CN103227643B - 一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法，所述方法采用的装置包括通过光纤依次连接的合并单元、交换机和保护测控单元；所述方法的数据采样均匀进行，包括下述步骤：（一）从所述合并单元的采样数据帧，数据帧经过交换机后被保护测控单元接收；（二）在系统初始化和运行过程中不断确定采样周期T；（三）在系统初始化过程中测量传输延时D；（四）在系统初始化和运行过程中不断确定原始数据采样时刻。该方法将数据传输延时的不确定性消除掉，在数据传输过程中，采用交换机，可以减少光纤连接的复杂性，并且采样时刻的计算精度高。

Description

一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法

技术领域

本发明涉及一种变电站自动化领域的方法，具体涉及一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法。

背景技术

在三层架构（过程层、间隔层、站控层）的变电站自动化系统中，要求每个数据采集装置（也即合并单元）能够很好地被校时，并规定不同的采集装置在相同的时刻采样（准确地说，应该保证采到的是在相同时刻到达采集装置输入接口处的被采集量，由于不同的装置从输入接口处到A/D转换电路处的延时不同，实际要求每个不同的装置在具体进行A/D转换时将这种延时考虑进去），这样，采样值帧的接收者只要根据采样值帧中的smpcount就可以将不同合并单元采集的数据按照采样时刻对齐。但是由于各厂家的设备在被校时方面存在很多问题，所以smpcount就不能作为数据对齐的依据。

数据采集与传输过程参见附图2。

因此，采样值帧的接收者只好自己标上接收到的不同采样值帧的到达时刻，然后再减去从采样时刻至到达时刻的时间延时Δ，倒推出不同采样值帧的采样时刻。

由于Δ是采样时刻至到达时刻的时间延时，其中经过很多环节，都可能造成Δ不是一个固定的数。按照通常使用的嵌入式装置，从A/D转换到完成数据处理，到发送出数据，到经过交换机，到接收装置接收到数据，都可能成为延时不确定的原因。

Δ的构成如附图3，Δ=Δ1+Δ2+Δ3。

Δ1为合并单元从采样到输出的延时，Δ2为数据在通信通道上传输的延时，Δ3为数据从测控保护单元的输入口到被标上接收时刻的延时。这三种延时都可能是不确定的，我们把这种不确定称为抖动。

在这种抖动下计算出的采样时刻误差很大，亟需一种精度高的采样时刻的确定方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法，该方法将数据传输延时的不确定性消除掉，在数据传输过程中，采用交换机，可以减少光纤连接的复杂性，并且采样时刻的计算精度高。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法，所述方法采用的装置包括通过光纤依次连接的合并单元、交换机和保护测控单元；其改进之处在于，所述方法的数据采样均匀进行，包括下述步骤：

（一）从所述合并单元的采样数据帧，数据帧经过交换机后被保护测控单元接收；

（二）在系统初始化和运行过程中不断确定采样周期T；

（三）在系统初始化过程中测量传输延时D；

（四）在系统初始化和运行过程中不断确定原始数据采样时刻。

其中，所述步骤（二）中，保护测控单元接收2N个采样值数据帧，每个采样值数据帧的接收时刻用下述表达式组①表示：

r₀＝t₀+D+dr₀； r_N＝t₀+N×T+D+dr_N；

r₁=t₀+T+D+dr₁； r_N+1＝t₀+（N+1）T+D+dr_N+1；

r₂=t₀+2T+D+dr₂； r_N+2＝t₀+（N+2）T+D+dr_N+2；

…… …… ①；

r_n=t₀+nT+D+dr_n； r_N+n＝t₀+（N+n）T+D+dr_N+n；

…… ……

r_N-1＝t₀+(N-1)T+D+dr_N-1； r_2N-1＝t₀+（2N-1）T+D+dr_2N-1；

其中：r₀、r₁、r₂、……、r_2N-1分别为第一个、第二个、第三个、……、第2N-1个每个采样数据帧的接收时刻；t₀为第一个采样值数据帧的采样时刻；dr₀、dr₁、dr₂、…….、dr_2N-1分别为第一个、第二个、第三个、……、第2N-1个每个采样值数据帧传输的延时偏差；D为延时平均值；n表示0～N-1之间的任意一个数；N的取值范围在4000-20000之间；

将以上表达式组①中的式子从右到左两两相减，并除以N，得到以下表达式组：

(r_N-r₀)/N＝T+(dr_N-dr₀)/N

(r_N+1-r₁)/N＝T+(dr_N+1-dr₁)/N

(r_N+2-r₂)/N＝T+(dr_N+2-dr₂)/N

............ ②；

(r_N+n-r_n)/N＝T+(dr_N+n-dr_n)/N

(r_2N-1-r_N-1)/N＝T+(dr_2N-1-dr_N-1)/N

将表达式组②中的各个子式相加，得到下述表达式：

$\frac{1}{N}(\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n)=\mathrm{NT}+\frac{1}{N}(\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dr}}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dr}}_n)$ ③；

当N为无穷大时， 得到采样周期T的表达式：

$T=\frac{1}{N^2}(\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\text{n}})$ ④。

其中，所述步骤（三）中，在系统施工阶段、投运之前在合并单元和保护测控单元之间建立时钟同步，并结合秒以下的时间单位，t₀代表秒与秒的间隔处的采样时刻，有t₀=0，t_n=NT，假定一秒钟之内的采样点数为N，延时时间D用如下表达式表示：

$D=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\frac{(N-1)}{2}T$ ⑤；

假定时间单位为秒，由于NT=1秒，则平均延时时间为：

$D=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\frac{(1-T)}{2}$ ⑥；

通过在合并单元和保护测控单元之间建立时钟同步，利用上式⑥测得某个合并单元到保护测控单元的传输时延D_normal；

将平均延时时间D与D_normal进行比较，若

|D-D_normal|≤δ⑦；

则合并单元和保护测控单元之间为时钟同步；

|D-D_normal|>δ⑧；

则合并单元和保护测控单元之间时钟失步；

其中：δ为允许的时钟误差，取20μs。

其中，所述步骤（四）中，第N-1个采样值数据帧的采样时刻用下述表达式表示：

$t_{N-1}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n+\frac{(N-1)}{2}T-D$ ⑨；

则第N个采样值数据帧的采样时刻为：

$t_N=\frac{1}{N+1}\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n+\frac{N}{2}T-D$ ⑩；

经过变换化简得到：

$t_N=\frac{N(t_{N-1}+T)+(r_N-D)}{N+1}$

由式得采样值数据帧的采样时刻的迭代计算公式为：

$t_n=\frac{N(t_{n-1}+T)+(r_n-D)}{N+1}$

其中：n表示0～N-1之间的任意一个数；N的取值范围在4000-20000之间。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供的根据数据接收时刻确定采样时刻的方法，将数据传输延时的不确定性消除掉，于是在数据传输过程中，采用交换机，从而减少光纤连接的复杂性，减少光纤的成本，大大提高了经济性水平，并且采样时刻的计算精度高，精度可达1us。

附图说明

图1是本发明提供的根据数据接收时刻确定采样时刻的方法工作流程图；

图2是本发明提供的根据数据接收时刻确定采样时刻的装置结构示意图；

图3是延时不确定原因示意图；

图4是本发明提供的接收时刻、采样时间间隔、延时时间和采样时刻的示意图；

图5是本发明提供的用常规方法测量采样时刻和根据数据接收时刻确定采样时刻的计算结果比较图；

图6是合并单元1、合并单元2和合并单元3发出数据的波形显示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

现考虑一个接收装置，即保护测控单元E，接收合并单元M发来的数据，这两个装置E、M的时钟没有同步关系。假定M采集的数据传输到E的平均延时为D（以E的时钟衡量），M采样的时间间隔为T（以E的时钟衡量）。假定M发送的N个采样值帧的采样时刻为t₀、t₁、t₂…t_N-1（以保护测控单元E的时钟衡量），而保护测控单元E接收到的时刻分别为r₀、r₁、r₂、……、r_N-1（也以E的时钟衡量），如附图4所示。

由于合并单元M是以等时间间隔的方式采样，因此t_N-t₀=NT。

采样值帧在从合并单元M传送到保护测控单元E的过程中，虽然延时平均值为D，但每一帧传输时有快有慢。图4中，dr₀、dr₁、dr₂、…….、dr_N-1为每帧采样值传输的延时偏差，也即：

r₀＝t₀+D+dr₀

r₁＝t₁+D+dr₁=t₀+T+D+dr₁

r₂＝t₂+D+dr₂=t₀+2T+D+dr₂

…… （1）；

r_n＝t_n+D+dr_n=t₀+nT+D+dr_n

……

r_N-1＝t_N-1+D+dr_N-1=t₀+（N-1）T+D+dr_N-1

本发明的目的是要在接收装置，即保护测控单元E中，在已知多个采样值帧的接收时刻r_n，并且存在延时偏差的情况下，计算出每个采样值帧的发送时刻，即采样时刻。

将上式中r₀到r_N-1求和，得到：

$\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n={\mathrm{Nt}}_0+\frac{N(N-1)}{2}T+\mathrm{ND}+\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dr}}_n$

将上式两边除以N，得到：

$\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n=t_0+\frac{(N-1)}{2}T+D+\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dr}}_n$

当N足够大时，否则D就不是平均延时。于是可以得到：

$t_0=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\frac{(N-1)}{2}T-D---\left(2\right)$

$t_{N-1}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n+\frac{(N-1)}{2}T-D---\left(3\right)$

$t_N=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n+\frac{(N+1)}{2}T-D---\left(4\right)$

如果N是奇数，则有：

$t_{(N-1)/2}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-D---\left(5\right)$

D和T是以已知参数的形式给出的，但是：

I、由于装置E也可能失去时钟同步，因此，初始化测量参数D时保护测控单元E的时钟快慢也可能与它在时钟失步后的时钟快慢不一样，不过，实际情况下，这种快慢的不一致性不会超过200微妙/秒，考虑到传输延时D不能超过1毫秒，则根据上式计算产生的时间误差不会超过0.2微妙。

况且，假定装置E接收两个合并单元的采样值数据，初始化时（此时装置E必须是时钟同步的）测量出了多个合并单元的平均传输延时D1，D2，但按上述公式在计算每个采样值帧的发送时刻时，只要D1≈D2，则产生的时间误差基本一样，不影响不同合并单元数据之间的同时性关系。

II、上面的公式中，合并单元M采样的时间间隔T的值是以保护测控单元E的时钟衡量的，但是，M的采样是与它自己的时钟同步的，如果M和E的时钟快慢不一样，而且这种相对快慢发生缓慢的变化，则T的值也会发生缓慢的变化，因此保护测控单元E需要不断地测量T的值。

时钟的相对快慢对于T的值的变化没有影响，相对快慢的变化才对T的值的变化有影响。也即，影响T的值的变化的不是时钟的相对“速度”，而是“加速度”，因此，这种影响应该更加缓慢，十秒钟计算一次T的值应该足够了。

本发明提供的根据数据接收时刻确定采样时刻的方法的流程如图1所示，采用的装置包括通过光纤依次连接的合并单元、交换机和保护测控单元；具体包括下述步骤：

（一）从所述合并单元的采样数据帧，数据帧经过交换机后被保护测控单元接收；

（二）在系统初始化和运行过程中不断确定采样周期T；

保护测控单元接收2N个采样值数据帧，每个采样值数据帧的接收时刻用下述表达式组①表示：

r₀＝t₀+D+dr₀； r_N＝t₀+N×T+D+dr_N；

r₁=t₀+T+D+dr₁； r_N+1＝t₀+（N+1）T+D+dr_N+1；

r₂=t₀+2T+D+dr₂； r_N+2＝t₀+（N+2）T+D+dr_N+2；

… … ①；

r_n=t₀+nT+D+dr_n； r_N+n＝t₀+（N+n）T+D+dr_N+n；

… ……

r_N-1＝t₀+(N-1)T+D+dr_N-1； r_2N-1＝t₀+（2N-1）T+D+dr_2N-1；

其中：r₀、r₁、r₂、……、r_2N-1分别为第一个、第二个、第三个、……、第2N-1个每个采样数据帧的接收时刻；t₀为第一个采样值数据帧的采样时刻；dr₀、dr₁、dr₂、…….、dr_2N-1分别为第一个、第二个、第三个、……、第2N-1个每个采样值数据帧传输的延时偏差；D为延时平均值；n表示0～N-1之间的任意一个数；N的取值范围在4000-20000之间；

将以上表达式组①中的式子从右到左两两相减，并除以N，得到以下表达式组：

(r_N-r₀)/N＝T+(dr_N-dr₀)/N

(r_N+1-r₁)/N＝T+(dr_N+1-dr₁)/N

(r_N+2-r₂)/N＝T+(dr_N+2-dr₂)/N

............ ②；

(r_N+n-r_n)/N＝T+(dr_N+n-dr_n)/N

(r_2N-1-r_N-1)/N＝T+(dr_2N-1-dr_N-1)/N

将表达式组②中的各个子式相加，得到下述表达式：

$\frac{1}{N}(\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n)=\mathrm{NT}+\frac{1}{N}(\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dr}}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dr}}_n)$ ③；

当N为无穷大时， 得到采样周期T的表达式：

$T=\frac{1}{N^2}(\underset{n=N}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\text{n}})$ ④。

实际计算时，可以考虑取N为1秒钟内的采样点数。

假定T_b是按照④式上次计算得到的结果，T_p是按照④式本次计算得到的结果，可以按照下式来确定采样周期T，这种方法可以减少传输延时抖动大造成的影响。

T=λT_p+（1-λ）T_b （0＜λ≤1）。

（三）在系统初始化过程中测量传输延时D；

在合并单元和保护测控单元之间建立时钟同步，并结合秒以下的时间单位，t₀代表秒与秒的间隔处的采样时刻，有t₀=0，t_n=NT，假定一秒钟之内的采样点数为N得延时时间：

$D=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\frac{(N-1)}{2}T$ ⑤；

假定时间单位为秒，由于NT=1秒，则平均延时时间为：

$D=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n-\frac{(1-T)}{2}$ ⑥；

在系统初始化阶段，通过在合并单元M和保护测控单元E之间建立时钟同步，利用上式⑥测得某个合并单元到保护测控单元的传输时延D_normal；

在正常运行阶段，我们可以不断利用⑥式计算时延参数D，并将平均延时时间D与D_normal进行比较，若

|D-D_normal|≤δ⑦；

则合并单元和保护测控单元之间为时钟同步；

|D-D_normal|>δ⑧；

则合并单元和保护测控单元之间时钟失步；

其中：δ为允许的时钟误差，建议取20μs。

实际计算时，可以考虑取N为1秒钟内的采样点数。根据（1）式测得序号为n的采样值数据帧的延时为

D+d|r_n=r_n|-nT

上式可用于延时抖动的统计。具体测量时，要注意接收时间r_n的单位和（在秒与秒的间隔处）归零的问题。

（四）在系统初始化和运行过程中不断确定原始数据采样时刻：

第N-1个采样值数据帧的采样时刻用下述表达式表示：

$t_{N-1}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n+\frac{(N-1)}{2}T-D$ ⑨；

则第N个采样值数据帧的采样时刻为：

$t_N=\frac{1}{N+1}\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_n+\frac{N}{2}T-D$ ⑩；

经过变换化简得到：

$t_N=\frac{N(t_{N-1}+T)+(r_N-D)}{N+1}$

由式得采样值数据帧的采样时刻的迭代计算公式为：

$t_n=\frac{N(t_{n-1}+T)+(r_n-D)}{N+1}$

此时，N不必等于1秒钟内的采样点数。实际计算时，N的取值可以从几百到几万。N越大，就越能消除延时大抖动的影响，同时，也就越不能尽快反映时钟快慢的变化。

实施例

本方法目前已经用在了合并单元相位差的测量方案中，精度可达1us。具体应用参见图5、图6。图5的左侧显示的是用常规方法测量计算的结果，图5的右侧显示的是用本方法测量计算的结果，左侧和右侧图线比较可知，利用本发明提供的根据数据接收时刻确定采样时刻方法的精度高，计算简单。图6是合并单元1、合并单元2和合并单元3发出数据的波形显示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种根据数据接收时刻确定采样时刻的方法，所述方法采用的装置包括通过光纤依次连接的合并单元、交换机和保护测控单元；其特征在于，所述方法的数据采样均匀进行，包括下述步骤：

(一)从所述合并单元的采样数据帧，数据帧经过交换机后被保护测控单元接收；

(二)在系统初始化和运行过程中不断确定采样周期T；

(三)在系统初始化过程中测量传输延时D；

(四)在系统初始化和运行过程中不断确定原始数据采样时刻；

所述步骤(二)中，保护测控单元接收2N个采样值数据帧，每个采样值数据帧的接收时刻用下述表达式组①表示：

其中：r₀、r₁、r₂、……、r_2N-1分别为第一个、第二个、第三个、……、第2N-1个每个采样数据帧的接收时刻；t₀为第一个采样值数据帧的采样时刻；dr₀、dr₁、dr₂、…….、dr_2N-1分别为第一个、第二个、第三个、……、第2N-1个每个采样值数据帧传输的延时偏差；D为延时平均值；n表示0～N-1之间的任意一个数；N的取值范围在4000-20000之间；

将以上表达式组①中的式子从右到左两两相减，并除以N，得到以下表达式组：

将表达式组②中的各个子式相加，得到下述表达式：

当N为无穷大时，得到采样周期T的表达式：

所述步骤(三)中，在系统施工阶段、投运之前在合并单元和保护测控单元之间建立时钟同步，并结合秒以下的时间单位，t₀代表秒与秒的间隔处的采样时刻，有t₀＝0，t_n＝NT，假定一秒钟之内的采样点数为N，延时时间D用如下表达式表示：

假定时间单位为秒，由于NT＝1秒，则平均延时时间为：

通过在合并单元和保护测控单元之间建立时钟同步，利用上式⑥测得某个合并单元到保护测控单元的传输时延D_normal；

将平均延时时间D与D_normal进行比较，若

|D-D_normal|≤δ ⑦；

则合并单元和保护测控单元之间为时钟同步；

|D-D_normal|〉δ ⑧；

则合并单元和保护测控单元之间时钟失步；

其中：δ为允许的时钟误差，取20μs；

所述步骤(四)中，第N-1个采样值数据帧的采样时刻用下述表达式表示：

则第N个采样值数据帧的采样时刻为：

经过变换化简得到：

由式得采样值数据帧的采样时刻的迭代计算公式为：

其中：n表示0～N-1之间的任意一个数；N的取值范围在4000-20000之间。