本公开涉及基于通信系统的延迟时间检测时间的操纵或欺骗。在各种实施例中，本文公开的技术可以用于利用可能被操纵或欺骗的高精度时间源的电力系统和其他系统。
附图说明
参照附图对本公开的非限制性和非详尽的实施例，包括本公开的各个实施例进行描述，在附图中：
图1图示了与本公开的实施例一致的具有各种变电站的电力输送系统的简化单线图的实施例的示例。
图2图示了与本公开的实施例一致的包括被配置为将精确时间参考分配到各个ied的通信ied的时间分配系统。
图3图示了与本公开的实施例一致的使用确定性通信系统延迟时间来检测电力输送系统上的时间信号欺骗的系统的单线图。
图4图示了与本公开的实施例一致的用于跟踪通信系统的延迟时间的方法的一个实施例的流程图。
图5图示了与本公开的实施例一致的用于基于通信系统中的延迟时间测量结果来检测异常状况的方法的一个实施例的流程图。
图6图示了与本公开的实施例一致的被配置为基于通信系统中的延迟时间测量结果来检测异常状况的系统的功能框图。
在以下描述中，为了透彻理解本文中所公开的各个实施例提供了许多具体细节。然而，本领域中的这些技术人员将认识到，本文中所公开的系统和方法可在没有一个或更多个具体细节的情况下来实践，或用其他方法、部件、材料等来实践。另外，在一些情况下，众所周知的结构、材料或操作可不被显示或详细描述，以避免模糊本公开的多个方面。此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或更多个可选的实施例中。
详细描述
高精度时间源可用于各种应用，例如电信、航空航天、自动化、发电和配电、雷达和科学应用等。可以使用各种系统、协议和/或技术来同步设备和/或允许多个设备使用共同的高精度时间源。例如，高精度时间信号可使用靶场间仪器组(irig)协议、全球导航卫星系统(gnss)(诸如例如，全球定位系统(gps)、glonass等等)、无线电广播(诸如美国国家科学与技术研究所(nist)广播(例如，无线电台wwv、wwvb和wwvh))、ieee1588协议、编码在rfc1305中的网络时间协议(ntp)、rfc2030中的简单网络时间协议(sntp)和/或另外的时间传输协议或系统来接收。
用于分配时间信息的协议和系统在可实现的精确度级别上有所不同，并且在易于操纵或欺骗的方面变化。例如，ntp和sntp的精确度限制在毫秒范围，因此对于亚毫秒的时间分配应用是不适当的。此外，该两个协议均缺乏安全性，并且容易受到恶意网络攻击。ieee1588标准包括硬件辅助的时间戳，其允许纳秒范围内的时间准确度。这样的精确度可足够用于要求更高的应用(例如，采样电力线上的正弦电流和电压以计算“同步相量”，或使用行波、时域或增量数量原则)。它非常适合于在通信网络外围处或在网络内的单个设备之中的时间分配。gnss时间信号提供了准确和鲁棒的时间测量，但是gnss信号容易受到欺骗。因此，有益的是提供用于检测高精度时间信号的操纵或故障的系统和方法，使得最佳可用的时间信号可被提供给时间相关的设备。
与本公开一致的系统和方法可以结合各种应用和技术来利用以检测被欺骗或操纵的时间信号。本地测量时间和来自远程设备的通信之间的时间差可以与关于由本地设备和远程设备使用的通信信道的延迟时间的置信区间进行比较。当差异在置信区间之外或超过指定阈值时，与本公开一致的系统和方法可确定信号已被操纵或欺骗。
时间信号的操纵可能以各种方式发生。例如，操纵可以包括生成提供给时间相关设备的欺骗信号。欺骗信号可以模仿由高精度时间提供的时间信号，但该时间信号可能不准确或改变。本文公开的系统和方法也可以用于检测信号的操纵的其他形式。例如，监视通信信道的延迟时间还可以允许检测附加的联网硬件和/或路由改变。硬件的增加将增加与通信信道相关的传输时间。此外，对网络路由的改变可以增加或减少通信信道的延迟时间。无论延迟时间是由于网络改变还是时间信号的操纵而增加或减少，延迟时间可以被测量，与特定度量相比较，并用于检测变化。
在与本公开一致的各种实施例和应用中，可以使用确定性通信系统。确定性通信系统可以帮助确保通信信道的延迟时间的相对较低的变化。这种系统的延迟时间的低变化可以允许在相对窄的范围内选择用于检测信号或网络的操纵的阈值。确定性通信的这种相对较低的变化可以对网络信道的修改或对时间信号的操纵产生更大的灵敏度。
本文公开的原理也可以应用于非确定性通信系统。虽然延迟时间可能在非确定性系统中表现出较大的变化，但增加的变化可以使用各种技术来解决。例如，与确定性系统相比，阈值可以包括更大的范围。此外，这样的系统可以使在指定的时间窗口上的值平均并且将平均的值与指定的阈值进行比较以减少归因于瞬态状况的延迟时间的变化。
各种系统可用于精确时间信息的分配。根据本文中所公开的各个实施例，电力系统可包括使用同步光网络(sonet)连接的部件。在这样的实施例中，使用同步传输协议和同步传输模块(stm)可分配精确时间信息。根据一个实施例，精确时间参考可在sonet传输的帧内被传输。在另一实施例中，精确时间参考可被并入到sonetstm帧的头部或开销部分中。类似地，电力系统可包括使用同步数字系列(sdh)协议连接的部件。虽然本文中的几个实施例在sonet方面进行了描述，但应认识到，sdh协议可代替sonet来使用，除非另有规定。
本文公开的几个具体示例具体涉及电力传输和分配系统；然而，本公开宽泛地适用于利用高精度时间同步的任何应用。例如，电信应用(例如蜂窝电话基础状态)、雷达、金融和科学应用也可以使用高精度时间源。
电力传输和分配系统可利用时间同步的测量结果来执行各种监视、保护和通信任务。关于某些应用，智能电子设备(ied)和/或网络通信设备可利用超过毫秒范围准确的时间信息。在电力系统内的ied可被配置为执行在一个或更多个ied之间需要特定等级的时间精确度和准确度的计量、控制和保护功能。例如，ied可被配置为计算和传递时间同步的相量(同步向量)，这可要求ied和网络设备在彼此的几纳秒内同步。
电力系统中的ied、网络设备和其他设备可包括本地振荡器或可接收多个时间源的信号。由于高精度时间源的成本以及分布在大面积区域的应用需求，常见的外部时间源可能会被多个设备使用。诸如全球定位系统(“gps”)、global导航卫星系统(“glonass”)或伽利略卫星系统的全球导航卫星系统(“gnss”)是高精度时间源的示例，其可以被地理上分开的多个设备使用。在各种应用中，多个ied可以获得电力系统的一部分中的电气状况的测量结果，并且可以将这些测量结果与从高精度时间源导出的时间戳相关联。有时间戳的测量结果可以是时间对准的并且用于分析整个电力系统的电气状况。外部时间源，例如gnss，可能在更大范围内更精确和可用，因此可能比本地时间信号更受欢迎。
通过参照附图将最好地理解本公开的实施例，其中通篇相似的部件由相似的数字来标记。将容易理解的是，如在本文的附图中一般性地描述和图示的，所公开的实施例的组件可以以各种各样不同的配置来布置和设计。因此，以下对本公开的系统和方法的实施例的详细描述不旨在限制本公开所要求保护的范围，而是仅代表本公开的可能实施例。另外，除非另有说明，方法的步骤不一定需要按照任何特定的顺序或甚至依次序地执行，也不需要步骤仅执行一次。
在一些情况下，众所周知的特征、结构或操作没有被详细示出或描述。此外，所描述的特征、结构或操作可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施例中。还将容易理解的是，如在本文中的附图中一般性地描述和图示的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
所描述的实施例的几个方面可作为软件模块或组件来实施。如本文中所使用的，软件模块或组件可包括位于存储器设备内和/或作为电子信号通过系统总线或者有线或无线网络传输的任何类型的计算机指令或计算机可执行代码。例如，软件模块或组件可包括计算机指令的一个或更多个物理块或逻辑块，其可被组织为执行一个或更多个任务或实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。
在某些实施例中，特定的软件模块或组件可包括被储存在存储器设备的不同位置中的不同指令，其共同实现所描述的模块的功能。事实上，模块或组件可包括单一指令或许多指令，并且可以分布在几个不同的代码段上、分布在不同的程序之间以及跨几个存储器设备分布。一些实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，软件模块或组件可位于本地存储器储存设备和/或远程存储器储存设备中。另外，在数据库记录中一起绑定或呈现的数据可驻留在相同的存储器设备中或跨几个存储器设备驻留，以及可以跨网络在数据库中的记录字段中链接在一起。
实施例可作为计算机程序产品来被提供，包括具有在其上所储存的指令的非暂时性计算机和/或机器可读介质，该指令可用于对计算机(或其他电子设备)进行编程以执行本文中所描述的过程。例如，非暂时性计算机可读介质可储存指令，当该指令由计算机系统的处理器执行时，使处理器执行本文中所公开的某些方法。非暂时性计算机可读介质可包括但不限于硬盘、软盘、光盘、cd-rom、dvd-rom、rom、ram、eprom、eeprom、磁卡或光卡、固态存储器设备、或适用于储存电子指令和/或处理器可执行指令的其他类型的机器可读介质。
贯穿本说明书的对“一个实施例”或“实施例”的引用指示结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各个地方中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。特别地，“实施例”可以是系统、制造的物品(诸如计算机可读储存介质)、方法和过程的产品。
短语“连接到”、“联网的”和“与...进行通信”指在两个或更多个实体之间的任何形式的交互，包括机械、电、磁和电磁交互。两个部件可彼此连接，即使它们与彼此没有直接的物理接触，以及即使在两个部件之间可能有中间设备。
可与本文中所公开的实施例一起使用的基础设施中的一些已经是可用的，诸如：通用计算机、计算机编程工具和技术、数字储存介质以及光网络。计算机可包括处理器，诸如微处理器、微控制器、逻辑电路等等。处理器可包括专用处理设备，诸如asic、pal、pla、pld、现场可编程门阵列或其他定制的设备或可编程设备。计算机也可包括计算机可读储存设备，诸如非易失性存储器、静态ram、动态ram、rom、cd-rom，盘存储器、磁带、磁存储器、光存储器、闪存、或其他计算机可读储存介质。
高精度时间参考指依赖于多个设备并由时间分配设备所分配的时间信号或时间源，且假定为其比本地时间源更精确。精度的确定可基于多种因素做出。高精度时间参考可允许对时间中的特定时刻进行描述并在时间上相互比较。
时间源是能够跟踪时间的推移的任意设备。考虑了多种类型的时间源，包括电压控制的温度补偿晶体振荡器(vctcxo)、锁相环振荡器、时间锁定环振荡器、铷振荡器、铯振荡器、训练振荡器、微电机设备(mem)和/或能够跟踪时间推移的其他设备。
时间信号是由时间源指示的时间的表示。时间信号可体现为用于传递时间信息的任意形式的通信。考虑了多种类型的时间信号，诸如以上列出的那些。本文中可交替地使用时间源和时间信号。
如本文中所使用的，精确时间源和/或精确时间信号的故障包括操纵、欺骗和/或干扰信号、机械或软件故障、全系统中断等。时间源的故障导致时间源不再被认为是可靠的或由终端设备可用的。
图1图示了与本公开的实施例一致的具有各种变电站的电力输送系统100的简化单线图的实施例的示例。电力输送系统100可被配置为生成、传输电能，并将电能分配给负载。电力输送系统可包括装备，诸如电力发电机(例如，发电机110、112、114和116)、电力互感器(例如，互感器117、120、122、130、142、144和150)、电力传输和输送线(例如，线124、134和158)、电路断路器(例如，断路器152和160)、总线(例如，总线118、126、132和148)、负载(例如，负载140和138)等等。各种其他类型的装备也可被包括在电力输送系统100中，诸如电压调节器、电容器组合以及各种其他类型的装备。
变电站119可包括发电机114，其可以是分布式发电机，并且其可通过升压互感器117连接到总线126。总线126可经由降压互感器130连接到配电总线132。各个配电线136和134可连接到配电总线132。配电线136可通向变电站141，其中使用ied106来监视和/或控制该线，该ied106可选择性地断开和闭合断路器152。负载140可从配电线136馈电。此外，经由配电线136与配电总线132进行通信的降压互感器144可用于降低由负载140消耗的电压。
配电线134可通向变电站151，并向总线148输送电力。总线148也可经由互感器150接收来自分布式发电机116的电力。配电线158可将电力从总线148输送到负载138，并且还可包括降压互感器142。电路断路器160可用于选择性地将总线148连接到配电线134。ied108可用于监视和/或控制电路断路器160以及配电线158。
电力输送系统100可使用智能电子设备(ied)(诸如ied104、106、108、115和170)以及中央监视系统172来监视、控制、自动化和/或保护。通常，电力生成和传输系统中的ied可用于在系统中的装备的保护、控制、自动化和/或监视。例如，ied可用于监视许多类型的装备，包括输电线、配电线、电流互感器、总线、开关、电路断路器、自动开关、互感器、自耦互感器、抽头变换器、电压调节器、电容器组合、发电机、电动机、泵、压缩机、阀以及多种其他类型的受监视的装备。
如本文中所使用的，ied(诸如ied104、106、108、115和170)可指监视、控制、自动化和/或保护系统100内的受监视的装备的任何基于微处理器的设备。例如，这样的设备可包括远程终端单元、差动继电器、距离继电器、方向继电器、馈电继电器、过电流继电器、电压调节器控制器、电压继电器、断路器故障继电器、发电机继电器、电动机继电器、自动化控制器、间隔控制器、计量表、自动开关控制器、通信处理器、计算平台、可编程逻辑控制器(plc)、可编程自动化控制器、输入和输出模块等等。术语ied可用于描述单个ied或包括多个ied的系统。
电力输送系统100可以包括发电变电站111。变电站111可以包括通过升压互感器120和122连接到总线118的各种发电机110和112。总线118可以经由传输线124连接到变电站119中的总线126。虽然变电站111中的装备可以通过各种ied进行监视和/或控制，但仅示出了单个ied104。ied104可以是用于互感器120的互感器保护ied。
共同的时间信号168可分配在整个系统100中。利用共同或通用的时间源可确保ied具有可用于生成时间同步数据(诸如同步相量)的同步时间信号。在各个实施例中，ied104、106、108、115、170可接收共同的时间信号168。时间信号可使用通信网络162或使用共同的时间源(诸如gnss等)分配在系统100中。如上所说明的，中央ied170和ied108两者接收共同的时间信号168。其他ied可经由通信网络或如本文中更详细描述的专用时间分配网络来接收共同的时间信号168。
根据各个实施例，中央监视系统172可包括多种类型的系统中的一个或更多个。例如，中央监视系统172可包括监视控制与数据采集(scada)系统和/或广域控制与态势感知(wacsa)系统。中央ied170可与ied104、106、108和115进行通信。ied104、106、108和115可远离中央ied170，并且可通过各种介质进行通信(诸如来自ied106的直接通信)或通过广域通信网络162进行通信。根据各个实施例，某些ied可与其他ied直接进行通信(例如，ied104与中央ied170进行直接通信)，或可经由通信网络162进行通信(例如，ied108经由通信网络162与中央ied170进行通信)。
经由网络162的通信可通过包括但不限于多路复用器、路由器、集线器、网关、防火墙和交换机的联网设备来促进。在一些实施例中，ied和网络设备可包括物理上不同的设备。在其他实施例中，ied和网络设备可以是复合设备，或可被配置为用多种方式来执行重叠的功能。ied和网络设备可包括多功能硬件(例如，处理器、计算机可读储存介质、通信接口等)，其可被利用以便执行关于系统100内的装备的操作和/或网络通信的各种任务。
如以上所讨论的，ied可被配置为计算同步相量并与其他ied传递同步相量。为了准确地比较由地理上分开的ied获得的同步相量，每个ied可能需要以大于1毫秒的精确度与精确时间参考进行同步，以允许时间对准的比较。根据各个实施例，准确到微秒或纳秒范围的时间同步可允许ied执行同步相量的准确比较。
经由网络162的ied170和ied108的连接可以表示用于传送时间信号的通信信道。为了检测时间信号的操纵和/或欺骗，可以结合与本公开一致的各种实施例来评估和利用关于与通信信道相关联的延迟时间的信息。更具体地说，关于从ied108到ied170的消息传输的信息可以允许在典型操作期间收集与通信信道相关的度量。然后可以在异常操作期间利用这种信息来检测对网络168的改变和/或对时间信号168的操纵。
图2示出了系统200，其被配置为将精确时间参考分配给多个时间相关设备的高度可靠、冗余和分布式系统。每个时间分配设备204、206和208可被配置为通过多个协议和方法来接收和传递时间信号。虽然系统200被描述为能够执行许多功能和方法，但是应理解的是，各个系统可具有额外的或较少的能力是可能的。特别地，系统200可按所需使用仅一个协议或具有较少的外部或本地时间信号输入运作。
如图2中所图示，三个时间分配设备204、206和208具有wan能力并通信地连接到wan218，其可包括一个或更多个物理连接和协议。每个时间分配设备204、206和208也可连接到本地网络内的一个或更多个ied。例如，时间分配设备204连接到ied212，时间分配设备206连接到ied214，以及时间分配设备208连接到ied216。例如，时间分配设备可位于发电设施、中枢、变电站、负载中心或在其中发现一个或更多个ied的其他位置。在各个实施例中，ied可包括wan端口，并且这样的ied可直接连接到wan218。ied可经由wan218或lan210连接。时间分配设备204、206和208可在各个系统部件之中建立并保持精确时间参考。每个时间分配设备204、206和208可被配置为通过一个或更多个时间分配协议(诸如ieee1588、irig-b、ntp、sntp等等)与连接在其lan上的ied传递时间信息。
每个时间分配设备204、206和208可被配置为接收来自多种时间源的时间信号。例如，如图所示，时间分配设备204包括天线220并被配置为接收来自gnss转发器或卫星202的gnss信号。时间分配设备204还被配置为接收来自外部时间源201的第二时间信号221。外部时间源可包括一个或更多个vctcxo、锁相环振荡器、时间锁定环振荡器、铷振荡器、铯振荡器、nist广播(例如，wwv和wwvb)和/或能够生成精确时间信号的其他设备。在所图示的实施例中，时间分配设备208还包括被配置为接收来自gnss转发器或卫星202的gnss信号的天线220。如图所示，时间分配设备206不直接接收外部时间信号，但是，根据可选实施例，任意数量和种类的外部时间信号可用于时间分配设备中的任一个。
根据一个实施例，wan218包括sonet，其被配置为在传输期间将精确时间参考嵌入sonet帧的头部或开销部分中。可选地，精确时间参考可使用任意数量的时间通信方法来传达，包括irig协议、ntp、sntp、同步传输协议(stp)和/或ieee1588协议。根据各个实施例，包括经由sonet的传输，精确时间参考可从wan网络流量的剩余部分中分离出来并受保护，从而创建安全的时间分配基础设施。用于ied时间同步间的协议可以是专有的，或基于诸如ieee1588精确时间协议(ptp)的标准。
根据各个实施例，时间分配设备204、206和208被配置为执行检测时间源的故障、操纵或欺骗的方法中的至少一个。如本文中所描述的，系统200可利用单一方法或方法的组合。
注意的是，即使是最精确的时间信号也可会表现出小的差异。例如，根据gnss天线电缆的长度和路由，各个时钟可表现出微秒级的时间偏移。这些偏移中的一些可通过用户输入补偿设置来补偿，或可需要通过时间同步网络来估计。利用在本地储存在非易失性储存寄存器中的单个源结果，估计可在长周期的“静”操作(即，没有中断或故障的周期)期间来执行。
图3图示了与本公开的实施例一致的使用确定性通信系统延迟时间来检测电力输送系统上的时间信号欺骗的系统300的单线图。系统300包括通过电力线320连接的两个源302、304。系统300由电力系统上的本地位置处的第一ied306以及电力系统上的远程位置处的第二ied308保护。ied可以被配置为使用行波、时域和/或增量数量原则来保护和监视电力系统300。为此，ied306、308可以各自与gnss接收器314、316通信(或包括gnss接收器314、316)以从gnss系统302接收公共时间信号。如上文更详细描述的，ied306、308可使用诸如多路复用器310、312的设备使用确定性通信网络318进行通信。
ied306、308可以使用来自gnss302的公共时间信号进行时间同步，使得电力系统的测量结果与高精度时间戳相关联。高精度时间戳可以允许比较在不同位置同时进行的测量。这样的系统可使用高采样速率(≥1mhz)、高分辨率(≥16比特)的同步采样、高保真时间同步以及能够交换所有获得的数据(≥100mbps)或算法中的一些所需的高数值负担(≥1g乘法每秒)的通信网络。ied306、308可以取决于用于执行电力系统保护算法的通信的接收和传输。
根据与本公开一致的各种实施例，ied306、308可以通过跟踪确定性通信系统的延迟时间来检测网络318的操纵或者gnss信号的欺骗，并且将当前延迟时间测量结果与先前延迟时间测量结果进行比较。对gps接收机314、316中的任一个的gnss信号的欺骗和/或通过网络318发送的信息的操纵可能导致故障位置、故障方向和/或故障的其他方面的错误检测。
ied306、308可以均被配置为中继以执行测量和交换测量结果。在时间t0处，ied306、308可以各自执行测量并通过网络318传送测量结果。可以利用各种技术来同步ied306、308所进行的测量。例如，可以根据时间表(例如，在每秒的顶端(atthetopofeverysecond))执行测量，或者可以基于指定的条件执行测量。由ied306、308同时获取的测量值可以通过网络318传输，以用于结合系统300的保护来使用。如果将进行测量的时间指定为t0，并且将通过网络318接收到测量结果的时间指定为t1，则可以使用等式1确定横越网络318的时间t信道。
t1-t0＝t信道等式1
横越网络318的时间或网络延迟时间可以被重复测量。这些重复的测量可以使得ied306、308能够生成在网络延迟时间中的偏差。在一些实施例中，可以使用多个测量结果来生成统计数据集。可以分析统计数据集以建立特定的阈值，该阈值可以用于识别可能与从gnss302接收到的时间信号的改变和/或网络318的操纵相关联的异常状况。例如，可以基于统计数据集为信道延迟时间指定最大阈值。当延迟时间超过最大阈值时，可以触发警报以指示网络318的潜在欺骗或操纵。
网络318的所测量的延迟时间可以通过欺骗时间源或通过网络318的改变来增加或减少。网络318的所测量的延迟时间可以通过并入额外的网络硬件，网络路由中的额外复杂度等来增加。此外，比正常慢的欺骗时间信号还可能导致信道延迟时间的增加。网络318的所测量的延迟时间可以通过改变通过网络318的数据流或通过幽灵般出现(spooking)比正常的时间信号更快的时间信号来降低。
用于确定网络318的所测量的延迟时间的信息还可以用于监视和保护系统300免受诸如电气故障之类的事件的影响。在具体说明的实施例中，传输线320上发生故障350。故障350产生朝向源302、304发射的行波352、354。行波可以以接近光速的速度行进。通过比较每个位置处的行波的到达时间，ied306、308可以确定故障的方向、故障的位置以及关于故障的其他信息，以便作出保护决定。可被分析以监视网络318的延迟时间的相同测量结果也可提供关于故障350的信息。这些信息可以由ied306、308进行分析以确定故障的方向、故障的位置以及关于故障的其他信息，以便实施保护措施。尽管图3示出了被配置为基于行波352、354来检测故障350的一个具体示例，但是也可以设想各种其他类型的系统。
图4图示了与本公开的实施例一致的用于跟踪通信系统的延迟时间的方法400的一个实施例的流程图。在各种实施例中，可以在类似于系统300的系统中执行方法400，如图3所示，其中ied306、308中的一个可以被认为是本地ied而另一个被认为是远程ied。
在401处，方法400确定是否执行同步测量。在各种实施例中，可根据特定时间表并基于公共时间信号来执行同步测量。例如，在一个实施例中，可以基于由设备接收的gnss信号在每秒的顶端处由各种设备执行测量。
在402处，本地(ied_s)和远程(ied_r)ied中的每一个创建在时间t0处的至少一个电力系统状况的测量402、404。远程ied然后通过通信网络将t0测量结果发送到本地ied_s406。在408处，本地ied_s在时间t1处通过通信网络从远程ied_r接收t1测量结果。
在410处，本地ied_s可以将通信系统延迟时间t信道确定为t1与t0之间的差值。然后，本地ied_s可以在412处更新通信系统延迟时间t信道数据集。在一些实施例中，数据集可以包括特定数量的t信道值或指定时间段内的值。与操作环境相关的各种物理参数可能会影响系统中的物理介质的速度因子。例如，温度可能影响速度因子，但相对于通信系统延迟时间的延迟时间，温度变化通常发生在相对较长的时间段内(即，从白天到晚上，从一个季节到另一个季节)。在各种实施例中，数据集412可以包括关于数据集的统计信息，诸如平均值、标准偏差和反映t信道的测量结果的分布的其他参数。在一个具体实施例中，统计数据集可以表示高斯或正态分布。
图5图示了与本公开的实施例一致的用于基于通信系统中的延迟时间测量结果来检测异常状况的方法500的一个实施例的流程图。在502处，方法500可以分析延迟时间信息的数据集。在各种实施例中，可以使用图4中所示的方法400来生成数据集。
在504处，可以基于在502执行的数据集的分析来生成多个阈值。可以基于数据的参数、系统的特性、应用方法500的特定应用或者前述的组合来选择阈值。在一些实施例中，延迟时间测量结果的可变性可能较低，并且相应地，阈值可以定义相对窄的延迟时间范围。在其他实施例中，延迟时间测量结果可以表现出更大的可变性，并且可以选择阈值以适应这种可变性。
在506，ied_s在时间t1接收到从远程ied在时间t0获取的测量结果。t信道的值可以被确定并且可以在508处与阈值进行比较。如果t信道的值在阈值内，则方法500可以返回到502。在一些实施例中，阈值可以包括包含信道延迟时间的多倍的置信区间。在一个实施例中，阈值用等式2来表示
k1*t信道_平均<t1-t0<k2*t信道_平均等式2
在一些实施例中，因子k1和k2可以是预定的。在其他实施例中，可以基于通信信道延迟时间的变化来确定因子k1和k2。例如，对于具有较高延迟时间或延迟时间变化较大的通信信道，因子可能较高。因子k1和k2可能与一(unity)等距。
510处的异常状况可表示各种状况。例如，异常状况可能代表欺骗时间信号或网络的修改。响应于异常状况，可以在512处实施补救措施。在各种实施例中，补救措施可以包括基于不在阈值内的测量结果来抑制控制措施。更进一步，不在阈值内的测量结果可以从502处分析的数据集中排除。
尽管图4和图5示出了本地ied_s接收来自远程ied_r的测量结果并跟踪通信系统延迟时间，但应该注意的是，两个ied都可以将测量结果发送到另一个ied，并独立地跟踪通信系统延迟时间。此外，ied可能会定期比较通信系统延迟时间。ied可以向其他ied发送延迟时间确定。在检测到异常状况时，ied(ied_s和ied_r)可以修改它们的保护算法，使得通信或时间信号不用于确定故障状况。
图6图示了与本公开的实施例一致的被配置为基于通信系统中的延迟时间测量结果来检测异常状况的系统600的功能框图。在某些实施例中，系统600可包括ied系统，该ied系统尤其被配置为使用时域距离模块检测并定位故障、使用时域方向模块检测并定位故障、以及使用行波检测并定位故障。系统600可使用硬件、软件、固件和/或它们的任意组合来实现。在一些实施例中，系统600可作为ied来实施，而在其他实施例中，本文中所描述的某些组件或功能可与其他设备相关联或者可由其他设备执行。具体图示的配置仅代表与本公开一致的一个实施例。
系统600包括被配置为与设备和/或ied进行通信的通信接口616。在某些实施例中，通信接口616可便于与其他ied直接进行通信或通过通信网络与系统进行通信。通信接口616可便于通过网络进行通信。
系统600还可包括时间输入端612，其可用于接收时间信号(例如，公共时间基准)，允许系统600将时间戳施加到所获得的样本。在某些实施例中，可经由通信接口616来接收公共时间基准，因此，加时间戳和/或同步操作可以不需要单独的时间输入端。一个这样的实施例可采用ieee1588协议。受监视的装备接口608可被配置为从一件受监视的装备(譬如电路断路器、导体、互感器等)接收状态信息，并向其发出控制指令。
处理器624可被配置为对经由通信接口616、时间输入端612和/或受监视的装备接口608接收的通信信息进行处理。处理器624可使用任意数量的处理速率和架构来操作。处理器624可以被配置成执行本文描述的各种算法和计算。处理器624可被实施为通用集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或任何其他合适的可编程逻辑设备。
在某些实施例中，系统600可包括传感器组件610。在所图示的实施例中，传感器组件610被配置为使用常规的pt和/或ct直接从诸如导体(未示出)的常规电力系统装备收集数据。传感器组件610可使用例如互感器602和614以及可采样和/或数字化经滤波的波形的a/d转换器618，以形成被提供给数据总线622的相应数字化的电流和电压信号。电流(i)和电压(v)输入可以是来自常规仪器互感器(例如ct和vt)的次级输入。a/d转换器618可以包括用于每个传入信号的单独的a/d转换器或单一a/d转换器。电流信号可以包括来自三相电力系统的每个相的单独的电流信号。a/d转换器618可通过数据总线622连接到处理器624，电流信号和电压信号的数字化表示可通过该数据总线622被传输到处理器624。在各种实施例中，数字化的电流和电压信号可用于计算时域量，以如本文中所描述的对电力系统上的故障进行检测和定位。
计算机可读存储介质626可以是数据库628的存储库，其包含与系统600可以通过其通信的网络中的延迟时间有关的信息。数据库可以包括与多个延迟时间测量相关联的多个延迟时间测量结果和/或统计测量结果。另一计算机可读储存介质630可以是被配置为执行本文中所描述的方法中的任意一个的各种软件模块的存储库。数据总线642可将受监视的装备接口608、时间输入端612、通信接口616以及计算机可读储存介质626和630链接到处理器624。
如图6中所图示的，计算机可读储存介质626和630可以是不同的介质，或者可是同一介质(即同一磁盘、同一非易失性存储器设备等)。另外，数据库628可被储存在不是系统600的部分但可使用例如通信接口616由系统600访问的计算机可读储存介质中。
通信模块632可被配置为允许系统600经由通信接口616与各种外部设备中的任意一个进行通信。通信模块632可被配置用于使用各种数据通信协议(例如，基于以太网的udp、iec61850等)来进行通信。通信模块632可以被配置为确定关于通过通信接口616接收的信息的延迟时间信息。
数据采集模块640可收集诸如电流量和电压量以及增量的数据样本。该数据样本可与时间戳相关联，并且使其可用于检索和/或经由通信接口616传输到远程ied。由于行波是在电力输送系统中迅速消散的瞬态信号，因此可对它们进行实时测量和记录。数据采集模块640可结合故障检测器模块634操作。数据采集模块640可控制对由故障检测器模块634使用的数据进行记录。根据一个实施例，数据采集模块640可选择性地储存和检索数据，并且可使该数据供进一步处理所用。这样的处理可包括通过故障检测器模块634进行的处理，该故障检测器模块634可被配置为确定电力分配系统的故障的发生。
增量模块636可被配置为基于本文中所公开的技术，对时域增量进行计算。增量模块636可被配置为使用电流和/或电压测量结果的数字化表示来由此计算增量。在一些实施例中，系统600可以是与诸如图1的ied和系统的电力系统上的不同终端进行通信的一对ied中的一个。在一个实施例中，一对ied中的每个ied在其自身的增量模块636中计算增量，以用于后续处理并在ied之间共享。在另一实施例中，系统600可通过通信信道接收来自传感器组件610和来自远程ied两者的数字化表示，并且增量模块636可被配置为计算来自两个源的增量信号，以计算本地增量和远程增量二者。
故障类型模块638可被配置为使用来自模块636的增量来确定故障类型。行波差分模块644可通过使用行波差分计算确定故障的方向来响应于故障确定控制操作。相关性模块648可被配置为接收本地增量和远程增量，并使它们相关联。相关性可通过使用时间戳进行时间对准来完成。
方向模块650可被配置为确定故障的方向(前向或反向)。方向模块650可被配置为使用来自增量模块636的增量，以确定故障的方向。在某些实施例中，方向模块650可被配置为基于行波的极性来确定方向。在这样的实施例中，如果故障处于前向方向，则电压行波和电流行波的极性相反。如果故障处于反向方向，则电压行波和电流行波具有相同的极性。
保护措施模块652可被配置为基于通过故障检测器模块634对故障的宣告来实施保护措施。在各种实施例中，保护措施可以包括使断路器跳闸，选择性地隔离电力系统的一部分等。在各种实施例中，保护措施模块652可与和系统600通信的其他设备协调保护措施。
在各种实施例中，系统600可被配置为基于瞬时电压和电流提供保护。这样的信号分量需要更短的数据窗口但便于更快保护。系统600的各种实施例可被配置为实现约1毫秒的工作时间。这样的系统可使用基于集总参数电路和基于tw的时域方法，并且可允许涵盖各种继电器输入电压源和可用的通信信道的多功能应用。这样的系统可使用高采样速率(≥1mhz)、高分辨率(≥16比特)的同步采样、高保真时间同步以及能够交换所有获得的数据(≥100mbps)或算法中的一些所需的高数值负担(≥1g乘法每秒)的通信网络。
延迟时间确定模块666可以被配置为确定通信信道的延迟时间。在一个具体实施例中，延迟时间确定模块666可以被配置为实现如图4所示的方法400。延迟时间确定模块666还可以被配置为生成表示通信信道的延迟时间和/或延迟时间信息的统计表示的数据集。在一些实施例中，与通信信道的延迟时间有关的数据集可被存储在数据库628中。在各种实施例中，可以利用延迟时间信息的数据集来建立阈值以检测与和通信接口616相关联的通信网络和/或和时间输入端612相关联的时间信号相关联的异常状况。
阈值模块664可以被配置为确定与经由通信接口616接收到的通信信息相关联的延迟时间测量结果是否落入建立的阈值内。在一些实施例中，可以预先建立阈值，而在其他实施例中，阈值模块664可以被配置为建立和/或修改阈值。例如，阈值可以基于由延迟时间确定模块666生成的数据集的分析来确定。在一个具体实施例中，阈值可以表示因子k1和k2以及通信信道延迟时间的统计表示(例如，平均值)。在一些实施例中，阈值可以根据基于延迟时间数据集的标准偏差来定义。
系统600可以进一步包括异常状况模块662。异常状况模块662可以通过确定通信信道延迟时间并将当前延迟时间值与一个或更多个阈值进行比较来检测时间信号的欺骗或网络的操纵。在各种实施例中，异常状态模块662可以被配置为实施图5中所示的方法及其描述。
虽然已经图示并描述了本公开的具体实施例和应用，但是应理解的是，本公开不限于本文中所公开的精确配置和组件。在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以在本公开的方法和系统的布置、操作和细节中做出对于本领域中的技术人员来说明显的各种修改、变化和变型。