支持宽带多频数据传输的PMU数据帧和规约扩展方法与流程

本发明涉及电网广域监测领域，尤其是一种支持宽带多频数据传输的pmu数据帧和规约扩展方法。

背景技术：

pmu是以协调世界时间或世界标准时间为基准进行同步相量的测量、传输和记录的装置。pmu测量的数据具有精确的时标，保证时间同步性，可以实现全网测量数据的直接对比和分析，在电力系统中得到了广泛的应用。pmu规约包括对实时通信数据单元结构、通信控制命令、通信流程以及离线数据传输的规定，该规约能够保证通信的实时性、连续性和可靠性。

随着电力电子技术在电网中的广泛应用，由其导致的电力系统谐波和间谐波污染问题日益严重，谐波、间谐波相量数据的宽频测量和实时传输的需求日益强烈。以pmu为基础开发的实时宽带多频信号测量装置能够实现电力系统网络节点中的同步谐波和间谐波相量测量。然而目前的pmu规约适用于工频相量传输，无法满足谐波、间谐波相量数据实时通信的需求。

目前，在完全兼容现有pmu规约，不改变工频相量传输机制的前提下实现宽带多频数据传输的通信方案尚未形成，而通过改变现有pmu规约的运行机制对其进行功能扩展，则无法实现对现有系统接口的兼容，会带来较大的工程改造成本。因此，提供一种在兼容标准pmu规约通信的前提下实现宽带多频数据传输的扩展方法是非常必要的。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺点，解决宽带多频数据实时传输问题，本发明提出一种支持宽带多频数据传输的pmu数据帧和规约扩展方法。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种支持宽带多频数据传输的pmu数据帧结构，在兼容标准pmu规约的前提下，在pmu规约的应用层增加支持宽带多频数据传输的数据帧类型，所述宽带多频数据包括：谐波同步相量、间谐波同步相量、频率模拟量，所述数据帧类型包括：配置帧、业务帧和命令帧；

所述配置帧包括配置帧1和配置帧2；所述配置帧1由从机生成，包含从机能够送出的所有宽带多频数据通道和频点；配置帧2由主机生成，描述了主机订阅的宽带多频数据通道、频点和传送周期；

所述业务帧用于传输宽带多频数据；

所述命令帧用于控制宽带多频数据的传输。

进一步地，所述业务帧通过本帧数据类型字段来识别宽带多频数据的谐波类型；

所述命令帧通过命令字段来识别命令帧是用于召唤配置帧1或是开启业务数据传输。

进一步地，所述谐波同步相量和间谐波同步相量包括三相电压和电流相量，相量传输形式由幅值和相角组成；所述频率模拟量包括各个交流间隔的频率。

进一步地，所述配置帧结构包括下列字段：同步字、数据选择字段、数据通道数量、数据通道名称、数据通道转换因子、传送周期，所述配置帧通过定义不同的同步字，区分配置帧1和配置帧2；

所述业务帧结构包括下列字段：同步字、时标、本帧数据类型、数据测量值，用于传输宽带多频数据；

所述命令帧结构包括下列字段：同步字、命令字段，用于控制宽带多频数据的传输；

所述配置帧、业务帧和命令帧的同步字字段中均设置宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分。

进一步地，所述配置帧的同步字字段用于定义数据帧的类型；同步字字段中设置配置位x，其中x＝2表示配置帧1，x＝3表示配置帧2；

所述配置帧的数据选择字段用于实现谐波和间谐波的频点选择；

所述配置帧的数据通道数量字段用于定义相量数据通道数量和模拟量数据通道数量；

所述配置帧的数据通道名称字段用于数据通道描述名的定义；部分字段用于表征相量通道名称，部分字段用于表征模拟量通道名称；

所述配置帧的数据通道转换因子字段用于实现数据码值与真实值之间的转换；部分字段用于表征相量通道的转换因子；部分字段用于表征模拟量通道的转换因子；

所述配置帧的传送周期字段用于设置实时数据传送周期。

进一步地，所述业务帧的同步字字段用于定义数据帧的类型；同步字字段中设置配置位x，x＝0表示业务帧；

所述业务帧的时标字段采用世纪秒形式记录本帧测量数据的时间戳；

所述业务帧的本帧数据类型字段表示了本帧测量数据对应的谐波或间谐波频点；

所述业务帧的数据测量值字段包含相量和模拟量的测量数据，其中相量数据按幅值和相角形式传输。

进一步地，所述命令帧的同步字字段用于定义数据帧的类型；同步字字段中设置配置位x，x＝1表示命令帧；

所述命令帧的命令字段承载具体的命令内容，包括召唤配置帧1、开启业务数据传输指令。

本发明还同时提出一种支持宽带多频数据传输的pmu规约扩展方法，在兼容标准pmu规约的前提下，在pmu规约的应用层增加支持宽带多频数据传输的数据帧类型，所述数据帧采用如权利要求1至7任一项所述的支持宽带多频数据传输的pmu数据帧结构；所述pmu规约扩展方法的数据订阅阶段，通信流程包括，

(1-1)主机向从机发送召唤配置帧1的命令帧；

(1-2)从机接收到主机召唤配置帧1的命令帧后，向主机发送配置帧1；

(1-3)主机接收从机发送的配置帧1，从配置帧1的数据通道中挑选需要传送的内容写入配置帧2的数据通道，为所有数据通道挑选需要传送的谐波和间谐波频点写入配置帧2的数据选择字段，将实时数据传送周期写入配置帧2的传送周期；

(1-4)主机将配置帧2发送给从机；

(1-5)从机接收到主机发送的配置帧2，按照主机订阅的数据通道和数据频点组织业务帧内容。

进一步地，所述pmu规约扩展方法的数据传送阶段，通信流程包括，

(2-1)主机向从机发送开启业务数据传输的命令帧；

(2-2)从机接收到主机开启业务数据传输的命令帧后，按照主机在配置帧2中设置的传送周期实时传送承载业务数据的业务帧；

(2-3)主机接收到从机的业务帧，按照配置帧2中的订阅信息解析业务帧内容，得到测量值。

本发明具有的积极有益技术效果包括：

本发明以标准pmu规约为基础，沿用pmu规约的通信管道和传输层协议，通过在应用层扩展定义支持宽带多频数据传输的数据帧类型及其通信流程，实现了宽带多频数据的实时传输。可见，本发明所提供的扩展规约能够完全兼容标准pmu规约接口，具有方便升级、易于维护、工程改造成本低的特点。

本发明所提供的扩展规约支持各个数据通道多个谐波和间谐波频点数据的实时传输，数据带时标上送，主机可以通过配置帧2订阅指定数据通道和频点的测量数据，支持通过设置传送周期灵活控制数据刷新速率。

附图说明

图1为本发明提供的扩展规约的通信流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1：

一种支持宽带多频数据传输的pmu数据帧结构的具体实施例，在兼容标准pmu规约的前提下，在pmu规约的应用层增加支持宽带多频数据传输的数据帧类型，所述宽带多频数据包括：谐波同步相量、间谐波同步相量、频率模拟量，所述数据帧类型包括：配置帧、业务帧和命令帧。

其中，所述谐波同步相量和间谐波同步相量包括三相电压和电流相量，相量传输形式由幅值和相角组成；所述频率模拟量包括各个交流间隔的频率。

所述配置帧包括配置帧1和配置帧2。所述配置帧1由从机生成，包含从机能够送出的所有宽带多频数据通道和频点，配置帧2由主机生成，描述了主机订阅的宽带多频数据通道、频点和传送周期。配置帧结构包括下列字段：同步字、数据选择字段、数据通道数量、数据通道名称、数据通道转换因子、传送周期。配置帧的同步字字段用于定义数据帧的类型，同步字字段中设置宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分，同步字字段中设置配置位x，其中x＝2表示配置帧1，x＝3表示配置帧2。所述配置帧的数据选择字段用于实现谐波和间谐波的频点选择。配置帧的数据通道数量字段用于定义相量数据通道数量和模拟量数据通道数量。配置帧的数据通道名称字段用于数据通道描述名的定义，部分字段用于表征相量通道名称，部分字段用于表征模拟量通道名称。配置帧的数据通道转换因子字段用于实现数据码值与真实值之间的转换，部分字段用于表征相量通道的转换因子，部分字段用于表征模拟量通道的转换因子。配置帧的传送周期字段用于实时数据传送周期的设置。

所述业务帧用于传输宽带多频数据。业务帧结构上包括：同步字、时标、本帧数据类型、数据测量值。业务帧的同步字字段用于定义数据帧的类型，同步字字段中设置宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分，同步字字段中设置配置位x，x＝0表示业务帧。业务帧的时标字段采用世纪秒形式记录本帧测量数据的时间戳。业务帧的本帧数据类型字段表示了本帧测量数据对应的谐波或间谐波频点。业务帧的数据测量值字段包含相量和模拟量的测量数据，其中相量数据按幅值和相角形式传输。

所述命令帧用于控制宽带多频数据的传输。命令帧结构上包括：同步字、命令字段。其中，命令帧的同步字字段用于定义数据帧的类型，同步字字段中设置宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分，同步字字段中设置配置位x，x＝1表示命令帧。命令帧的命令字段承载具体的命令内容，包括召唤配置帧1、开启业务数据传输指令。

实施例2：

扩展规约定义的配置帧结构具体实施例见表1，所包括的字段有：同步字、数据选择字段、数据通道数量、数据通道名称、数据通道转换因子、传送周期。

表1扩展规约配置帧的字段结构

所述配置帧通过同步字字段分为配置帧1和配置帧2两种类型。本具体实施例中的同步字字段长度为2字节，同步字格式：0xbbxy，其中bb为宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分，x＝2表示配置帧1，x＝3表示配置帧2，y＝1为本规约版本。

数据选择字段用于实现谐波和间谐波的频点选择。本具体实施例中的数据选择字段长度为8字节，其中的7个字节用于谐波选择：按位对应，位0可全选所有谐波，位1～50分别对应第1～50次谐波，位51～55为保留位；其中1个字节用于间谐波个数选择：取值范围0～10。

数据通道数量字段用于实现数据通道的选择。本具体实施例中的数据通道数量字段长度为4字节，其中2字节为相量数据通道数量，其中2字节为模拟量数据通道数量。

数据通道名称字段用于数据通道描述名的定义。本具体实施例中的数据通道名称字段长度为32字节，其中16字节为ascii编码的相量通道名称，其中16字节为ascii编码的模拟量通道名称。

数据通道转换因子字段用于实现数据码值与真实值之间的转换。本具体实施例中的数据通道转换因子字段长度为8字节，其中4字节为相量通道的转换因子：最高字节，0＝电压，1＝电流；剩余字节，24位无符号字，单位为10-5v/a；其中4字节为模拟量通道的转换因子：最高字节，保留；其余字节，24位无符号字，单位为10-5hz。

传送周期字段用于实时数据传送周期的设置。本具体实施例中的传送周期字段长度为2字节。

配置帧1由从机生成，包含从机能够送出的所有宽带多频数据通道和频点，配置帧2由主机生成，描述了主机订阅的宽带多频数据通道、频点和传送周期。

扩展规约定义的业务帧结构具体实施例见附表2，所包括的字段有：同步字、时标、本帧数据类型、数据测量值。

表2扩展规约业务帧的字段结构

同步字字段用于定义业务帧的类型。本具体实施例中的同步字字段长度为2字节，同步字格式：0xbbxy，其中bb为宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分，x＝0表示业务帧，y＝1为本规约版本。

时标字段采用世纪秒形式记录本帧测量数据的时间戳。本具体实施例中的时标字段长度为4字节，使用世纪秒表示，起始时间从1970年1月1日0时0分0秒开始。

本帧数据类型字段表示了本帧测量数据对应的谐波或间谐波频点。本具体实施例中的本帧数据类型字段长度为1字节，本帧数据表示的谐波或间谐波类型：位7，谐波类型，0＝谐波，1＝间谐波；位6，备用；位5～0，谐波次数(1～50)或间谐波序号(1～10)。

数据测量值字段包含相量和模拟量的测量数据，其中相量数据按幅值和相角形式传输。本具体实施例中的数据测量值字段长度为6字节，其中4字节用于相量数据，为16位整型幅值和相角，单位：v，a，0.0001弧度；其中2字节用于模拟量数据，16位有符号数，本规约此处是谐波和间谐波的频率值。

扩展规约定义的命令帧结构具体实施例见附表3，所包括的字段有：同步字、命令字段。

表3为扩展规约命令帧的字段结构

命令帧通过同步字字段定义为命令帧类型。本具体实施例中的同步字字段长度为2字节，同步字格式：0xbbxy，其中bb为宽频数据传输帧标志，实现与标准pmu数据帧区分，x＝1表示命令帧，y＝1为本规约版本。

命令字段承载具体的命令内容，包括召唤配置帧1和开启业务数据传输指令。本具体实施例中的命令字段长度为2字节，命令字段内容：位15～2，保留；位1～0，01＝召唤配置帧1，10＝开启业务数据传输。

实施例3：

一种支持宽带多频数据传输的pmu规约扩展方法具体实施例：在兼容标准pmu规约的前提下，在pmu规约的应用层增加支持宽带多频数据传输的数据帧类型，所述数据帧采用上述的支持宽带多频数据传输的pmu数据帧结构；所述pmu规约扩展方法设计了包含数据订阅阶段和数据传送阶段的通信流程，可以实现包括谐波同步相量、间谐波同步相量和频率模拟量在内的宽带多频数据的通信配置和实时传输。

所述pmu规约扩展方法的数据订阅阶段，通信流程包括：

(1-1)主机向从机发送召唤配置帧1的命令帧；

(1-2)从机接收到主机召唤配置帧1的命令帧后，向主机发送配置帧1；

(1-3)主机接收从机发送的配置帧1，从配置帧1的数据通道中挑选需要传送的内容写入配置帧2的数据通道，为所有数据通道挑选需要传送的谐波和间谐波频点写入配置帧2的数据选择字段，将实时数据传送周期写入配置帧2的传送周期；

(1-4)主机将配置帧2发送给从机；

(1-5)从机接收到主机发送的配置帧2，按照主机订阅的数据通道和数据频点组织业务帧内容。

扩展规约定义的数据传送阶段通信流程为：

(2-1)主机向从机发送开启业务数据传输的命令帧；

(2-2)从机接收到主机开启业务数据传输的命令帧后，按照主机在配置帧2中设置的传送周期实时传送承载业务数据的业务帧；

(2-3)主机接收到从机的业务帧，按照配置帧2中的订阅信息解析业务帧内容，得到测量值。

扩展规约通过定义以上数据帧类型和通信流程，能够实现包括谐波同步相量、间谐波同步相量和频率模拟量在内的宽带多频数据传输。其中，谐波同步相量和间谐波同步相量包括三相电压和电流相量，频率模拟量包括各个交流间隔的频率。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。