CN112260221A

CN112260221A - 一种具有稳定时延的5g-光纤差动保护数据转换装置及方法

Info

Publication number: CN112260221A
Application number: CN202011129265.3A
Authority: CN
Inventors: 田轶; 王鹏; 马天祥; 刘海涛; 孟楠; 陈贺; 王强; 翟志国; 王志江; 吉凤群; 吉帅虎; 胡金路; 孙涛; 雷轩; 李江峰
Original assignee: Shijiazhuang Kelin Electric Co Ltd
Current assignee: Shijiazhuang Kelin Electric Co Ltd
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-01-22
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN112260221B

Abstract

一种具有稳定时延的5G‑光纤差动保护数据转换装置及方法，属于电力系统继电保护技术领域。装置连接到差动保护装置的光端口上，装置包括FC光口、FPGA、主控制器、卫星对时模块、5G模块、MAC+PHY模块。所述方法包括：发送方获得差动保护装置数据发送的时间，连同数据一起发送；获得差动保护装置数据发送的时间、预计的发给时间以及设定时延，计算等待时间，到达等待时间后，将收到的数据发送给连接的差动保护装置。采用本发明提出的装置和方法，在原有光纤网络的基础上升级为5G网络时，只需要在原设备上连接数据转换装置，其他设施不用变动，大大降低了工作量，节约了设备成本。

Description

一种具有稳定时延的5G-光纤差动保护数据转换装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种具有稳定时延的5G-光纤差动保护数据转换装置及方法。

背景技术

电力系统中，差动保护要求获取两侧设备同步采样数据。传统的光纤差动保护装置，光信号在光纤中传输的延时为固定延时，一般不受外界环境影响。通过测量通道延时，将收到的对侧数据推算到本侧时间轴上，可以实现采样数据的同步。

使用光纤作为数据传输媒介的传统式差动保护装置，已在现场大量使用，可靠性已得到验证。但是专用的光纤管线敷设难度大，建设成本高，有些地区也不具备光纤敷设条件，对发展差动保护技术有一定的制约性。其次，当光纤出现断线时，查找断线位置较为困难，维护成本高。

目前，5G网络已经投入商业使用，5G网络切片中端到端的延时达到10毫秒以内，其低延时的特点有利于实现差动保护功能。在改造老站过程中，使用5G-光纤数据转换装置连接在原有设备上，使用5G通信的灵活性替代光纤通信是容易实现的方案。

5G网络虽然具有低延时的特性，但时延具有不稳定性，而光纤差动保护装置却恰恰利用了光纤传输延时的稳定性实现。如何满足原有设备对时延的要求，目前没有解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备和方法，在原有设备中使用5G通信替代光纤通信，并满足原有设备同通信时延的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种5G-光纤差动保护数据转换装置，连接到差动保护装置的光端口上，包括FC光口、FPGA、主控制器、卫星对时模块、5G模块、MAC+PHY模块；FC光口连接FPGA、FPGA连接主控制器形成数据转换装置与差动保护装置的数据通道；主控制器通过MAC+PHY模块连接5G模块形成以太网通道，实现差动保护装置间的通信；主控制器连接卫星对时模块。

一种具有稳定时延的5G-光纤差动保护数据转换方法，基于权利要求1所述的5G-光纤差动保护数据转换装置实现，本侧和对侧的差动保护装置的光端口上分别连接数据转换装置，实现通信功能。在数据转换装置中设置稳定时延参数T3，T3为数据从本侧差动保护装置的光端口发送到对侧差动保护装置的光端口的固定时延。

所述方法包括：

数据的发送：发送方获得差动保护装置数据发送的时间，连同数据一起发送。

数据的接收：接收方收到数据和差动保护装置数据的时间后，根据发送方的获得的差动保护装置数据发送的时间、预计本侧将数据发给连接的差动保护装置的时间以及T3，计算等待时间，到达等待时间后，将收到的数据发送给连接的差动保护装置。

收到数据时，计算本侧的获得数据的时间，即光纤数据产生的时间。将数据和获得的时间通过5G模块和5G通信网络发给对侧；对侧收到5G模块的数据帧后，根据光纤数据产生的时间和固定时延设置等待时间，从而达到数据在两个差动保护装置的光端口间传输具有固定时延。

有益效果：采用本发明提出的装置和方法，在原有光纤网络的基础上升级为5G网络时，只需要在原设备上连接数据转换装置，其他设施不用变动，大大降低了工作量，节约了设备成本。

附图说明

图1为5G-光纤差动保护数据转换装置的设备组成示意图，

图2为收发两侧的时隙图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参看图1， 5G-光纤差动保护数据转换装置包括FC光口、FPGA、主控制器、卫星对时模块、5G模块、MAC+PHY模块；FC光口连接FPGA、FPGA连接主控制器形成数据转换装置与差动保护装置的数据通道；主控制器通过MAC+PHY模块连接5G模块形成以太网通道，实现差动保护装置间的通信；主控制器连接卫星对时模块。卫星对时模块为GPS模块或北斗对时模块。

数据转换装置对外接口为FC光口，用短光纤与光纤差动保护装置的FC光口连接。可以使用RJ45网口外挂5G CPE装置；也可以根据需要内置5G模组。主控制器通过MAC+PHY形成以太网通道；以上以太网通道使用SWITCH芯片实现互联互通。

液晶屏可以进行装置参数设置，基本参数包括：5G终端的选用，包括外置5G CPE，内置5G模组；5G终端参数设定与读取，包括终端MAC、网关、APN；本装置的IP及对侧装置的IP设定与读取；稳定时延参数设定与读取，可设置为10ms-15ms任意数值。

FPGA由于其具有较好的时序和逻辑特性，可以用来实现对数据进行加密和解密，保证数据安全；并实现对接收数据的缓冲，达到稳定时延的目的。

主控制器作为数据流的中枢，实现数据帧的组帧和解帧。接收GPS/北斗对时信号，从而保证较高的系统时间精度。主控制器接收到FPGA数据后，加入当前点的时标信息，并组成UDP帧。UDP帧通过5G网络发送到对侧数据转换终端。对侧数据转换终端对UDP帧进行解码，对帧序号、时间戳进行判断。依据设置的时延值，对数据进行缓冲处理。达到设定的时延后，将应用层数据发送给FPGA进行解密处理，再通过FC光口发送给光纤差动保护装置。

数据的接收和发送。

本侧和对侧的差动保护装置的光端口上分别连接数据转换装置，实现通信功能；在数据转换装置中设置稳定时延参数T3，T3为数据从本侧差动保护装置的光端口发送到对侧差动保护装置的光端口的固定时延。

所述方法包括数据的发送和数据的接收。

数据的发送：发送方获得差动保护装置数据发送的时间，连同数据一起发送，具体为：

步骤S1、差动保护装置有数据帧传来时，启动定时器进行计数，定时器频率为Fr，Fr≧10MHz。Fr为FPGA配置的晶振主频。

FPGA接收和处理FC光口传来的数据。当检测差动保护装置传来数据时，启动定时器，同时对数据进行以下处理。

步骤S2、获取差动保护装置的数据帧，放入数据缓冲区。

步骤S3、对获取的数据帧进行加密处理，完成处理后停止计数，获取定时器计数Nr。

以上完成了数据的处理，且通过计数器确定了处理时间。步骤S1到步骤S3由FPGA处理数据，FPGA未连接GPS/北斗对时信号。其中步骤S1启动定时器计数和步骤S2获取差动保护装置的数据帧同时启动，并不是先后顺序。

步骤S4、记录获取到加密数据的当前系统时间T1，计算接收数据时间戳Tr=T1–Nr/Fr。

该步骤由主控制器完成。由于FPGA未连接GPS/北斗对时信号，不能获取系统时间，这里通过计数器的计时，计算收到差动保护装置发送数据的时间。

步骤S5、将时间戳信息Tr、加密数据进行打包处理。

步骤S6、获取本侧装置的MAC地址、5G终端的MAC地址，本侧装置的IP地址，对侧装置的IP地址，将打包后的数据通过UDP帧的形式，传输给5G模块进行发送；

数据的接收：接收方收到数据和差动保护装置数据的时间后，根据发送方的获得的差动保护装置数据发送的时间、预计本侧将数据发给连接的差动保护装置的时间以及T3，计算等待时间，到达等待时间后，将收到的数据发送给连接的差动保护装置。具体为：

步骤R1、获取5G模块接收到的对侧UDP帧。

步骤R2、对数据进行解析，读取接收UDP帧的时间戳Tr，读取当前系统时间T2和稳定时延参数T3，计算数据缓冲时间：ΔT=T3–(T2–Tr)，ΔT的单位为μs。

同时执行步骤R3、计算数据发送所需定时器计数：Ns = m×n，其中m为UDP帧中数据的字节数，n为FPGA发送一个字节需要的定时器计数。

步骤R4、启动定时器进行计数，定时器频率为Fs，Fs≧10MHz。Fs为FPGA配置的晶振主频。

步骤R5、数据解密；将解密后的数据和数据缓冲时间ΔT放入数据缓冲区。

步骤R6、当计数值Nc = ΔT×Fs - Ns时，将数据发送到FC光口。

参看图2，本方法要实现的是从S1开始到完成R6之间的时间稳定为T3。

发送端的定时器计数确定FPGA执行步骤S2和S3的耗时，主控制器通过获取执行完步骤S3的系统时间T1，进而回推得到数据从差动保护装置光端口发出的时间Tr。步骤S4至步骤S6的执行时间根据数据帧的大小会有不同，具体时间不会造成影响。通过5G发送的时延不稳定，即步骤S6完成到步骤R1开始之间的时间不稳定。

步骤R2、R3同时执行，R3预计数据从发送数据转换装置发送到光口需要的时间，R2得到完成R2和R3后，从步骤S1开始到达固定时延T3的剩余时间ΔT。

此时，步骤R4启动定时器开始计数；步骤5开始数据解密。

步骤6完成等待和发送。当到达T3的剩余时间为发送数据的时间Ns时，即从R4开始，已经用时到达Nc = ΔT×Fs – Ns时，开始发送。当数据发送完成时，从S1开始，用时为T3。

以上实现了收发间隔的恒定。

需要注意的是，T3的设定要大于5G的端到端发送延时+设备中数据的处理发送时间。5G网络切片中端到端的延时达到10毫秒以内，本实施例中，T3设置10-15ms，可以达到要求。

Claims

1.一种5G-光纤差动保护数据转换装置，连接到差动保护装置的光端口上，其特征在于：包括FC光口、FPGA、主控制器、卫星对时模块、5G模块、MAC+PHY模块；FC光口连接FPGA、FPGA连接主控制器形成数据转换装置与差动保护装置的数据通道；主控制器通过MAC+PHY模块连接5G模块形成以太网通道，实现差动保护装置间的通信；主控制器连接卫星对时模块。

2.一种具有稳定时延的5G-光纤差动保护数据转换方法，基于权利要求1所述的5G-光纤差动保护数据转换装置实现，本侧和对侧的差动保护装置的光端口上分别连接数据转换装置，实现通信功能，其特征在于：

设置稳定时延参数T3，T3为数据从本侧差动保护装置的光端口发送到对侧差动保护装置的光端口的固定时延；

所述方法包括：

数据的发送：发送方获得差动保护装置数据发送的时间，连同数据一起发送；

3.根据权利要求2所述的数据转换方法，其特征在于：

数据的发送包括：

步骤S1、差动保护装置有数据帧传来时，启动定时器进行计数，定时器频率为Fr；

步骤S2、获取差动保护装置的数据帧，放入数据缓冲区；

步骤S3、对获取的数据帧进行加密处理，完成处理后停止计数，获取定时器计数Nr；

步骤S4、记录当前系统时间T1，计算接收数据时间戳Tr=T1–Nr/Fr；

步骤S5、将时间戳信息Tr、加密数据进行打包处理；

数据的接收包括:

步骤R1、获取5G模块接收到的对侧UDP帧；

步骤R2、对数据进行解析，读取接收UDP帧的时间戳Tr，读取当前系统时间T2和稳定时延参数T3，计算数据缓冲时间：

ΔT=T3–(T2–Tr)，ΔT的单位为μs；

同时执行步骤R3、计算数据发送所需定时器计数：

Ns = m×n，其中m为UDP帧中数据的字节数，n为发送一个字节需要的定时器计数；

步骤R4、启动定时器进行计数，定时器频率为Fs；

步骤R5、数据解密；

步骤R6、当计数值Nc = ΔT×Fs - Ns时，将数据发送到FC光口。

4.根据权利要求3所述的数据转换方法，其特征在于：当前系统时间从连接卫星对时模块读取。

5.根据权利要求3所述的数据转换方法，其特征在于：T3为10-15ms。

6.根据权利要求3所述的数据转换方法，其特征在于：所述的Fr、Fs为FPGA配置的晶振主频。