智能变电站采样值网数据交换方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能变电站采样值网数据交换方法和装置，要解决的技术问题是降低保护装置成本，避免网络数据包的延时不确定性。本发明的方法，包括以下步骤：间隔层合并单元采集到的一次互感器的交流信息,数据交换装置采用同步时分复用方式顺序转发。本发明的装置，电压合并单元和间隔层合并单元经数据交换装置连接保护装置；数据交换装置采用现场可编程门阵列。本发明与现有技术相比，各输入通道的数据帧在转发时按照一定顺序编排，每一个通道的时间片时隙完全相同，不仅可减少光纤接口数量及简化现场光纤布线，从而降低保护装置成本，还避免网络数据包的延时不确定性的问题出现，适用于网络吞吐量不大且数据帧长固定的场合。
【专利说明】智能变电站采样值网数据交换方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能变电站数据交换的方法和装置，特别是一种采样值SV网数据传输的方法和装置。
【背景技术】
[0002]在工业控制中，工业以太网交换机正被大量使用。目前的工业以太网交换机和普通以太网交换机一样，采用统计时分复用(Statistical Time Division Multiplexing),统计时分复用的特点是其能动态地按需分配时隙，以避免每个时间段中出现空闲时隙。即只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它；当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。统计时分复用又被称为异步时分复用。故而这种时分复用在处理突发大数据量传输时就容易导致数据包转发的延时不确定性。而这延时不确定性是电力系统所不能容忍的。
[0003]电力系统通信目前广泛采用基于IEC61850规范的智能电网标准，该标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准。该标准规定，电力保护装置(保护装置)对于采样信息的获取是通过网络实现。这就对网络数据包的延时不确定性问题提出了要求。
[0004]据 申请人:了解，目前，我国电力系统对实时性要求高的场合采用点对点方式(又称直采方式)进行数据传输，如图1所示，例如由电压合并单元MU和间隔合并单元MU经采样值(SV)网送往保护装置的交流采样报文。而对实时性要求不高的场合采用组网方式(又称网采方式)，例如由合并单元送往网络分析仪、测控、故障录波装置。
[0005]由于对保护装置采用点对点数据传输方式，故而保护装置需配置大量的光纤通道，带来的功耗、散热问题困扰着保护装置的开发。另外，现场大量的光缆也影响了变电站内的施工布局。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种智能变电站采样值网数据交换方法和装置，要解决的技术问题是降低保护装置成本，避免网络数据包的延时不确定性。
[0007]本发明采用以下技术方案:一种智能变电站采样值网数据交换方法，包括以下步骤:
[0008]一、间隔层合并单元采集到的一次互感器的交流信息，经接收通道送入数据交换装置进行存储，数据交换装置采用同步时分复用方式，通过以太网将采集到的交流信息顺序转发到:线路保护装置、母线保护装置、主变压器保护装置、备用电源自动投入装置、测控装置和录波装置，并且每轮转发中各数据帧的发送时隙等同；所述数据交换装置采用现场可编程门阵列(FPGA):
[0009]二、数据交换装置在数据转发的同时，对接收到的交流信息中的通道延时信息进行更新。[0010]本发明的方法步骤一数据交换装置按照每路8字节，最大帧长200字节存储。
[0011]本发明的方法步骤一数据交换装置每轮转发中各数据帧的发送时隙为25us。
[0012]本发明的方法步骤一间隔层合并单元采集到的一次互感器的交流信息，首先检验报文类型为采样值(SV)报文，目标地址与相应通道的地址一致，然后提取报文中含有的标识信息，与数据交换装置内预存的相应通道标识信息比较一致性，最后通过循环冗余校验码(CRC)校验后，经接收通道送入数据交换装置的随机存储器(RAM)，同时，数据交换装置记录采样的开始或结束时刻，并提取接收报文应用协议数据单元(APDU)中的第一个通道交流采样值数据，作为前级合并单元采样交流信息的通道延迟。
[0013]本发明的方法交流信息为采样通道数量、间隔数量，电流、电压采样值、品质系数和通道延时。
[0014]本发明的方法步骤二延时时间为将交流信息在数据交换装置中驻留的时间加上接收到原始交流信息中的时间信息并更新循环冗余校验码时间。
[0015]本发明的方法接收通道接收报文类型不符，循环冗余校验码校验异常，目标地址错误或IEC61850规约中的应用标识(APPID)不符，数据交换装置将在周期的转发中屏蔽该接收通道，转发时作为空闲处理。
[0016]一种智能变电站采样值网数据交换装置，包括电压合并单元和间隔层合并单元，所述电压合并单元和间隔层合并单元经数据交换装置连接线路保护装置、母线保护装置、主变压器保护装置、备用电源自动投入装置、测控装置和录波装置；所述数据交换装置采用现场可编程门阵列。
[0017]本发明的装置电压合并单元和间隔层合并单元与数据交换装置采用光纤连接，数据交换装置与线路保护装置、母线保护装置、主变压器保护装置、备用电源自动投入装置、测控装置和录波装置采用光纤连接。
[0018]本发明的装置间隔层合并单元为24个，电压合并单元和间隔层合并单元连接有时钟源。
[0019]本发明与现有技术相比，采用现场可编程门阵列，基于同步时分复用进行数据交换，各输入通道的数据帧在转发时按照一定顺序编排，每一个通道的时间片时隙完全相同，不仅可减少光纤接口数量及简化现场光纤布线，从而降低保护装置成本，还避免网络数据包的延时不确定性的问题出现，适用于网络吞吐量不大且数据帧长固定的场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为现有技术方案的示意图。
[0021]图2为本发明装置实施例的示意图。
[0022]图3是本发明的系统框架图。
[0023]图4是本发明方法给发送序列与采样序列的关系图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0025]本发明的智能变电站采样值网数据交换方法，应用在基于IEC61850通信的智能变电站，如图2所示，包括以下步骤:[0026]一、数据交换装置在接收到间隔层合并单元MU采集到的一次互感器的交流信息SV数据(数据)后，首先检验报文类型为SV报文，并验证报文起始的6字节目标地址与相应通道的地址是否一致，然后提取报文中自带的IEC61850规约中的应用标识(APPID)，与数据交换装置内预设的相应通道的APPID是否一致，最后在通过循环冗余校验码CRC校验后，经接收通道送入数据交换装置的随机存储器RAM (缓存区)进行存储。数据交换装置按照每路8字节，最大帧长200字节存储，数据交换装置采用现场可编程门阵列FPGA，以保证时隙的等同。
[0027]数据被存储到FPGA内部RAM的同时，FPGA记录采样的开始或结束时刻，并提取接收报文应用协议数据单元APDU (ApplicationProtocolDataUnit)中的第一个通道交流采样值数据，作为前级MU采样交流信息的通道延迟，以便在转发该数据报文之前累加装置通道延迟。
[0028]由于MU装置与FPGA可能存在不同步的情况，由晶体频率不同引起发送至FPGA数据的频率可能高于装置转发的频率，所以在存储该数据包的同时，也会在FPGA内部设置寄存器来表示该通道在FPGA缓存区的数据包的数量，在转发的时候FPGA查询寄存器中数据包状态，如果大于两个数据包，则发送最近接收的一个数据包并把FPGA缓存中之前旧的数据包清除掉，以防止缓存溢出。
[0029]数据交换装置用同步时分复用方式，每轮通过以太网顺序转发到:线路保护装置(线路)、母线保护装置(母差)、主变压器保护装置(主变)、备用电源自动投入装置(备投)、测控装置(测控)和录波(录波)装置，每轮转发中各数据帧的发送时隙等同，为25us。数据交换装置在转发数据时，可同时向线路、母差、主变、备投、测控或录波器转发出多路相同的数据。
[0030]交流信息为采样通道数量、间隔数量，电流、电压采样值、品质系数和通道延时，其中，数据交换装置判断报文APDU的第一个通道的数据是交流采样值还是前级装置通道延时，再对FPGA进行寄存器配置，如果是通道延时，FPGA将会把延时值提取出来，延时值单位为微秒us。
[0031]二、数据交换装置在数据转发的同时，对接收到的SV数据的通道延时进行更新，更新后的延时时间为将SV数据在数据交换装置中驻留的时间加上接收到原始SV数据中的延时信息数据，与此同时，数据交换装置还更新数据帧的循环冗余校验CRC码，具体过程如下:
[0032]根据每通道25us时隙轮询，等待某通道的发送使能，然后检测该通道在缓存区中未发送的数据包状态，选取最先接收的数据包发送，如果没有数据的话就空闲等待到下一时隙。在发送的同时，由接收数据时记录的采样时刻和当前时刻计算出该数据包在装置中的通道延时，累加上之前获取的MU采样延时，得到数据包单位为微秒的所有延时。数据交换装置解析报文后，判断是否需要配置FPGA的内部寄存器，把得到的延时替换相应的通道采样数据，重新计算CRC校验码，最后把数据发送到线路、母差、主变、备投、测控和录波器装置，等待下一通道时隙轮询发送的使能。
[0033]对于保护装置而言，常常需要被送入不同MU的SV数据。保护装置需要对SV数据进行计算，而计算的重要依据是时间相关性。即这些SV数据必须是以同一个时间点为基准采集到的。[0034]虽然MU发到保护装置的SV信息包含有通道延时字节，但因为现有技术的交换机都是基于统计时分复用的交换机。其数据包传输延时不确定的问题使得其在电力系统上的应用受到制约。故而，目前MU装置往保护装置传送SV数据采用点对点方式传输，而由此带来的保护装置散热问题及现场布线问题随即产生。
[0035]以上问题的根源在于使用了基于统计时分复用的交换机。若采用同步时分复用方式的数据交换装置则可解决这些问题。本实施例以10路MU输入，14路数据转发为例，说明本发明的智能变电站采样值网数据交换装置的工作过程。
[0036]IEC61850-9-2标准通道数为12，每个通道占8个字节。测量(计量)通道3个，保护双A/D配置下，总通道数为21，因此通道数据最大为21 X 8=168，最大帧长约为200字节。
[0037]MU按每周波80点采样，这样每个MU每秒产生50Hz X 80 X 200=800 X IO3字节的数据，即MU每秒向数据交换装置上送的字节流量为0.8MBps字节流量。
[0038]我们平时说的百兆以太网的波特率为IOOMbps位流量对应于12.5MBps字节流量。同样对应我们平时说的十兆以太网的波特率为IOMbps位流量对应于1.25MBps字节流量。
[0039]虽然现在数据交换装置常用的以太网通信口是百兆的电口或光口，但显然从MU的计算结果可看出，其实保护装置的数据吞吐率还是远小于百兆以太网的满额数据吞吐率甚至小于10兆以太网的满额数据吞吐率。由于12.5/0.8=15.625。故而，若能将15个MU的数据帧按照同步时分复用在一个以太网口上等时隙顺序输出。则可使得数据交换装置在一个百兆以太网口上转发15个MU的上送数据。
[0040]数据交换装置对MU数据源数量最大化的要求是:10路MU，包括母线保护需要的2路其他间隔的数据，本地的8个间隔数据。即数据交换装置最多需要10路MU数据，小于15。同样MU要将数据送往本间隔保护装置、测量录波装置、站域保护装置、主变差动装置、主变后备装置，最大输出配置需14个输出通道，且这14个输出通道的数据完全相同。故而本发明适用于电力系统智能变电站需求。
[0041]首先，无论多少路MU输入，各MU发送的SV数据到达数据交换装置的时间总是有先有后。数据交换装置为每个MU接收口配置一个接收缓冲区和一个计时器，每个接收缓冲区在接收到完整一帧数据后开始清零并重新计时。
[0042]由于MU的采样频率是每周波80点，即每周波采样80次，按照我国市电50Hz计算即MU的采用频率是每秒80X50=4000Hz (0.25ms),也即数据交换装置必须在0.25ms内将10个MU的数据顺序发出。故而10个MU数据的发送间隔是25us。
[0043]数据交换装置以0.25ms为周期顺序遍历各MU接收通道，并将接收到的数据帧顺序放入发送缓冲区，随后以25us的周期依次将发送缓冲区中的数据帧转发出去。转发前需依据IEC61850-9-2标准，对SV数据帧中的通道延时字节中的信息进行更新。
[0044]MU发出的SV数据首先遵循IEC61850-9-2标准会在数据帧的特定字节标注出该SV数据的通道延时(从MU采集到交流量到MU发出SV数据的这段时间)。交换装置在接收完该SV数据时随即清零该接收通道的计时器并开始重新计时。当数据交换装置转发该SV数据时，需将原数据帧中的通道延时信息与该数据帧在数据交换装置中驻留的延时时间进行相加，并更新数据帧的循环冗余校验码CRC。
[0045]假设:
[0046]MU发出的SV数据中原始通道延时为tQ ；[0047]SV数据在数据交换装置中驻留的实际为& ；
[0048]SV数据发出的SV数据中通道延时为tQ’ ；
[0049]则有:
[0050](排除以太网数据帧在端口收发过程中的耗时，毕竟该时间相当短，可被电力系统保护计算所忽略。)
[0051]三、当出现数据交换装置对接收通道校验错误或接收异常时，数据交换装置将在周期转发中屏蔽该接收通道的转发，但该时隙仍然属于该接收通道，即轮到转发该异常数据通道的数据时，该25us时隙不转发该异常接收通道口的数据，作为空闲处理。接收通道校验错误或接收异常为接收报文类型不符，循环冗余校验码CRC校验异常，或目标地址错误、APPID (IEC61850规约中的应用标识)不符。
[0052]如图3所示，为防止MU因某些不确定因素导致数据交换装置产生接收延时，本发明可分别针对各个MU在数据交换装置中设置数据存储区RBUF，作存储处理。如图4所示，每个RBUF可存储I个采样周期的数据，即接收第n帧数据的同时转发第n-1帧数据。存储深度依使用环境可做适当调整。
[0053]本发明的智能变电站采样值网数据交换装置，如图2所示，由电压合并单元MU和间隔层合并单元MU，经数据交换装置连接线路、母差、主变、备投、测控和录波。电压合并单元MU和间隔层合并单元MU与数据交换采用光纤连接，数据交换装置与线路、母差、主变、备投、测控和录波装置采用光纤连接。电压MU和间隔层MU连接有时钟源。
[0054]本实施例中，数据交换装置采用现场可编程门阵列FPGA，间隔层合并单元MU为24个。
【权利要求】
1.一种智能变电站采样值网数据交换方法，包括以下步骤: 一、间隔层合并单元采集到的一次互感器的交流信息，经接收通道送入数据交换装置进行存储，数据交换装置采用同步时分复用方式，通过以太网将采集到的交流信息顺序转发到:线路保护装置、母线保护装置、主变压器保护装置、备用电源自动投入装置、测控装置和录波装置，并且每轮转发中各数据帧的发送时隙等同；所述数据交换装置采用现场可编程门阵列(FPGA): 二、数据交换装置在数据转发的同时，对接收到的交流信息中的通道延时信息进行更新。
2.根据权利要求1所述的智能变电站采样值网数据交换方法，其特征在于:所述步骤一数据交换装置按照每路8字节，最大帧长200字节存储。
3.根据权利要求2所述的智能变电站采样值网数据交换方法，其特征在于:所述步骤一数据交换装置每轮转发中各数据帧的发送时隙为25us。
4.根据权利要求1所述的智能变电站采样值网数据交换方法，其特征在于:所述步骤一间隔层合并单元采集到的一次互感器的交流信息，首先检验报文类型为采样值(SV)报文，目标地址与相应通道的地址一致，然后提取报文中含有的标识信息，与数据交换装置内预存的相应通道标识信息比较一致性，最后通过循环冗余校验码(CRC)校验后，经接收通道送入数据交换装置的随机存储器(RAM)，同时，数据交换装置记录采样的开始或结束时刻，并提取接收报文应用协议数据单元(APDU)中的第一个通道交流采样值数据，作为前级合并单元采样交流信息的通道延迟。
5.根据权利要求1所述的智能变电站采样值网数据交换方法，其特征在于:所述交流信息为采样通道数量、间隔数量，电流、电压采样值、品质系数和通道延时。
6.根据权利要求1所述的智能变电站采样值网数据交换方法，其特征在于:所述步骤二延时时间为将交流信息在数据交换装置中驻留的时间加上接收到原始交流信息中的时间信息并更新循环冗余校验码时间。
7.根据权利要求1所述的智能变电站采样值网数据交换方法，其特征在于:所述接收通道接收报文类型不符，循环冗余校验码校验异常，目标地址错误或IEC61850规约中的应用标识(APPID)不符，数据交换装置将在周期的转发中屏蔽该接收通道，转发时作为空闲处理。
8.一种智能变电站采样值网数据交换装置，包括电压合并单元和间隔层合并单元，其特征在于:所述电压合并单元和间隔层合并单元经数据交换装置连接线路保护装置、母线保护装置、主变压器保护装置、备用电源自动投入装置、测控装置和录波装置；所述数据交换装置采用现场可编程门阵列。
9.根据权利要求8所述的智能变电站采样值网数据交换装置，其特征在于:所述电压合并单元和间隔层合并单元与数据交换装置采用光纤连接，数据交换装置与线路保护装置、母线保护装置、主变压器保护装置、备用电源自动投入装置、测控装置和录波装置采用光纤连接。
10.根据权利要求8所述的智能变电站采样值网数据交换装置，其特征在于:所述间隔层合并单元为24个，电压合并单元和间隔层合并单元连接有时钟源。
【文档编号】H04L12/70GK103633741SQ201310654646
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】徐成斌 申请人:长园深瑞继保自动化有限公司