CN102594826A - 一种适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，属于电力系统通信技术领域。本发明方法中，电力系统测量终端依次计算并判断持续未上传数据时间是否超过极限上传时间及各量测量的变化速率是否超过设定的最大变化速率，根据判断结果决定上传新一批数据或上传空数据包；电力系统数据服务器则判断是否通信有效，若有效则判定是否接收到新数据。本发明方法使用的判断条件与判断逻辑简单，便于编程实现；采用发送空数据包的方法区别通讯是否失效，保证实时通讯；有效减少了电力系统测量终端的数据通信量，减轻了通信负担，保证了硬实时通信，进而为电力系统动态闭环控制提供了可靠的数据支持。

Description

一种适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法

技术领域

本发明涉及一种适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，属于电力系统通信技术领域。

背景技术

广域电力系统是迄今为止人类建造的最庞大最复杂的系统，为了保证供电的可靠性、安全性和经济性，广域电力系统除基本设备外，还包含了复杂的电网监测系统，系统状态分析系统，控制系统几大部分。电力系统的控制技术研究均围绕着这三大系统进行。

近十年来电力系统广域测量系统(以下简称WAMS)飞速发展，其使用的终端设备——同步相量测量单元(以下简称PMU)逐渐布置在电力系统的关键节点(通常为所有500kV节点及关键220kV节点等)，实现了电力系统的广域相量同步量测。WAMS系统与传统电力系统中使用的监测控制与数据采集系统(以下简称SCADA)和能量管理系统(以下简称EMS)相比具有很多优点，其中最主要的WAMS数据更新速度快且为同步数据，可以监测电力系统动态过程，并能用于电力系统动态分析。随着WAMS系统的广泛应用，科研人员将研究重点转移到了如何基于WAMS数据实现电力系统的动态控制，以提高电力系统的稳定性。

目前电力系统动态监测与控制主要包括以下几部分内容：电力系统动态安全监视，电力系统低频振荡在线检测与闭环控制，电力系统动态负荷模型与参数辨识，电力系统大扰动广域观测与控制。以电力系统低频振荡的在线检测与闭环控制为例，电力系统低频振荡的频率通常在0.1～2.5Hz之间，根据香农采样定理，若要监测出频率为2.5Hz的低频振荡，则至少需要5Hz的实测数据。

因此，WAMS系统的固有缺点就更加突显：现有PMU按照IEEE C37.118规约进行实时通讯，一般每10至20毫秒传送一批数据，数据上传速率非常高；广域电力系统节点众多，每个节点包含了母线三相电压、电流、功率等量测，数据通信及处理任务非常繁重，导致WAMS系统对网络通信性能要求很高，同对硬件设备及软件运行造成很大压力；但实际上电力系统绝大部分时间处于稳态，即系统状态变化缓慢，WAMS系统中频繁发送的数据没有任何价值。

PMU及WAMS为电力系统新一代的测量终端及监测系统提供了发展思路，很多新设备的研制、新方法的开发是基于PMU和WAMS的，所以这些新设备新方法也不可避免地继承了PMU和WAMS的缺点，亟需一种解决电力系统测量终端与数据服务器的通信问题。

现代电力系统中WAMS系统以设备成本高等代价实现了PMU网络的高速通信，并实现了基于WAMS系统的电力系统动态监测的一系列应用，基于WAMS数据进行了一定程度的电力系统动态运行状态分析，但实现电力系统的动态闭环控制仍有难度。这其中一个重要原因是电力系统的动态监测与动态闭环控制对网络性能的需求是不一样的。电力系统是一个复杂的实时操作系统，实时操作系统是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。电力系统的动态监测任务为软实时任务，使监测系统逐一获得最新数据即可；而电力系统的动态闭环控制为硬实时任务，为保证某一时刻的闭环控制，必须获得之前特定时刻的数据，若所需数据还没完成上传，则将控制失效。虽然现有PMU的通信网络可以实现电力系统动态监测这一软实时任务，但电力系统动态闭环控制这一硬实时任务则可能由于海量数据造成的通信阻碍而不能实现，故需要一种技术，将海量数据进行压缩简化，以保证硬实时任务所需数据的通信。

已有的一些数据压缩通信技术岁数据处理的方法是，新数据不满足发送条件时，子站与主站间不进行通信，只有新数据满足发送条件时子站才向主站发送数据进行通信。这类方法并不适用于电力系统测量终端与数据服务器的通信，因为电力系统的动态闭环控制需要实时保持更新实时数据，也即需要测量终端与数据服务器实时保持通信；同时数据服务器接收不到数据将不能区分是否仍处于有效通信状态，故不能以不发送数据的方式来解决数据压缩通信问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，以减少电力系统终端设备的通信数据，在降低对硬件的要求及数据处理压力的同时保证终端设备的实时通信，最终实现电力系统的动态闭环控制。

本发明提出的适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，包括数据发送过程和数据接收过程，其中，

所述的数据发送过程包括以下步骤：

(1)电力系统终端设备对电力系统的运行参数进行采样，计算电力系统终端设备持续未上传数据时间T，该持续未上传数据时间T等于终端设备本次采样与上次采样之间的时间间隔ΔT与上次采样后计算得到的持续未上传数据时间T_Last之和，T＝ΔT+T_Last；

(2)根据电力系统监测精度要求设定一个极限上传时间T₀，将上述持续未上传数据时间T与极限上传时间T₀进行比较，若持续未上传数据时间大于或等于极限上传时间，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传当前未发送数据，若持续未上传数据时间小于极限上传时间，则计算当前采集数据与上一采集数据之间的变化速率k，进行步骤(3)，极限上传时间T₀的取值范围为：10毫秒～15000毫秒；

(3)设定一个变化速率阈值k₀，将上述变化速率与变化速率阈值进行比较，若变化速率大于或等于变化速率阈值，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传当前采集数据，若变化速率小于变化速率阈值，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传一个空数据包；

(4)电力系统的终端设备用本次采样数据更新上次采样数据；

所述的数据接收过程包括以下步骤：

(5)电力系统的子站前置数据服务器监听子站前置数据服务器与电力系统终端设备的通信信道，对子站前置数据服务器接收数据进行判断：

(5-1)若子站前置数据服务器未接收到符合规约形式的数据包，则计算持续未接收数据包的时间T，将持续未接收数据包的时间T与上述极限上传时间T₀进行比较，若持续未接收数据包的时间T小于上述极限上传时间T₀，则电力系统的子站前置数据服务器继续监听与电力系统终端设备的通信信道，重复本步骤，直至接收到数据包，若持续未接收数据包的时间T大于或等于上述极限上传时间T₀，则表示电力系统的子站前置数据服务器与电力系统终端设备的通信失效；

(5-2)若子站前置数据服务器接收到符合规约形式的数据包，则判断接收到的数据包是否为空数据包，若为空数据包，则电力系统的子站前置数据服务器使用上次获得的数据作为本次通信获得的数据进行处理，重复本步骤；若接收到的数据包不是空数据包，则电力系统的子站前置数据服务器按照通讯规约解析数据包，获得数据，重复本步骤。

本发明提出的适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，其优点是：

1、本发明方法中，判别电力系统终端设备是否发送数据的判断条件是新的测量数据与上一数据的变化速率是否超过设定值，这样可以方便快速地判断出是否发送数据，提高了通信效率；

2、本发明方法中，在电力系统测量终端的新数据不满足发送条件时仍发送空数据包，保持了电力系统测量终端与数据服务器的实时通信，可方便的区分电力系统终端设备与子站前置数据服务器是否处于有效通信状态，以保证通信的可靠；

3、利用本发明方法，可以大量减少电力系统稳态时的数据通信量，并能适量减少电力系统动态时的数据通信量，减轻了电力系统终端设备与数据服务器间的通信负担，保证了数据的硬实时通信，进而为电力系统动态闭环控制提供了可靠的数据支持；

4、本发明方法使用的判断条件与判断逻辑简单，便于编程实现；采用发送空数据包的方法区别通讯是否失效，保证实时通讯；有效减少了电力系统测量终端的数据通信量，减轻了通信负担，保证了硬实时通信，进而为电力系统动态闭环控制提供了可靠的数据支持。

附图说明

图1是本发明方法中电力系统终端设备的数据发送流程框图。

图2是本发明方法中电力系统子站前置数据服务器的接收流程框图。

具体实施方式

本发明提出的适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，包括数据发送过程和数据接收过程，其中：

所述的数据发送过程，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)电力系统终端设备对电力系统的运行参数进行采样，计算电力系统终端设备持续未上传数据时间T，该持续未上传数据时间T等于终端设备本次采样与上次采样之间的时间间隔ΔT与上次采样后计算得到的持续未上传数据时间T_Last之和，T＝ΔT+T_Last。

(2)根据电力系统监测精度要求设定一个极限上传时间T₀，将上述持续未上传数据时间T与极限上传时间T₀进行对比，若持续未上传数据时间大于或等于极限上传时间，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传当前未发送数据，若持续未上传数据时间小于极限上传时间，则计算当前采集数据与上一采集数据之间的变化速率k，进行步骤(3)，极限上传时间T₀的取值范围为：10毫秒～15000毫秒。极限上传时间T₀是电力系统能接受的两个测量数据间时间间隔最大值。该时间间隔最大值受两方面因素的制约：制约之一是电力系统的动态分析及控制算法需要足够精细的动态数据，数据服务器获得的数据更新速率要足够高，该制约因素下的最大时间间隔为T_1max，对于电力系统动态分析及控制的要求而言，200毫秒的最大时间间隔是可接受的；制约之二是电力系统的采样数据(如电压、电流、相位、功率等)均有其可接受的误差，设为ΔV_max，同时有其可接受的最快变化速率k₀，则该量测量的可接受最大时间间隔T_2max由

$T_{2\max }=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\max }}{k_0}$

式计算可得。不同的量测量T_2max可能不同，一个测量终端的T_2max应取其所有采样数据的T_2max的最小值。最终的极限上传时间取T_1max与T_2max的最小值。电力系统测量终端的极限上传时间T₀可由电力系统子站前置数据服务器远程设定，方便适应不同使用环境。电力系统中不同的测量终端(如远控终端，同步相量测量设备等)的数据上传时间间隔是不同的，则不同测量终端中使用的极限上传时间T₀并不相同，本方法中极限上传时间T₀去值取最小可为同步相量测量设备的10毫秒，最大可为远动终端的15秒，即15000毫秒。由于电力系统测量终端会有多种采样数据，计算当前采集数据与上一采集数据之间的变化速率k时，需要一一对应地计算不同采样数据的变化速率k_i，变化速率k_i为当前采样值与上一采样值之差的绝对值与采样间隔之商。但通常电力系统测量终端的采样间隔是固定的，则变化速率k_i可由各个量测量的当前采样值与上一采样值之差的绝对值代替，两者间只相差固定倍数，不影响判断逻辑。

(3)电力系统测量终端有一个设定变化速率阈值k₀，将上述变化速率k_i与变化速率阈值k₀进行比较，若变化速率大于或等于变化速率阈值，即k_i≥k₀，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传当前采集数据，若变化速率小于变化速率阈值，即k_i＜k₀，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传一个空数据包。变化速率k_i与变化速率阈值k₀进行比较时，需要不同采样数据的变化速率k_i与其对应的变化速率阈值k₀进行比较；变化速率大于或等于变化速率阈值，即k_i≥k₀的情况为所有采样数据中至少有一个采样数据的变化速率k_i大于或等于其对应的变化速率阈值k₀；变化速率小于变化速率阈值，即k_i＜k₀的情况为所有采样数据的变化速率k_i均小于其对应的变化速率阈值k₀。电力系统测量终端上传的空数据包的形式应符合电力系统测量终端的通讯规约。空数据包代表不满足上传条件，但实时通讯依然有效，防止电力系统数据服务器误认为通讯故障。

(4)电力系统终端设备完成上传后，用本次采样数据更新上次采样数据。本次采样数据更新上次采样数据的目的是保存当前数据用于下次计算量测量的变化速率。

所述的数据接收过程，其流程框图如图2所示，包括以下步骤：

(5)电力系统的子站前置数据服务器监听子站前置数据服务器与电力系统终端设备的通信信道，对子站前置数据服务器接收数据进行判断：

(5-1)若子站前置数据服务器未接收到符合规约形式的数据包，则计算持续未接收数据包的时间T，将持续未接收数据包的时间T与上述极限上传时间T₀进行比较，若持续未接收数据包的时间T小于上述极限上传时间T₀，即T＜T₀，则电力系统的子站前置数据服务器继续监听与电力系统终端设备的通信信道，重复本步骤，直至接收到数据包；若持续未接收数据包的时间T大于或等于上述极限上传时间T₀，即T≥T₀，则表示电力系统的子站前置数据服务器与电力系统终端设备的通信失效；

(5-2)若子站前置数据服务器接收到符合规约形式的数据包，则判断接收到的数据包是否为空数据包，若为空数据包，则电力系统的子站前置数据服务器使用上次获得的数据作为本次通信获得的数据进行处理，重复本步骤；若接收到的数据包不是空数据包，则电力系统的子站前置数据服务器按照通讯规约解析数据包，获得数据，重复本步骤。

本发明方法的设计思路为，根据测量数据的变化率决定是否需要上传数据，并考虑持续未发送有效数据的时间，通过设置合适的变化率阈值，及允许的最大不上传数据持续时间，可在电力系统测量终端侧对测量数据进行压缩，最大限度减少电力系统稳态时的数据传输量，适量减少电力系统动态时的数据传送量，以减轻电力系统终端设备与数据服务器间的通信负担，保证数据的硬实时通信，进而为电力系统动态闭环控制提供可靠的数据支持。本发明通信方法包括数据发送过程和数据接收过程，数据发送过程由电力系统测量终端执行，数据接收过程由电力系统子站前置数据服务器执行。

Claims (1)

1.一种适用于电力系统终端设备的实时数据压缩通信方法，其特征在于通信方法包括数据发送过程和数据接收过程，其中，

所述的数据发送过程包括以下步骤：

(1)电力系统终端设备对电力系统的运行参数进行采样，计算电力系统终端设备持续未上传数据时间T，该持续未上传数据时间T等于终端设备本次采样与上次采样之间的时间间隔ΔT与上次采样后计算得到的持续未上传数据时间T_Last之和，T＝ΔT+T_Last；

(2)根据电力系统监测精度要求设定一个极限上传时间T₀，将上述持续未上传数据时间T与极限上传时间T₀进行比较，若持续未上传数据时间大于或等于极限上传时间，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传当前未发送数据，若持续未上传数据时间小于极限上传时间，则计算当前采集数据与上一采集数据之间的变化速率k，进行步骤(3)，极限上传时间T₀的取值范围为：10毫秒～15000毫秒；

(3)设定一个变化速率阈值k₀，将上述变化速率与变化速率阈值进行比较，若变化速率大于或等于变化速率阈值，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传当前采集数据，若变化速率小于变化速率阈值，则终端设备向电力系统的子站前置数据服务器上传一个空数据包；

(4)电力系统的终端设备用本次采样数据更新上次采样数据；

所述的数据接收过程包括以下步骤：

(5)电力系统的子站前置数据服务器监听子站前置数据服务器与电力系统终端设备的通信信道，对子站前置数据服务器接收数据进行判断：

(5-1)若子站前置数据服务器未接收到符合规约形式的数据包，则计算持续未接收数据包的时间T，将持续未接收数据包的时间T与上述极限上传时间T₀进行比较，若持续未接收数据包的时间T小于上述极限上传时间T₀，则电力系统的子站前置数据服务器继续监听与电力系统终端设备的通信信道，重复本步骤，直至接收到数据包，若持续未接收数据包的时间T大于或等于上述极限上传时间T₀，则表示电力系统的子站前置数据服务器与电力系统终端设备的通信失效；

(5-2)若子站前置数据服务器接收到符合规约形式的数据包，则判断接收到的数据包是否为空数据包，若为空数据包，则电力系统的子站前置数据服务器使用上次获得的数据作为本次通信获得的数据进行处理，重复本步骤；若接收到的数据包不是空数据包，则电力系统的子站前置数据服务器按照通讯规约解析数据包，获得数据，重复本步骤。

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