CN108377265A - 一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，所述分布式系统由多个物理上独立的子系统组成；各子系统通过接收和发送采用固定格式的数据帧实现时钟同步，中断同步与数据同步，所述数据帧包含管理字段和数据字段；各子系统以相同的周期发送数据帧，并从网络中接收其他子系统的数据帧,根据所接收到的数据帧管理字段内容，完成主从系统识别，子系统间时间同步以及各子系统中断同步功能；各子系统根据所接收到的数据帧数据字段内容，在本地形成完整的全系统数据镜像，实现数据同步。本方法可以使各子系统能在同一时刻获取到相同时间断面的模拟量和开关量完成应用功能，能显著降低软件设计的复杂程度，从而提高整个系统的可靠性。

Description

一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动化控制领域，具体涉及一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法。

背景技术

在电力系统控制保护领域，安全稳定是系统设计最重要的指标。随着电力系统电压等级的提高，保护控制单装置功能的集成度越高，单一系统故障可能导致的系统风险就越大。此外，系统的复杂程度不断提高，单系统的处理能力有瓶颈，在高端应用场合常常也需要多个子系统之间配合协调工作，完成复杂的控制与保护功能。与此同时，根据电力系统二次设备应用的特点，各子系统如果能在同一时刻获取到相同时间断面的模拟量和开关量完成应用功能，能显著降低软件设计的复杂程度，从而提高整个系统的可靠性。

电力系统中常见的分布式系统是按间隔组网的各类二次设备，包括合并单元，保护装置，测控装置，以及智能终端等。这些设备常规的控制周期在100us至1000us之间。总的的通信带宽要求根据网络的规模大约在100Mbps的级别；各子系统的同步要求，一般在微秒级别。目前通常的做法，一般是各子系统的数据同步和时钟同步分两套体系，如数据同步采用基于IEC62439的HSR环网实现，时钟同步采用GPS对时方式实现。1、HSR网络

HSR(High-availability Seamless Redundancy高可靠性无缝冗余)一般为环形网络拓扑，可以实现无缝的通道保护功能，环网中设备可以自动识别从环网内两个方向到达本地的数据帧，并丢弃后到达的一帧。在任意一个设备或通道出现故障，不会影响环网中其他设备的通信功能。但是，HSR仅是一个纯数据链路层的通信协议，并不直接提供诸如中断同步或者数据同步的功能。虽然可以通过在HSR上通过对时通信协议，如IEEE1588来实现中断同步功能；以及TCP/UDP等数据通信协议以实现数据同步功能，但各种协议有不同的帧类型，且多种网络协议并发可能会造成网络流量不稳定的情况。总而言之，HSR是个开放性的数据链路层通信协议，并没有根据电力系统二次设备控制与保护分布式系统的应用特点做定制化设计，因此总体上效率偏低，不可控因素多。

2、EtherCAT网络

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统。采用EtherCAT技术，不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包，然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备时，EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样，输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递过去的时候，从站会识别出相关命令，并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的，因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回，这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。

EtherCAT带宽利用率高，延时小，可以很方便的实现多个连接点之间的数据同步和时钟同步，但是EtherCAT的机制决定了在一个通信周期内，网络内只有一个“帧”，网络内的每个设备对这个唯一的“帧”进行操作，因此单系统故障可能导致整个网络的通信功能全部失效，并不适用于电力系统二次设备控制与保护分布式系统。

综上，目前仍缺乏一种适合电力系统控制保护应用需要的，可以实现分布式系统时钟同步以及数据同步的高速实时同步体系。

发明内容

本发明目的是：提供一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，满足电力系统中控制保护分布式系统应用中，各子系统关于时钟同步，中断同步以及数据同步的需求；并降低软件设计的复杂程度，消除网络通信的不确定性。提高系统可靠性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，所述分布式系统由多个物理上独立的子系统组成；各子系统通过接收和发送采用固定格式的数据帧实现时钟同步，中断同步与数据同步，所述数据帧包含管理字段和数据字段；各子系统以相同的周期发送数据帧，并从网络中接收其他子系统的数据帧,根据所接收到的数据帧管理字段内容，完成主从系统识别，子系统间时间同步以及各子系统中断同步功能；各子系统根据所接收到的数据帧数据字段内容，在本地形成完整的全系统数据镜像，实现数据同步。

进一步地，所述数据帧的管理字段包含如下字段：

(a)设备序号：设备序号为各子系统的唯一识别标志，系统内各子系统的设备序号互不相同；

(b)帧发送时刻：各子系统发送本地数据时，记录实际发送时刻并添加至管理字段内；

(c)帧驻留延时：数据在最终达到目的地之前，可能经过多个中转设备，每个中转设备均记录帧在本设备内的驻留时间并将填入管理字段内；

(d)帧中转跳数：数据在源端发送时，帧中转跳数固定为0，数据在最终达到目的地之前，每经过一个中转设备，中转跳数加1；

(e)中断时刻：子系统记录本地的定时中断时刻，并将其填入管理字段内；

(f)中断周期：系统内主设备将预先设置的中断周期填入管理字段内，主设备实时修改本字段以实现系统频率跟踪功能。

进一步地，所述主从系统识别的具体方法是：所有子系统根据接收到的数据帧管理字段内的设备序号，自动识别序号最小或最大的子系统为主系统，其他子系统为从系统。

进一步地，当主系统退出导致从系统在冷却时间内无法收到原主系统发送的数据帧时，当前序号最小或最大的从系统自动成为主系统；当新子系统加入且设备序号最小或最大，则自动替代原主系统成为新的主系统。

本发明中，规定设备序号最小或最大的子系统为整个网络中的主系统，以网络中任意子系统为例，系统上电后本子系统开始从网络中接收其他子系统发送的数据帧，通过解析接收到的数据帧，获取网络内所有设备的设备序号，记录这些设备序号，并识别其中设备序号最小或最大的作为网络中的主系统。如果接收到帧中不包含比自身设备序号更小或更大的情形，则本系统就主系统；如果运行过程中，原主系统退出运行，经过一定超时等待时间后，设备序号次小或次大的系统自动升级为主系统。

进一步地，所述系统间时间同步的具体方法是：所有子系统采用相同频率，相同位宽的累加计数器作为本地时间，系统内从系统根据接收到主系统的数据帧发送时刻以及数据帧驻留延时，获取本地时间与主系统时间的误差，根据误差调节本地时间实现本地时间和主系统时间的同步。

进一步地，所述系统间时间同步的具体方法是：从系统获取主系统发送的“帧发送时刻”以及“帧驻留时刻”，并记录本地接收到该数据帧的“帧接收时刻”；“帧发送时刻”以及“帧驻留时刻”来源于主系统的时钟域，根据此两个值计算得到本地时钟域的“帧接收时刻”；通过比较本地时钟域和主系统时钟域的“帧接收时刻”的值，得到本地时钟域与主系统时钟域的超前/落后的相位关系，根据此相位关系，通过调节本地时钟计数器值或者本地时钟计数器频率，实现本地时钟域和主系统时钟域的同步。

分布式系统不同装置的晶振有微小的偏差，只要子系统间的通信周期足够小，此偏差的累积效果就不足以影响整个系统的同步效果。

本发明所述同步方法包括中断同步功能。在电力系统二次设备控制保护系统类装置中，一般采用定时中断的方式来执行应用任务。由于各子系统的晶振频率不会完全一样，因此在自由振荡过程中，各子系统的中断时间会逐渐滑开。本发明通过简单的同步机理，实现子系统间的中断同步。所述各子系统中断同步的具体方法是：在已经实现了与主系统时间同步的前提下，从系统根据接收到主系统的中断时刻和中断周期，计算下一个主系统中断时刻时间，获取从系统与主系统的“中断时刻”误差，根据误差调节从系统下一个“中断时刻”实现与主系统的中断同步。

进一步地，所述各子系统中断同步的具体方法是：在从系统已经向主系统实现时钟同步的基础上，根据从主系统接收的数据帧中的“中断时刻”以及“中断周期”的字段，推算出主系统下一个“中断时刻”的时标信息；从系统根据主系统“中断时刻”与本地“中断时刻”的超前/滞后的关系，将此相位差补偿在本地“中断周期”中，使本地下一个“中断时刻”去接近主系统下一个“中断时刻”；经过数个周期的调整达到和主系统中断同步。

进一步地，预先设置数据帧在系统内传输的最大中转次数，中转次数超过此最大值的数据帧直接丢弃。

管理字段中包含帧中转次数字段，有效的防止网络风暴的产生。无论时钟网络拓扑，如果发生网络风暴，会有风暴报文在网络中无限循环。本发明规定报文每次转发，帧中转次数字段加1，由于网络的物理节点数有限，因此理论最大的帧中转次数为固定值，当网络中子系统检测到帧中转次数超过理论值，就直接丢弃此报文，此机制可以抑制网络风暴的产生。

网路内所有子系统均维护一个大小相同的共享内存空间。通过预先分配的方式，指定每个子系统的内存范围，所有子系统的共享内存区间组合即为整个体系的完整共享内存空间。网络内所有的子系统均按照相同的周期向网络内发送一个数据帧，数据帧中携带了数据字段，数据字段的格式如下：

(a)数据首地址：子系统发送的本地数据在整个共享内存空间的起始地址；

(b)数据长度：子系统发送的本地数据长度；

(c)数据内容：子系统发送的本地数据内容。

进一步地，所述数据同步的具体方法是：各子系统根据接收到的其他所有子系统发送数据帧，根据数据字段中数据首地址，数据长度以及数据内容，将系统共享内存空间的内容同步至本地，一个发送周期结束，系统内所有子系统的共享内存空间实现数据同步。

进一步地，子系统之间通过星型或环网拓扑互相通信，网络中所有的子系统和中转设备都必须支持驻留延时补偿的功能。

进一步地，子系统以环形网络拓扑组网，子系统通过测量发送的数据帧经过整个环网再次到达本设备的时间获取整个环网的转发延时，此转发延时减去总的驻留时间，即为总延时，通过总路径延时除以路径的跳数获得环网每一跳的路径延时。在对同步精度要求不高且物理路径上延时绝对值不大的场合，驻留延时是主要因素，路径延时可以忽略。但通过本方法测量路径延时，可以提高系统的同步精度。

本发明的有益效果如下：本发明提出了一种分布式系统的同步方法，网络内仅存在一种自定义的固定格式的数据帧，各子系统通过设备序号识别网络内的主设备，根据主设备发送数据帧内的管理字段实现时间同步与中断同步，通过数据字段实现数据同步。本方法简单易行，尤其适合电子系统控制保护领域内各类分布式系统的应用场景，显著降低系统复杂程度，消除网络通信的不确定性，提高整个系统的鲁棒性。

附图说明

图1是分布式系统的环网拓扑；

图2是本发明所述主系统识别机制；

图3是本发明所述高速实时同步体系的时钟同步机制；

图4是本发明所述高速实时同步体系的中断同步机制；

图5是本发明所述高速实时同步体系的数据同步机制。

具体实施方式

以一个具体实施案例来说明本发明的实施方式：

本实例为电力系统中使用的就地化母线差动保护系统。本系统由四个子机组成，子机间采用了1000BaseFx的接口通信，组成环网拓扑。四个子机的装置序号分别设置为0/1/2/3，因此根据本发明中规定设备序号最小或最大的子系统为整个网络中的主系统，这里以设备序号最小为主系统为例，则0号子机为默认的网络内主系统。

所有子机均采用32bit位宽的20M计数器作为系统时钟，即每个50ns，本地时钟的计数器值加1。主系统的中断周期固定为250us。因此，除0号子机外，其他子机均从0号子机发送的帧提取管理字段，用于时钟同步和中断同步。本示例中，采用了变频跟踪的方案来实现时钟跟踪同步，具体实现方案如下：

1、当检测到本地时钟落后于主系统时钟，且落后的绝对值大于64(64×50ns＝3200ns)，本地时钟的计数器值直接赋值为主系统时钟的当前值；

2、当检测到本地时钟落后于主系统时钟，且落后的绝对值小于64(64×50ns＝3200ns)，本地时钟的计数器在当前时钟周期直接加2，去缓慢逼近主系统时钟当前值，理想情况下64个通信周期后(64×250us＝16ms)本地时钟与主系统时钟实现同步；

3、当检测到本地时钟超前于主系统时钟，且超前的绝对值大于64(64×50ns＝3200ns)，本地时钟的计数器值直接赋值为主系统时钟的当前值；

4、当检测到本地时钟超前于主系统时钟，且超前的绝对值小于64(64×50ns＝3200ns)，本地时钟的计数器在当前时钟维持不变，去缓慢逼近主系统时钟当前值，理想情况下64个通信周期后(64×250us＝16ms)本地时钟与主系统时钟实现同步；

当从系统与主系统实现时钟同步后，由于整个系统是250us调整一次时钟同步，调整的步进为50ns，因此只要在250us中，各晶振的偏差在50ns以下，这个时钟同步行为就是收敛的。电力系统二次设备硬件规范要求晶振频率误差在±50ppm，即250us(20M晶振的5000个周期)时间内，两个晶振的最大偏差为25ns，因此在本实施用例中采用本发明所述方法可以实现时钟同步。

本实例中，在实现时钟同步前，各从系统根据接收到的主系统周期自由产生本地的中断信号。当时钟同步已经建立，各从系统接收主系统发送的数据帧，从中提取主系统的中断时刻以及中断周期，根据本地最近的一次中断时刻判断本地中断时刻与主系统中断时刻的相位关系，并采用调整本地中断周期值的方法来实现中断同步。具体方案如下：根据本地中断时刻与主系统中断时刻的时标关系，判断出调整中断周期的方向，如本地中断时刻超前于主系统中断时刻，则本地周期值要往正方向调整(周期值变大)；反之本地周期值要往负方向调整(周期值变小)。根据中断偏差的范围分为快调和慢调两种策略，具体如下：

1、当中断偏差大于10us时，采用快调策略，每次中断步进调整值为1us，以最大的偏差可能值250us来计，最多有240个周期(240×250us＝60ms)，偏差能调整至10us以下；

2、当中断偏差小于10us时，采用慢调策略，每次中断步进调整值为50ns，以最大的偏差可能值10us来计，最多有200个周期(200×250us＝50ms)，偏差能调整至时钟的最小分辨率附近；

因此，由于每个控制周期(250us)内，只要各装置计数器的走离程度小于中断调整的步进，中断同步的调整行为就是收敛的，最终必然达到稳定状态，并在其左右以极小的振幅来回振荡。这种中断同步的效果，能够满足电力系统二次设备继电保护应用的同步要求。

本实例中，各子机的地位对等，采用了固定分配共享内存空间的方案来实现数据同步。每个子机按装置序号分别占用共享内存空间，每个子机占用512Byte空间。因此，最终的共享内存空间如下：

0号子机：0～0x1FF；

1号子机：0x200～0x3FF；

2号子机：0x400～0x5FF；

3号子机：0x600～0x7FF；

每个子机发送的数据帧中，数据字段的首地址如上所示，数据字段的长度均为0x200，数据字段内容分别来源于共享内存空间的指定位置。以1号子机的行为来说明数据同步的过程：

1、1号子机从本地共享内存空间指定位置(0x200～0x3FF)取出数据，依次填入本系统发送帧的数据字段中；

2、1号子机从网络上接收0号子机的数据帧，通过校验后，将帧中数据字段内容填入本地共享内存空间0～0x1FF区域；

3、1号子机从网络上接收2号子机的数据帧，通过校验后，将帧中数据字段内容填入本地共享内存空间0x400～0x5FF区域；

4、1号子机从网络上接收3号子机的数据帧，通过校验后，将帧中数据字段内容填入本地共享内存空间0x600～0x7FF区域；

一个控制周期结束，1号子机本地保存了整个系统共享内存空间的完整镜像，完成了子系统间的数据同步。

Claims (13)

1.一种电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，所述分布式系统由多个物理上独立的子系统组成；其特征在于：各子系统通过接收和发送采用固定格式的数据帧实现时钟同步，中断同步与数据同步，所述数据帧包含管理字段和数据字段；各子系统以相同的周期发送数据帧，并从网络中接收其他子系统的数据帧，根据所接收到的数据帧管理字段内容，完成主从系统识别，子系统间时间同步以及各子系统中断同步功能；各子系统根据所接收到的数据帧数据字段内容，在本地形成完整的全系统数据镜像，实现数据同步。

2.如权利要求1所述的电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述数据帧的管理字段包含如下字段：

(a)设备序号：设备序号为各子系统的唯一识别标志，系统内各子系统的设备序号互不相同；

(b)帧发送时刻：各子系统发送本地数据时，记录实际发送时刻并添加至管理字段内；

(c)帧驻留延时：数据在最终达到目的地之前，可能经过多个中转设备，每个中转设备均记录帧在本设备内的驻留时间并将填入管理字段内；

(d)帧中转跳数：数据在源端发送时，帧中转跳数固定为0，数据在最终达到目的地之前，每经过一个中转设备，中转跳数加1；

(e)中断时刻：子系统记录本地的定时中断时刻，并将其填入管理字段内；

(f)中断周期：系统内主设备将预先设置的中断周期填入管理字段内，主设备实时修改本字段以实现系统频率跟踪功能。

3.如权利要求2所述的电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述主从系统识别的具体方法是：所有子系统根据接收到的数据帧管理字段内的设备序号，自动识别序号最小或最大的子系统为主系统，其他子系统为从系统。

4.如权利要求3所述的电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：当主系统退出导致从系统在冷却时间内无法收到原主系统发送的数据帧时，当前序号最小或最大的从系统自动成为主系统；当新子系统加入且设备序号最小或最大，则自动替代原主系统成为新的主系统。

5.如权利要求2所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述系统间时间同步的具体方法是：所有子系统采用相同频率，相同位宽的累加计数器作为本地时间，系统内从系统根据接收到主系统的数据帧发送时刻以及数据帧驻留延时，获取本地时间与主系统时间的误差，根据误差调节本地时间实现本地时间和主系统时间的同步。

6.如权利要求5所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述系统间时间同步的具体方法是：从系统获取主系统发送的“帧发送时刻”以及“帧驻留时刻”，并记录本地接收到该数据帧的“帧接收时刻”；“帧发送时刻”以及“帧驻留时刻”来源于主系统的时钟域，根据此两个值计算得到本地时钟域的“帧接收时刻”；通过比较本地时钟域和主系统时钟域的“帧接收时刻”的值，得到本地时钟域与主系统时钟域的超前/落后的相位关系，根据此相位关系，通过调节本地时钟计数器值或者本地时钟计数器频率，实现本地时钟域和主系统时钟域的同步。

7.如权利要求2所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述各子系统中断同步的具体方法是：在已经实现了与主系统时间同步的前提下，从系统根据接收到主系统的中断时刻和中断周期，计算下一个主系统中断时刻时间，获取从系统与主系统的“中断时刻”误差，根据误差调节从系统下一个“中断时刻”实现与主系统的中断同步。

8.如权利要求7所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述各子系统中断同步的具体方法是：在从系统已经向主系统实现时钟同步的基础上，根据从主系统接收的数据帧中的“中断时刻”以及“中断周期”的字段，推算出主系统下一个“中断时刻”的时标信息；从系统根据主系统“中断时刻”与本地“中断时刻”的超前/滞后的关系，将此相位差补偿在本地“中断周期”中，使本地下一个“中断时刻”去接近主系统下一个“中断时刻”；经过数个周期的调整达到和主系统中断同步。

9.如权利要求2所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：预先设置数据帧在系统内传输的最大中转次数，中转次数超过此最大值的数据帧直接丢弃。

10.如权利要求2所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：子系统发送的数据帧中数据字段包含如下字段：

(a)数据首地址：子系统发送的本地数据在整个共享内存空间的起始地址；

(b)数据长度：子系统发送的本地数据长度；

(c)数据内容：子系统发送的本地数据内容。

11.如权利要求10所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：所述数据同步的具体方法是：各子系统根据接收到的其他所有子系统发送数据帧，根据数据字段中数据首地址，数据长度以及数据内容，将系统共享内存空间的内容同步至本地，一个发送周期结束，系统内所有子系统的共享内存空间实现数据同步。

12.如权利要求1所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：子系统之间通过星型或环网拓扑互相通信，网络中所有的子系统和中转设备都必须支持驻留延时补偿的功能。

13.如权利要求2所述电力系统中控制保护分布式系统的实时同步方法，其特征在于：子系统以环形网络拓扑组网，子系统通过测量发送的数据帧经过整个环网再次到达本设备的时间获取整个环网的转发延时，此转发延时减去总的驻留时间，即为总路径延时，通过总路径延时除以路径的跳数获得环网每一跳的路径延时。