一种基于双环网的就地化保护装置数据传输方法与流程

本发明属于电力系统配网自动化技术领域，具体涉及一种基于双环网的就地化保护装置数据传输方法。

背景技术：

随着“三网合一”的就地化方案的落实，就地化保护装置的性能要求大大增加，与传统的保护装置相比，就地化保护装置集成度更高、可靠性要求更强、响应速度更快。与之伴随而来的是数据量增加、数据处理时间增长，环网子机个数的增加，导致以cpu架构的数据处理模块的负载大幅提升。

目前的就地化保护装置大多以单机运行，采用双ad数据(即双通道采集的模拟量数据如电流、电压)处理方式实现保护功能逻辑，无法满足就地化保护装置的大数据运行以及就地化要求的保护装置子机间状态共享。

目前有的就地化保护装置设置的双cpu(保护启动cpu和保护动作cpu)间采用lvds高速差分总线进行交互信息，从而提高可靠性。这种做法对于分布式就地化保护装置，每台子机生产成本都很高，并没有做到硬件的完全独立。

目前的就地化保护装置因其cpu选型成本限制，其主频相对较低，这就导致随着数据量的增加，cpu运算负载急剧增大、其可靠性降低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于双环网的就地化保护装置数据传输方法，该方法根据就地化保护装置子机投入状态以及子机内部标识识别环网内子机运行状态，通过数据策略方案实现数据的选择性传输，能够在保证就地化保护装置运行可靠性的同时、降低就地化保护装置的负载，提高响应速度，增加保护动作可靠性，降低cpu选型成本。本发明所采用的技术方案如下：

一种基于双环网的就地化保护装置数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1、将二台以上的就地化保护装置子机组成双环网；

步骤2、就地化保护装置各台子机分别采集外部模拟量信号、转化为数字量，并分别作为本地数据和环网传输数据，然后进行编码、编码完成后把数据发送到环网中；

步骤3、就地化保护装置各台子机分别接收其他子机通过环网传过来的环网传输数据帧，判断是否有未接收到的子机数据帧，并将本地数据和环网传输数据整合进行组帧；

步骤4、完成组帧后把数据帧发送给管理cpu1，管理cpu1根据所有原始数据的信息完成其相关业务，保护cpu2专注于保护逻辑的运算；

步骤5、每台子机获取其他子机的保护启动码，通过子机启动码之间的比对关系来确定是否进行保护动作并做出保护出口。

优选地，步骤2的具体操作方法和步骤如下：

每台子机中的数据采集模块采集外部模拟量信号，通过模数转化成为就地化保护装置需要的数字量，然后该数据会分别流向数据融合模块和环网传输数据传输模块，流向数据融合模块的数据作为本地数据，流向环网传输数据传输模块的数据作为环网传输数据；

环网传输数据协议公有模块根据以太网协议及环网协议的公有部分要求进行编码，环网传输数据协议私有模块是厂家内部自定义字段；

当数据编码完成后环网传输数据收发模块把数据发送到环网中。

优选地，所述的环网传输数据协议私有模块的字段增加了厂家内部标识标志、环网保护状态标志以及装置状态标志，厂家内部标识标志用于保证环网内保护装置的一致性，防止环网内出现多个厂家的子机；环网保护状态标志用于互传环网内各个子机间的保护功能状态、保护动作标志，使子机之间互传实时保护信息；装置状态标志用于互传子机间的实时监控信息。

优选地，所述的环网传输数据收发模块把数据发送到环网中的具体方法是：

环网传输数据收发模块按照250us一个数据包并行向环网的两个口：正向发送口a和反向发送口b同时发送，环网传输数据收发模块还具有环网传输数据包转发功能，当从一个环网口正向发送口a接收到非本子机的的数据包时，环网传输数据收发模块会从环网口反向发送口b转发接收到的环网传输数据包。

优选地，步骤3的具体方法是：

每台子机中的环网传输数据收发模块接收其他子机通过环网传过来的环网传输数据帧，在接收过程中根据实际接收到的数据帧判断是否有未接收到的子机数据帧，当未收到某个子机的环网传输数据帧时，把该子机的环网接收状态上送到上层；

环网传输数据收发模块把接收到的其他子机的数据与环网告警标志发送给环网传输数据协议公有模块和环网传输数据协议私有模块进行解码，然后把数据传送给数据融合处理模块；

数据融合处理模块把数据采集模块上送的本地数据和环网传输数据传输模块上送的环网传输数据整合进行组帧。

优选地，所述的环网传输数据整合进行组帧的具体步骤如下：

步骤3.1、获取子机投入状态；

步骤3.2、获取环网传输数据厂家内部标志；

步骤3.3、判断环网状态是否完好，对于单个子机来讲，能够收到环网中其他子机的完整数据即为环网完好，因为环网是双向双环，所以其中一个方向断开不影响环网正常状态，若是、转下一步，若否、保护逻辑闭锁、并转步骤3.7；

步骤3.4、判断本子机是否为环网子机中的奇数存在，若是、转下一步，若否、给保护cpu2传送ad2数据、并转步骤3.6；

步骤3.5、给保护cpu2传送ad1数据；

步骤3.6、根据采集到的模拟量数据，保护逻辑模块通过模拟量数据分析处理，得出的保护电力装置的跳闸或合闸逻辑；

步骤3.7、保护标志/状态标志发送到环网，数据组帧结束。

优选地，步骤4的详细操作方法和步骤如下：

每台子机中的数据融合处理模块完成组帧后，通过快速数据接口把数据帧发送给管理cpu1，管理cpu1能够拥有所有原始数据的信息，根据这些数据能够完成其相关的61850和mms相关业务，降低保护cpu2的负载，使保护cpu2能够专注于保护逻辑的运算；

管理cpu1通过数据传输模块根据子机投入的状态、厂家定义标志及环网的数据接收状态来判断环网中的有效子机数据。

优选地，步骤5的详细操作方法和步骤如下：

当每台子机的保护cpu2通过获取的单ad数据进行保护逻辑时，把保护逻辑产生的保护动作信息通过保护启动码的方式快速通过环网传输数据传输模块传送到环网中，此时每台子机都可以获取其他子机的保护启动码，通过子机启动码之间的比对关系来确定是否进行保护动作并做出保护出口。当保护cpu2进行完保护逻辑后，通过cpu数据传输模块把保护相关功能产生的相关信息传送给管理cpu1的cpu数据传输模块，完成相关的61850和mms业务。

优选地，步骤1所述的将二台以上的就地化保护装置子机组成双环网的具体组网方式为：

每个就地化保护装置具有4个完全独立的环网口，环网1口和2口用来传输ad1数据，环网3口和环网4口传输ad2数据，子机1的环网1口连接子机2的环网2口，子机2的环网1口连接子机3的环网2口，以此类推，子机3的环网1口连接子机1的环网2口，环网3口和环网4口参照1和2口连接形成闭环。不需要其他手段，通过装置之间的环网接口即千兆网口根据环网协议组帧实现。

本发明的有益效果：

1)通过选型单cpu的方案即可实现就地化保护的要求，降低了cpu选型成本；

2)通过环网内子机之间保护动作的互相验证的方式提高保护动作的可靠性，且随着环网内投入使用的子机数量增加，动作可靠性增加；

3)通过核间通信的数据传输策略能够降低子机的cpu负载，与传统方式相比能够降低一半负载，从而进一步降低cpu选型时的局限性。

4)利用多子机实现双ad比较来提高可靠性，外面有了双千兆以太网的支撑，实时性完全可以满足。

5)硬件完全独立，对硬件资源要求低，硬件成本也低，同时可靠性更高。

附图说明

图1是四台子机的双环网传输数据传输示意图；

图2是单台子机cpu内核间的数据通信示意图；

图3是单台子机cpu内核间的数据组帧传输逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步具体说明。实施本发明时，至少需要二台以上的就地化保护装置子机实现双环组网，并且随着环网内的子机数量的增加，子机的动作可靠性也随之增加。

一种基于双环网的就地化保护装置数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1、将二台以上的就地化保护装置子机组成双环网。

具体的组网方式为：每个就地化保护装置具有4个完全独立的环网口，环网1口和2口用来传输ad1数据，环网3口和环网4口传输ad2数据，子机1的环网1口连接子机2的环网2口，子机2的环网1口连接子机3的环网2口，以此类推，子机3的环网1口连接子机1的环网2口，环网3口和环网4口参照1和2口连接形成闭环。不需要其他手段，通过装置之间的环网接口即千兆网口根据环网协议组帧实现。

本实施例中，以基于双环网的就地化保护装置的四台子机为例进行说明。如图1所示，是就地化保护装置四台子机的双环网传输数据传输示意图，网络拓扑结构采用双向双环网络，一个为保护环、另一个为启动环，保护环和启动环均为双向数据传输，两者分别传输ad1和ad2两路数据，且启动环和保护环为物理独立的双向冗余环，具有零时间恢复特性。环网内传输的数据格式为标准的以太网帧加环网特征字段，其中传输的内容主要包括模拟量、开关量、自检信息和厂家私有自定义字段。图中分别用两个不同方向的箭头来分别标示启动环和保护环的双向数据传输。

步骤2、就地化保护装置四台子机分别采集外部模拟量信号、转化为数字量，并分别作为本地数据和环网传输数据，然后进行编码、编码完成后把数据发送到环网中。详细的操作方法和步骤如下：

每台子机中的数据采集模块1通过采集外部模拟量信号包括模拟量和开关量，通过模数转化成为就地化保护装置需要的数字量，然后该数据会分别流向数据融合模块6和环网传输数据传输模块2。其中流向数据融合模块6的数据作为本地数据，流向环网传输数据传输模块2的数据作为环网传输数据。环网传输数据协议公有模块3根据以太网协议及环网协议的公有部分要求进行编码。环网传输数据协议私有模块4是厂家内部自定义字段，本发明中在此字段增加了厂家内部标识标志、环网保护状态标志以及装置状态标志。厂家内部标识标志用于保证环网内保护装置的一致性，防止环网内出现多个厂家的子机。由于环网内子机需要保证子机间行为一致，多个厂家的子存在差异性，而厂家内部标志能够提高子机之间的一致性，提高保护安全性。环网保护状态标志用于互传环网内各个子机间的保护功能状态、保护动作标志等信息，能够使子机之间互传实时保护信息。装置状态标志用于互传子机间的实时监控信息如子机闭锁状态、子机温度状态、电压状态。当数据编码完成后环网传输数据收发模块5把数据发送到环网中，环网传输数据收发模块5按照250us一个数据包并行向环网的两个口：正向发送口a和反向发送口b同时发送。同时环网传输数据收发模块5还具有环网传输数据包转发功能，当从一个环网口正向发送口a接收到非本子机的的数据包时，环网传输数据收发模块5会从环网口反向发送口b转发接收到的环网传输数据包。

步骤3、就地化保护装置四台子机分别接收其他子机通过环网传过来的环网传输数据帧，判断是否有未接收到的子机数据帧，并将本地数据和环网传输数据整合进行组帧。详细的操作方法和步骤如下：

每台子机中的环网传输数据收发模块5接收其他子机通过环网传过来的环网传输数据帧，在接收过程中会根据实际接收到的数据帧判断是否有未接收到的子机数据帧，当未收到某个子机的环网传输数据帧时，会把该子机的环网接收状态上送到上层。由于环网是双向的且区分保护环和启动环，则环网告警标志一共是四组标志。环网传输数据收发模块5把接收到的其他子机的数据与环网告警标志发送给环网传输数据协议公有模块2和环网传输数据协议私有模块3进行解码。然后把数据传送给数据融合处理模块6。数据融合处理模块6把数据采集模块1上送的本地数据和环网传输数据传输模块2上送的环网传输数据整合进行组帧，如图3所示，是单台子机cpu内核间的数据组帧传输逻辑流程图。

每台子机中的数据组帧传输的具体步骤如下：

步骤3.1、获取子机投入状态；

步骤3.2、获取环网传输数据厂家内部标志；

步骤3.3、判断环网状态是否完好，对于单个子机来讲，能够收到环网中其他子机的完整数据即为环网完好，因为环网是双向双环，所以其中一个方向断开不影响环网正常状态，若是、转下一步，若否、保护逻辑闭锁、并转步骤3.7；

步骤3.4、判断本子机是否为环网子机中的奇数存在，若是、转下一步，若否、给保护cpu2传送ad2数据、并转步骤3.6；

步骤3.5、给保护cpu2传送ad1数据；

步骤3.6、根据采集到的模拟量数据，保护逻辑模块通过模拟量数据分析处理，得出的保护电力装置的跳闸或合闸逻辑；

步骤3.7、保护标志/状态标志发送到环网，数据组帧结束。

这样的组帧方式组帧结构简单，保护标志和状态标志时效性高，通过环网250us传送的模拟量数据能够保持数据和状态一致性。

步骤4、完成组帧后把数据帧发送给管理cpu1，管理cpu1根据所有原始数据的信息完成其相关业务，降低保护cpu2的负载，使保护cpu2专注于保护逻辑的运算。详细的操作方法和步骤如下：

每台子机中的数据融合处理模块6完成组帧后，通过快速数据接口把数据帧发送给管理cpu1。管理cpu1主要负责与61850、mms等实时性相对要求较低但交互较多的数据量比较大的业务。通过把完整的数据给到管理cpu1，管理cpu1能够拥有所有原始数据的信息，根据这些数据能够完成其相关的61850和mms等相关业务。这样能够降低保护cpu2的负载，使保护cpu2能够专注于保护逻辑的运算。

管理cpu1通过数据传输模块8根据子机投入的状态、厂家定义标志及环网的数据接收状态来判断环网中的有效子机数据。有效子机的判别方式为环网投入的其他子机，本子机能够接收到投入子机的至少有一个环的数据帧即双向双环网的四个环网口的数据中断告警不同时为1，然后通过判断本子机的所在有效子机的顺序来选择传递给保护cpu2模拟量的ad1数据还是ad2的数据。

下面具体举例说明一下步骤4的原理：

模拟量数量为x，cpu计算负载为y，子机个数为n(x、y、n均为大于0的整数)。传统的保护逻辑是双ad计算需要计算的模拟量为n*x*2，则每台子机保护cpu2的负载为2*n*x*y。

本发明中根据子机投入状态和子机编号保护cpu2的计算量实时切换，如下描述：

当环网中存在n＝1台子机时即单子机运行时，管理cpu1需要把本子机模拟量ad1和ad2工2*x个模拟量传送给保护cpu2，此时保护cpu2的计算负载为2*n。

当环网中存在n＝2台子机时，子机编号分别为a1和a2，a1小于a2。此时a1子机把本子机ad1数据和a2子机的ad1数据共n*x模拟量传送给保护cpu2，此时a1子机保护cpu2的负载为n*x*y；此时a2子机把本子机ad2数据和a1子机的ad2数据共n*x模拟量传送给保护cpu2，此时a2子机保护cpu2的负载为n*x*y；

当环网中存在n＝5台子机时，子机编号分别为a1、a2、a3、a4、a5，a1<a2<a3<a4<a5。

此时a1子机、a3子机、a5子机会把本子机的ad1和其他子机的ad1数据共n*x模拟量传送给保护cpu2，三台子机的负载为n*x*y；此时a2子机和a4子机、把本子机的ad2和其他子机的ad2数据共n*x模拟量传送给保护cpu2，两台子机的负载为n*x*y。

通过以上方式可以看出本发明的数据传输方式能够减少一半的数据传输，同时保护cpu2的数据计算量同样降低一半，能够降低保护cpu2的负载。

如图2所示，是单台子机cpu内核间的数据通信示意图，图中可以更直观地反映步骤2－4的内容。

步骤5、每台子机获取其他子机的保护启动码，通过子机启动码之间的比对关系来确定是否进行保护动作并做出保护出口。详细的操作方法和步骤如下：

如上述步骤4所述，根据本子机所在环网中子机编号的位置不同，本子机的保护cpu2所获得的模拟量数据也不同，有的为ad1数据、有的为ad2数据。此方法保证环网中不同的子机保护cpu2所获得的ad数据ad1和ad2数据同时存在。当每台子机的保护cpu2通过获取的单ad数据进行保护逻辑时，把保护逻辑产生的保护动作信息通过保护启动码的方式快速通过环网传输数据传输模块2传送到环网中，此时每台子机都可以获取其他子机的保护启动码，通过子机启动码之间的比对关系来确定是否进行保护动作并做出保护出口。此时通过多个子机独立保护逻辑一致性的方式能够提高保护的保护可靠性，同时由于多个子机采用的是不同ad的数据，能够很好地实现双ad的比较进一步提高保护可靠性。随着环网中子机数量的增加，能够极大地避免因cpu有故障导致的误动情况的产生。

当保护cpu2进行完保护逻辑后，通过cpu数据传输模块7把保护相关功能产生的相关信息传送给管理cpu1的cpu数据传输模块7，完成相关的61850和mms业务，从而提高管理cpu1和保护cpu2之间的独立性。