CN104202131A - 一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法 - Google Patents

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杨家全
李萍
冯勇
杜景琦
苏适
李维
邹京希
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Abstract

一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法，所述方法包括以下步骤：（1）利用交换机实现在传输过程中交换机内部时延的计算，并将内部时延在采样报文中予以体现；（2）配电系统内的保护装置在接收到采样报文之后根据采样值接收时间和采样报文中携带的交换机内部时延推断出采样值的准确时间，以此作为保护判别的相关依据；其中交换机硬件组成结构由FPGA功能模块（4）分别连接CPU管理模块（1）、PHY模块（2）、交换模块（3）；其中CPU管理模块（1）还与交换模块（3）连接。本发明避免了由于采样延时造成的保护误动作或者不动作的情况，提高了保护出口的准确性，具有较好的推广价值并能带来较为可观的经济效益。

Description

一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法
技术领域
本发明属于电力系统利用网络交换机提高采样传输实时性的方法技术领域。
背景技术
随着数字化变电站技术从输变电系统向供配电系统的转移，配网领域使用逐步开始使用实时传输数字采样信息的通信服务。实时数字采样利用配电系统内的相关网络元器件作为载体替换了原来传统的二次电缆来传输电压电流。配网系统内的相关交换机设备作为采样值传输的核心单元，相关报文在交换机内部的相关延时直接影响到了网络采样报文的实时性与时效性。配电终端之间以及配电终端与配电子站之间存在着部分采样数据的传输，在传输过程中可能会存在着通过交换机进行级联的情况，在级联时采样报文的传输经过了多台交换机设备势必会导致报文整体传输的时延的增大以及配电终端报文接收的滞后性。由此将会造成采样传输实时性的降低。忽略在传输过程中光纤介质上的传输时延，交换机内部的时延是决定采样传输实时性的主要因素。当交换机内部延时可测时，配电终端侧可利用报文接收时间和交换机内部延时来推测出采样报文发送的准确时刻，以此来作为相关保护动作的判断依据。
发明内容
现有的配电系统中交换机的主要应用是配电终端与采样源之间以及配电终端之间传输采样报文。传统的交换机只对报文进行存储转发。交换机存储转发的工作模式必定会带来采样接收侧采样报文的滞后性，造成采样实时性的降低。考虑到交换机存储转发的交换方式，提出一种利用交换机提高采样传输实时性的方法，针对交换机接收到的采样报文将其在交换机内部转发造成的时延信息添加到采样报文的保留字节中，采样报文接收设备如配电终端等根据报文接收时刻以及报文中所携带的交换机内部时延推断出报文发送的准确时刻，通过这种方式提高采样报文传输的实时性。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法，所述方法包括以下步骤：（1）利用交换机实现在传输过程中交换机内部时延的计算，并将内部时延在采样报文中予以体现；（2）配电系统内的保护装置在接收到采样报文之后根据采样值接收时间和采样报文中携带的交换机内部时延推断出采样值的准确时间，以此作为保护判别的相关依据；其中交换机硬件组成结构由FPGA功能模块分别连接CPU管理模块、PHY模块、交换模块；其中CPU管理模块还与交换模块连接；
其中：
CPU管理模块为以微处理器为核心的控制器，其分别与交换模块、FPGA功能模块相连接，实现对FPGA功能模块以及交换模块的相关控制；
PHY模块为物理层芯片，用于为FPGA功能模块提供对外以太网端口的接入通道； 
交换模块为交换机的核心元器件，通过串行外设接口（SPI）与CPU管理模块之间进行连接，用于从FPGA功能模块接收相关报文进行存储转发；CPU管理模块通过对交换模块中相关寄存器的读写来获取站内交换机的各个端口的转发状态以及端口的多样统计信息，例如CRC错误帧数、接收字节数、发送字节数等；
FPGA功能模块为交换模块与PHY模块之间的连接过渡，实现对报文的解析。
    本发明所述交换机能够在接收报文和发送报文的时刻利用FPGA功能模块获取时间戳t1和t2，在采样报文从交换机端口发送出去的时刻将发送时间戳和接收时间戳进行差值处理，并将其差值信息填充到采样报文SV的保留字节中去，具体实现方式为：在报文接收时刻，将SV报文中保留字段数值替换为t1- reserved field，在报文发送时刻将SV报文中保留字段替换为t2-（t1-reserved field），由此即可实现保留字段中插入传输时延△t（t2-t1）。
    本发明所述采样报文通过交换机级联传输时，交换机转发总时延可逐级累加。
本发明的有益效果：
交换机通过相关步骤计算出采样报文在其内部转发时产生的时延并将该时延在采样报文中体现，通过这种方式采样接收端的智能终端可对采样报文中相关时延信息进行处理，以此来保障采样的实时性。由于采样实时性的提高保障了配电终端装置采样的实时性，同时保障了配电终端基于采样值和采样时间进行保护动作判别的准确性，避免了由于采样延时造成的保护误动作或者不动作的情况，提高了保护出口的准确性，具有较好的推广价值并能带来较为可观的经济效益。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实现方式及具体应用方式，用来进一步解释本发明的相关原理。 
图1为本发明系统整体结构框图。
具体实施方式
见图1，一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法，所述方法包括以下步骤：（1）利用交换机实现在传输过程中交换机内部时延的计算，并将内部时延在采样报文中予以体现；（2）配电系统内的保护装置在接收到采样报文之后根据采样值接收时间和采样报文中携带的交换机内部时延推断出采样值的准确时间，以此作为保护判别的相关依据；其中交换机硬件组成结构由FPGA功能模块4分别连接CPU管理模块1、PHY模块2、交换模块3；其中CPU管理模块1还与交换模块3连接；
其中：
CPU管理模块1为以微处理器为核心的控制器，其分别与交换模块3、FPGA功能模块4相连接，实现对FPGA功能模块以及交换模块的相关控制；
PHY模块2为物理层芯片，用于为FPGA功能模块提供对外以太网端口的接入通道； 
交换模块3为交换机的核心元器件，通过串行外设接口（SPI）与CPU管理模块1之间进行连接，用于从FPGA功能模块4接收相关报文进行存储转发；CPU管理模块1通过对交换模块3中相关寄存器的读写来获取站内交换机的各个端口的转发状态以及端口的多样统计信息，例如CRC错误帧数、接收字节数、发送字节数等；
FPGA功能模块4为交换模块3与PHY模块2之间的连接过渡，实现对报文的解析。
    本发明所述交换机能够在接收报文和发送报文的时刻利用FPGA功能模块获取时间戳t1和t2，在采样报文从交换机端口发送出去的时刻将发送时间戳和接收时间戳进行差值处理，并将其差值信息填充到采样报文SV的保留字节中去，具体实现方式为：在报文接收时刻，将SV报文中保留字段数值替换为t1- reserved field，在报文发送时刻将SV报文中保留字段替换为t2-（t1-reserved field），由此即可实现保留字段中插入传输时延△t（t2-t1）。
    本发明所述采样报文通过交换机级联传输时，交换机转发总时延可逐级累加。
本发明在配网交换机接收到报文的时刻，交换机利用FPGA功能模块获取接收报文的相应时间戳并对报文的报文类型进行初步分析，如若分析出此帧报文的报文类型为SV报文时（即报文类型为0x88ba）将时间戳信息储存到SV报文的保留字节中去，报文进入交换芯片按照交换芯片设定好的转发规则进行有序转发，当报文按照相关规则从交换芯片转发出去时，报文进入FPGA功能模块。与报文进入FPGA功能模块时相同，FPGA通过箭筒和分析MII接口上的信号，在报文从交换芯片传递给FPGA功能模块时获取该时刻的时间戳，分析该报文的类型，针对类型为0x88ba的采样报文，从报文中提取该报文进入交换机时刻获取的时间戳信息,利用报文发送时间戳与报文接收时间戳进行差值计算，获取此帧报文在交换机从进入交换机到从交换机发出的这段时间作为报文在交换机内部的驻留时间。将交换机内部驻留时间信息体现在采样报文的保留字节中。
针对配网中采样报文会逐级传递可能会经过多台交换设备的情况，在计算传输过程中的驻留时间时采用叠加的方式，每经过一台具备相关功能的交换机设备时会获取报文在该设备内的驻留时间，在交换机将采样帧发送出去时采样报文保留字节中所携带的驻留时间为原报文中所携带的信息与各级交换机内部驻留时间的叠加综合，最终传输出去的采样报文中体现了在整个传输过程中经过交换机所产生的总驻留时间。
配电终端接收到交换机发出的采样报文时获取此时刻的时间戳信息并且提取报文中保留字节所携带的信息，在忽略传输过程中光纤介质上的传输时延的情况下，保留字节中的信息可近似等价为在整个传输过程中产生的一个时延。利用配电终端的接收时间戳与报文内的驻留时间可推断出较为精准的采样报文发送时刻，并与此作为智能终端保护判别的相关依据。通过这种发式进行的保护动作判别由于在整个传输过程在采样实时性的提高具有较高的准确性和说服力，避免了由于传输时延造成的保护拒动或者误动作。
本发明还可以做出多种变型和修改，例如在报文存储的基础之上实现报文的离线分析工作等，这些变型和修改均属本发明技术方案保护内容。

Claims (3)

1.一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）利用交换机实现在传输过程中交换机内部时延的计算，并将内部时延在采样报文中予以体现；（2）配电系统内的保护装置在接收到采样报文之后根据采样值接收时间和采样报文中携带的交换机内部时延推断出采样值的准确时间，以此作为保护判别的相关依据； 其中交换机硬件组成结构由FPGA功能模块（4）分别连接CPU管理模块（1）、PHY模块（2）、交换模块（3）；其中CPU管理模块（1）还与交换模块（3）连接；其中：CPU管理模块（1）为以微处理器为核心的控制器，其分别与交换模块（3）、FPGA功能模块（4）相连接，实现对FPGA功能模块以及交换模块的相关控制；
PHY模块（2）为物理层芯片，用于为FPGA功能模块提供对外以太网端口的接入通道；交换模块（3）为交换机的核心元器件，通过串行外设接口与CPU管理模块（1）之间进行连接，用于从FPGA功能模块（4）接收相关报文进行存储转发；CPU管理模块（1）通过对交换模块（3）中相关寄存器的读写来获取站内交换机的各个端口的转发状态以及端口的多样统计信息；FPGA功能模块（4）为交换模块（3）与PHY模块（2）之间的连接过渡，实现对报文的解析。
2.根据权利要求1所述的一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法，其特征在于， 所述交换机能够在接收报文和发送报文的时刻利用FPGA功能模块获取时间戳t1和t2，在采样报文从交换机端口发送出去的时刻将发送时间戳和接收时间戳进行差值处理，并将其差值信息填充到采样报文SV的保留字节中去，具体实现方式为：在报文接收时刻，将SV报文中保留字段数值替换为t1- reserved field，在报文发送时刻将SV报文中保留字段替换为t2-（t1-reserved field），由此即可实现保留字段中插入传输时延△t（t2-t1）。
3.根据权利要求1或2中所述的一种在电力配网系统中提高采样数据传输实时性的方法，其特征在于：采样报文通过交换机级联传输时，交换机转发总时延能够逐级累加。
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