CN104618087A - 一种广域电网pmu数据时延精确测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，涉及电力系统实时动态监测领域。目前，广域电网PMU数据时延不能精确测量。本发明包括以下步骤：在WAMS主站端设模拟前置系统；将PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS之间交换机上PMU数据通信的一侧端口收发镜像到空闲端口，将镜像端口接入网络记录仪的采集网口，网络记录仪记录数据通过交换机的时刻；根据网络记录仪采集的原始通信数据，分析得到需要的数据交互过程的时间信息；根据数据交互过程的时间信息，计算广域电网PMU数据时延。本技术方案不影响现有的WAMS与PMU数据交互，且能够得出精确的PMU数据时延。

Description

一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法

技术领域

本发明涉及电力系统实时动态监测领域，特别是基于PMU的广域测量系统和基于PMU的广域电网实时闭环控制系统方向。

背景技术

目前，以同步时钟（例如GPS的授时信号）作为数据采样基准时钟源的相量测量装置（phasor measurement unit，PMU），在我国电力系统中已得到广泛应用，作为实时动态监测系统的重要组成，以电力调度数据网为通信通道，通过网络按照规范传输测量信息和控制信息，为广域测量系统（wide-area measurement system，WAMS）提供实时测量数据，接收并响应主站下达的命令。广域电网PMU数据时延作为影响广域电网实时闭环控制系统性能的主要因素之一，在整个通信过程中具有不确定性和随机性，对广域电力系统阻尼控制造成非常不利的影响。

基于上述背景，如何精准测量广域电网PMU数据时延成为一个需要解决的问题。现有的PMU数据时延测量是通过WAMS接收PMU测量信息时的系统时间与测量信息内部时标计算得到PMU测量信息时延，但该方法存在以下缺点：

（一）      需要在WAMS内部进行时延测量，一方面可能会影响WAMS的性能，另一方面也无法测量PMU与WAMS之间从最开始的PMU采集数据的时刻到最后的WAMS接收PMU控制响应信息的闭环时延。

（二）      PMU测量信息内部时标为PMU采集数据的时刻，时间精度在微秒级，但WAMS的系统时间通过网络对时（SNTP），精度在毫秒级，因此该方法无法精确测量毫秒级或十毫秒级的PMU测量信息时延。

（三）      PMU控制信息内部时标精度在秒级，因此该方法无法精确测量毫秒级的PMU控制信息时延。

（四）      PMU与WAMS的数据通信可以基于TCP或UDP协议，部分WAMS不支持基于UDP协议的通信过程，无法对基于UDP协议的PMU与WAMS的通信时延进行测量。

发明内容

本发明提供一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，以达到时延精确测量的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，包括以下步骤：

1)    在WAMS主站端设模拟前置系统，模拟前置系统与PMU之间按照电力系统实时动态监测系统技术规范进行配置和通信，模拟PMU与WAMS的数据交互，同时在特定时机发送特定的控制信息；

2)    将PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS之间交换机上PMU数据通信的一侧端口收发镜像到空闲端口，将镜像端口接入网络记录仪的采集网口，网络记录仪按照规范采集PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据并标记精确时标记录数据通过交换机的时刻；

3)    根据网络记录仪采集的原始通信数据，参照通信参数和通信规约，对PMU传递测量信息的数据流管道和PMU传递控制信息的管理管道进行分析，得到需要的数据交互过程的数据，然后根据每个数据交互过程的通信数据类型、通信规约，分析得到需要的数据交互过程的时间信息，时间信息包括PMU测量信息内部时标、PMU测量信息通过交换机的时刻、PMU控制信息通过交换机的时刻、PMU控制响应信息通过交换机的时刻；如果数据交互包括模拟前置系统的数据交互则还需要分析得到模拟前置系统发送特定控制信息的特定时刻；

4)根据数据交互过程的时间信息，计算广域电网PMU数据时延。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

在步骤1）中将模拟前置系统搭建在WAMS主站端，可以与WAMS同机运行，并与PMU同时进行基于TCP协议的数据交互和基于UDP协议的数据交互，模拟前置系统与WAMS同机运行时同时进行PMU数据交互过程：PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互、PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互、PMU与WAMS的数据交互。

在步骤3）中，根据分析网络记录仪记录的信息，分析得到PMU数据交互过程的时间信息，时间信息包括：PMU测量信息内部时标T0、PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T1、模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2、PMU控制信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T3、PMU控制响应信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T4；在步骤4）中，根据PMU数据交互过程的时间信息计算广域电网PMU数据时延，广域电网PMU数据时延包括： PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时延、PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程的时延、PMU与WAMS的数据交互时延；

其中，PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时延包括：从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延△T_CALC-TCP = T1_TCP-T0_TCP；从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延△T_FRONT-TCP = T3_TCP-T2_TCP；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延△T_COTL-TCP = T4_TCP-T3_TCP；

PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程时延包括：从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延△T_CALC-UDP = T1_UDP  -T0_UDP  ；从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延△T_FRONT-UDP = T3_UDP  -T2_UDP   ；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延△T_COTL-UDP = T4_UDP  -T3_UDP ；

PMU与WAMS的数据交互时延包括：从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延△T_CALC-WAMS  = T1_WAMS   -T0_WAMS   ；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延△T_COTL-WAMS  = T4_WAMS  -T3_WAMS ；其中，公式中标记的“_TCP”指PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时间信息；公式中标记的“_UDP”指PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程的时间信息；公式中标记的“_WAMS ”指PMU与WAMS的数据交互过程的时间信息。

在步骤1）中，模拟前置系统在特定时机发送特定的控制信息，其中特定的控制信息为心跳信号，特定的时刻为模拟前置系统每次或固定每隔几次接收到PMU测量信息内部时标为整秒数时；模拟前置系统以心跳信号命令帧作为特定的控制信息，通过管理通道传递给PMU，PMU收到心跳信号命令帧后回复心跳信号命令帧作为控制响应信息。

模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻为最近一次内部时标为整秒的PMU测量信息通过交换机的时刻。

根据实际需要测量的广域电网PMU数据时延，选择PMU与模拟前置系统之间的交换机或PMU与WAMS之间的交换机单独或同时进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，网络记录仪单独或同时采集PMU与模拟前置系统之间的原始通信数据或PMU与WAMS之间的原始通信数据；测量广域电网PMU数据闭环时延时时，同时对模拟前置系统或WAMS主站侧的交换机和PMU子站侧的交换机进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，两侧的网络记录仪同时采集PMU与模拟前置系统之间或PMU与WAMS之间的原始通信数据，并分别记录同一时间段PMU数据通过主站侧交换机和子站侧交换机的时刻；进行端口镜像的交换机设于纵向加密装置前，使原始报文处于尚未经过加密或已经解密状态。

当交换机没有空闲端口可以进行端口镜像时将交换机的一侧端口接入新增交换机，PMU与模拟前置系统之间或PMU与WAMS之间通过新增交换机进行通信，再将新增交换机上的通信端口收发镜像并将镜像端口接入网络记录仪。

当新增交换机后，在计算广域电网PMU数据时延前，计算新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延；在计算广域电网PMU数据时延时，将PMU数据通过新增交换机的时刻减去新增交换机镜像时延，得到补偿校正后的通过新增交换机的时刻；将PMU数据经过新增交换机的时延减去新增交换机收发时延，得到补偿校正后的时延。

计算新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延的步骤为：

a)        PTP对时信号接入交换机接收端口，网络记录仪通过镜像端口和交换机发送端口采集PTP通信报文，记录PTP到达各端口的时刻；

b)        分析网络记录仪采集PTP通信报文，得到PTP内部时标、PTP到达镜像端口的时刻、PTP到达发送端口的时刻；

c)        将PTP到达镜像端口的时刻减去PTP内部时标，得到新增交换机镜像时延；将PTP到达发送端口的时刻减去PTP内部时标之差，得到新增交换机额外时延。

在步骤3）中，广域电网PMU数据时间信息分析的具体步骤包括：

S301：打开网络记录仪记录PMU原始通信数据的pcap文件，按照pcap文件格式分析得到每个原始通信数据和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T；

S302：分析PMU原始通信数据的链路层和网络层；

S303：根据IP首部的标志和片偏移，对已分片的IP数据包进行分片重组得到完整IP数据包；

S304：分析传输层协议，判断传输层协议类型；

S305：当为TCP协议类型时，根据TCP包长度、首部包含的序号等信息，抛弃重复数据、整合乱序数据、重组TCP分段，得到顺序的数据流；

S306：判断是否为需要的数据交互过程？若是，进入步骤S307；

S307：判断PMU数据对应的PMU数据类型？

S308：当PMU数据类型为数据流管道数据帧时，分析数据帧即测量信息内部时标T0，并根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，将T0和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T存入对应的数据交互过程中；

S309：当PMU数据类型为管理管道命令帧（心跳信号）时，根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，得出对应的数据交互过程，区分命令帧（心跳信号）是PMU控制信息或者PMU控制响应信息，并记录其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T

S310：判断是否为模拟前置系统发送的PMU控制信息？当模拟前置系统发送的信息为PMU控制信息时，则进入步骤S311；否则进入步骤S312，将信息存入PMU时间信息数据库中；

S311：模拟前置系统在收到内部时标为整秒数（微秒数、毫秒数为0）的PMU测量信息时发送PMU控制信息，按照PMU数据交互过程查找PMU控制信息对应PMU测量信息时间，得到模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2；其中特定时刻T2为上一次内部时标T0为整秒数的PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T；

S312：将信息存入PMU时间信息数据库中。

有益效果：本技术方案在不影响现有的WAMS与PMU数据交互的前提下，通过模拟前置系统与PMU进行基于TCP协议或UDP协议的数据交互，采集特定位置的一个或多个交换机上的PMU原始通信数据同时记录数据通过交换机的精确时刻，并通过分析PMU原始通信数据得到各个关键点的精确时标，最终计算出精确的PMU数据时延。

该方法是在真实业务环境下采集PMU原始通信数据，测量获得的时延能反映实际环境下的PMU数据时延情况，属于在线测量。该方法通过满足标准的对时信号标记PMU原始通信数据的时标，并通过分析计算出新增交换机的额外时延，对测量获得的PMU数据时延进行补偿矫正，从而获得更高的测量精度，可以得到十微秒级的广域电网PMU数据时延精度。

该方法的各个步骤相对独立，可以根据实际情况扩展：在不便搭建模拟前置系统的环境下，去掉步骤1，在步骤2只搭建PMU与WAMS的通信数据采集环境；在步骤3添加对PMU数据的深入分析，用来对以PMU数据时延为基础的PMU时延补偿模型进行仿真验证；步骤2可以需要搭建WAMS主站侧、PMU子站侧单侧或双侧的测量环境；步骤3、4根据步骤2采集的测量数据分析和计算广域电网PMU数据的数据流通道、管理通道单侧或回路时延。

附图说明

图1是广域电网PMU数据时延精确测量的流程；

图2是现有交换机端口镜像和网络记录仪连接的示意图；

图3是新增交换机端口镜像和网络记录仪连接的示意图；

图4是广域电网PMU数据时间信息分析的流程。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明包括以下步骤：

1.      模拟前置系统搭建在WAMS主站端，与PMU按照电力系统实时动态监测系统技术规范进行配置和通信，模拟PMU与WAMS的数据交互，同时在特定时机发送特定的控制信息；

2.      将PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS之间交换机上PMU数据通信的一侧端口收发镜像到空闲端口，将镜像端口接入网络记录仪的采集网口，网络记录仪按照规范采集PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据并标记精确时标记录数据通过交换机的时刻；

3.        根据网络记录仪采集的PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据，参照通信参数和通信规约，对PMU传递测量信息的数据流管道和PMU传递控制信息的管理管道进行分析，得到需要的数据交互过程的数据，然后根据每个数据交互过程的通信数据类型、通信规约，分析得到需要的数据交互过程的时间信息，时间信息包括PMU测量信息内部时标、PMU测量信息通过交换机的时刻、PMU控制信息通过交换机的时刻、PMU控制响应信息通过交换机的时刻，如果数据交互包括模拟前置系统的数据交互则还需要分析得到模拟前置系统发送特定控制信息的特定时刻；

4.      根据数据交互过程的时间信息，计算广域电网PMU数据时延。

步骤1中模拟前置系统模拟PMU与WAMS进行的数据交互，但不影响现有的PMU与WAMS之间的数据交互；

模拟前置系统与WAMS的区别在于：模拟前置系统对PMU采集的测量信息仅进行最基本的分析、支持同时与PMU基于TCP协议或UDP协议进行通信、在特定时刻发送特定的控制信息，其中特定的控制信息为心跳信号，特定时刻为模拟前置系统每次或固定每隔几次接收到PMU测量信息内部时标为整秒数时。模拟前置系统按照电力系统实时动态监测系统技术规范组成心跳信号命令帧作为特定的控制信息，通过管理通道传递给PMU，PMU收到心跳信号命令帧后回复心跳信号命令帧作为控制响应信息。

步骤2中根据实际需要测量的广域电网PMU数据时延，可以选择不同的交换机单独或同时进行端口镜像并搭建数据采集环境。

根据实际需要测量的广域电网PMU数据时延，PMU与模拟前置系统之间的交换机或PMU与WAMS之间的交换机单独或同时进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，网络记录仪采集PMU与模拟前置系统的原始通信数据或PMU与WAMS的原始通信数据；测量广域电网PMU数据闭环时延时，同时对模拟前置系统或WAMS主站侧的交换机和PMU子站侧的交换机进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，两侧的网络记录仪同时采集PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据，分别记录同一时间段PMU数据通过主站侧交换机和子站侧交换机的时刻。

电力调度数据网一般会使用纵向加密策略对主站侧或子站侧输出的原始报文进行加密处理，进行端口镜像的交换机应该在纵向加密装置前，使原始报文处于尚未经过加密或已经解密的状态。

另外，根据交换机实际运行情况，如果当前交换机没有空闲端口可以进行端口镜像，则将交换机的一侧端口介入新增交换机，PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS通过新增交换机进行通信，再将新增交换机上的通信端口收发镜像并将镜像端口接入网络记录仪。

步骤2中的网络记录仪要求满足智能变电站网络报文记录及分析装置检测规范，满足网络报文记录的透明性、可靠性、独立性、安全性等要求，并且按照规范接入对时信号，当采用IRIG-B对时方式时，系统同步对时精度不大于1微秒。

步骤3中模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻，根据步骤1规定，即模拟前置系统发送PMU控制信息前最近一次接收到PMU测量信息内部时标为整秒数的时刻；为计算PMU测量信息通过交换机到模拟前置系统根据测量信息发送PMU控制信息的时延，得到模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻为最近一次内部时标为整秒的PMU测量信息通过交换机的时刻；当步骤2中测量广域电网PMU数据闭环时延时，PMU数据通过交换机的时刻包括通过主站侧交换机的时刻和通过子站侧交换机的时刻，模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻为最近一次内部时标为整秒数的PMU测量信息通过主站侧交换机的时刻。

根据步骤2中搭建的数据采集环境，步骤4中计算PMU数据时延的方法包括：

1）模拟前置系统或WAMS主站侧或PMU子站侧单侧数据采集时，广域电网PMU数据时延计算方法包括：将每个PMU测量信息通过交换机的时刻减去测量信息内部时标，得到从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延；将每个模拟前置系统发送的PMU控制信息通过交换机的时刻减去模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻，得到从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延；将PMU控制响应信息通过交换机的时刻减去PMU控制信息通过交换机的时刻，得到从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延。

步骤3中PMU与WAMS的通信数据分析不包括发送PMU控制信息的特定时刻，因此不计算从WAMS接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延。

2）模拟前置系统或WAMS主站侧和PMU子站侧双侧数据采集时，广域电网PMU数据闭环时延计算方法包括：

将每个PMU测量信息通过子站侧交换机的时刻减去PMU测量信息内部时标，得到PMU从采集测量数据到发送测量信息的时延，即子站内部测量信息发送时延,是PMU测量固有延时；将每个PMU测量信息通过主站侧交换机的时刻减去PMU测量信息通过子站侧交换机的时刻，得到PMU测量数据从子站侧交换机传递到主站侧交换机的时延，即数据流管道网络传输时延；将每个模拟前置系统发送的PMU控制信息通过主站侧交换机的时刻减去模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻，得到模拟前置系统从接收PMU测量信息到判定和组织PMU控制信息的时延，即模拟前置系统接收处理时延；将PMU控制信息通过主站侧交换机的时刻减去PMU控制信息通过子站侧交换机的时刻，得到PMU控制信息从主站侧交换机传递到子站侧交换机的时延，即管理管道下行网络传输时延；将PMU控制响应信息通过子站侧交换机的时刻减去PMU控制信息通过子站侧交换机的时刻，得到PMU从接收PMU控制信息到判定和组织PMU控制响应信息的时延，即PMU控制响应时延；将PMU控制响应信息通过子站侧交换机的时刻减去PMU控制响应信息通过侧主站交换机的时刻，得到PMU控制信息从主站侧交换机传递到子站侧交换机的时延，即管理管道上行网络传输时延。

步骤3中PMU与WAMS的通信数据分析不包括发送PMU控制信息的特定时刻，无法根据分析结果直接计算WAMS接收处理时延，参照步骤1中模拟前置系统的控制处理，模拟前置系统接收处理时延是理论上最小测量信息判定和控制处理时延，根据实际情况引入自定义的额外处理时延，将模拟前置系统接收处理时延加上自定义的额外处理时延得到WAMS接收处理时延。

步骤4中计算的与控制信息和管理管道相关的时延，是步骤1通过特定的控制信息即心跳信号的命令帧测量并分析计算得到，可以通过模拟前置系统或WAMS发送不同的控制信息并采集、分析最后计算得到类似时延。

步骤2中通过现有交换机进行端口镜像，步骤4计算PMU数据时延不需要额外时延补偿；步骤2中通过新增交换机采集PMU数据，步骤4之前该方法进一步包括：

a.PTP对时信号接入交换机接收端口，网络记录仪通过镜像端口和交换机发送端口采集PTP通信报文，记录PTP到达各端口的时刻；

b.分析网络记录仪采集PTP通信报文，得到PTP内部时标、PTP到达镜像端口的时刻、PTP到达发送端口的时刻；

c.根据PTP内部时标、PTP到达镜像端口的时刻、PTP到达发送端口的时刻计算得出新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延。

则步骤4所述的计算PMU数据时延的方法进一步包括：将PMU数据通过新增交换机的时刻减去交换机镜像时延，得到补偿校证后的通过新增交换机的时刻；将PMU数据经过新增交换机的时延减去新增交换机收发时延，得到补偿校证后的时延。

步骤c所述计算新增交换机额外时延的方法为：

将PTP到达镜像端口的时刻减去PTP内部时标，得到新增交换机镜像时延；将PTP到达发送端口的时刻减去PTP内部时标之差，得到新增交换机额外时延。

以下具体举例说明其工作方法：

如图１所示，广域电网PMU数据时延精确测量的流程为：

步骤101将模拟前置系统搭建在WAMS主站端，可以与WAMS同机运行，并与PMU同时进行基于TCP协议的数据交互和基于UDP协议的数据交互，显示了在WAMS主站侧广域电网PMU数据时延精确测量的系统结构，这样模拟前置系统与WAMS同机运行时同时进行三个PMU数据交互过程：PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互、PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互、PMU与WAMS的数据交互；

步骤102中在交换机上搭建了PMU交互数据采集的环境，网络记录仪记录了上述三个PMU数据交互过程的原始通信数据并标记每个通信数据通过交换机的时刻为T；

步骤103分析网络记录仪采集的原始通信数据和原始通信数据通过交换机的时刻T，分析得到上述三个PMU数据交互过程的时间信息，包括：PMU测量信息内部时标T0、PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T即T1、模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2、PMU控制信息通过交换机时网络记录仪标记的T即T3、PMU控制响应信息通过交换机时网络记录仪标记的T即T4；其中WAMS与PMU的数据交互的时间信息不包括T2；

步骤104根据PMU数据交互过程的时间信息计算广域电网PMU数据时延：

1、              PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程

①      根据公式（1）从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延为

△T_CALC-TCP = T1_TCP  -T0_TCP                                            （1）

②      根据公式（2）从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延为

△T_FRONT-TCP = T3_TCP  -T2_TCP                                            （2）

③      根据公式（3）从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延为

△T_COTL-TCP = T4_TCP  -T3_TCP                                            （3）

其中，公式中标记的“_TCP”指PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时间信息，如PMU测量信息通过交换机的时刻T1即标记为“T1_TCP”。

2、              PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程

①      根据公式（3）从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延为

△T_CALC-UDP = T1_UDP  -T0_UDP                                            （3）

②      根据公式（4）从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延为

△T_FRONT-UDP = T3_UDP  -T2_UDP                                            （4）

③      根据公式（5）从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延为

△T_COTL-UDP = T4_UDP  -T3_UDP                                            （5）

其中，公式中标记的“_UDP”指PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程的时间信息，如PMU测量信息通过交换机的时刻T1即标记为“T1_UDP”。

3、              PMU与WAMS的数据交互

①      根据公式（6）从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延为

△T_CALC-WAMS = T1_WAMS-T0_WAMS                                        （6）

②      根据公式（7）从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延为

△T_COTL-WAMS = T4_WAMS -T3_WAMS                                  （7）

其中，公式中标记的“_WAMS”指PMU与WAMS的数据交互过程的时间信息，如PMU测量信息通过交换机的时刻T1即标记为“T1_WAMS”。

如图2所示，若交换机存在空闲端口，则使用既有交换机设置端口镜像，将镜像端口接入网络记录仪，供网络记录仪采集PMU原始通信数据；若交换机无空闲端口，则如图３所示，在PMU与固有交换机之间增加一台网络交换机，并对接入的PMU通信端口设置端口镜像，将镜像端口接入网络记录仪，供网络记录仪采集PMU原始通信数据。

如图4所示，广域电网PMU数据时间信息分析的流程如下：

S301：打开网络记录仪记录PMU原始通信数据的pcap文件，按照pcap文件格式分析得到每个原始通信数据和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T；

S302：分析PMU原始通信数据的链路层和网络层；

S303：根据IP首部的标志和片偏移，对已分片的IP数据包进行分片重组得到完整IP数据包；

S304：分析传输层协议，判断传输层协议类型；

S305：当为TCP协议类型时，根据TCP包长度、首部包含的序号等信息，抛弃重复数据、整合乱序数据、重组TCP分段，得到顺序的数据流；

S306：判断是否为需要的数据交互过程？若是，进入步骤S307；

S307：判断PMU数据对应的PMU数据类型？

S308：当PMU数据类型为数据流管道数据帧时，分析数据帧即测量信息内部时标T0，并根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，将T0和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T存入对应的数据交互过程中；

S309：当PMU数据类型为管理管道命令帧（心跳信号）时，根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，得出对应的数据交互过程，区分命令帧（心跳信号）是PMU控制信息或者PMU控制响应信息，并记录其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T

S310：判断是否为模拟前置系统发送的PMU控制信息？当模拟前置系统发送的信息为PMU控制信息时，则进入步骤S311；否则进入步骤S312，将信息存入PMU时间信息数据库中；

S311：模拟前置系统在收到内部时标为整秒数（微秒数、毫秒数为0）的PMU测量信息时发送PMU控制信息，按照PMU数据交互过程查找PMU控制信息对应PMU测量信息时间，得到模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2；其中特定时刻T2为上一次内部时标T0为整秒数的PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T；

S312：将信息存入PMU时间信息数据库中。

步骤401将网络记录仪采集的PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据和对应的记录时刻T从记录pcap文件中提取，步骤402-411对原始通信数据进行分析得到需要的信息，步骤412将分析得到的广域电网PMU数据时间信息按照数据交互过程存入PMU时间信息数据库供后续的广域电网PMU数据时延计算。其中步骤403进行IP协议的分片重组，得到完整的IP数据包；步骤404区分传输层协议是TCP协议还是UDP协议；步骤405针对乱序、错序、重复的TCP数据流进行了处理并对需要的TCP分段进行重组得到完整的TCP数据流；步骤406过滤需要的数据交互过程，这里数据交互过程按照PMU通信参数（PMU的IP地址、模拟前置系统或WAMS的IP地址、数据流管道的服务器端口号、管理管道的服务器端口号）和原始通信数据分析得到的信息（目的IP地址，源IP地址，协议类型，目的端口号，源端口号）划分，区分出PMU和模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程、PMU和模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程、PMU和WAMS的数据交互过程；步骤407将PMU数据（根据步骤404得到的传输层协议类型若为TCP协议则PMU数据即TCP数据流，若为UDP协议则PMU数据即UDP数据包）按照PMU通信规范分析得到PMU数据类型，区分了对PMU传递测量信息的数据流管道和PMU传递控制信息的管理管道；步骤408-409，参照通信参数和通信规约，分析得到需要的数据交互过程的时间信息，包括PMU测量信息内部时标、PMU测量信息通过交换机的时刻、PMU控制信息通过交换机的时刻、PMU控制响应信息通过交换机的时刻，步骤410判断如果数据交互包括模拟前置系统则，进行步骤411分析得到模拟前置系统发送特定控制信息的特定时刻；步骤412将分析得到的时间信息按照数据交互过程存入PMU时间信息数据库。

广域电网PMU数据时间信息分析完成后，通过PMU时间信息数据库提取需要的时间信息进行广域电网PMU数据时延计算；测量广域电网PMU数据回路时延时，将同时采集到的主站侧原始通信数据和子站侧原始通信数据分别分析得到主站侧的PMU实时信息数据库和子站侧的PMU实时信息数据库，通过两侧PMU实时信息数据库的同步查找并提取需要的时间信息并计算广域电网PMU数据的回路时延。

以上图1-4所示的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

在WAMS主站端设模拟前置系统，模拟前置系统与PMU之间按照电力系统实时动态监测系统技术规范进行配置和通信，模拟PMU与WAMS的数据交互，同时在特定时机发送特定的控制信息；

将PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS之间交换机上PMU数据通信的一侧端口收发镜像到空闲端口，将镜像端口接入网络记录仪的采集网口，网络记录仪按照规范采集PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据并标记精确时标记录数据通过交换机的时刻；

根据网络记录仪采集的原始通信数据，参照通信参数和通信规约，对PMU传递测量信息的数据流管道和PMU传递控制信息的管理管道进行分析，得到需要的数据交互过程的数据，然后根据每个数据交互过程的通信数据类型、通信规约，分析得到需要的数据交互过程的时间信息，时间信息包括PMU测量信息内部时标、PMU测量信息通过交换机的时刻、PMU控制信息通过交换机的时刻、PMU控制响应信息通过交换机的时刻；如果数据交互包括模拟前置系统的数据交互则还需要分析得到模拟前置系统发送特定控制信息的特定时刻；

根据数据交互过程的时间信息，计算广域电网PMU数据时延。

2.根据权利要求1所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：在步骤1）中将模拟前置系统搭建在WAMS主站端，可以与WAMS同机运行，并与PMU同时进行基于TCP协议的数据交互和基于UDP协议的数据交互，模拟前置系统与WAMS同机运行时同时进行PMU数据交互过程：PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互、PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互、PMU与WAMS的数据交互。

3.根据权利要求1所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：在步骤3）中，根据分析网络记录仪记录的信息，分析得到PMU数据交互过程的时间信息，时间信息包括：PMU测量信息内部时标T0、PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T1、模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2、PMU控制信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T3、PMU控制响应信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T4；在步骤4）中，根据PMU数据交互过程的时间信息计算广域电网PMU数据时延，广域电网PMU数据时延包括： PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时延、PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程的时延、PMU与WAMS的数据交互时延；

其中，PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时延包括：从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延△T_CALC-TCP = T1_TCP-T0_TCP；从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延△T_FRONT-TCP = T3_TCP-T2_TCP；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延△T_COTL-TCP = T4_TCP-T3_TCP；

PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程时延包括：从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延△T_CALC-UDP = T1_UDP  -T0_UDP  ；从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延△T_FRONT-UDP = T3_UDP  -T2_UDP   ；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延△T_COTL-UDP = T4_UDP  -T3_UDP ；

PMU与WAMS的数据交互时延包括：从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延△T_CALC-WAMS  = T1_WAMS   -T0_WAMS   ；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延△T_COTL-WAMS  = T4_WAMS  -T3_WAMS ；其中，公式中标记的“_TCP”指PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时间信息；公式中标记的“_UDP”指PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程的时间信息；公式中标记的“_WAMS ”指PMU与WAMS的数据交互过程的时间信息。

4.根据权利要求1所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：在步骤1）中，模拟前置系统在特定时机发送特定的控制信息，其中特定的控制信息为心跳信号，特定的时刻为模拟前置系统每次或固定每隔几次接收到PMU测量信息内部时标为整秒数时；模拟前置系统以心跳信号命令帧作为特定的控制信息，通过管理通道传递给PMU，PMU收到心跳信号命令帧后回复心跳信号命令帧作为控制响应信息。

5.根据权利要求4所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻为最近一次内部时标为整秒的PMU测量信息通过交换机的时刻。

6.根据权利要求1所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：根据实际需要测量的广域电网PMU数据时延，选择PMU与模拟前置系统之间的交换机或PMU与WAMS之间的交换机单独或同时进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，网络记录仪单独或同时采集PMU与模拟前置系统之间的原始通信数据或PMU与WAMS之间的原始通信数据；测量广域电网PMU数据闭环时延时时，同时对模拟前置系统或WAMS主站侧的交换机和PMU子站侧的交换机进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，两侧的网络记录仪同时采集PMU与模拟前置系统之间或PMU与WAMS之间的原始通信数据，并分别记录同一时间段PMU数据通过主站侧交换机和子站侧交换机的时刻；进行端口镜像的交换机设于纵向加密装置前，使原始报文处于尚未经过加密或已经解密状态。

7.根据权利要求1所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：当交换机没有空闲端口可以进行端口镜像时将交换机的一侧端口接入新增交换机，PMU与模拟前置系统之间或PMU与WAMS之间通过新增交换机进行通信，再将新增交换机上的通信端口收发镜像并将镜像端口接入网络记录仪。

8.根据权利要求7所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：当新增交换机后，在计算广域电网PMU数据时延前，计算新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延；在计算广域电网PMU数据时延时，将PMU数据通过新增交换机的时刻减去新增交换机镜像时延，得到补偿校正后的通过新增交换机的时刻；将PMU数据经过新增交换机的时延减去新增交换机收发时延，得到补偿校正后的时延。

9.根据权利要求8所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：计算新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延的步骤为：

PTP对时信号接入交换机接收端口，网络记录仪通过镜像端口和交换机发送端口采集PTP通信报文，记录PTP到达各端口的时刻；

分析网络记录仪采集PTP通信报文，得到PTP内部时标、PTP到达镜像端口的时刻、PTP到达发送端口的时刻；

将PTP到达镜像端口的时刻减去PTP内部时标，得到新增交换机镜像时延；将PTP到达发送端口的时刻减去PTP内部时标之差，得到新增交换机额外时延。

10.根据权利要求1所述的一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，其特征在于：在步骤3）中，广域电网PMU数据时间信息分析的具体步骤包括：

S301：打开网络记录仪记录PMU原始通信数据的pcap文件，按照pcap文件格式分析得到每个原始通信数据和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T；

S302：分析PMU原始通信数据的链路层和网络层；

S303：根据IP首部的标志和片偏移，对已分片的IP数据包进行分片重组得到完整IP数据包；

S304：分析传输层协议，判断传输层协议类型；

S305：当为TCP协议类型时，根据TCP包长度、首部包含的序号等信息，抛弃重复数据、整合乱序数据、重组TCP分段，得到顺序的数据流；

S306：判断是否为需要的数据交互过程？若是，进入步骤S307；

S307：判断PMU数据对应的PMU数据类型？

S308：当PMU数据类型为数据流管道数据帧时，分析数据帧即测量信息内部时标T0，并根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，将T0和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T存入对应的数据交互过程中；

S309：当PMU数据类型为管理管道命令帧（心跳信号）时，根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，得出对应的数据交互过程，区分命令帧（心跳信号）是PMU控制信息或者PMU控制响应信息，并记录其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T

S310：判断是否为模拟前置系统发送的PMU控制信息？当模拟前置系统发送的信息为PMU控制信息时，则进入步骤S311；否则进入步骤S312，将信息存入PMU时间信息数据库中；

S311：模拟前置系统在收到内部时标为整秒数（微秒数、毫秒数为0）的PMU测量信息时发送PMU控制信息，按照PMU数据交互过程查找PMU控制信息对应PMU测量信息时间，得到模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2；其中特定时刻T2为上一次内部时标T0为整秒数的PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T；

S312：将信息存入PMU时间信息数据库中。