CN112616181B - 一种适配于5g通信的电流差动保护数据同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法及系统，包括：保护装置及基站，所述保护装置分别位于线路两侧，一侧为主站另一侧为从站；所述保护装置被配置为接收来自基站的绝对时间及传输时延并计算本地时间与基站侧时钟偏差；线路两侧保护装置通过5G网络交换上述时钟偏差，从站保护装置被配置为计算得到线路两侧时钟偏差值；主站保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，进行同步化处理。本公开技术方案通过5G基站为保护装置提供时间基准，可解决电流差动保护数据同步问题，与传统方法相比，无需安装卫星接收模块，建设成本低，使用便捷。

Description

一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法及系统

技术领域

本公开属于电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

传统的电流差动保护数据同步方法分为两大类，一种是通过外部提供的绝对时钟为线路两侧设备进行授时，直接实现数据同步采样，例如基于GPS授时的数据同步方法；另一种是在线路两侧独立采样的情况下，通过计算线路两侧的时钟偏差，对采样值进行同步化处理，实现数据同步，例如基于通道的数据同步方法。

发明人在研究中发现，随着5G通信技术的出现和发展，5G网络成为为配电网差动保护另外一种通信手段。但需要研究与之匹配的数据同步方法，基于GPS授时的数据同步方法要求为每台保护装置配置卫星接收模块，经济成本较大；同时，该方法需要设计同步采样电路，同步环节复杂。而基于通道的数据同步方法是建立在通道来回路径时延一致的基础上，5G网络无法满足该要求，因此需要研究适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法。

现有技术中，差动保护最关键的两个问题是：一是线路两侧数据交换；二是数据同步方法。

CN110838713A“一种基于5G网络的配电网分布式差动保护方法及系统”采用5G通信实现线路两侧数据交换，数据同步方法采用自同步(以故障发生时刻为起点进行同步采样)。

CN111565073A“一种基于5G通信的无线光差同步方法及系统”侧重于数据同步方法，其原理是基于通道来回时延一致的同步方法，该方法在光纤通信得到大规模应用，但在5G通信中，由于来回时延不一致，原理上无法适配。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，在5G基站高精度时间同步的基础上，考虑基站授时过程中传输时延偏差造成的影响，采用差分授时原理，直接计算线路两侧装置时钟差，并以此时钟偏差对采样数据进行同步化处理。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步系统，包括：保护装置及基站，所述保护装置分别位于线路两侧，一侧为主站另一侧为从站；

所述保护装置被配置为接收来自基站的绝对时间及传输时延并计算本地时间与基站侧时钟偏差；

线路两侧保护装置通过5G网络交换上述时钟偏差，从站保护装置被配置为计算得到线路两侧时钟偏差值；

主站保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，进行同步化处理。

进一步的技术方案，所述基站被配置为包括时延动态估计模块，用于基站对传输时延进行估计，包括信号在空气中的传播时延、绝对时间的分组发送时间及信号经接收模块的处理时延。

进一步的技术方案，所述传播时延估计方法为通过检测输入信号功率强弱，判断终端到基站的距离，并转化为传播时延；分组发送时延和接收模块的处理时延根据实际环境进行预测修正。

进一步的技术方案，所述保护装置被配置包括时钟模块及数据同步模块，时钟模块用于测量保护装置本地时钟与基站时钟偏差，该模块根据接收到基站时间信息的时刻以及基站的时间信息计算时钟偏差；

所述数据同步模块，用于计算主从站时钟偏差及以该偏差为基准对采样数据进行调整。

进一步的技术方案，所述数据同步模块进行调整时，当时钟偏差小于设定门槛值时，采样值无需同步化处理；当时钟偏差大于或等于设定门槛值时，依据此偏差修正从站采样数据。

第二方面，公开了一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，包括：

线路两侧保护装置分别接收来自基站的绝对时间及传输时延并计算本地时间与基站侧时钟偏差；

线路两侧保护装置通过5G网络交换上述时钟偏差，从站保护装置被配置为计算得到线路两侧时钟偏差值；

主站保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，进行同步化处理。

进一步的技术方案，计算本地时间与基站侧时钟偏差时，主从站保护装置在本地晶振控制下独立采样，同时输出秒脉冲对时信号；

两侧晶振相同且本地时钟匀速运行，以本地时钟输出秒脉冲的上升沿触发计数器开始计数，以来自基站的秒脉冲上升沿触发计数器停止计数，由此计算基站与保护装置时钟的时钟偏差。

进一步的技术方案，线路两侧晶振为F赫兹，主站和从站计数器读数分别为N_主和N_从，则主站和从站时钟与基站时钟偏差ΔT_主、ΔT_从为：

进一步的技术方案，主站将本侧时钟与基站侧时钟的时钟偏差发送至从站，从站依据该偏差计算主从站时钟偏差ΔT：

进一步的技术方案，对于主站，基于其在本地时间T_主时刻接收到基站时间信息及由基站侧计算得到的接收时刻得到主站与基站的时钟偏差；

对于从站，基于其在本地时间T_从时刻接收到基站时间信息及由基站侧计算得到的接收时刻得到从站与基站的时钟偏差；

主站将本侧时钟与基站侧时钟的时钟偏差发送至从站，从站依据该偏差计算主从站时钟偏差。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本公开技术方案通过5G基站为保护装置提供时间基准，可解决电流差动保护数据同步问题，与传统方法相比，无需安装卫星接收模块，建设成本低，使用便捷。

2、本公开技术方案考虑基站授时的时延误差问题。通过对线路两侧主从站与基站的时间差进行差分处理，消除两侧时延估计的正相关影响，在忽略基站间的微小偏差情况下，主从站时钟偏差可由下式计算得到：

ΔT＝ΔT_主-ΔT_从＝(τ_1主+τ_2主+τ_3主)-(τ_1从+τ_2从+τ_3从)-(T_主-T_从)

可以看出，该方法可以部分抵消独立授时的时延估计误差，特别是接收模块的处理时延τ₃的估计误差，在两侧接收模块型号相同的情况下，可几乎完全抵消。因此可大大提高线路两侧时钟偏差的计算精度，提高数据同步准确性。

3、本公开技术方案以5G基站的时间为基准，直接计算线路两侧保护装置的时钟偏差，与基于卫星的数据同步方案相比，无需复杂的同步采样电路，实现简单；与基于通道的数据同步方案相比，该发明对通道传输要求低，可利用5G网络交换数据。

4、本公开技术方案解决了在5G通信中，由于来回时延不一致，无法适配的技术问题，其技术关键是通过等待一个确定的时延进行传输，该时延需要躲过5G通信的抖动，使得来回时延保持一致，从而实现数据同步。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子基于5G时间信息的数据同步整体示意图；

图2为本公开实施例子基于时间戳信息计算保护装置与基站时钟偏差的原理图；

图3为本公开实施例子基于计数器计算保护装置与基站时钟偏差的原理图；

图4为本公开实施例子实现数据同步处理的流程图；

图5为本公开实施例子电流差动保护数据同步系统的整体结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

关于5G系统，采用时分双工(TDD)制式进行通信，为了减少通信过程中上下时隙干扰，要求基站空口时间保持同步，根据3GPP标准，5G基站空口时间同步偏差在300ns以内。这为基于5G通信的电流差动保护数据同步提供了新的思路。

本公开实施例子在5G基站高精度时间同步的基础上，考虑基站授时过程中传输时延偏差造成的影响，采用差分授时原理，直接计算线路两侧装置时钟差，并以此时钟偏差对采样数据进行同步化处理，无需独立授时，无需同步采样电路。

实施例1

本实施例公开了一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，在忽略基站间时间同步误差的情况下，5G基站通过高精度时间同步组网实现空口时钟偏差在纳秒级别，通过线路两侧保护装置交换时间信息计算时钟偏差，实现数据的同步采样，该过程的整体示意图如图1所示。具体实现步骤如下：

步骤1：保护装置接收来自基站的绝对时间及传输时延；

在该步骤中，基站之间通过高精度时间同步组网保持时间同步；

基站侧将绝对时间信息通过下行信息发送至保护装置；

基站侧根据上行信号功率强弱估计基站到保护装置的传播时延，并根据实际传输环境完成分组发送时延、接收模块处理时延的修正，并将以上传输时延发送至保护装置。

与保护装置通信的基站通过下行消息将时间信息传递至保护装置。其中，时间信息包括基站发送下行消息时本地的绝对时间T和传输时延τ。传输时延τ由信号在空气中的传播时延τ₁、绝对时间T的分组发送时间τ₂、信号经接收模块的处理时延τ₃组成。传播速度与传播介质有关，等于或略小于光速，分组发送时延τ₂和接收模块处理时延τ₃由基站侧进行预先估计，并根据实际传输环境完成修正。

步骤2：保护装置计算保护装置处本地时间与基站侧时间的偏差；

步骤3：线路两侧通过5G网络交换上述时钟偏差，并得到线路两侧时钟偏差；

步骤2和步骤3实现线路两侧时钟偏差的计算。

具体的，线路两侧任意一侧规定为主站另一侧为从站。保护装置在本地晶振控制下分别独立采样。步骤2的时间关系示意图如图2所示。

对于主站来说，其在本地时间T_主时刻接收到基站时间信息，而由基站侧计算得到的接收时刻为：

T_基站+(τ_1主+τ_2主+τ_3主)

其中，T_基站为发送下行消息的绝对时间，τ_1主、τ_2主、τ_3主分别为主站侧传播时延、分组发送时延和处理时延。由此可以得到主站与基站的时钟偏差ΔT_主：

ΔT_主＝T_基站+(τ_1主+τ_2主+τ_3主)-T_主

对于从站来说，其在本地时间T_从时刻接收到基站时间信息，而由基站侧计算得到的接收时刻为：

T_基站+(τ_1从+τ_2从+τ_3从)

其中，T_基站为发送下行消息的绝对时间，τ_1从、τ_2从、τ_3从分别为从站侧传播时延、分组发送时延和处理时延。由此可以得到从站与基站的时钟偏差ΔT_从：

ΔT_从＝T_基站+(τ_1从+τ_2从+τ_3从)-T_从

主站将本侧时钟与基站侧时钟的时钟偏差发送至从站，从站依据该偏差计算主从站时钟偏差ΔT，该方法计算得到的时钟偏差更精确，理论上是没有误差的：

ΔT＝ΔT_主-ΔT_从＝(τ_1主+τ_2主+τ_3主)-(τ_1从+τ_2从+τ_3从)-(T_主-T_从)

另一实施例子中，为了更容易的实现基站与保护装置时钟偏差的计算，步骤2和步骤3也可采取如下措施，该措施的原理示意图如图3所示：

规定线路任意一侧为主站，另一侧为从站。来自基站的时间信号以秒脉冲形式输出；

主从站保护装置在本地晶振控制下独立采样，同时输出秒脉冲对时信号；

两侧晶振相同且本地时钟匀速运行。以本地时钟输出秒脉冲的上升沿触发计数器开始计数，以来自基站的秒脉冲上升沿触发计数器停止计数，由此计算基站与保护装置时钟的时钟偏差。假设线路两侧晶振为F赫兹，主站和从站计数器读数分别为N_主和N_从，则主站和从站时钟与基站时钟偏差ΔT_主、ΔT_从为：

主站将本侧时钟与基站侧时钟的时钟偏差发送至从站，从站依据该偏差计算主从站时钟偏差ΔT，主从站分别通过计数器计算本地秒脉冲与基站侧秒脉冲的偏差，再由该偏差计算主从站之间的偏差，更容易实现：

步骤4：保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，实现同步化处理。当时钟偏差小于设定门槛值时，采样值无需同步化处理；当时钟偏差大于或等于设定门槛值时，依据此偏差修正从站采样数据。

对于频率50Hz的电流量，两侧时钟偏差为10us时，对应的电流相量角度为0.18度，因此可设定门槛值为10us。当时钟偏差小于10us时，采样值无需同步化处理；当时钟偏差大于或等于10us时，依据此偏差修正从站采样数据。

以上步骤可实现电流差动保护数据同步，整个过程的流程图如图4所示。

本公开技术方案利用基于通道来回时延一致计算两侧时钟偏差，实现数据同步。在5G通信进行数据交换的同时，利用5G网络本身的高精度时间信息实现数据同步。在5G基站已实现300纳秒时间同步的基础上，通过基站对保护装置进行授时，计算线路两侧时钟偏差，实现数据同步。本专利与其他专利的区别在于利用5G本身的高精度时间信息，由基站传递至保护装置，再由本侧保护装置与对侧保护装置交换时间信息得到两侧时钟偏差，完成数据同步。难点在于基站对保护装置的授时，需要传递绝对时间及传输时延。

实施例2：

本发明还公开了一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步系统，该系统结构如图5所示，包括：保护装置及基站，所述保护装置分别位于线路两侧，一侧为主站另一侧为从站；

保护装置被配置为接收来自基站的绝对时间及传输时延并计算本地时间与基站侧时钟偏差；

线路两侧保护装置通过5G网络交换上述时钟偏差，从站保护装置被配置为计算得到线路两侧时钟偏差值；

主站保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，进行同步化处理。

基站被配置为包括时延动态估计模块。保护装置被配置包括时钟模块及数据同步模块。

具体的，时延动态估计模块，用于基站侧对传输时延进行估计，包括信号在空气中的传播时延τ₁、绝对时间T的分组发送时间τ₂、信号经接收模块的处理时延τ₃。其中，传播时延τ₁估计方法为通过检测输入信号功率强弱，判断终端到基站的距离，并转化为传播时延；分组发送时延τ₂和接收模块的处理时延τ₃根据实际环境进行预测修正。

时钟模块，用于测量保护装置本地时钟与基站时钟偏差，该模块根据接收到基站时间信息的时刻以及基站的时间信息计算时钟偏差，计算公式为：

ΔT_主＝T_基站+(τ_1主+τ_2主+τ_3主)-T_主

ΔT_从＝T_基站+(τ_1从+τ_2从+τ_3从)-T_从

其中，T_基站为基站发送下行消息的绝对时间，τ_1主(从)、τ_2主(从)、τ_3主(从)分别为主(从)站侧传播时延、分组发送时延和处理时延。

数据同步模块，用于计算主从站时钟偏差及以该偏差为基准对采样数据进行调整。主从站时钟偏差计算公式为：

ΔT＝ΔT_主-ΔT_从

其中，ΔT_主、ΔT_从分别为主站和从站与基站的时钟偏差。

设定门槛值为10us。当时钟偏差小于10us时，采样值无需同步化处理；当时钟偏差大于或等于10us时，依据此偏差修正从站采样数据。

在5G网络中，基于通信业务本身的需求，5G基站已经实现高精度时间同步，可以作为时钟源，为保护装置提供时间基准。

本公开技术方案原理为：计算基站与主、从站的时间偏差，再由该偏差计算主站和从站的时间偏差，实现线路两侧的数据同步。该方案的优点是抵消独立授时的时延估计误差，提高数据同步准确性。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步系统，其特征是，包括：保护装置及基站，所述保护装置分别位于线路两侧，一侧为主站另一侧为从站；

所述保护装置被配置为接收来自基站的绝对时间及传输时延并计算本地时间与基站侧时钟偏差；

线路两侧保护装置通过5G网络交换上述时钟偏差，从站保护装置被配置为计算得到线路两侧时钟偏差值；

主站保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，进行同步化处理；

所述保护装置被配置包括时钟模块及数据同步模块，时钟模块用于测量保护装置本地时钟与基站时钟偏差，该模块根据接收到基站时间信息的时刻以及基站的时间信息计算时钟偏差；

所述数据同步模块，用于计算主从站时钟偏差及以该偏差为基准对采样数据进行调整；

所述数据同步模块进行调整时，当时钟偏差小于设定门槛值时，采样值无需同步化处理；当时钟偏差大于或等于设定门槛值时，依据此偏差修正从站采样数据。

2.如权利要求1所述的一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步系统，其特征是，所述基站被配置为包括时延动态估计模块，用于基站对传输时延进行估计，包括信号在空气中的传播时延、绝对时间的分组发送时间及信号经接收模块的处理时延。

3.如权利要求2所述的一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步系统，其特征是，所述传播时延估计方法为通过检测输入信号功率强弱，判断终端到基站的距离，并转化为传播时延；分组发送时延和接收模块的处理时延根据实际环境进行预测修正。

4.一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，其特征是，包括：

线路两侧保护装置分别接收来自基站的绝对时间及传输时延并计算本地时间与基站侧时钟偏差；

线路两侧保护装置通过5G网络交换上述时钟偏差，从站保护装置被配置为计算得到线路两侧时钟偏差值；

主站保护装置以线路两侧时钟偏差对采样数据进行调整，进行同步化处理；

所述保护装置被配置包括时钟模块及数据同步模块，时钟模块用于测量保护装置本地时钟与基站时钟偏差，该模块根据接收到基站时间信息的时刻以及基站的时间信息计算时钟偏差；

所述数据同步模块，用于计算主从站时钟偏差及以该偏差为基准对采样数据进行调整；

所述数据同步模块进行调整时，当时钟偏差小于设定门槛值时，采样值无需同步化处理；当时钟偏差大于或等于设定门槛值时，依据此偏差修正从站采样数据。

5.如权利要求4所述的一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，其特征是，计算本地时间与基站侧时钟偏差时，主从站保护装置在本地晶振控制下独立采样，同时输出秒脉冲对时信号；

两侧晶振相同且本地时钟匀速运行，以本地时钟输出秒脉冲的上升沿触发计数器开始计数，以来自基站的秒脉冲上升沿触发计数器停止计数，由此计算基站与保护装置时钟的时钟偏差。

6.如权利要求5所述的一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，其特征是，线路两侧晶振为F赫兹，主站和从站计数器读数分别为N_主和N_从，则主站和从站时钟与基站时钟偏差ΔT_主、ΔT_从为：

7.如权利要求6所述的一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，其特征是，主站将本侧时钟与基站侧时钟的时钟偏差发送至从站，从站依据该偏差计算主从站时钟偏差ΔT：

8.如权利要求4所述的一种适配于5G通信的电流差动保护数据同步方法，其特征是，对于主站，基于其在本地时间T_主时刻接收到基站时间信息及由基站侧计算得到的接收时刻得到主站与基站的时钟偏差；

对于从站，基于其在本地时间T_从时刻接收到基站时间信息及由基站侧计算得到的接收时刻得到从站与基站的时钟偏差；

主站将本侧时钟与基站侧时钟的时钟偏差发送至从站，从站依据该偏差计算主从站时钟偏差。

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