电力专用交换机及其SV报文动态延时测算和补偿方法与流程

本发明涉及一种交换机，具体涉及一种电力专用交换机，实现了对SV报文计算精确的传输延时的电力专用交换机及其SV报文动态延时测算和补偿方法。

背景技术：

本发明术语：

二层以太网交换机：二层以太网交换机属数据链路层设备，可以识别数据包中的MAC地址信息，根据MAC地址进行转发，并将这些MAC地址与对应的端口记录在自己内部的一个地址表中。

具体的工作流程如下：

①当交换机从某个端口收到一个数据包，它先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的；

②再去读取包头中的目的MAC地址，并在地址表中查找相应的端口；

③如表中有与这目的MAC地址对应的端口，把数据包直接复制到这端口上；

④ 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以记录这一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。不断的循环这个过程，对于全网的MAC地址信息都可以学习到，二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。

电力专用交换机：是指专门为适应电力系统智能变电站中以太网数据的传输而设计的二层以太网交换机，针对智能变电站中传输的数据做特殊的处理，以满足特定数据传输的需求。

SV报文：智能变电站过程层网络模拟量（电流电压采样值）传送所采用的一种报文格式。

SV报文在智能变电站中，一直都是采用点对点直连的方式进行通信，这样需要大量的光纤，并且对收发设备的端口数量要求比较多，需要支持多个端口同时收发。且随着新一代智能变电站在电力系统的应用，变电站综合自动化对二层以太网交换机提出了新要求：对SV报文传输的实时性，可还原性要求比较严格。经过过程层交换机的传输通道，要能保留并恢复发送端的原始信息，供后端处理设备实时还原。

针对上述问题，目前SV报文动态延时测算和补偿的方法主要有两种：

一、国内的采用NP方案实现的在SV报文的Reserved字段填充报文传输延时方案，这种工作方式采用NP芯片对报文进行解析，计算SV报文传输延时。

这种工作方式计算得到的SV报文在交换机中的传输延时值比较大，从而因本地时钟精度问题导入的误差变大，并且去除报文穿透的时间外，报文在交换机中的传输延时远远超过了要求的10us。

采用NP方案的交换机，使用的是软件加微内核的模式进行数据处理，导致SV报文在交换机中的传输延时抖动范围比较大，并且报文在交换机中的传输延时远远超过了要求的 10 us。另外一个就是目前NP方案的交换机，SV报文的传输延时只能填充在固定偏移位置的SV报文的Reserved字段，而不能使用APDU中的的第一个ASDU通道1的q字段来填充传输延时。由于Reserved字已经被IEC/TS 62351-6标准用于安全性使用，且国内已经着手制定保护数据安全性标准，因此未来与IEC62351标准的使用会产生冲突。

二、采用FPGA方案实现，通过FPGA在SV报文进入的时候在SV报文中增加输入时间戳信息，然后在输出的时候采集输出时间戳，并从SV报文中去除增加的输入时间戳信息，同时计算SV报文传输延时。

这种工作方式需要在SV报文中增加至少4个字节的时间戳信息，额外的增加了报文的长度，会损失交换机系统的带宽性能。采用FPGA方案的交换机，在SV报文增加了额外的字段用于存储报文进入时间戳，导致SV报文在交换机中的传输长度增加，从而减少系统带宽资源，最终使得交换机SV报文的传输速率不能达到100%。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是传统交换机传输SV报文的时间不可靠和不确定性，提供一种无需在SV报文中额外增加字段用于记录进入时间戳，提高了传输效率，无带宽损失的电力专用交换机及其SV报文动态延时测算和补偿方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种电力专用交换机，包括数据处理专用处理器A，与数据处理专用处理器A相连设有用于以太网数据交换处理的专用以太网交换芯片B和管理专用处理器C，所述的管理专用处理器C用于对数据处理专用处理器A、专用以太网交换芯片B进行配置管理，所述的数据专用处理器A中设置有作为FPGA的计时时钟的高精度的时钟芯片。所述的高精度的时钟芯片精度为1.1×10^-5ppm。所述的数据处理专用处理器A上设有FE或者GE光电接口。

一种电力专用交换机SV报文动态延时测算和补偿方法，它包括以下步骤：进入交换机的报文SV报文，经过数据专用处理器A处理后，进入专用以太网交换芯片B，由专用以太网交换芯片B进行交换处理后，从不同的数据传输通道转回到数据专用处理器A中，数据专用处理器A计算出该帧SV报文在交换机中的延时时间，然后把其填充到SV报文通道1的q字段或者是Reserved1、Reserved2字段，再从指定接口输出。

所述的数据专用处理器A计算该帧SV报文在交换机中的延时时间的方法采用SV报文动态延时补偿机制，所述的SV报文动态延时补偿机制就是把SV报文在所有交换机中的准确延时时间体现到SV报文中，具体的实现就是把SV报文经过的所有交换机的延时时间的总和记录到SV报文的动态延时记录域，所述的动态延时记录域占用SV报文通道1的q字段或者是Reserved1、Reserved2字段。

所述的动态延时记录域的低24位用于存储延时时间△T，动态延时记录域的高8位做品质因子，其中报文品质位的第7个比特位q_6为0表示△T有效，为1表示△T无效。

所述的SV报文进入交换机和输出交换机数据处理专用处理器A的报文打时间戳的位置即报文时间戳点为帧起始定界符（SOF）后的第1个比特位，所述的报文时间戳点包括记录该报文时间戳点的入口时间戳为TS_RX，和该报文从交换机数据处理专用处理器A发送出去的时间戳点为该报文的发送时间戳TS_TX。

所述的报文的入口时间戳值TS_RX和发送时间戳值TS_TX的获取和记录取本地时钟纳秒域的低25位，传输的时候，去掉最低1位，继续保持24位数值传输。

所述的定位SV报文通道1的q字段位置的方法为依据ASN.1编码规则通过枚举比较编程进行定位。

采用上述技术方案的本发明能够对SV报文进行特殊处理，在不牺牲传输带宽性能的前提下，把SV报文在交换机中的传输延时填充到SV报文的指定位置（SV报文动态延时补偿功能）。解决了传统交换机传输SV报文的时间不可靠和不确定性。以便SV报文的接收者可以准确的还原数据特性。

本发明的电力专用交换机在传输链路中增加了数据处理专用处理器（FPGA），用于计算SV报文在交换机中的精确传输延时，并且无需在SV报文中额外增加字段用于记录进入时间戳，提高了SV报文在整个电力专用交换机中的传输效率，使其在整个交换机中的传输延时小于10us的要求，并且无带宽损失。

实现了电力专用交换机对SV报文计算精确的传输延时，并填充到SV报文的指定字段，解决了国内智能变电站继电保护采用“网采网跳”模式中，当外部时钟失去时，保护装置无法判断采样数据是否同步的问题。本发明可以实现“网采网跳”模式中，当外部时钟失去时，保护装置同样可以正常工作。原理是精确计算报文在交换机内的驻留延时ΔT并写入SV报文内，保护装置依赖本地时间基准，利用MU固有延时和链路驻留总延时ΔT还原收到的多个间隔的采样数据的发生时刻，完成采样值的同步处理，其原理等效“直采”模式，体现了采样数据“谁使用谁同步”的基本原则。

附图说明

图1是电力专用交换机结构示意图。

图2是SV报文在以太网中802.3帧封装格式。

图3是SV报文动态延时补偿在交换机中的处理示意图。

图4是SV报文APDU区域详细定义示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括数据处理专用处理器A，与数据处理专用处理器A相连设有用于以太网数据交换处理的专用以太网交换芯片B和管理专用处理器C，所述的管理专用处理器C用于对数据处理专用处理器A、专用以太网交换芯片B进行配置管理，所述的数据专用处理器A中设置有作为FPGA的计时时钟的高精度的时钟芯片。所述的高精度的时钟芯片精度为1.1×10^-5ppm。所述的数据处理专用处理器A上设有FE或者GE光电接口。所有的FE或者GE光电接口都从数据处理专用处理器A引出；专用以太网交换芯片B，用于以太网数据交换处理；管理专用处理器C，用于对A、B进行配置管理，并且实现IEEE1588v2协议过程处理。

本发明的技术方案的是在交换机的传输链路中增加数据处理专用处理器（A）来实现的。为了保证计算得到的SV报文在交换机中的传输延时值与实际的传输延时值之间的差别达到足够小，必须配置高精度的时钟芯片来作为FPGA的计时时钟。本发明技术方案中选用了精度为1.1×10^-5ppm精度的时钟源，数据处理专用处理器（A）使用的计时输入频率为125MHz，换算成每秒钟时间偏差则为：

T_diff = 1.1×10^-5×10⁹ 纳秒 = 1.1×10⁴ 纳秒

而一条SV报文的长度通常为300个字节以内，其从100M速率端口进入应用本发明的交换机到首位从交换机出去的时间差，即在交换机中的驻留时间为：

从上面两个时间可以得到，对于一条300字节长度的SV报文，采用本发明的交换机计算得到的动态延时的精度为：

从上面可以看出，采用高精度的时钟源的时候，数据处理专用处理器A的本地计时时钟对SV报文的动态延时计算误差可以忽略不计。

一种电力专用交换机SV报文动态延时测算和补偿方法，它包括以下步骤：它包括以下步骤：进入交换机的报文SV报文，经过数据专用处理器A处理后，进入专用以太网交换芯片B，由专用以太网交换芯片B进行交换处理后，从不同的数据传输通道转回到数据专用处理器A中，数据专用处理器A计算出该帧SV报文在交换机中的延时时间，然后把其填充到SV报文通道1的q字段或者是Reserved1、Reserved2字段，再从指定接口输出。所述指定接口为物理端口，如100M/1000M光/电接口等。

本方案中SV报文在交换机中的延时时间计算方法为设计的关键，所述的数据专用处理器A计算该帧SV报文在交换机中的延时时间的方法采用SV报文动态延时补偿机制，所述的SV报文动态延时补偿机制就是把SV报文在所有交换机中的准确延时时间体现到SV报文中，具体的实现就是把SV报文经过的所有交换机的延时时间的总和记录到SV报文的动态延时记录域，所述的动态延时记录域占用SV报文通道1的q字段或者是Reserved1、Reserved2字段。

SV报文动态延时补偿机制，就是把SV报文在所有交换机中的准确延时时间体现到SV报文中。具体的实现就是把SV报文经过的所有交换机的延时时间的总和（单位为ns）记录到SV报文的动态延时记录域，该动态延时记录域占用SV报文通道1的q字段者是Reserved1、Reserved2字段。这样，在SV报文的接收端就可以根据这个动态延时记录域获得该SV报文在发送端的具体发送时间点信息了。

所述的动态延时记录域的低24位用于存储延时时间△T（取值范围为0~16777215，单位为ns），动态延时记录域的高8位做品质因子，其中报文品质位的第7个比特位q_6为0表示△T有效，为1表示△T无效，其中q_6为0表示△T有效，为1表示△T无效。其使用细节定义如下表1。

表1 动态延时记录域使用定义

注：△T_n表示该位在△T中所占的比特位为n，△T_0为最低位，△T_23为最高位，q_n类似。

所述的SV报文进入交换机和输出交换机数据处理专用处理器A的报文时间戳点为帧起始定界符（SOF）后的第1个比特位，所述的报文时间戳点包括记录该报文时间戳点的入口时间戳为TS_RX，和该报文从交换机数据处理专用处理器A发送出去的时间戳点为该报文的发送时间戳TS_TX。由该报文的入口时间戳为TS_RX和发送时间戳TS_TX可以计算出该报文在交换机中的延时时间△T，同时累加到SV报文动态延时记录域的△T域中去。

报文时间戳点是收发报文时将从帧起始定界符（SOF）后的第1个比特位作为该报文的时间戳点。如图2中的Header MAC一栏上面的长粗线10即为报文的时间戳点。

参照IEEE1588v2的模型来计算报文在交换机中的延时时间△T。在交换机的数据处理专用处理器中维护一个纳秒级别的本地时钟，在SV报文进入交换机数据处理专用处理器的时间戳点记录该报文的入口时间戳TS_RX，在该报文从交换机数据处理专用处理器发送出去的时间戳点获取该报文的发送时间戳TS_TX，计算出该报文在交换机中的延时时间△T，同时累加到SV报文动态延时记录域的△T域中去。

△T = TS_TX - TS_RX

t_new = t_old + △T

（其中t_new表示待写入的新的△T域取值，t_old表示输入时已有的△T域取值）

具体示意图如图3所示。

所述的报文的入口时间戳值TS_RX和发送时间戳值TS_TX的获取和记录取本地时钟纳秒域的低25位，传输的时候，去掉最低1位，继续保持24位数值传输。报文的入口时间戳的获取和记录是该技术方案中又一个关键点：在高速率，大容量的数据流中，把每个报文的入口时间戳单独记录在RAM中,然后在出口处再来查找，是不现实的，因此必须把该时间戳值记录到报文中去。为了不影响交换机的端口带宽，就不能增加原有报文的长度来用于额外记录入口时间戳，在本方案中采用一种巧妙的方式来记录报文的入口时间戳，以达到动态延时补偿机制的需求，并且不损失交换机的端口带宽。

因为有效的动态延时时间△T域只占用动态延时记录域的低24位，因此理论上出入口的时间戳值只取本地时钟纳秒域的低24位即可满足需要。在本方案中，需要利用△T域来存储报文的入口时间戳，但在SV报文输入的时候，其报文中所携带的原始动态延时记录域值(即前面提到的t_old)不能丢弃，必须体现到报文的入口时间戳中去。为了满足24位有效值的要求，同时保留t_old值，计算的时候必须多记录一位才能满足要求，因此本方案中出入口的时间戳值取本地时钟纳秒域的低25位，然后传输的时候，去掉最低1位，继续保持24位数值传输，这样会产生1纳秒的误差，但是对于单台100纳秒的精度要求来说完全能满足要求。

当SV报文进入交换机时，获取SV报文的入口时间戳表示为TS_RX（取25位有效值，高位补0），此时需要计算应该更新到△T域的值表示为TS_M，设定用于数据暂时储存临时变量TS_temp， 其计算方式如下：

如果t_old > TS_RX

TS_temp = 0x1FFFFFF - t_old + TS_RX

否则

TS_temp = TS_RX - t_old

TS_M = TS_temp >> 1

然后把计算得到的TS_M值更新到SV报文的△T域，再由数据处理专用处理器提交给专用以太网交换芯片进行转发处理。

当数据处理专用处理器接收到专用以太网交换芯片发送过来的SV报文后解析出TS_M值，在从光口发出去的时候，获取SV报文的出口时间戳表示为TS_TX，此时需要计算最终的△T域的值表示为△T，其计算方式如下：

TS_temp = TS_M << 1

如果TS_temp ≥ TS_TX

△T = 0x1FFFFFF - TS_temp + TS_RX

否则

△T = TS_RX - TS_temp

然后把△T值更新到△T域，并发送出去。

上述各取值所占位数说明如下：

△T域，t_old，TS_M ---- 取24位有效值，高位补0；

TS_RX，TS_TX，TS_temp ---- 取25位有效值，高位补0。

所述的定位SV报文通道1的q字段（驻留时间）位置的方法为依据ASN.1编码规则通过枚举比较编程进行定位位置。为了实现使用APDU中的的第一个ASDU通道1的q字段来填充传输延时，在数据处理专用处理器A中还需要进行一系列的运算来定位通道1的q字段，因为其在SV报文中的位置是不固定的。第一个ASDU通道1的q字段在整个SV报文中的位置如图4所示。

第一个ASDU通道1的q字段位置定位方法如下所述。

在图4中所有标有*TL的长度（length）字段（标注ASN.1的编码规则的地方）定义方法如下：

按ASN.1的编码规则，当length≤127时，length只占用一个字节；当length>127时，length占用2～127个字节，第一个字节的Bit7为1，Bit0～6为length总字节数减1。

* 长度字段首字节取值<0x80, 长度字段只占1个字节表示

* 长度字段首字节取值0x81时, 长度字段只占2个字节表示

* 长度字段首字节取值0x82时, 长度字段只占3个字节表示

* 依次类推

通道1的q字段（驻留时间）位置（即pos）定位方法：

初始化pos = 0;

假定整个APDU存储在一个数组中，表示为PDU[1024]，从图2示意图可知，APPID位置+8即为APDU的开始位置，即PDU[0]=0x60，然后根据PDU[1]的取值判断，如果PDU[1]<0x80，则pos+=6；如果PDU[1]>=0x80,则pos += (PDU[1]&0x7F + 6)；

PDU[pos-1]=0xA2，再根据PDU[pos]取值判断，如果PDU[pos]<0x80，则pos+=2；如果PDU[pos]>=0x80,则pos += (PDU[pos]&0x7F + 2)；

PDU[pos-1]=0x30，再根据PDU[pos]取值判断，如果PDU[pos]<0x80，则pos+=2；如果PDU[pos]>=0x80,则pos += (PDU[pos]&0x7F + 2)；

PDU[pos-1]=0x80，pos += (PDU[pos] + 2)；

PDU[pos-1]=0x82，pos += (PDU[pos] + 2)；

PDU[pos-1]=0x83，pos += (PDU[pos] + 5)；

PDU[pos-1]=0x87，再根据PDU[pos]取值判断，如果PDU[pos]<0x80，则pos+=5；如果PDU[pos]>=0x80,则pos += (PDU[pos]&0x7F + 5)；

此时的pos取值即为通道1的q字段的起始位置。

本发明增加了数据处理专用处理器A的电力专用交换机，可以实现对SV报文计算精确的传输延时，并填充到SV报文的指定字段，解决了国内智能变电站继电保护采用“网采网跳”模式能正常工作；其采用本发明的入口时间戳和累积延时时间的合并携带方法，在不损失交换机带宽的情况下保证SV报文的精确延时计算的精度。

本发明带来的社会和经济效益：解决了国内智能变电站继电保护采用“网采网跳”模式的问题，从而简化了智能变电站系统的组网结构，大大减少光接口和光缆数量。如果该项目能够在智能变电站中推广使用，依每年1000台产量，可以为公司带来2000万利润。