CN109217963A - 配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法 - Google Patents

配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法，该方法涉及的配电网广域测量系统的设备包括个相量数据集中器和N台基于同步时钟的相量采集单元，N个相量采集单元将打上时标的实时数据帧发送给相量数据集中器，然后相量数据集中器对齐所有N个相量采集单元上发的实时数据的时标，将相同时标的数据组成一帧再转发给主站。该方法具有以下特点：(1)可通过设置配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法中循环队列容量n适应相量数据集中器与相量采集单元之间通信网络传输时间延迟或相量采集单元自身程序运行时间延迟，解决丢帧出错问题；(2)该方法也适用于接收不同速率的实时相量数据帧。

Description

配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法
技术领域
本发明涉及电力系统广域测量系统领域，更具体涉及配电网广域测量系统领域，数据集中器对N台基于同步时钟的相量采集单元实时相量数据的时间对齐方法。
背景技术
随着配电网的快速发展以及风电、光伏等分布式能源的大量接入，给配电网的运行带来了新的技术难题，对配电网的安全、稳定、经济和可靠性产生大量影响，配电网的稳定监控变得尤为重要，国内外正在积极探索同步相量测量技术在配电网的应用。基于同步相量测量技术的广域测量系统中相量采集单元基于全球卫星定位系统，在电力系统的不同节点采集实时数据送到数据集中器。相量数据集中器同时接收多个相量采集单元的测量数据，对齐所有相量采集单元测量数据的时标，组包发送给主站。
目前在主网与配电网中，光纤通信具有通信信息量大、抗干扰能力强等优点,在可靠性、通信速率、延迟等各方面均是最理想的。光纤通讯是主网通信的首选，但是配电网中监控网络分散，测控点多面广，施工条件限制和运行成本等原因，光纤通信方式难以或不可能全部部署整个配电网，因而配电网广域测量系统中相量数据集中器到主站上行通信采用光纤通信方式，相量数据集中器与相量采集单元之间下行通信方式选择光纤通信、无线通信以及电力线载波通信的混合通信方案。由于通信网络传输延迟或相量采集单元自身程序运行时间不同等原因，不同节点的相量采集单元相同时间采集的实时数据不能同时上送到相量数据集中器，从而会在相量数据集中器将同一时间戳的所有相量采集单元数据帧打包发送给主站时，由于存在相量采集单元的实时数据帧还没传送到相量数据集中器，出现数据帧丢包出错的问题。
A Flexible Phasor Data Concentrator Design Leveraging ExistingSoftware Technologies.IEEE Transactions on Smart Grid,2010,1(1)(一种利用现有软件技术的柔性相量数据集中器设计，IEEE智能电网汇刊，2010,1(1))，提出了一种基于时间控制的数据对齐的思路，但并未给出具体的实现方法。
因此，一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何去解决配电网广域测量系统中相量数据集中器与相量采集单元之间通信网络传输时间延迟或相量采集单元自身程序运行时间不同等原因造成的丢帧出错问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法。该时间对齐方法涉及的配电网广域测量系统包括主站、相量数据集中器、交换机以及N个基于同步时钟的相量采集单元，N个相量采集单元通过交换机与相量数据集中器通信连接，传输层采用通信协议；N个相量采集单元将采集到的每一个实时数据帧打上时标并发送给相量数据集中器，相量数据集中器将接收到的每一个实时数据帧按照时标进行时间对齐，并将相同时标的数据组成一帧后再转发给主站，其具体步骤包括：
步骤1，参数的设定
将N个相量采集单元中的任一个相量采集单元记为相量采集单元i，i＝1,2,3…,N；相量采集单元i发送到相量数据集中器的实时数据帧的时标记为数据帧时标t；
在相量数据集中器中建立一个容量为n的循环队列存储空间，n为正整数，用于缓存n组不同时标的数据帧组，n组数据帧组按照数据帧组的时标顺序排序，将其中任一组数据帧组记为数据帧组Sj，j＝1,2,…,n，将数据帧组Sj的时标记为数据帧组时标tj，j＝1,2,…,n，其中tn记为数据帧组最大时标，t1记为数据帧组最小时标；
步骤2，n组数据帧组的建立
步骤2.1，相量数据集中器接收到相量采集单元i发送的一个实时数据帧，根据循环队列存储空间中已经建立的时标数据帧组的数量是否等于0，分别进入步骤2.2和步骤2.3；
步骤2.2，循环队列存储空间中已经建立的时标数据帧组的数量等于0，建立一个新的数据帧组S1，将该实时数据帧存入数据帧组S1中，该数据帧组S1的数据帧组时标t1＝数据帧时标t，返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收和判断；
步骤2.3，循环队列存储空间中时标数据帧组的数量大于0，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否小于数据帧组最小时标t1，分别进入步骤2.4和步骤2.5；
步骤2.4，若该实时数据帧的数据帧时标t小于数据帧组最小时标t1,即t＜t1，放弃该实时数据帧，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤2.5.若该实时数据帧的数据帧时标t不小于数据帧组最小时标t1，即t≥t1，根据循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量是否小于n,分别进入步骤2.6和步骤2.7；
步骤2.6，若循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量小于n，即在循环队列存储空间尚未健全n组不同时标的数据帧组，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否能够与循环队列存储空间的数据帧组Sj匹配，分为以下两种情况处理：
(1)匹配成功，即在循环队列存储空间寻找到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，该实时数据帧缓存于该匹配的数据帧组Sj中，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
(2)匹配不成功，即在循环队列存储空间寻找不到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，则在循环队列存储空间建立一个新的数据帧组Sj，将该实时数据帧缓存于该数据帧组Sj中，该数据帧组Sj的数据帧组时标tj＝数据帧时标t，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤2.7，若循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量等于n，即在循环队列存储空间已经建立了n组不同时标的数据帧组，将该状态称之为满仓状态，进入步骤3；
步骤3，满仓后的循环发送和更新
步骤3.1，在满仓状态下，相量数据集中器接收到相量测量单元i发送的一个实时数据帧后，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否能够与循环队列存储空间的数据帧组Sj匹配，分别进入步骤3.2和步骤3.3；
步骤3.2，匹配成功，即在循环队列存储空间寻找到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，则将该实时数据帧缓存于该匹配的数据帧组Sj中，并返回步骤3.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤3.3，匹配不成功，判断该实时数据帧的数据帧时标t是否大于数据帧组最大时标tn，若小于，则放弃该实时数据帧，并返回步骤3.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断，若大于，进入发送与更新阶段；所述发送与更新阶段包括：
(1)相量数据集中器将数据帧组S1中缓存的所有实时数据帧打包并发送到主站；
(2)在数据帧组S1释放的存储空间建立一个新的数据帧组，并取数据帧时标t为该数据帧组的时标，即在循环队列存储空间保持n组不同时标的数据帧组，构成一个新的满仓状态；
新的满仓状态中的n组数据帧组重新按照时标顺序排序，即将其中任一组数据帧组记为数据帧组Sj，j＝1,2,…,n，将数据帧组Sj的时标记为数据帧组时标tj，j＝1,2,…,n，其中tn记为数据帧组最大时标，t1记为数据帧组最小时标；
(3)返回步骤3.1，进入新一轮循环发送和更新。
优选地，步骤1中，对于数据帧组时标tj，j＝1,2,…,n，相邻数据帧组时标之间的差值相等，并根据相量采集单元上传实时数据帧的速率选择。
优选地，所述相量采集单元上传实时数据帧的速率为100帧/s,相邻数据帧组时标之间的差值为10毫秒。
优选地，所述通信连接的连接方式包括以下方式；光纤通信方式、无线通信方式和电力线载波通信方式，或者以上二种或者三种通信方式的组合。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明可通过设置配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法中循环队列容量n适应相量数据集中器与相量采集单元之间通信网络传输时间延迟或相量采集单元自身程序运行时间延迟，解决丢帧出错问题，提高了数据集中器数据处理能力和实时通信能力。
2、本发明可通过设置配电网广域测量系统实时数据的时间对齐方法中循环队列容量n去适应接收不同速率的实时数据帧。
附图说明
图1是本发明实施例的配电网广域测量系统通信拓扑图。
图2是本发明实施例的相量采集单元实时相量数据帧的时间对齐流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1是本发明实施例的配电网广域测量系统通信拓扑图。由图1所见，该时间对齐方法涉及的配电网广域测量系统包括主站、相量数据集中器、交换机以及N个基于同步时钟的相量采集单元，N个相量采集单元通过交换机与相量数据集中器通信连接。所述通信方式连接的连接方式包括以下方式；光纤通信方式、无线通信方式和电力线载波通信方式，或者以上二种或者三种的组合。
在本实施例中，N＝10。相量采集单元1、相量采集单元2、相量采集单元3与相量数据集中器之间采用光纤通信，相量采集单元4、相量采集单元5、相量采集单元6与相量数据集中器之间采用电力线载波通信，相量采集单元7、相量采集单元8、相量采集单元9、相量采集单元10与相量数据集中器之间采用无线通信。
图2是本发明实施例的相量采集单元实时相量数据帧的时间对齐流程图。在本实施例中，循环队列的容量n＝4。由该图可见，10个相量采集单元将采集到的每一个实时数据帧打上时标并发送给相量数据集中器，相量数据集中器将接收到的每一个实时数据帧按照时标进行时间对齐，并将相同时标的数据组成一帧后再通过交换机转发给主站，其具体步骤包括：
步骤1，参数的设定
将10个相量采集单元中的任一个相量采集单元记为相量采集单元i(i＝1,2,3…,10)、相量采集单元i发送到相量数据集中器的实时数据帧的时标记为数据帧时标t。
在相量数据集中器中建立一个容量为4的循环队列存储空间，用于缓存4组不同时标的数据帧组，4组数据帧组按照数据帧组的时标顺序排序，将其中任一组数据帧组记为数据帧组Sj(j＝1,2,3,4)，将数据帧组Sj的时标记为数据帧组时标tj(j＝1,2,3,4)，其中其中t4记为数据帧组最大时标，t1记为数据帧组最小时标。
4组数据帧组中，相邻数据帧组时标之间的差值相等，并根据相量采集单元上传实时数据帧的速率选择。本发明中，相量采集单元上传实时数据帧的速率为100帧/s,相邻数据帧组时标之间的差值为10毫秒。
步骤2，4组数据帧组的建立
步骤2.1，相量数据集中器接收到相量采集单元i发送的一个实时数据帧，根据循环队列存储空间中已经建立的时标数据帧组的数量是否等于0，分别进入步骤2.2和步骤2.3；
步骤2.2，循环队列存储空间中已经建立的时标数据帧组的数量等于0，建立一个新的数据帧组S1，将该实时数据帧存入数据帧组S1中，该数据帧组S1的数据帧组时标t1＝数据帧时标t，返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收和判断；
步骤2.3，循环队列存储空间中时标数据帧组的数量大于0，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否小于数据帧组最小时标t1，分别进入步骤2.4和步骤2.5；
步骤2.4，若该实时数据帧的数据帧时标t小于数据帧组最小时标t1,即t＜t1，放弃该实时数据帧，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤2.5.若该实时数据帧的数据帧时标t不小于数据帧组最小时标t1，即t≥t1，根据循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量是否小于4,分别进入步骤2.6和步骤2.7；
步骤2.6，若循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量小于4，即在循环队列存储空间尚未健全4组不同时标的数据帧组，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否能够与循环队列存储空间的数据帧组Sj匹配，分为以下两种情况处理：
(1)匹配成功，即在循环队列存储空间寻找到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，该实时数据帧缓存于该匹配的数据帧组Sj中，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
(2)匹配不成功，即在循环队列存储空间寻找不到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，则在循环队列存储空间建立一个新的数据帧组Sj，将该实时数据帧缓存于该数据帧组Sj中，该数据帧组Sj的数据帧组时标tj＝数据帧时标t，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤2.7，若循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量等于4，即在循环队列存储空间已经建立了4组不同时标的数据帧组，将该状态称之为满仓状态，进入步骤3；
步骤3，满仓后的循环发送和更新
步骤3.1，在满仓状态下，相量数据集中器接收到相量测量单元i发送的一个实时数据帧后，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否能够与循环队列存储空间的数据帧组Sj匹配，分别进入步骤3.2和步骤3.3；
步骤3.2，匹配成功，即在循环队列存储空间寻找到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，则将该实时数据帧缓存于该匹配的数据帧组Sj中，并返回步骤3.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤3.3，匹配不成功，判断该实时数据帧的数据帧时标t是否大于数据帧组最大时标t4，若小于，则放弃该实时数据帧，并返回步骤3.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；若大于，进入发送与更新阶段；所述发送与更新阶段包括：
(1)相量数据集中器将数据帧组S1中缓存的所有实时数据帧打包并发送到主站；
(2)在数据帧组S1释放的存储空间建立一个新的数据帧组，并取数据帧时标t为该数据帧组的时标，即在循环队列存储空间保持4组不同时标的数据帧组，构成一个新的满仓状态；
新的满仓状态中的4组数据帧组重新按照时标顺序排序，，即将其中任一组数据帧组记为数据帧组Sj，j＝1,2,…,4，将数据帧组Sj的时标记为数据帧组时标tj，j＝1,2,…,4，其中t4记为数据帧组最大时标，t1记为数据帧组最小时标；
(3)返回步骤3.1，进入新一轮循环发送和更新。

Claims (4)

1.一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法，其特征在于，该时间对齐方法涉及的配电网广域测量系统包括主站、相量数据集中器、交换机以及N个基于同步时钟的相量采集单元，N个相量采集单元通过交换机与相量数据集中器通信连接；N个相量采集单元将采集到的每一个实时数据帧打上时标并发送给相量数据集中器，相量数据集中器将接收到的每一个实时数据帧按照时标进行时间对齐，并将相同时标的数据组成一帧后再转发给主站，其具体步骤包括：
步骤1，参数的设定
将N个相量采集单元中的任一个相量采集单元记为相量采集单元i，i＝1,2,3…,N；相量采集单元i发送到相量数据集中器的实时数据帧的时标记为数据帧时标t；
在相量数据集中器中建立一个容量为n的循环队列存储空间，n为正整数，用于缓存n组不同时标的数据帧组，n组数据帧组按照数据帧组的时标顺序排序，将其中任一组数据帧组记为数据帧组Sj，j＝1,2,…,n，将数据帧组Sj的时标记为数据帧组时标tj，j＝1,2,…,n，其中tn记为数据帧组最大时标，t1记为数据帧组最小时标；
步骤2，n组数据帧组的建立
步骤2.1，相量数据集中器接收到相量采集单元i发送的一个实时数据帧，根据循环队列存储空间中已经建立的时标数据帧组的数量是否等于0，分别进入步骤2.2和步骤2.3；
步骤2.2，循环队列存储空间中已经建立的时标数据帧组的数量等于0，建立一个新的数据帧组S1，将该实时数据帧存入数据帧组S1中，该数据帧组S1的数据帧组时标t1＝数据帧时标t，返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收和判断；
步骤2.3，循环队列存储空间中时标数据帧组的数量大于0，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否小于数据帧组最小时标t1，分别进入步骤2.4和步骤2.5；
步骤2.4，若该实时数据帧的数据帧时标t小于数据帧组最小时标t1,即t＜t1，放弃该实时数据帧，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤2.5.若该实时数据帧的数据帧时标t不小于数据帧组最小时标t1，即t≥t1，根据循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量是否小于n,分别进入步骤2.6和步骤2.7；
步骤2.6，若循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量小于n，即在循环队列存储空间尚未健全n组不同时标的数据帧组，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否能够与循环队列存储空间的数据帧组Sj匹配，分为以下两种情况处理：
(1)匹配成功，即在循环队列存储空间寻找到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，该实时数据帧缓存于该匹配的数据帧组Sj中，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
(2)匹配不成功，即在循环队列存储空间寻找不到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，则在循环队列存储空间建立一个新的数据帧组Sj，将该实时数据帧缓存于该数据帧组Sj中，该数据帧组Sj的数据帧组时标tj＝数据帧时标t，并返回步骤2.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤2.7，若循环队列存储空间已经建立的数据帧组的数量等于n，即在循环队列存储空间已经建立了n组不同时标的数据帧组，将该状态称之为满仓状态，进入步骤3；
步骤3，满仓后的循环发送和更新
步骤3.1，在满仓状态下，相量数据集中器接收到相量测量单元i发送的一个实时数据帧后，根据该实时数据帧的数据帧时标t是否能够与循环队列存储空间的数据帧组Sj匹配，分别进入步骤3.2和步骤3.3；
步骤3.2，匹配成功，即在循环队列存储空间寻找到与数据帧时标t匹配的数据帧组Sj，则将该实时数据帧缓存于该匹配的数据帧组Sj中，并返回步骤3.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；
步骤3.3，匹配不成功，判断该实时数据帧的数据帧时标t是否大于数据帧组最大时标tn，若小于，则放弃该实时数据帧，并返回步骤3.1，进行下一个实时数据帧的接收及判断；若大于，进入发送与更新阶段；所述发送与更新阶段包括：
(1)相量数据集中器将数据帧组S1中缓存的所有实时数据帧打包并发送到主站；
(2)在数据帧组S1释放的存储空间建立一个新的数据帧组，并取数据帧时标t为该数据帧组的时标，即在循环队列存储空间保持n组不同时标的数据帧组，构成一个新的满仓状态；
新的满仓状态中的n组数据帧组重新按照时标顺序排序，即将其中任一组数据帧组记为数据帧组Sj，j＝1,2,…,n，将数据帧组Sj的时标记为数据帧组时标tj，j＝1,2,…,n，其中tn记为数据帧组最大时标，t1记为数据帧组最小时标；
(3)返回步骤3.1，进入新一轮循环发送和更新。
2.根据权利要求1所述的一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法，其特征在于，步骤1中，对于数据帧组时标tj，j＝1,2,…,n，相邻数据帧组时标之间的差值相等，并根据相量采集单元上传实时数据帧的速率选择。
3.根据权利要求2所述的一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法，其特征在于，所述相量采集单元上传实时数据帧的速率为100帧/s,相邻数据帧组时标之间的差值为10毫秒。
4.根据权利要求1所述的一种配电网广域测量系统实时相量数据的时间对齐方法，其特征在于，所述通信连接的连接方式包括以下方式；光纤通信方式、无线通信方式和电力线载波通信方式，或者以上二种或者三种通信方式的组合。
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