CN102282776B - 通信方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提高通过非确定性通信信道的通信的可靠性，并且特别适合电力系统中的变电站间远距离保护。基于常规网络业务来监测通信信道，即，通过评估携带作为有效载荷的实时操作数据的数据分组或消息来进行。包括发现信道质量不充分的情况下的适当告警的信道质量的持久确定基于在接收节点对发送节点连续传送的数据分组的评估。这些连续或重复传送的数据分组可包括反映当前状态而不是状态变化的相同有效载荷作为操作数据。

Description

通信方法和系统
技术领域
本发明涉及公用事业通信领域，具体来说，涉及电力公用事业企业的远距离站点之间的实时操作数据的传递。它基于现有技术的通信方法。
背景技术
电力公用事业或传输系统运营商拥有并操作将诸如电源和变电站之类的站点进行互连的电力传输网络，这些站点尽管相互远离大约100km或以上，但也必须按照一种方式或另一种方式来协调。在其公用事业通信系统上，各种消息通过公用事业的远距离站点之间的长距离通信链路来传递，以便安全传送和分配电能。对于这些消息的一部分，具体来说对于远距离保护命令，传送与接收器之间的传输延迟至关重要，并且不应当超过数毫秒,最高达大约10毫秒。
又称作远距离保护装置的专用远程跳闸装置或保护信号传输装置一般用于高压和中压电网及系统中的远距离保护方案和差动保护方案的保护或开关命令。保护命令例如引起断路器直接或间接断开，并且因此引起网络或系统的所选部分的电气断开。相反，其它保护命令引起防止或阻塞远程站中断路器的断开。为了使保护命令从电力传输或分配网络的一个点传送到另一个点，远程跳闸装置中的传送器按照保护命令来产生信号，所述信号经由物理信号链路来传送。另一个远程跳闸装置中的接收器检测所传送信号，并且确定保护命令的对应数量和性质。物理信号链路可包括无线电波或光纤，但是优选地，保护信号通过模拟或数字通信系统的语音信道、领示线(pilotwire)、模拟租赁线或者甚至高电压电力传输线来传送，后者称作电力线通信(PLC)。
US2003/081634A1涉及经由两个变电站之间的专用音频电信链路并且包括以确定性的方式从发送方连续传送给接收方的时分复用帧的常规音频单音远距离保护。在发送方，将特殊成帧模式(8比特的预先选择模式)插入各帧的最后一个时隙，因而降低可用于操作数据的带宽。如果在接收方没有反复检测到已知成帧模式，则将主要的(override)信息信号插入解帧数据流，以便防止噪声信号产生错误输出状态。
为了通过长距离将消息从一个站点传送到另一个站点，公用事业可依靠具有非确定性行为的公共或专有通信网络。在这个上下文中，广域通信网(WAN)指定分组交换通信网络，它将公用事业的两个站点进行互连并且包括具有诸如路由器、交换机、转发器以及在物理层的可能光传输介质之类的特定网络元件的多个IP网络。WAN一般非常可靠，但是，所述网络元件可引起不规则网络延迟、偶然比特差错和固有的链路故障，这些全部促成网络的非确定性行为。在具有携带目的地地址的单独数据分组的分组交换网络中，通信信道或特定网络元件上的高负荷可能导致增加的延迟或分组丢失，而链路故障因路由器的重新配置而会引起延迟。
对于时间关键的应用，增加的延迟或分组丢失可引起系统的失灵。对于电力事业，在最坏情况下，如果跳闸信号被延迟，则会对变电站发生重大损坏。WAN还会是(包括例如在路由器之一处有意插入错误命令的)入侵的未必但可能有害动作的目标。因此，包括WAN的任何通信信道可被认为是非确定性或者非同步并且非安全的。非确定性通信用于命令和控制意味着无法保证输送，也无法保证分组所采取的实际通信路径。具体来说，因特网的使用增加关键控制系统通信故障的风险，因为针对其它实体的攻击可能极大地影响使用这个路径或者共享接触因特网的资源的任何控制通信。
按常规，专用远距离保护系统通过专用循环测试消息来监测通信系统的状态和延迟,其按如下所述进行操作：两个站A和B经由通信链路连接。站A向站B传送特殊消息，站B对其进行接收，并且立即向站A回送“回声(echo)”。当站A接收到这个“回声”时，它知道通信链路正在工作，并且它还能够测量传输延迟(循环测试消息从A传播到B并且回到A所需时间的一半)。循环测试消息通常每几小时发送一次，相应地，无法检测到实时的传输延迟的变化。
备选地，能够使用IEEE1588(IEEE标准1588-2002、组网测量和控制系统的准确时钟同步协议的IEEE标准、又称作准确时间协议PTP)中规定的延迟测量方法，以便监测通信系统的状态和/或可用性。诸如IEEE1588之类的标准双向时间同步协议定义用于经由诸如局域网(LAN)之类的通信网络使装置高准确性地(好于一微秒)同步的方法。
在基于IP的语音(VoIP)领域中，语音呼叫通过因特网协议(IP)网络来路由，并且服务质量(QoS)是服务提供商与最终用户之间的重要问题。在这个上下文中，以及更一般地为了实时数据传输，ISO-OSI层参考模型中的实时协议(RTP)规定例如RTP分组中编码语音数据的封装。将RTP分组传递给传输层，并且进一步传递给因特网协议(IP)网络层。在传输层，数据传输系统可使用可靠协议(例如传输控制协议TCP)或者不可靠协议(例如用户数据报协议UDP)。前者确保所有分组到达接收器，但是因协议开销而要求更大带宽，并且它引入更大延迟。可靠传输协议通常测量往返延迟，以便从其中得出何时应当重复消息。另一方面，不可靠协议是轻便且更快速的，但是数据流可易遇到分组丢失。
在专利申请US2007/0230361A1中，提供一种用于监测经由其传送实时VoIP数据的分组交换网络的方法。嗅探(sniff)包含实时数据的数据分组，以便监测QoS参数。QoS参数包括出口延迟、入口延迟、抖动、往返延迟、分组丢失、吞吐量、瞬时信号丢失和累计内容丢失其中之一。在与VoIP相关的另一个专利申请US2002/105909中，只要在评估分组丢失数据的同时对于暂时效果进行调整的平滑算法产生可接受值，则呼叫继续通过IP网络来路由。另一方面，如果该值超过阈值，则QoS监测器阻塞通过IP网络的路由，并且通过诸如交换电路网络(SCN)之类的备选网络来路由呼叫。
发明内容
因此，本发明的一个目的是使公用事业、尤其是电力事业能够有效利用非确定性通信信道在公用事业的远距离站点之间交换实时操作数据。这个目的通过本发明的通信方法和通信系统来实现。本申请也描述了其它优选实施例。
按照本发明，包括具有分组交换通信的广域网(WAN)(例如因特网协议(IP)网络)的非确定性通信信道基于常规网络业务来监测，即，通过评估携带作为有效载荷的实时操作数据的连续发送的数据分组来进行。因此，不要求确定性通信信道中的带宽的持久占用，也不存在采取在非确定性信道上生成的测试消息或消息副本形式的任何附加开销网络业务，并且实现对通信信道的最少使用或干扰。包括发现信道质量不充分的情况下的适当告警的信道质量的持久确定和监测基于在接收节点对发送节点连续传送的数据分组的评估。这些连续或重复传送的数据分组可包括反映当前状态而不是状态变化的相同有效载荷作为操作数据。最后，提高没有消息确认的情况下通过非确定性信道的通信的可靠性
该通信方法最有利地用于电力系统中，其中数据分组包括用于保护电力系统的两个站点之间的电力线的保护命令，并且其中站点是电源、电力接收器(powersink)或变电站。电力线的保护可以是远距离保护方案或差动保护方案，并且产生例如在远程站点的开关装置的阻塞、未阻塞或准许状态。重复传送的数据分组可被看作是取代常规远距离保护信道中的常规防护信号(guardsignal)。
在一个优选变体中，接收节点将信道可用性确定为二进制的且可快速更新的信道质量量度。为此，接收节点检验是否实际接收到具有预计类型的有效载荷的数据分组，以及接连接收的数据分组之间的延迟是否处于预计范围之内。如果在接连数据分组之间经过的时间超过某个阈值，则信道可用性至少暂时被认为是不充分的。然后在接收节点采取适当措施，例如告警生成、转换到独立或孤岛操作模式或者在信号被认为丢失的(missing)情况下在第二站点的开关装置未阻塞。
在一个有利实施例中，用于有效载荷传输和信道监控的所提出协议包括数据分组中包含发送序列号。发送序列号由于在发送方处因例如时钟同步、人工时间设定或日光节约时间引起的时间源的可能不规则性而优于时间戳。通过适当监测序列号，多个类型的信道差错能够被检测和记录，例如分组丢失、分组复制和以错误顺序(即没有按照分发它们的顺序)的分组接收。所有这些差错均指向WAN中的降级信道质量。
在另一个变体中，数据分组包括响应请求标志。如果设置后者，则响应消息由原始数据分组的目的地节点来预备，并且立即返回给源或始发节点。响应消息包括所接收的“发送序列号”。通过测量响应请求的传输与相同发送序列号所标识的响应消息的接收之间经过的时间，源节点能够估计通信信道的往返延迟或时间。如果这个持久响应时间测量然后检测到超过可配置阈值的延迟，则生成告警，通知用户关于非确定性通信信道的质量不再得到保证，并且应当选择不同通信信道，或者应当暂时忽略消息内容。
在另一个优选实施例中，发送节点连接到第一站点或变电站处的继电器，并且持久地传送从后者接收的状态。在已改变状态或信号被输入到该节点的情况下，并且为了尽可能快地传送新信息，携带新状态的数据分组的重复率或传送频率至少暂时增加。例如，在返回到每5ms一个维护消息的标准速率之前，生成以每2ms一个消息的增加速率的N=16个重复。
最后，通过非安全通信信道的所提出传输的计算机安全方面通过作为数据分组的一部分传送并且基于报头和有效载荷字段来计算的哈希或消息摘要(digest)来照管。哈希允许检验数据分组的可信性，并且因而在需要时结合序列号和节点地址来提供针对各种安全威胁的基本保护。
优选地，所提出协议在两种通信节点中以对等方式来实现，使得各节点能够独立地测量信道质量和信号告警。
附图说明
下文中参照附图示出的优选示范实施例更详细地说明本发明主题，附图包括：
图1示意示出公用事业通信网络,
图2是示范性数据分组的摘录，以及
图3示意示出维护分组序列和一个响应分组。
附图中所使用的参考标号及其含义在参考标号的列表中以概括形式列出。附图中，基本上对相同的部分提供相同的参考标号。
具体实施方式
图1示出公用事业通信网络,所述公用事业通信网络具有第一节点或终端11、第二节点或终端21以及(例如基于在两个节点之间具有未确认传输的用户数据报协议(UDP)的)作为非确定性通信信道的一部分的广域网(WAN)30。这两个节点11、21是分别位于第一变电站10和第二变电站20的专用远距离保护装置，并且硬连线到多个保护继电器12、22或者相应变电站的其它辅助设备。两个节点11、21可经由沿两个变电站10、20之间的高架电力线40的(诸如电力线通信(PLC)信道之类的)其它通信信道互连。继电器12、22又连接到变电站的主要设备，并且提供待传送的信号或状态，例如与高架电力线40的远距离保护功能相关的跳闸信号或命令。
图2示出将要由第一节点11通过非确定性通信信道30发送给第二节点21的示范数据分组50的摘录。数据分组包括作为远距离保护应用层的一部分的报头、有效载荷和尾部。报头包括具有响应请求标志51、远距离保护节点地址52和发送序列号53的特殊报头字段以及其它字段。有效载荷字段54包括采取较短比特序列形式的一个或多个信号或保护命令。之后跟随具有基于报头和有效载荷字段所计算的哈希55或消息摘要的第一尾部字段。哈希提供针对各种安全威胁的基本保护并且在需要时结合序列号53和节点地址52来实现对各种安全威胁的检测，例如未经授权(伪造)消息、错误合作方、中间人或消息重放。其它尾部字段可跟随，例如重传计数56,重传计数56在以增加重复率并且跟随特定事件重传在其它情况下具有相同序列号和哈希的未改变数据分组的情况下递增。按照OSI传输(UDP)网络(IP)和物理(以太网)层(图2中未示出)将应用层数据嵌入报头和尾部。
图3示出在节点11与21之间交换的示范性消息序列50、50’、50”，其中时间由上至下前进，并且其中各对角线表示单个消息。第一节点11以没有发送活动的空闲周期所分隔的常规间隔、例如每5ms连续发送数据分组。数据分组由第二节点21接收，并且只要消息按照顺序和/或以预计消息间延迟Δt来接收，则信道30被认为是可用的，以及由消息所传送的有效载荷在接收端适当评估。有时候，设置数据分组50”中的响应请求标志54，第二节点对其采用响应消息60进行响应。在第一节点对后者的接收、具体来说是包含响应-请求数据分组50”和响应消息60的累计传输时间或延迟的往返时间延迟又能够在信道质量方面来评估。定期发送响应请求，但以比没有响应请求的数据分组低许多的速率(例如每100ms至10秒)发送。
标号列表
10,20变电站
11,21节点
12,22继电器
30WAN
40电力线
50数据分组
51响应请求标志
52节点地址
53序列号
54有效载荷
55哈希
56重传计数
60响应消息

Claims (9)

1.一种在第一站点（10）处的第一通信节点（11）与在第二站点（20)处的第二通信节点(21)之间进行通信的方法，包括
-由所述第一通信节点(11)通过通信信道(30)向所述第二通信节点(21)发送包含操作数据（54）的消息，并且基于所述消息来监测所述通信信道(30）的信道质量，
其特征在于，所述方法包括
-由所述第一通信节点(11)通过包括分组交换网络的非确定性通信信道(30)向所述第二通信节点(21)以没有发送活动的空闲周期所分隔的常规间隔连续发送包含操作数据(54)的数据分组(50，507，50")，
-由所述第二通信节点(21)检验是否接收到具有预计类型的有效载荷的数据分组，以及
-由所述第二通信节点(21)基于所述数据分组(50,50',50"）来监测所述信道质量，
其中，所述第一通信节点(11)适合从连接到所述第一通信节点（11）的继电器（12）接收作为输入信号的保护命令，其特征在于，所述方法包括
-当来自所述继电器的所述输入信号发生变化时立即增加所述连续发送的数据分组（50，50'，50"）的重复率。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一站点（10）和所述第二站点(20)经由电力传输网络的电力线(40)来连接，其特征在于，所述方法包括
-连续发送包含采取用于所述电力线(40)的保护命令形式的操作数据的数据分组（50，50'，50"）。
3.如权利要求1或2所述的方法，包括
-由所述第二通信节点（21）基于预计和观测的对数据分组（50,50',50")的接收来确定信道可用性。
4.如权利要求3所述的方法，包括
-基于两个接连发送的数据分组（50,50'）之间的消息间时间延迟△t来确定所述信道可用性。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述数据分组（50，50'，50")包括发送序列号（53），其特征在于，所述方法包括
-基于所接收的数据分组的所述发送序列号(53)来确定所述信道可用性。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述数据分组(50)包括响应请求标志（51)，其特征在于，所述方法包括
-由所述第二通信节点(21)在所接收的数据分组(50")的所述响应请求标志(51)被设置时采用响应消息(60)进行响应，以及
-由所述第一通信节点（11）基于所述响应消息（60）来确定信道质量。
7.如权利要求6所述的方法，包括
-基于其中所述响应请求标志(51)被设置的所述数据分组和所述响应消息(60)的往返时间延迟来确定所述信道质量。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述数据分组（50）包括哈希值（55），其特征在于，所述方法包括
-由所述第二通信节点(21)基于所述哈希值(55)来确定所述数据分组(5)是否可信。
9.一种具有第一通信节点(11)、第二通信节点(21)和非确定性通信信道(30）的通信系统，所述通信系统适合执行按照如权利要求1-8中的任一项所述的通信方法。
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