CN108957231B - 一种分布式系统及其主机和子机数据交互的方法 - Google Patents

一种分布式系统及其主机和子机数据交互的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分布式系统及其主机和子机数据交互的方法，当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。实现了子机与主机之间的故障数据的高效通讯，提高了故障数据通讯的效率和可靠性，提高了输电线路故障测距精度，确定了输电线路上故障发生的位置，方便了工作人员对输电线路上发生的故障进行处理，从而保证输电线路的正常输电。

Description

一种分布式系统及其主机和子机数据交互的方法
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，特别涉及一种分布式系统及其主机和子机数据交互的方法。
背景技术
高压输电线路是电力系统中重要组成部分，它担负着电力能源运输的重要责任，随着用户对供电可靠性和电能质量要求的不断提升，电力供应的安全性、可靠性以及智能性成为了未来电网的发展方向。提高供电可靠性的一个重要方面就是尽快找到故障点，以减少故障后停电时间。
由于交直流输电工程一般线路较长、跨越地形复杂，它又是电力系统中最容易出现故障的环节，线路故障的查找异常困难，输电线路发生故障后，即使重合成功，也需要巡线人员查找故障点，根据故障点造成的损坏程度判断线路是继续运行还是停电检修，以消除隐患。输电线路故障测距技术是保证电网安全的一项重要技术。输电线路测距系统的作用就是在线路故障发生后，能够准确计算出故障点发生的位置，便于运行人员迅速查明故障点短路的原因，及时准确的进行故障定位和修复故障线路，保证输电线路的供电可靠性。伴随着行波信号提取、高速数据采集、数据传输等相关技术的逐步成熟，多种行波故障测距装置先后被成功研发，国内外己有多种行波故障测距装置投入实际运行。
如公告号为“CN207336684U”，名称为“一种基于分布式行波测距的输电线路故障精确定位在线监测装置”的中国专利，该监测装置包括故障监测定位装置、以太网、输电线路、蓄电池，其中，故障监测定位装置包括监测模块、通讯模块和基站监管模块，监测模块包括线路监测装置，线路监测装置包括有采样模块，采样模块用于采集输电线路的故障信号。由于分布式的行波测量系统能够大大优化测距系统的二次架构，提升测距的精度，但是目前由于行波测量系统为了提高测距精度，采样速率普遍较高，一般采样率大于2M。分布式子机与主机之间存在通讯数据量大，通讯可靠性差等缺点，限制了分布式的测距系统的发展，造成输电线路测距精度低。因此研究如何实现分布式测距系统子机与主机之间的高速采样数据进行高效的交互，是行波测量研究的一个重点课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式系统及其主机和子机数据交互的方法，用于解决现有技术中输电线路故障测距精度低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种分布式系统主机和子机数据交互的方法，包括如下步骤：
当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。
进一步地，在各子机中建立两级缓存，在一级缓存中定位录波启动数据，并将一级缓存中有效的录波数据搬移到二级缓存并锁定。
为了满足各子机之间采样时刻同步的需要，各子机采集的故障录波报文包括至少4个通道的报文数据，其中，通道1至通道3中的数据为采样数据，通道4中的数据为采样序号数据。
由于故障录波文件的时间精度不能满足纳秒的精度要求，主机接收到故障录波文件后，需重新确定故障录波文件的采样时刻，所述采样时刻通过采样序号乘以采样间隔加上故障启动时刻的时间来确定。
为了保证各子机正常的工作状态，各子机分别定时向主机发送GOOSE报文，用于监测各子机的链路状态。
为了实现各子机采样时刻的同步，各子机接收主机发送的B码同步信号，根据B码同步信号来确定各子机的采样时刻，从而实现各子机采样时刻的同步。
为了保证主机接收到了故障录波报文，各子机录波完毕后，向主机发送故障录波数据，主机成功接收到故障录波数据后，发送接收成功报文，反之，发送接收失败报文，启动重发机制。
本发明还提供了一种分布式系统，包括主机及至少两个子机，主机通讯连接各子机，当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。
进一步地，在各子机中建立两级缓存，在一级缓存中定位录波启动数据，并将一级缓存中有效的录波数据搬移到二级缓存并锁定。
为了满足各子机之间采样时刻同步的需要，各子机采集的故障录波报文包括至少4个通道的报文数据，其中，通道1至通道3中的数据为采样数据，通道4中的数据为采样序号数据。
由于故障录波文件的时间精度不能满足纳秒的精度要求，主机接收到故障录波文件后，需重新确定故障录波文件的采样时刻，所述采样时刻通过采样序号乘以采样间隔加上故障启动时刻的时间来确定。
为了保证各子机正常的工作状态，各子机分别定时向主机发送GOOSE报文，用于监测各子机的链路状态。
为了实现各子机采样时刻的同步，各子机接收主机发送的B码同步信号，根据B码同步信号来确定各子机的采样时刻，从而实现各子机采样时刻的同步。
为了保证主机接收到了故障录波报文，各子机录波完毕后，向主机发送故障录波数据，主机成功接收到故障录波数据后，发送接收成功报文，反之，发送接收失败报文，启动重发机制。
本发明的有益效果是：
本发明当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。实现了子机与主机之间的故障数据的高效通讯，提高了故障数据通讯的效率和可靠性，提高了输电线路故障测距精度，确定了输电线路上故障发生的位置，方便了工作人员对输电线路上发生的故障进行处理，从而保证输电线路的正常输电。
附图说明
图1为子机与主机数据通讯结构框图；
图2为子机与主机数据传输握手机制流程图；
图3为录波文件的文件名格式示意图；
图4为主机与子机的时间同步结构框图。
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说明：
本发明提供了一种分布式系统，包括主机及至少两个子机，主机通讯连接各子机，基于该分布式系统的主机和子机数据交互的方法的步骤为：当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。
上述的分布式系统主机和子机数据交互的方法及分布式系统适用于输电线路故障的测距，具体而言，如图1所示的子机与主机的通讯结构框图，一个主机对应多个分布式子机，即一个主机通过交换机连接多个间隔的子机，各子机与主机之间通过光以太网介质进行数据通讯，每个子机都有独立的IP地址，主机与子机之间的报文需要经过交换机，主要协议为GOOSE协议与TFTP协议。
主机主要由管理模块、测距模块、时间同步模块三部分组成。主机的测距模块用于与子机进行数据通讯，接收子机的录波报文，并完成测距算法，并将测距结果发送给主机的管理模块，同时将子机的录波文件进行合并，通过TFTP协议发送给主机的管理模块。
主机的管理模块具备大容量录波存储功能，最多能存储2000条录波信息。同时管理模块负责测距结果的最终后台上送，人机接口等功能。
主机的时间同步模块能够接收GPS或者北斗的对时信号，并转换为B码报文，根据B码报文对主机的管理模块，测距模块及子机进行同步。
子机对故障信号进行采样，完成启动判别，然后将故障录波数据形成COMTRADE格式的录波文件。因为在实际操作中，录波数据比较大，上送报文时间比较长，为了保证录波上送过程中，能够实时响应间隔大于20ms的下一次故障，保证录波数据的连续性和完整性，需要考虑录波的实时响应。在实际操作中考虑开辟两级的录波缓存，第一级缓存存储10个周波数据，第二级缓存存储3个周波数据(故障启动前2.5周波，启动后0.5周波的数据)，最多开辟10块两级缓存。
当系统中的某台子机判断到线路上有故障启动时，先发送录波启动报文给主机，录波启动报文中包含故障启动时间。主机收到单台子机的请求报文后，给所有的子机发送录波应答报文，并将故障启动时间转发给所有子机。子机收到主机的录波应答信号后，根据启动时间，在一级缓存中定位录波启动数据，将一级缓存中有效的录波数据搬移到二级缓存并锁定，数据内容遵循故障启动前2.5周波，启动后0.5周波的原则，然后将数据转换形成录波文件，通过TFTP协议将录波文件上送主机。
单个录波包含3通道的2M采样数据，1条线路3个通道3个周波高速采样值缓冲区。由于录波文件的限制，录波数据的时间信息只能精确到uS，而采样数据最高需要大于500nS，为了后级同步到nS的需要，需增加一个通道的录波，通道的内容为采样点的序号(时标)。因此一组录波文件最少包含4个通道，通道1到3为采样数据，通道1到通道3分别记录输电线路A相模拟量数据、输电线路B相模拟量数据、输电线路C相模拟量数据，通道4为采样序号数据。
单个录波文件大小为：4*40000*2*3周＝960000Byte≈960kB。
录波文件采用标准的comtrade格式，录波文件的命名格式如图3所示。录波文件的文件名标注为故障启动时刻，主机通过接收到的录波文件的文件名定位故障启动的具体时刻。
由于录波文件中的时间精度仅仅精确到纳秒级别，无法满足测距时间要求到纳秒的精度要求，因此主机需要根据录波文件的文件名重新计算采样点的采样时间。其文件名格式为故障启动时刻的时间，即包含具体的年月日及时分秒，最小精确到纳秒。主机解析录波文件时，采用录波文件名中的启动时刻加采样序号的方式，将时间精度精确到500ns，即只需要在启动时刻TFILE_NAME整秒的时间基础上，加上采样序号SAMPLE_NUM的乘以采样间隔0.5uS，即为采样点的具体时间信息TSAMPLE_POINT，公式如下：
TSAMPLE_POINT＝TFILE_NAME+0.5uS*SAMPLE_NUM
上述GOOSE协议主要用来实现链路的监视及握手信号，TFTP协议用来传输录波报文。
子机在正常运行时，每5S发送一帧GOOSE报文，用于子机断链的实时监测，子机一旦判断到故障启动后，立刻采用应答机制与主机发起数据的交互。应答机制先由子机发起请求，主机响应请求，并发送应答报文，应答报文中应该包含通讯的命令和数据信息，报文主要包括上行报文和下行报文。
其中，上行报文为子机发送给主机的请求信息，主要包含以下报文：
子机故障录波启动请求报文：包含启动采样序号，启动整秒时间，启动标志等数据内容。
子机录波上送请求报文：包含启动上送录波长度，故障类型(是否为雷击故障)，录波启动时间信息等内容。
下行报文为主机发送给子机的应答信息，主要包含以下报文：
主机录波启动应答报文：包含启动时刻，对应子机IP地址(A、B、C三相广播)。
主机接收录波应答报文：对应子机IP。
主机接收成功应答报文：对应子机IP。
主机接收失败应答报文：对应子机IP，启动重发机制。
通过自定义的GOOSE报文来实现不同的应答握手命令，具体的实现方式是通过GOOSE报文不同通道的变位对应不同的报文命令。自定义的GOOSE报文格式如表1所述。
表1自定义的GOOSE握手报文
Figure BDA0001733751020000061
Figure BDA0001733751020000071
Figure BDA0001733751020000081
子机与主机的数据传输及握手交互逻辑如图2所示：
1)子机在正常运行状态下，实时进行2M的高速数据采集，并实时将10个周波的采样数据保存在一级缓存中；同时子机定时向主机发送GOOSE链路报文，让主机监视子机的运行状态。
2)当子机根据采样数据，判断到线路上发生故障时，子机向主机发送故障录波请求报文，主机接收到请求报文后，解析出故障启动的类型，时间等信息，向所有子机发送故障启动的应答报文(广播报文)，报文中包含子机的启动的时间，精确到纳秒级。
3)接收到主机启动录波命令的子机根据主机发送的启动录波的命令的时间，在缓存中找到故障启动点的数据，生成录波文件。
4)准备好录波数据的子机向主机发送录波数据上送请求，一旦收到主机的应答报文(单播报文)，就通过TFTP协议将录波文件上送。主机成功收到录波文件后，发送接收成功报文，反之，发送接收失败报文，启动重发机制。
5)整个协议设置了超时机制，一旦请求端发现对端应答超时，则发送端要启动重发机制，保证系统的实时性。
主机同步子机高速数据采集的机制如图4所示，子机的FPGA接收主机的B码同步信号，将其解析为同步的秒脉冲和年月日时分秒的时间信息，并通过寄存器与CPU共享。子机通过恒温晶振对秒脉冲进行分频，产生2M的采样同步信号，用来控制AD的采样时刻。子机同时通过恒温晶振产生一个本地的32位时间戳(精确到nS)，并且给秒脉冲的时钟沿打时间戳。采样序号与秒脉冲对齐，整秒清零翻转。
FPGA将采样值，采样序号，整秒的时间戳，当前时间戳的信息上送给CPU，CPU将以上信息保存在缓存中，并在故障时刻，生成包含采样序号，采样时刻的录波报文。子机具备守时功能，能够在同步信号丢失10分钟达到1uS的守时精度，子机对主机同步信号通过一系列算法，产生采样同步脉冲，实现高速采样数据的同步。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，包括如下步骤：
当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。
2.根据权利要求1所述的分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，在各子机中建立两级缓存，在一级缓存中定位录波启动数据，并将一级缓存中有效的录波数据搬移到二级缓存并锁定。
3.根据权利要求1或2所述的分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，各子机采集的故障录波报文包括至少4个通道的报文数据，其中，通道1至通道3中的数据为采样数据，通道4中的数据为采样序号数据。
4.根据权利要求3所述的分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，主机接收到故障录波文件后，需重新确定故障录波文件的采样时刻，所述采样时刻通过采样序号乘以采样间隔加上故障启动时刻的时间来确定。
5.根据权利要求4所述的分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，各子机分别定时向主机发送GOOSE报文，用于监测各子机的链路状态。
6.根据权利要求1所述的分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，各子机接收主机发送的B码同步信号，根据B码同步信号来确定各子机的采样时刻，从而实现各子机采样时刻的同步。
7.根据权利要求6所述的分布式系统主机和子机数据交互的方法，其特征在于，各子机录波完毕后，向主机发送故障录波数据，主机成功接收到故障录波数据后，发送接收成功报文，反之，发送接收失败报文，启动重发机制。
8.一种分布式系统，其特征在于，包括主机及至少两个子机，主机通讯连接各子机，当其中一个子机判断系统发生故障时，该子机通过设定的GOOSE报文向主机发送故障录波请求，主机接收到该子机的故障录波请求后，通过设定的GOOSE报文向各子机发送故障录波应答，并向各子机发送故障录波时刻，各子机对各故障录波时刻进行录波，录波完成后，通过TFTP协议向主机发送故障录波报文。
9.根据权利要求8所述的分布式系统，其特征在于，在各子机中建立两级缓存，在一级缓存中定位录波启动数据，并将一级缓存中有效的录波数据搬移到二级缓存并锁定。
10.根据权利要求8或9所述的分布式系统，其特征在于，各子机采集的故障录波报文包括至少4个通道的报文数据，其中，通道1至通道3中的数据为采样数据，通道4中的数据为采样序号数据。
11.根据权利要求10所述的分布式系统，其特征在于，主机接收到故障录波文件后，需重新确定故障录波文件的采样时刻，所述采样时刻通过采样序号乘以采样间隔加上故障启动时刻的时间来确定。
12.根据权利要求11所述的分布式系统，其特征在于，各子机分别定时向主机发送GOOSE报文，用于监测各子机的链路状态。
13.根据权利要求8所述的分布式系统，其特征在于，各子机接收主机发送的B码同步信号，根据B码同步信号来确定各子机的采样时刻，从而实现各子机采样时刻的同步。
14.根据权利要求13所述的分布式系统，其特征在于，各子机录波完毕后，向主机发送故障录波数据，主机成功接收到故障录波数据后，发送接收成功报文，反之，发送接收失败报文，启动重发机制。
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