的光开关（3）为1×2光开关，光开关包括依次平行设置的输入端（4）、第一输出端（5）和第二输出端（6）；输入端与第二输出端的正上方对称设置有固定反射组件（7）；固定反射组件用于将从输入端进入的光信号反射至第二输出端输出；固定反射组件之间设置有活动反射组件（8），活动反射组件通过旋转的镜面将光信号反射至第一输出端输出。

3.根据权利要求2所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，所述的活动反射组件（8）包括步进电机、转盘（81）和镜面（82）；步进电机的转轴设置在转盘的圆心处，镜面设置在转盘边缘；活动反射组件包括第一状态和第二状态，当活动反射组件处于第一状态时，镜面反射光信号，将光信号反射至第一输出端（5）输出；当活动反射组件处于第二状态时，光信号穿过活动反射组件。

4.根据权利要求3所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，所述的镜面（82）一端设置有永磁体（83），设置有永磁体的镜面一端在活动反射组件（8）处于第一状态时，对应位置处设置有电磁限位件（84）。

5.根据权利要求4所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，当活动反射组件（8）处于第一状态时，镜面（82）一端与电磁限位件（84）接触，构成到位检测回路。

6.根据权利要求4所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，所述的镜面（82）设置有永磁体（83）的一端固定连接有第一电容片（85），永磁体设置在第一电容片上；所述的电磁限位件为与第一电容片适配的第二电容片（86），第二电容片中设置有电磁铁。

7.根据权利要求3或4或5或6所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，所述的转盘（81）上均匀设置还有4个镜片（82），光信号的光路与转盘边缘相切。

8.根据权利要求1所述的一种实现风电工业环网交换机光路自检及旁通保护的装置，其特征在于，所述的光功率检测模块（2）包括依次连接的半导体PN结以及放大电路；放大电路的输出端连接有控制芯片，控制芯片与光开关（3）连接。

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