一种具有路径延时测量功能的采样值传输及同步方法
【专利摘要】本发明提供一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，本发明的方法包括在过程层交换机上对数据交换时延进行测量以及在IED设备上对报文进行同步。本发明的方法通过在过程层交换机上对数据交换时延进行测量，实现了将采样值数据在交换机内的存储、排队、转发、级联等不确定的动态延时准确地累加打包到采样值报文中，为IED设备的同步算法提供补偿参数；此外，通过对现有采样值报文的数据结构进行扩展，加入一个传输时延修正域，该修正区域的位置和长度可以配置。将合并单元到保护装置的传输延时保存到该修正域中，使得IED设备在接收到采样值报文后，可以解析出该参数并应用到同步算法中。
【专利说明】一种具有路径延时测量功能的采样值传输及同步方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及数字化变电站(有些区域称为数字化变电站，以下统称为智能变电站）中采样值数据传输与同步的【技术领域】，具体涉及到在智能变电站中可应用的一种具有路径延时测量功能的采样值传输及同步方法。
【背景技术】
[0002]在智能变电站中采样值作为过程层的基础数据之一，被应用于继电保护、测控、录波、计量等系统，各类应用均对采样值的同步特性有严格的要求。采样值的同步特性受合并单元、传输网络以及IED设备等影响，是一个复杂系统协同工作后的结果。
[0003]目前采样值数据同步应用主要有两种方案：①基于外源同步的源端同步采样无需外源同步的末端直采插值同步。
[0004]方案①的系统应用见附图1，其原理见附图2 :合并单元（MU)通过同步时钟的同步脉冲控制采样节拍，确保多个合并单元之间可以同步采样，并且按统一规则对每个时间片的采样数据编号(标准要求在同步脉冲到达时刻的采样编号为0)，各个合并单元采样后，经过一个恒定的额定延时(数据处理和打包的时间开销，由合并单元的软硬件系统决定，是合并单元的固有系统参数）再将数据发出，采样数据经过交换机转发后，由于存储转发、级联、排队等因素产生一个不确定的延时，当流量可控时，这个延时的最恶劣情况可控。由于在源端是同步采样的，需要应用采样数据的IED设备不用关心这个不确定的传输转发延时，仅需要根据采样顺序号实现采样数据的同步。
[0005]方案①的优点是可以组网应用，接线简单，各种设备的端口数目需求少，线缆使用量少，数据可共享。
[0006]方案①的主要缺陷是对同步时钟的可靠性要求严格，对合并单元的同步信号处理逻辑要求严格，系统可靠性低。从目前已经应用的变电站看，由于同步时钟工作异常或合并单元对同步信号处理逻辑存在缺陷导致采样失步的情况时有发生，对变电站正常运行造成了比较明显的影响，增加了运维人员的工作负担。
[0007]方案②的系统应用见附图3，其原理见附图4 :多个合并单元之间不需要采样同步，每个合并单元采样后，经过一个恒定的额定延时(数据处理和打包的时间开销Td，由合并单元的软硬件系统决定，是合并单元的固有系统参数）再将数据发出，以点对点的方式传输给需要应用采样数据的IED设备。由于是点对点传输，就不存在存储转发和数据排队等因素引入的传输延时，而链路上的延时仅与距离有关(理论上每300米延时I微秒)，在单个变电站的空间范围内，链路物理距离导致的延时可以忽略不计。IED设备在接收到采样数据时用硬件打上精确度满足功能需求的本地时标（Ti)，然后根据自己的功能需求，运用插值原理做重采样同步。
[0008]插值重采样的原理为（二阶插值）：Vx=f (Tx, Ti-Td, Vi, Tj-Td, Vj)
[0009]Vx是IED设备本地时刻Tx的插值点；一般情况下，j=i_l，x位于i与j之间；
[0010]Ti-Td是Vi采样点在合并单元中的折算成以IED设备时间为基准的采样时间；[0011]Tj-Td是Vj采样点在合并单元中的折算成以IED设备时间为基准的采样时间；
[0012]方案②的优点是不要求合并单元同步采样，可不需要外源同步，可靠性高。
[0013]方案②的主要缺陷是只能应用于点对点接线方式，导致接线复杂，对各种装置的端口数目需求多，建设成本高，不能做到真正意义上的数据共享。
【发明内容】
[0014]有鉴于此，本发明提供一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，能够实现将采样值数据在交换机内的存储、排队、转发、级联等不确定的动态延时准确地累加打包到采样值报文中，为IED设备的同步算法提供补偿参数。
[0015]本发明提供的一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，包括：
[0016]步骤I. I :当报文到达第η交换机的进入时间戳点时，第η交换机对所述报文打上本地时标TnI ；
[0017]步骤I. 2 :判断所述报文是否为采样值报文，若是，则寄存TnI并进入步骤I. 3 ;否则不寄存τη1，直接将所述报文加入发送端口的转发队列；
[0018]步骤I. 3 :当所述报文到达第η交换机的离开时间戳点时，第η交换机记录本地时标 Τη2 ；
[0019]步骤I. 4 :根据TnI和Τη2更新时延修正域；并重新计算所述报文的CRC ；
[0020]步骤I. 5 :完成对所述报文的发送。
[0021]所述步骤4包括JfTnd=Tn2-Tnl与所述报文的时延修正域的值Td进行累加，得到更新后的时延修正域的值Td=Td+Tnd `;并重新计算所述报文的CRC。
[0022]当交换机无级联时，即η等于且仅等于I时，所述步骤4包括：将TnI和Τη2直接填入时延修正域，得到更新后的时延修正域的值Td={Tnl，Τη2};并重新计算所述报文的CRC。
[0023]所述方法还包括：
[0024]步骤2. I :当所述报文到达智能化变电站IED的进入时间戳点时，IED对所述报文打上本地时标Ti'；
[0025]步骤2. 2 :判断所述报文是否为采样值报文，若是，则进入步骤2. 3 ;否则，直接处理所述报文；
[0026]步骤2. 3 :将所述报文解析定位到所述时延修正域；
[0027]步骤2. 4 :根据插值算法所述报文进行插值同步计算，得到同步后的采样值。
[0028]所述插值算法为二阶插值算法^=^!；，Ti-Td, Vi, TrTd, Vj)，其中Ti=Ti' -丁山^是所述IED的本地时刻Tx的插值点Ji-Td是采样点Vi在合并单元中的折算成以所述IED时间为基准的采样时间Jj-Td是采样点Vj在合并单元中的折算成以所述IED时间为基准的采样时间；f ( ·)是二阶插值公式。
[0029]综上所述，本发明的方案通过在过程层交换机上对数据交换时延进行测量，实现了将采样值数据在交换机内的存储、排队、转发、级联等不确定的动态延时准确地累加打包到采样值报文中，为IED设备的同步算法提供补偿参数；此外，通过对现有采样值报文的数据结构进行扩展，加入一个传输时延修正域，并将合并单元到保护装置的传输延时保存到该修正域中，使得IED设备在接收到采样值报文后，可以解析出该参数并应用到同步算法中。【专利附图】
【附图说明】
[0030]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图I是基于外源同步的源端同步采样的系统网络拓补图；
[0032]图2是基于外源同步的源端同步采样的处理原理图；
[0033]图3是无需外源同步的末端直采插值同步的系统网络拓补图；
[0034]图4是无需外源同步的末端直采插值同步的处理原理图；
[0035]图5是本发明的系统网络拓补图；
[0036]图6是本发明给出的过程层交换机上实现的具有路径延时测量功能的采样值传输方法的流程示意图；
[0037]图7是本发明中的采样值时延修正域的采样值数据结构解析图；
[0038]图8是本发明给出的IED上实现的具有路径延时测量功能的采样值传输方法的流程不意图；
[0039]图9是本发明给出的延时修正域数据格式示意图，其中，图9a是报文在进入IED前经历多个交换机时所采用的延时修正域的数据格式；图％是报文在进入IED前仅经历一个交换机时所采用的延时修正域的数据格式。
【具体实施方式】
[0040]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]本发明的系统应用见附图5，本发明是一种无需外源同步的组网方式下实现采样值传输同步方法。无需外源同步并不表示不能有外源同步，外源同步可以作为本方法中的一个辅助部分存在，本方法并不对其具有依赖性。本方法可以解决交换机级联引入的延时积累问题，交换机无级联的情况是本方法的一种特例。
[0042]如图6所示，本发明提供的一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，包括：
[0043]步骤I. I :当报文到达第η交换机的进入时间戳点时，第η交换机对所述报文打上本地时标TnI ；
[0044]步骤I. 2 :判断所述报文是否为采样值报文，若是，则寄存TnI并进入步骤I. 3 ;否则不寄存Τη1，直接将所述报文加入发送端口的转发队列；
[0045]步骤I. 3 :当所述报文到达第η交换机的离开时间戳点时,第η交换机记录本地时标 Τη2 ；
[0046]步骤I. 4 :根据TnI和Τη2更新时延修正域；并重新计算所述报文的CRC ;如图7所
/Jn ο[0047]步骤I. 5 :完成对所述报文的发送；
[0048]可以理解的是，在步骤I. 3中，第η交换机已经开始对所述报文进行发送，在报文发送期间，同时进行步骤I. 4，完成步骤I. 4后，才能够进行步骤I. 5将全部报文发送完毕。
[0049]其中，第η交换机的序号η所代表的意义是：所述报文在经历本交换机（即第η交换机）前还经历了 η-I个交换机，η > I。Td的物理意义是：采样值报文到达第一级交换机的进入时间戳点至该采样值报文到达最后一级交换机的某端口的离开时间戳点的时间差。在同一个交换机内，同一个采样值报文在不同的端口转出时，Td可能不同，这与交换机的软硬件设计有关。
[0050]如图9a所示，当交换机有级联或无级联时，所述步骤4可以包括：将Tnd=Tn2_Tnl与所述报文的时延修正域的值Td进行累加，得到更新后的时延修正域的值Td=Td+Tnd ;并重新计算所述报文的CRC。
[0051]当所述报文经历完所有的交换机时，其延时修正域的值为：
[0052]Td=T1Cl+. . . Tnd+. . . TNd，其中，I≤η≤N，N为所述报文经历的最后一个交换机的序号。其中，n ≥I0
[0053]如图9b所示，当交换机无级联时，即η等于且仅等于I时，所述步骤4包括：将TnI和Τη2直接填入时延修正域，得到更新后的时延修正域的值Td={Tnl，Τη2};并重新计算所述报文的CRC。
[0054]此时，Td的物理意义用采样值报文的进入时间戳点T1I和离开时间戳点?\2来表示，以更有利于用户对数据包间隔在交换设备进行绝对时间的分析。
[0055]如图8所示,所述方法还包括：
[0056]步骤2. I :当所述报文到达智能化变电站IED的进入时间戳点时，IED对所述报文打上本地时标Ti'；
[0057]步骤2. 2 :判断所述报文是否为采样值报文，若是，则进入步骤2. 3 ;否则，直接处理所述报文；
[0058]步骤2. 3 :将所述报文解析定位到所述时延修正域；
[0059]步骤2. 4 :根据插值算法所述报文进行插值同步计算，得到同步后的采样值。
[0060]所述插值算法为二阶插值算法^=^!；，Ti-Td, Vi, TrTd, Vj)，其中Ti=Ti' -丁山^是所述IED的本地时刻Tx的插值点Ji-Td是采样点Vi在合并单元中的折算成以所述IED时间为基准的采样时间Jj-Td是采样点Vj在合并单元中的折算成以所述IED时间为基准的采样时间；f ( ·)是二阶插值公式。
[0061]综上所述，本发明的方案通过在过程层交换机上对数据交换时延进行测量，实现了将采样值数据在交换机内的存储、排队、转发、级联等不确定的动态延时准确地累加打包到采样值报文中，为IED设备的同步算法提供补偿参数；此外，通过对现有采样值报文的数据结构进行扩展，加入一个传输时延修正域，并将合并单元到保护装置的传输延时保存到该修正域中，使得IED设备在接收到采样值报文后，可以解析出该参数并应用到同步算法中。
[0062]本发明相对于目前组网方式下应用的基于外源同步的源端同步采样方案，对时钟同步系统无依赖，且不受网络负荷波动影响，可有效提高系统可靠性；相对于目前点对点方式下应用的无需外源同步的末端直采插值同步方案，可以简化系统接线，降低建设和维护成本，实现数据共享。本发明所实现的方法不受网络负荷变化、交换机级联层数以及网络节点增减影响；本发明所实现的方法对IED而言，只需要简单修改软件，无需硬件改动。
[0063]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤I. I :当报文到达第η交换机的进入时间戳点时，第η交换机对所述报文打上本地时标TnI ； 步骤I. 2 :判断所述报文是否为采样值报文，若是，则寄存TnI并进入步骤I. 3 ;否则不寄存Τη1，直接将所述报文加入发送端口的转发队列； 步骤I. 3 :当所述报文到达第η交换机的离开时间戳点时，第η交换机记录本地时标Τ?2； 步骤I. 4 :根据TnI和Τη2更新时延修正域；并重新计算所述报文的CRC ； 步骤I. 5 :完成对所述报文的发送； 其中，η≥I。
2.根据权利要求1所述的一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，其特征在于，所述步骤4包括：将Tnd=Tn2-Tnl与所述报文的时延修正域的值Td进行累加，得到更新后的时延修正域的值Td=Td+Tnd ;并重新计算所述报文的CRC。
3.根据权利要求1所述的一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，其特征在于，当交换机无级联时，即η等于且仅等于I时，所述步骤4包括：将TnI和Τη2直接填入时延修正域，得到更新后的时延修正域的值Td={Tnl，Τη2};并重新计算所述报文的CRC。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，其特征在于，所述方法还包括： 步骤2. I :当所述报文到达智能化变电站IED的进入时间戳点时，IED对所述报文打上本地时标Ti'； 步骤2. 2 :判断所述报文是否为采样值报文，若是，则进入步骤2. 3 ;否则，直接处理所述报文； 步骤2. 3 :将所述报文解析定位到所述时延修正域； 步骤2. 4 :根据插值算法所述报文进行插值同步计算，得到同步后的采样值。
5.根据权利要求4所述的一种具有路径时延测量功能的采样值传输及同步方法，其特征在于， 所述插值算法为二阶插值算法Vx=f (Tx，Ti-Td, Vi, Tj-Td, Vj)，其中Ti=Ti' -Td, Vx是所述IED的本地时刻Tx的插值点Ji-Td是采样点Vi在合并单元中的折算成以所述IED时间为基准的采样时间Jj-Td是采样点Vj在合并单元中的折算成以所述IED时间为基准的采样时间；f(·)是二阶插值公式。
【文档编号】H04L7/00GK103716147SQ201310688007
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】张小波, 邓政, 孟杨, 陈伯芳 申请人:武汉中元华电软件有限公司