CN102308529A - 电力系统中检测网络不对称状态和不对称状态通道的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种名为多点回声法(MNEM)的新同步方法。该方法解决了在非对称通道上进行时钟和数据同步的问题。在多点回声算法中，回声报文沿着顺时针和逆时针方向在多点回路中分别中继传输。基于多点回声算法，该发明进一步提供了一种检测网络不对称状态的方法，一种检测通道不对称的方法，以及一种计算网络中任意通道收发延时的方法，该方法无论在通道对称或者不对称状态下均适用。

Description

电力系统中检测网络不对称状态和不对称状态通道的方法

技术领域

本发明属于电力系统，尤其涉及一种可以检测出通信网络的不对称状态，并可以进一步检测出不对称通道的多点回声法。本发明在某些条件下还可以计算出不对称通道的收发延时。

背景技术

随着现代电力通信网络的发展和进步，自愈合环网(SDH)的使用逐渐增加，这也给输电线光纤电流差动保护带来了新的问题。

当前线路电流差动保护所广泛使用的数据同步技术是回声法(乒乓法)，该方法假定通道的收发延时是对称相等的。这样，如果通信路由发生了变化，收发通道的延时不再相等。这将引起不同变电站内对应设备之间的相对时钟不再同步，其数据也不再同步，这将严重影响保护系统的可靠性甚至引起误动。因此，在不对称网络条件下的时钟同步或者数据同步问题，对于电力系统特别是保护系统非常重要。

专利JP2004226243A提供了一种基于GPS的时钟和数据同步方案，该方案不受通道不对称的影响。GPS理论上能够给所有变电站提供精确的同步时间。但是当前GPS信号和GPS设备对于保护应用而言，仍然不够安全可靠。因此，GPS当前并没有被广泛用作线路差动保护的主要同步手段。

发明内容

为了克服当前同步方法的缺点，本发明提出一种新的名为“多点回声法”(MNEM)的同步方法。该方法可以检测出通信网络的不对称状态，还可进一步检测出指定通道的不对称状态，而且能进一步计算出通道延时。这样，本发明可以解决不对称通道或网络的检测问题，和不对称通道上的数据同步或时钟同步问题。该同步方法比GPS更为可靠和实用。在多点回声法中，同步数据报文在多节点网络中沿着顺时针和逆时针方向分别中继传递。本发明文中所述的“通道”指“通信通道”，从拓扑上看是网络的一个支路。

本发明的一个方面，提供了一种检测至少3节点网络不对称状态的方法，它包含了以下步骤：

1)选择一组多点回声报文传递回路，这组回路要能够覆盖该网络所有的通道；

2)对每个选择的回路应用多点回声法；

3)分别检测和比较每个回路的顺时针和逆时针的传输总延时。如果每个回路的顺时针和逆时针延时都一一对应相等，就意味着所有回路都对称，也意味着整个网络处于对称状态。否则，如果有任意一个回路的顺时针和逆时针延时不相等，就意味着至少有一个通道处于不对称状态，也意味着网络处于不对称状态。

如果该网络仅包含两个节点，可以通过额外引入一个或者多个通信节点以构成多点网络，然后再应用上述多点回声法。

本发明另一个方面，提供了一种在至少4点网络中检测出不对称通道的方法。该方法步骤如下：

1)选择两个多点回声报文回路，这两个多点回声报文回路都包该含待测试通道；

2)在这两个回路上应用多点回声法；

3)通过比较每个回路的顺时针和逆时针方向的传输延时，来检测每个回路的对称状态。如果两个回路都不对称，则其公共通道判为不对称状态，否则公共通道处于对称状态。

如果该网络仅包含3个节点，可以额外引入一个或者更多通信节点以构成多点网络，然后再应用上述多点回声法。

本发明另一个方面，提供了一种计算通道收发延时的方法。该方法包含以下步骤：

1)采用前述方法判出该公共通道是否处于对称状态；

2)如果该公共通道被判为对称状态，采用下面方法计算收发延时：

a)采用传统的回声法计算通道收发总延时t_sum；

b)因为收发通道对称，所以它们分别的延时均是总延时t_sum的一半；

3)如果该公共通道被判断为非对称状态，通过多点回声法计算通道延时：

a)通过传统回声法计算该通道的收发总延时t_sum；

b)通过多点回声法计算该通道收发回路延时的时差Δt，Δt是包含该通道的发送方向回路和接收方向回路的总延时之差；

c)该不对称通道的发送延时是(t_sum+Δt)/2；

d)该不对称通道的接收延时是(t_sum-Δt)/2；

附图说明

附图用来进一步说明本发明并构成说明书的一部分，本发明的实施例用来说明本发明的内容，并不构成对本发明的任何限定。附图中：

图1A到1B显示了传统的回声法，其中，图1A显示了一个带通信通道的两端传输线；图1B显示了回声信号的信道延时；

图2A到2C是3点网络系统中的多点回声法应用，其中，图2A显示了一个3点传输线网络，图2B显示了3点回声法的回声报文传输回路，图2C显示了回声报文的信道延时；

图3A到3D显示了4点网络中的多点回声法应用，其中，图3A显示了一个带通信通道的4点传输线网络，图3B显示了一个4点回声法的报文传输回路；图3C显示了一对3点回声法的回路，图3D显示了另外一对3点回声法的回路；

图4A到4C显示了本发明所述4点回声法；其中，图4A显示了一个4点网络的结构，图4B显示了通道2-4对应的多点回声法回路，图4C显示了通道2-3对应的多点回声法回路。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，更详细地描述本发明的实施例。

多点回声法(MNEM)在处理过程和适用范围上都和传统的回声法(EM)不同。

传统的回声法(EM)当前广泛地用于电力系统，将其列在下面作为参考。

表1  多点回声法和传统回声发的比较

图1显示了传统回声法。传统回声法的关键是计算两个变电站之间的收发通道的延时。如图1所示，一个回声报文在时刻t_s时从变电站1发送到变电站2。变电站2接到该报文并且延时t_d后将该报文发送回变电站1，该延时数据t_d被加入了该报文。最后，变电站1在时刻t_e接收到了该报文(包含了数据t_s、t_e和t_d)。

t＝t₁₂＝t₂₁＝(t_e-t_s-t_d)/2                                (1)

收发通道对称是传统回声法的前提条件，而这个条件有可能因为通信通道路由的切换而发生变化。如果没有这个前提条件，传统回声法无法正常工作。也就是说，如果t₁₂≠t₂₁，计算方程(1)不成立。

多点回声法

本发明提出了一种全新概念的多点回声法可以解决该问题。在多点回声法中，回声报文在多点回路中顺时针和逆时针中继传递。多点回声法能够提供比传统回声法更多的有关通道延时的信息。

下面将讨论用多点回声法检测3点(端)网络的对称状态。

图2A显示了一个三点(端)传输线网络。多点回声法将用于该网络。回声报文能够通过不同的路由在回路中继传输。图2B显示了一个顺时针回路(1-＞3-＞2-＞1)和一个逆时针回路(1-＞2-＞3-＞1)。以逆时针回路1-＞2-＞3-＞1为例，其细节显示于图2C中。

一个回声报文将在时刻t_s时从变电站1传输到变电站2。然后，变电站2接收到该消息，经过延时t_d2后，将其传输给变电站3。变电站3经过一个网络延时t₂₃后，接收到了该报文，经过延时t_d3后，然后将其发回给变电站1。变电站1最终在时刻t_e接收到了该报文。这样，回路(1-＞2-＞3-＞1)的总延时可以在由下式计算出来。

t₁₂+t₂₃+t₃₁＝C₁＝t_e-t_s-t_d2-t_d3                           (2)

这里t_e，t_s，t_d2，t_d3可以通过多点回声法获得，当变电站最终接收到报文之后，这些数据全部是已知量。这样，逆时针回路的总延时C₁可以被计算出来。而回路(1-＞3-＞2-＞1)的总延时也可以通过类似的方法计算得到，计算方法如下。

t₁₃+t₃₂+t₂₁＝C₂                                          (3)

这里C₂可以通过多点回声法得到。

等式(2)和(3)是多点回声法的基础，它们为多点回声法的后续处理提供了基本的原始数据。

后文将通过多点回声法在3节点网络和4节点网络中的使用来说明其具有如下功能：

1)如何检测通信网络的对称性。如果网络中的一个或者多个通道变为不对称，多点回声法能够检测到这个不对称状态，并给电流差动保护警告信号以避免误动。该功能用于至少3节点的网络。

2)如何在通信网络中检测出具体哪个通道发生了不对称状况。该方法可以进一步指出通道的不对称状态。这将给通道的维护和维修提供更多的便利。该功能用于至少有4节点的网络。

3)如何计算网络中的通道的收发延时(该通道可以是对称或者不对称的)。该功能可以用于时间补偿(数据同步)。采用这种同步方法，线路电流差动保护即使在不对称通道的情况下也能够正常工作。该方法用于至少有4节点的网络。

方法1-检测网络不对称状态

如图2所示，该三节点网络中含有两个回声回路，一个是顺时针一个是逆时针的。这两个回声回路各自的总延时计算如下：

t₁₂+t₂₃+t₃₁＝C₁                                          (4)

t₁₃+t₃₂+t₂₁＝C₂                                          (5)

这里，C₁和C₂可以通过多点回声法获得。如果3点网络中的所有通道都对称，就有

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{12}=t_{21}\\ t_{23}=t_{32}\\ t_{31}=t_{13}\end{array}\right.---\left(6\right)$

这样，顺时针和逆时针回路的总延时相等(C₁＝C₂)。考虑到各种检测和计算误差，在电力系统实际应用中，如果C₁和C₂的差别小于某个数值(比如小于0.1ms)，可以认为两者相等。

另外一方面，如果C₁≠C₂，也就意味着方程(6)不再成立。也就是说，C₁≠C₂意味着网络中至少有一个通道不再对称。

因此，网络的不对称状态可以通过比较顺时针和逆时针回路的总延时来获得。如果延时相等，意味着网络处于对称状态。否者网络处于不对称状态。

该方法可以用于任意多点(端)网络(网络节点≥3)，下面将介绍另外一个4点网络的例子。

图3A显示了一个具有6条通信通道的4点传输线网络。多点回声法可以用于该网络来检测对称状态。

对于这个通信网络，回声回路的组合具有多个选择。关键在于这些回路需要能够覆盖所有通信通道。对于图3A图中的网络，可行的回路选择显示在图3B～3D中。图3C～3D是3点回声法，前面已经讨论过。而图3B是一个4点回声法，其处理方式和3点回声法非常类似。对应的回路总延时计算如下所示。

t₁₂+t₂₃+t₃₄+t₄₁＝C₁                                      (7)

t₁₄+t₄₃+t₃₂+t₂₁＝C₂                                      (8)

和3点回声法类似，在4点网络中，如果顺时针和逆时针回路的总延时不再相等，就意味着网络不再处于对称状态。如果其不相等，意味着网络中至少有一个通道处于不对称状态。

总之，对于至少有3节点的多点网络，其通信网络的不对称状态可以通过以下步骤得到：

1)选择一组能够覆盖所有通信通道的回声回路；

2)对每个回路使用多点回声法；

3)比较每个回路的顺时针和逆时针总延时，并由此判断对称状况。

如果每对顺时针和逆时针总延时都对应相等，就意味着所有回路和整个网络都处于对称状态。否者，如果有任意一个回路的延时不等，就意味着至少有一个通道处于不对称状态，而整个网络也处于不对称状态。

如果是一个两端网络，可以额外引入一个或者多个通信节点，然后再采用多点回声法。

如果网络判为不对称状态，对应的线路差动保护可以按照需要被闭锁。

方法2-检测网络中任意通道的对称状态

多点回声法可以在方法1的基础上，进一步检测网络中某个通道的不对称状态。这将给通道的维护和维修带来便利。该方法可以用于至少有4个节点的网络。

该方法2基于以下假设：对于所研究的特定通信网络(整个网络或者网络的一部分，该特定网络只需要包含两个不同的回声回路，且这两个回路要有一个公共通道)，同时只有一个通道发生不对称状态。也就是说不考虑会出现同时有两个通道发生不对称的情况。由于这样的特定网络包含的节点和通道不多，且通道不对称本身就是一个小概率事件，同时发生两个通道不对称情况的概率在工程实际中是非常小的。而且即使是短时间内有两个通道的通信路由发生不对称切换，其实际发生时间也有先后，当一个通道发生不对称状况之后，能够立刻被识别出来，通常都会立刻检修和维护，所以同时发生两个通道不对称情况的概率在工程实际中是极其微小的，在工程实践中是可以忽略的。

如果上述具有一个公共通道的两个回声回路均检测出不对称状况，则其公共通道判为不对称通道。下面将通过一个典型例子来详细论述。

如图4A所示，这是一个具有5个通道的4节点网络。图4B显示了针对通道2-4的多点回声法。而图4C显示了针对通道2-3-4的多点回声法。

如图4B所示，回路1-2-4(从变电站1到变电站2，再到变电站4，最后返回变电站1)和回路2-3-4具有一个公共通道2-4，在这两个回路上都应用多点回声法。

众所周知，在实际的电力系统中，通信网络在绝大多数情况下都是对称的。通道不对称的发生是小概率事件。这样，本发明的方法2所依赖的前提条件是同时只有一个通道发生不对称状况。然后，可以用反证法证明方法2。假设上述的两个回路都发生不对称状况，同时假设其公共通道2-4又是对称的，那么这个网络中必然有至少2个通道是不对称的。而这与只有一个通道是对称的假设不符，也就证明了公共通道是对称的假设不正确，在这种情况下，其应该是不对称的。

此外，如果这两个回路中有一个回路是对称的，那它们的公共通道也必然对称，否则两个回路都会是不对称的。

回路组的选择是多样的，因为，网络中可能存在其它回路也包含该公共通道。

总之，对于至少有4个节点的网络，方法2可以通过如下方式实现：

1)对于任意一个需要被检测的通道，选择两个不同的回声回路，且这两个回路都要包含该被检测的通道(该通道是公共通道)。

2)在这两个回路上都应用多点回声法。

3)通过比较顺时针和逆时针回路的延时来判断上述两个回路的对称状态。如果两个回路都不对称，说明其公共通道是不对称的。否则，它们的公共通道是对称的。

很明显，对于方法2，它需要至少有两个包含该公共通道的多点回路。这样，方法2只适用于至少有4点的网络。对于少于4点的网络，可以通过引入额外通信节点的方式来实现方法2。

方法3-计算通道延时

多点回声法可以在多点网络(≥4节点)中，用来计算通道的收发延时，即使该通道处于不对称状态也能够准确计算。该方法可以用于时间补偿(时钟或者数据同步)。基于方法3，线路电流差动保护即使在不对称通道的情况下，也能够正常工作。

方法3是基于方法2的。当不对称通道被方法2检测出来之后，其收发通道延时的时差能够被计算出来。同时，传统的回声法可以用来得到收发通道的总延时。这些数据可以构成方程组，然后，收发通道各自的延时最终能够被计算出来。

例如，在图4B中，假设通道2-4通过方法2，被检测出来是不对称的。这意味着：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{24}\≠t_{42}\\ t_{12}=t_{21}\\ t_{14}=t_{41}\\ t_{23}=t_{32}\\ t_{34}=t_{43}\end{array}\right.---\left(13\right)$

逆时针回路(1-＞2-＞4-＞1)和时针回路(1-＞4-＞2-＞1)的总延时可以通过多点回声法获得。它们分别是(t₁₂+t₂₄+t₄₁)和(t₂₁+t₄₂+t₁₄)。然后，通道2-4的收发通道的时差(Δt)能够计算出来：

Δt＝(t₁₂+t₂₄+t₄₁)-(t₂₁+t₄₂+t₁₄)＝t₂₄-t₄₂                (14)

然后，通道2-4的收发总延时t_sum可以通过传统回声法得到：

t_sum＝t₂₄+t₄₂                                            (15)

收发通道分别的延时可以通过下列方程计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δt}=t_{24}-t_{42}\\ t_{\mathrm{sum}}=t_{24}+t_{42}\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}{t}_{24}=(t_{\mathrm{sum}}+\mathrm{\Δt})/2\\ t_{42}=(t_{\mathrm{sum}}-\mathrm{\Δt})/2\end{array}\right.---\left(16\right)$

总之，对于节点数至少4点的网络，方法3的实现包含以下步骤：

1)通过方法2检测通道的对称状况；

2)如果通道是对称的，采用公式(1)计算收发延时；

3)如果通道是不对称的，通过公式(14)～(16)来计算延时。

非常明显，方法3也需要网络中至少两个包含公共通道的回路。所以，方法3只能用于至少有4个节点的网络。对于少于4节点的网络，可以通过引入额外通信节点的方式来实现方法3。

尽管为说明目的公开了本实用新型的较佳实施例和附图，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本实用新型不应局限于较佳实施例和附图所公开的内容，本实用新型的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种在电力系统的至少3节点网络中，检测通信网络是否对称的方法，包含以下步骤：

选择一组回声回路，这些回路包含网络中所有的通信通道；

在选定的每个回声回路中，采用多点回声法，分别沿着顺时针和逆时针传递回声报文；

检测和比较每个回声回路中顺时针和逆时针回路的总传输延时，如果所有回路的顺时针和逆时钟延时都分别相等，网络判为对称状态；否者，网络判为不对称。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：如果网络仅包含两个节点，则预先引入额外的一个或者多个通信节点。

3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于：如果网络被判为非对称状态，闭锁差动保护。

4.一种在电力系统的至少3节点的网络中，检测任一通道的不对称性的方法，包含以下步骤：

选出两个多点回声回路，且它们的公共通道是需要检测的通道；

在这两个回路上分别应用多点回声法，顺时针和逆时针传递回声报文；

检测和比较每个回路的顺时针和逆时针传输延时；如果这两个回路都处于不对称状态，它们的公共通道也处于不对称状态；否则，其公共通道处于对称状态。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于：如果网络仅包含3个节点，则预先引入一个额外的通信节点。

6.如权利要求4所述方法，其特征在于：所选择的多点回路是3点回路。

7.一种电力系统中计算通道延时的方法，包含以下步骤：

采用权利要求3中所述方法检测通道是否处于对称状态；

如果通道处于对称状态，可以通过如下步骤计算通道延时：

1)通过传统回声算法计算收发通道的总延时t_sum；

2)因为收发延时相等，所以它们的数值均等于总延时t_sum的一半；如果通道是不对称的，采用多点回声算法计算延时包含以下步骤：

1)通过回声法计算通道收发总延时t_sum；

2)计算收发通道延时差Δt，Δt的数值是包含该公共通道的收发回路总延时之差。

3)该发送通道的延时是(t_sum+Δt)/2；

4)该接收通道的延时是(t_sum-Δt)/2。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于：如果网络仅包含3个节点，则预先引入一个额外的通信节点。

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