CN103546272A - 一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法。本发明的方法通过解析得到采样报文数据包的额定延时品质域内的值Tq，并计算采样报文数据包在交换机内的驻留时间Td′，将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。本发明的方法能够将采样值数据在交换机内的存储、排队、转发、级联等不确定的动态延时准确地累加打包到采样值报文中，为IED设备的同步算法提供补偿参数，从而实现采样值的同步。

Description

一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法

技术领域

本发明涉及电力系统智能变电站（有些区域称为数字化变电站，以下统称为智能变电站）中采样值数据传输与同步的技术领域，具体涉及到在智能变电站中可应用的一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法。

背景技术

在智能变电站中采样值作为过程层的基础数据之一，被应用于继电保护、测控、录波、计量等系统，各类应用均对采样值的同步特性有严格的要求。采样值的同步特性受合并单元、传输网络以及IED（IntelligentElectronic Device，智能电子设备）设备等影响，是一个复杂系统协同工作后的结果。

目前采样值数据同步应用主要有两种方案：①基于外源同步的源端同步采样；②无需外源同步的末端直采插值同步。

方案①的系统应用见附图1，其原理见附图2：合并单元（MU）通过同步时钟的同步脉冲控制采样节拍，确保多个合并单元之间可以同步采样，并且按统一规则对每个时间片的采样数据编号（标准要求在同步脉冲到达时刻的采样编号为0），各个合并单元采样后，经过一个恒定的额定延时（数据处理和打包的时间开销，由合并单元的软硬件系统决定，是合并单元的固有系统参数）再将数据发出，采样数据经过交换机转发后，由于存储转发、级联、排队等因素产生一个不确定的延时，当流量可控时，这个延时的最恶劣情况可控。由于在源端是同步采样的，需要应用采样数据的IED设备不用关心这个不确定的传输转发延时，仅需要根据采样顺序号实现采样数据的同步。

方案①的优点是可以组网应用，接线简单，各种设备的端口数目需求少，线缆使用量少，数据可共享。

方案①的主要缺陷是对同步时钟的可靠性要求严格，对合并单元的同步信号处理逻辑要求严格，系统可靠性低。从目前已经应用的变电站看，由于同步时钟工作异常或合并单元对同步信号处理逻辑存在缺陷导致采样失步的情况时有发生，对变电站正常运行造成了比较明显的影响，增加了运维人员的工作负担。

方案②的系统应用见附图3，其原理见附图4：多个合并单元之间不需要采样同步，每个合并单元采样后，经过一个恒定的额定延时（数据处理和打包的时间开销Td，由合并单元的软硬件系统决定，是合并单元的固有系统参数）再将数据发出，以点对点的方式传输给需要应用采样数据的IED设备。由于是点对点传输，就不存在存储转发和数据排队等因素引入的传输延时，而链路上的延时仅与距离有关（理论上每300米延时1微秒），在单个变电站的空间范围内，链路物理距离导致的延时可以忽略不计。IED设备在接收到采样数据时用硬件打上精确度满足功能需求的本地时标（Ti），然后根据自己的功能需求，运用插值原理做重采样同步。

插值重采样的原理为（二阶插值）：Vx=f（Tx，Ti-Td，Vi，Tj-Td，Vj）

Vx是IED设备本地Tx时刻的插值点；一般情况下，j=i-1，x位于i与j之间；

Ti-Td是Vi采样点在合并单元中的折算成以IED设备时间为基准的采样时间；

Tj-Td是Vj采样点在合并单元中的折算成以IED设备时间为基准的采样时间；

方案②的优点是不要求合并单元同步采样，可不需要外源同步，可靠性高。

方案②的主要缺陷是只能应用于点对点接线方式，导致接线复杂，对各种装置的端口数目需求多，建设成本高，不能做到真正意义上的数据共享。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法。所述方法能够将采样值数据在交换机内的存储、排队、转发、级联等不确定的动态延时准确地累加打包到采样值报文中，为IED设备的同步算法提供补偿参数，从而实现采样值的同步。

本发明的一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法，包括：

步骤1：当接收到报文数据包的第一个bit时，过程层交换机对所述报文数据包打上本地时标；

步骤2：判断所述报文数据包是否为采样值数据包，如果是采样值数据包，则进入步骤3，否则，直接将所述报文数据包加入相应端口的转发队列中进行转发；

步骤3：解析所述报文数据包，定位所述报文数据包的额定延时品质域，得到所述额定延时品质域内的值Tq；

步骤4：计算所述报文数据包在所述交换机内的驻留时间Td′，并将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值；

步骤5：将所述报文数据包加入相应端口的转发队列中，并基于步骤4得到的所述报文数据包的额定延时品质域的值发送所述报文数据包。

其中，所述驻留时间Td′为用于接收所述报文数据包的存储时间、用于解析所述报文数据包的时间以及用于发送所述报文数据包的排队等待时间的累加和。

所述步骤4包括：

步骤4.1：获得所述报文数据包所要发往的端口P₁～P_n，其中，n≥1；

步骤4.2：计算对应于各端口P₁～P_n的Td₁′～Td′_n，并从中选出最大值作为Td′；

步骤4.3：将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。

或者，所述步骤4包括：

步骤4.1：获得所述报文数据包所要发往的端口P₁～P_n，其中，n≥1；

步骤4.2：计算对应于各端口P₁～P_n的Td₁′～Td′_n；

步骤4.3：将(Td₁′+Tq)～(Td′_n+Tq)的值分别存入发往端口P₁～P_n的各个报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。

当所述采样值报文数据包经过M个交换机S₁～S_M后，所述报文数据包的额定延时品质域的值

其中，Tdⁱ′为所述报文数据包在所述交换机S_i内的驻留时间，其中M≥1，1≤i≤M。

所述方法还包括：

步骤6：当接收到报文数据包的第一个bit时，IED对所述报文数据包打上本地时标Ti′；

步骤7：判断所述报文数据包是否为采样值数据包，如果是采样值数据包，则进入步骤8，否则，直接对所述报文数据包进行处理；

步骤8：对所述报文数据包进行解析，得到所述报文数据包的Tq值；计算（Ti′-Tq）的值，即为无需外源同步的末端直采插值同步方案中的参数Ti；

步骤9：对所述报文数据包采用无需外源同步的末端直采插值同步方案的处理。

其中，所述步骤1～5用于所述过程层交换机中；所述步骤6～9用于所述IED中。

本发明的方案可解决方案①中对同步系统的高度依赖性带来的系统可靠性低的缺陷，也可解决方案②中的接线复杂带来的高成本和数据无法共享的缺陷；本发明还具有方案①的接线简单和数据共享的优点，也具有方案②的可不需要对外源同步的高可靠性的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于外源同步的源端同步采样的系统网络拓扑图；

图2是基于外源同步的源端同步采样的处理原理图；

图3是无需外源同步的末端直采插值同步的系统网络拓扑图；

图4是无需外源同步的末端直采插值同步的处理原理图；

图5是本发明的所应用的系统的网络拓扑图；

图6是本发明一实施例提供的基于数据交换动态延时补偿方法在交换机上实现时的流程图；

图7是本发明中采样值额定延时品质域（Tq）的应用方法的采样值数据结构解析图；

图8是本发明中一实施例提供的基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法在IED上实现时的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的方法所应用的系统见附图5，本发明是一种无需外源同步的组网方式下实现采样值同步的方法。无需外源同步并不表示不能有外源同步，外源同步可以作为本方法中的一个辅助部分存在，本方法并不对其具有依赖性。本方法可以解决交换机级联引入的延时积累问题，交换机无级联的情况是本方法的一种特例。

如图6所示，本发明提供的一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法，包括：

步骤1：当接收到报文数据包的第一个bit时，过程层交换机对所述报文数据包打上本地时标；

步骤2：判断所述报文数据包是否为采样值数据包，如果是采样值数据包，则进入步骤3，否则，直接将所述报文数据包加入相应端口的转发队列中进行转发；

步骤3：解析所述报文数据包，定位所述报文数据包的额定延时品质域，得到所述额定延时品质域内的值Tq；

步骤4：计算所述报文数据包在所述交换机内的驻留时间Td′，并将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值；如图7所示，阴影部分为额定延时参数，64位，其中32位值是合并单元的采样延时（Td），32位品质（Tq）目前未使用，恒为0，本发明用来存放动态延时补偿参数。这种处理方法利用了现有采样值报文的空闲域，对现有采样值报文的编码结构无改变，具有良好的兼容性。

其中，Td’的物理意义是：采样值报文的首个bit进入交换机至该采样值报文的首个bit离开交换机的某端口的时间差。在同一个交换机内，同一个采样值在不同的端口转出时，Td’可能不同，这与交换机的软硬件设计有关。对于同一个采样值报文的多端口转发，在软硬件设计上即可采用多端口之间互相独立转发，也可采用多端口之间同步转发：

当采用多端口之间同步转发时，所述步骤4包括：

步骤4.1：获得所述报文数据包所要发往的端口P₁～P_n，其中，n≥1；

步骤4.2：计算对应于各端口P₁～P_n的Td₁′～Td′_n，并从中选出最大值作为Td′；

步骤4.3：将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。

当采用多端口之间互相独立转发时，所述步骤4包括：

步骤4.1：获得所述报文数据包所要发往的端口P₁～P_n，其中，n≥1；

步骤4.2：计算对应于各端口P₁～P_n的Td₁′～Td′_n；

步骤4.3：将(Td₁′+Tq)～(Td′_n+Tq)的值分别存入发往端口P₁～P_n的各个报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。

步骤5：将所述报文数据包加入相应端口的转发队列中，并基于步骤4得到的所述报文数据包的额定延时品质域的值发送所述报文数据包。

其中，所述驻留时间Td′为用于接收所述报文数据包的存储时间、用于解析所述报文数据包的时间以及用于发送所述报文数据包的排队等待时间的累加和。用于接收所述报文数据包的存储时间与端口带宽相关，可直接测量；用于解析所述报文数据包的时间与软件有关，可直接动态测量；用于发送所述报文数据包的排队等待时间与端口带宽、队列深度和交换芯片特性有关。

当所述采样值报文数据包经过M个交换机S₁～S_M后，所述报文数据包的额定延时品质域的值

其中，Tdⁱ′为所述报文数据包在所述交换机S_i内的驻留时间，其中M≥1，1≤i≤M。

如图8所示，所述方法还包括：

步骤6：当接收到报文数据包的第一个bit时，IED对所述报文数据包打上本地时标Ti′；

步骤7：判断所述报文数据包是否为采样值数据包，如果是采样值数据包，则进入步骤8，否则，直接对所述报文数据包进行处理；

步骤8：对所述报文数据包进行解析，得到所述报文数据包的Tq值；计算（Ti′-Tq）的值，即为无需外源同步的末端直采插值同步方案中的参数Ti；

步骤9：对所述报文数据包采用无需外源同步的末端直采插值同步方案的处理。

由于Tq是交换机动态提供并随采样值报文发送的，所以IED设备不需要设置该参数的系统定值，可减少IED设备的维护工作量。

由于现有方案中的Tq未被使用且其值恒为0，因此按本发明的方法实现采样值同步的IED设备可与现有的无需外源同步的末端直采插值同步方案完全兼容。

本发明的方法相对于目前组网方式下应用的基于外源同步的源端同步采样方案，对时钟同步系统无依赖，且不受网络负荷波动影响，可有效提高系统可靠性；相对于目前点对点方式下应用的无需外源同步的末端直采插值同步方案，可以简化系统接线，降低建设和维护成本，实现数据共享。本发明所实现的方法不受网络负荷变化、交换机级联层数以及网络节点增减影响；本发明所实现的方法对IED而言，只需要简单修改软件，无需硬件改动，且修改后的软件可与现行方案完全兼容，方便已建变电站改造升级。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于数据交换动态延时补偿的采样值同步方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：当接收到报文数据包的第一个bit时，过程层交换机对所述报文数据包打上本地时标；

步骤2：判断所述报文数据包是否为采样值数据包，如果是采样值数据包，则进入步骤3，否则，直接将所述报文数据包加入相应端口的转发队列中进行转发；

步骤3：解析所述报文数据包，定位所述报文数据包的额定延时品质域，得到所述额定延时品质域内的值Tq；

步骤4：计算所述报文数据包在所述交换机内的驻留时间Td′，并将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值；

步骤5：将所述报文数据包加入相应端口的转发队列中，并基于步骤4得到的所述报文数据包的额定延时品质域的值发送所述报文数据包。

2.根据权利要求1所述的采样值同步方法，其特征在于，所述驻留时间Td′为用于接收所述报文数据包的存储时间、用于解析所述报文数据包的时间以及用于发送所述报文数据包的排队等待时间的累加和。

3.根据权利要求2所述的多端口同步转发采样值同步方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：获得所述报文数据包所要发往的端口P₁～P_n，其中，n≥1；

步骤4.2：计算对应于各端口P₁～P_n的Td₁′～Td′_n，并从中选出最大值作为Td′；

步骤4.3：将（Td′+Tq）的值存入所述报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。

4.根据权利要求2所述的多端口独立转发采样值同步方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：获得所述报文数据包所要发往的端口P₁～P_n，其中，n≥1；

步骤4.2：计算对应于各端口P₁～P_n的Td₁′～Td′_n；

步骤4.3：将(Td₁′+Tq)～(Td′_n+Tq)的值分别存入发往端口P₁～P_n的各个报文数据包的额定延时品质域中以替换原来的Tq值。

5.根据权利要求1～4之一所述的采样值同步方法，其特征在于，当所述采样值报文数据包经过M个交换机S₁～S_M后，所述报文数据包的额定延时品质域的值其中，Tdⁱ′为所述报文数据包在所述交换机S_i内的驻留时间，其中M≥1，1≤i≤M。

6.根据权利要求5所述的采样值同步方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤6：当接收到报文数据包的第一个bit时，智能电子设备IED对所述报文数据包打上本地时标Ti′；

步骤7：判断所述报文数据包是否为采样值数据包，如果是采样值数据包，则进入步骤8，否则，直接对所述报文数据包进行处理；

步骤8：对所述报文数据包进行解析，得到所述报文数据包的Tq值；计算（Ti′-Tq）的值，即为无需外源同步的末端直采插值同步方案中的参数Ti；

步骤9：对所述报文数据包采用无需外源同步的末端直采插值同步方案的处理。

7.根据权利要求6所述的采样值同步方法，其特征在于，所述步骤1～5用于所述过程层交换机中；所述步骤6～9用于所述IED中。

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