一种电力二次设备实时数据传输与恢复方法及系统与流程

本发明涉及一种数据传输方法，更具体地说，本发明涉及一种电力二次设备实时数据传输与恢复方法。

背景技术：

在已经基本实现微机化的电力二次设备中，必须进行数据交换来实现设备内及设备间的数据共享、资源共享，而以全数字化继电保护装置为代表的新一代电力二次设备的板间及装置间的信息交换已基本全部通过实时数据通信实现。实时数据通信技术已成为当前电力二次设备正常运行的关键基础技术。

在实际运行过程中，因硬件故障或受恶劣的外部电磁环境干扰信号影响，实时数据通信过程中不可避免的会出现单比特或多比特数据错误，发生通信异常。重要实时数据的通信异常可能导致装置无法正常工作，甚至导致装置闭锁，严重影响电网的安全与质量，所以电力二次设备的实时通信通道必须存在一定的鲁棒性，保证设备可实现高可靠性、高质量的运行。

在当前的电力二次设备中，重要实时数据的通信异常通用处理技术多采用类似于以太网传输中的报文重发机制，当接收端检测到通信数据帧异常时，会通知发送端进行数据帧重发，直至接收方获取到正确数据。该方式实现方式简单，可较好的解决数据概率性缺失或异常问题，但不可避免的存在一系列缺点：

(1)重发数据帧，会导致数据延时数倍于正常条件下的延时。采用该机制的实时数据通信技术无法满足实时性要求较高的应用需求；

(2)该方式通信可靠性依赖于单一数据通道的通信质量；

(3)该方式依赖于闭环双向通信系统，不适用于单向数据通道。

故，需要提供一种新的技术方案以解决上述技术问题。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种电力二次设备实时数据传输与恢复方法，该方法适用于诸如继电保护装置等电力二次设备中，通过基于异序传输及冗余通道数据传输技术和基于索引信息的无时延故障数据恢复技术，该方法可在因瞬时电磁干扰或其他原因导致电力二次设备内或电力设备间通信异常时，进行一定故障范围内数据的无时延恢复，提高了实时数据通信的鲁棒性，满足了电力二次设备对数据通信可靠性和实时性的要求。

本发明同时提供了对应上述实时数据传输与恢复方法的系统。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种电力二次设备实时数据传输与恢复方法，提供发送端链路层的数据分块、帧重组模块以及冗余传输通道，提供帧接收端的数据检错、数据还原、帧恢复模块；发送端通过位于链路层的数据分块、帧重组模块将单一的数据帧进行数据分块重组为异序的两帧数据，然后将异序的两帧数据同时通过冗余通道传输至帧接收端；帧接收端通过位于链路层的数据检错、数据还原与帧恢复模块，对接收到的异序的两帧数据进行检错、切换、还原，并重组恢复为单一的数据帧传输至链路层。

进一步地，所述数据分块，帧重组模块将单一数据帧的应用帧(apdu)划分为若干个包含长度和独立校验信息的数据块，重新组成异序的两帧后同时通过冗余传输通道发送，其具体步骤为。

步骤一、数据分块模块接收到链路层接口帧报文后，将链路层帧报文缓存，并按照长度将其中的apdu划分为m包，其中m计算原则为：

(1)m≥4，

(2)

其中rb为报文传输速率，δtd为系统要求延时与帧报文传输延时之差，n为数据分块时为单一数据块附加的信息字节总长度；

步骤二、帧重组模块为每个数据块增加序号索引信息及独立的校验信息后依据特定顺序进行数据块排序；

步骤三、帧重组模块按原数据帧链路层协议重新计算帧长度等特征信息后重新组帧；

步骤四、冗余通道同时发送；

进一步地，冗余通道中同时传输两帧异序数据的任意数据块，其序列号间相差至少为2；对于分为4个数据块的情况，若分帧后的数据块编号为n1，n2，n3，n4，冗余通道中一个通道传输顺序为n1，n2，n3，n4，则另一通道传输顺序为n3，n4，n1，n2。然后依据该顺序将所有数据块重新合并为新的apdu。

进一步地，所述数据检错、数据还原及帧恢复模块可在任意单一通道永久故障、双通道同时出现任意单一或相邻两数据块出错条件下，均可完成无延时的故障恢复。其具体步骤为：

步骤一、接收冗余通道传输的报文经物理层传输至链路层，并设置接收缓存区。

步骤二、解析冗余通道所缓存的帧报文，依顺序进行数据块校验，并存储校验结果。

步骤三、同时判断冗余通道数据块校验结果，如通过则将对应数据块放入报文恢复缓冲区，否则根据数据块序号查找冗余通道对应数据块的校验结果，如校验通过，并将该数据块放入报文重组缓冲区。

步骤四、如冗余通道所有数据块均校验失败，则置通道异常告警；

步骤五、全部块校验完毕后，去除各数据块的长度等特征信息后，重新计算帧特征信息，组帧传输至链路层报文接口。

有益效果：本发明的技术优势如下：

(1)该方法通过冗余通道传输方式，可在任意单一通道的数据块异常或硬件链路失效时，仍可保障实时数据的正常传输，通信可靠性得以提高；

(2)该方法采用异序传输方式及基于索引信息的无时延故障数据恢复技术，可在双通道任意单一数据块同时异常或两个任意相邻数据块同时异常时，实现实时数据的正常传输，通信容错能力得以显著提高。

对应上述数据传输与恢复方法，本发明同时提供一种电力二次设备实时数据传输与恢复系统，包括发送端链路层的数据分块、帧重组模块，数据分块、帧重组模块位于链路层，用以将单一的数据帧进行数据分块重组为两路数据；

帧接收端的数据检错、数据还原、帧恢复模块用以将接收到的两路数据进行检错、切换、还原，并重组恢复为单一的数据帧传输至链路层；

冗余传输通道，用以将分块重组的两路数据传输至帧接收端的数据检错、数据还原、帧恢复模块。

附图说明

图1是本发明所述的数据交错传输与恢复方法示意图；

图2是本发明所述的帧重组模块数据分块示意图；

图3是本发明所述故障帧数据还原示意图；

图4是本发明实施例中原有通信的链路层协议及物理层定义。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述的电力二次设备实时数据传输与恢复方法中提供发送端的数据分块、帧重组模块，硬件冗余主、备传输通道，接收端的数据检错、数据还原及帧恢复模块。实时数据报文帧由通过位于链路层的数据分块、帧重组模块拆分为数据块并重新组帧后通过冗余硬件通道传输至位于接收端链路层的数据检错、数据还原与帧恢复模块，实现对接收的两路数据进行检错、还原后，重新组帧为实时数据报文帧并传输。

其中，发送端的数据分块、帧重组模块，硬件冗余主、备传输通道，接收端的数据检错、数据还原及帧恢复模块也组成了对应上述实时数据传输与恢复方法采用的系统。

在本发明的一种实施例中，该方法实施于板级控制器间的通信。如图4所示，设计通信方式为同步串行通信，物理层传输信号包括frm，clk，data，其中frm作为帧有效信号，clk与data作为源同步数据。链路层缓冲区数据接口速率为250mbps，链路层报文总长度为66字节，应用帧长度为60字节，传输速率为25mbps，报文传输延时为21.1us。采用该通信方式的应用要求控制器间报文传输最大延时要求不大于25us。

在该实施例中，帧重组模块将串行数据帧的应用帧(apdu)划分为4个包含长度和独立校验信息的数据块后重新发送，其具体步骤为：

步骤一、在链路层设置3个缓存区，其中一个为链路层报文缓冲区，两个为冗余通道发送缓冲区。待链路层报文有效后，将apdu帧按每16字节划分为m＝4包，其中m计算方法为：

(1)m≥4，

(2)

其中δtd＝3.9us，rb＝25mbps，n＝2。

步骤二、为每个数据块增加依次递增的序号索引信息及crc校验信息，其中crc计算时可选用的生成多项式为：

crc-8：x8+x6+x4+x3+x2+x1

步骤三、如图2所示，将4个数据块重新进行组帧分为主apdu帧及备用apdu帧并存储对应缓冲区，其中主apdu帧顺序为n1，n2，n3，n4，备用apdu帧顺序为n3，n4，n1，n2，即主、备通道传递的任意数据块保证不处于对应或相邻位置；

步骤四、按原数据帧链路层协议重新计算帧长度等特征信息，并存储到冗余通道发送缓冲区；

步骤五、冗余通道同时使能发送；

进一步地，所述的数据检错、数据还原与帧恢复模块，对接收的两路数据进行检错、还原后，重新组帧为实时数据报文帧并传输。其具体步骤为：

步骤一、设置三个缓冲区，两个冗余接收缓冲区(m0，m1)存储当前接收报文，一个链路层缓冲区，存储恢复后的链路层帧报文。

步骤二、设置两张校验表t0、t1存储冗余通道校验结果。在接收报文的同时，流水线方式对apdu数据块进行crc校验，通过为0，失败为1。计算后依据数据块序号在t0和t1内存储校验结果。

步骤三、进行故障数据还原：在接收校验完成后，判断t0中各块校验结果。

如为0，并将m0中对应该校验结果的数据块去除序号、长度及校验等附加信息后，存储到m2中对应位置；

如为1，则判断t1中对应该块的校验结果。如为0，则将m1中对应的数据块去除附加信息后存储到m2中对应位置；如为1，则置通道异常告警。

如t0或t1中所有数据均为1，置通道异常告警；

步骤五、数据块全部检错、还原完成后，重新计算帧长度等特征信息后组帧存储至链路层接收缓冲区m2。

本方法达到的效果以该实施例分析：

(1)任意单一的硬件通道故障或影响单一硬件通道的干扰信号不会影响数据的正常传输。

(2)如图所示，任何原因导致的冗余通道的单一或相邻两个数据块异常时，不会影响数据的正常传输。

(3)在边组边发模式中采用本方法后，增加了以下延时环节：发送等待延时、数据分块、帧重组延时及报文传输延时。其中发送等待延时为1.1us(等待n3数据块填充完成)；数据分块、帧重组模块采用可编程逻辑门阵列(fpga)硬件并行实现，延时可忽略不计；报文传输延时由于长度增加而增加了2.56us。根据以上分析，采用本方法后，最终通信传输延时为24.76us。相比于报文重发模式，该方法可满足系统最大25us通信传输延时的要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。