智能變電站采樣值網數據交換方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能變電站采樣值網數據交換方法和裝置，要解決的技術問題是降低保護裝置成本，避免網絡數據包的延時不確定性。本發(fā)明的方法，包括以下步驟：間隔層合并單元采集到的一次互感器的交流信息,數據交換裝置采用同步時分復用方式順序轉發(fā)。本發(fā)明的裝置，電壓合并單元和間隔層合并單元經數據交換裝置連接保護裝置；數據交換裝置采用現場可編程門陣列。本發(fā)明與現有技術相比，各輸入通道的數據幀在轉發(fā)時按照一定順序編排，每一個通道的時間片時隙完全相同，不僅可減少光纖接口數量及簡化現場光纖布線，從而降低保護裝置成本，還避免網絡數據包的延時不確定性的問題出現，適用于網絡吞吐量不大且數據幀長固定的場合。
【專利說明】智能變電站采樣值網數據交換方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種智能變電站數據交換的方法和裝置，特別是一種采樣值SV網數據傳輸的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]在工業(yè)控制中，工業(yè)以太網交換機正被大量使用。目前的工業(yè)以太網交換機和普通以太網交換機一樣，采用統計時分復用(Statistical Time Division Multiplexing),統計時分復用的特點是其能動態(tài)地按需分配時隙，以避免每個時間段中出現空閑時隙。即只有當某一路用戶有數據要發(fā)送時才把時隙分配給它；當用戶暫停發(fā)送數據時，則不給它分配時隙。電路的空閑時隙可用于其他用戶的數據傳輸。統計時分復用又被稱為異步時分復用。故而這種時分復用在處理突發(fā)大數據量傳輸時就容易導致數據包轉發(fā)的延時不確定性。而這延時不確定性是電力系統所不能容忍的。
[0003]電力系統通信目前廣泛采用基于IEC61850規(guī)范的智能電網標準，該標準是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統唯一國際標準。該標準規(guī)定，電力保護裝置(保護裝置)對于采樣信息的獲取是通過網絡實現。這就對網絡數據包的延時不確定性問題提出了要求。
[0004]據 申請人:了解，目前，我國電力系統對實時性要求高的場合采用點對點方式(又稱直采方式)進行數據傳輸，如圖1所示，例如由電壓合并單元MU和間隔合并單元MU經采樣值(SV)網送往保護裝置的交流采樣報文。而對實時性要求不高的場合采用組網方式(又稱網采方式)，例如由合并單元送往網絡分析儀、測控、故障錄波裝置。
[0005]由于對保護裝置采用點對點數據傳輸方式，故而保護裝置需配置大量的光纖通道，帶來的功耗、散熱問題困擾著保護裝置的開發(fā)。另外，現場大量的光纜也影響了變電站內的施工布局。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種智能變電站采樣值網數據交換方法和裝置，要解決的技術問題是降低保護裝置成本，避免網絡數據包的延時不確定性。
[0007]本發(fā)明采用以下技術方案:一種智能變電站采樣值網數據交換方法，包括以下步驟:
[0008]一、間隔層合并單元采集到的一次互感器的交流信息，經接收通道送入數據交換裝置進行存儲，數據交換裝置采用同步時分復用方式，通過以太網將采集到的交流信息順序轉發(fā)到:線路保護裝置、母線保護裝置、主變壓器保護裝置、備用電源自動投入裝置、測控裝置和錄波裝置，并且每輪轉發(fā)中各數據幀的發(fā)送時隙等同；所述數據交換裝置采用現場可編程門陣列(FPGA):
[0009]二、數據交換裝置在數據轉發(fā)的同時，對接收到的交流信息中的通道延時信息進行更新。[0010]本發(fā)明的方法步驟一數據交換裝置按照每路8字節(jié)，最大幀長200字節(jié)存儲。
[0011]本發(fā)明的方法步驟一數據交換裝置每輪轉發(fā)中各數據幀的發(fā)送時隙為25us。
[0012]本發(fā)明的方法步驟一間隔層合并單元采集到的一次互感器的交流信息，首先檢驗報文類型為采樣值(SV)報文，目標地址與相應通道的地址一致，然后提取報文中含有的標識信息，與數據交換裝置內預存的相應通道標識信息比較一致性，最后通過循環(huán)冗余校驗碼(CRC)校驗后，經接收通道送入數據交換裝置的隨機存儲器(RAM)，同時，數據交換裝置記錄采樣的開始或結束時刻，并提取接收報文應用協議數據單元(APDU)中的第一個通道交流采樣值數據，作為前級合并單元采樣交流信息的通道延遲。
[0013]本發(fā)明的方法交流信息為采樣通道數量、間隔數量，電流、電壓采樣值、品質系數和通道延時。
[0014]本發(fā)明的方法步驟二延時時間為將交流信息在數據交換裝置中駐留的時間加上接收到原始交流信息中的時間信息并更新循環(huán)冗余校驗碼時間。
[0015]本發(fā)明的方法接收通道接收報文類型不符，循環(huán)冗余校驗碼校驗異常，目標地址錯誤或IEC61850規(guī)約中的應用標識(APPID)不符，數據交換裝置將在周期的轉發(fā)中屏蔽該接收通道，轉發(fā)時作為空閑處理。
[0016]一種智能變電站采樣值網數據交換裝置，包括電壓合并單元和間隔層合并單元，所述電壓合并單元和間隔層合并單元經數據交換裝置連接線路保護裝置、母線保護裝置、主變壓器保護裝置、備用電源自動投入裝置、測控裝置和錄波裝置；所述數據交換裝置采用現場可編程門陣列。
[0017]本發(fā)明的裝置電壓合并單元和間隔層合并單元與數據交換裝置采用光纖連接，數據交換裝置與線路保護裝置、母線保護裝置、主變壓器保護裝置、備用電源自動投入裝置、測控裝置和錄波裝置采用光纖連接。
[0018]本發(fā)明的裝置間隔層合并單元為24個，電壓合并單元和間隔層合并單元連接有時鐘源。
[0019]本發(fā)明與現有技術相比，采用現場可編程門陣列，基于同步時分復用進行數據交換，各輸入通道的數據幀在轉發(fā)時按照一定順序編排，每一個通道的時間片時隙完全相同，不僅可減少光纖接口數量及簡化現場光纖布線，從而降低保護裝置成本，還避免網絡數據包的延時不確定性的問題出現，適用于網絡吞吐量不大且數據幀長固定的場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為現有技術方案的示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明裝置實施例的示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明的系統框架圖。
[0023]圖4是本發(fā)明方法給發(fā)送序列與采樣序列的關系圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0025]本發(fā)明的智能變電站采樣值網數據交換方法，應用在基于IEC61850通信的智能變電站，如圖2所示，包括以下步驟:[0026]一、數據交換裝置在接收到間隔層合并單元MU采集到的一次互感器的交流信息SV數據(數據)后，首先檢驗報文類型為SV報文，并驗證報文起始的6字節(jié)目標地址與相應通道的地址是否一致，然后提取報文中自帶的IEC61850規(guī)約中的應用標識(APPID)，與數據交換裝置內預設的相應通道的APPID是否一致，最后在通過循環(huán)冗余校驗碼CRC校驗后，經接收通道送入數據交換裝置的隨機存儲器RAM (緩存區(qū))進行存儲。數據交換裝置按照每路8字節(jié)，最大幀長200字節(jié)存儲，數據交換裝置采用現場可編程門陣列FPGA，以保證時隙的等同。
[0027]數據被存儲到FPGA內部RAM的同時，FPGA記錄采樣的開始或結束時刻，并提取接收報文應用協議數據單元APDU (ApplicationProtocolDataUnit)中的第一個通道交流采樣值數據，作為前級MU采樣交流信息的通道延遲，以便在轉發(fā)該數據報文之前累加裝置通道延遲。
[0028]由于MU裝置與FPGA可能存在不同步的情況，由晶體頻率不同引起發(fā)送至FPGA數據的頻率可能高于裝置轉發(fā)的頻率，所以在存儲該數據包的同時，也會在FPGA內部設置寄存器來表示該通道在FPGA緩存區(qū)的數據包的數量，在轉發(fā)的時候FPGA查詢寄存器中數據包狀態(tài)，如果大于兩個數據包，則發(fā)送最近接收的一個數據包并把FPGA緩存中之前舊的數據包清除掉，以防止緩存溢出。
[0029]數據交換裝置用同步時分復用方式，每輪通過以太網順序轉發(fā)到:線路保護裝置(線路)、母線保護裝置(母差)、主變壓器保護裝置(主變)、備用電源自動投入裝置(備投)、測控裝置(測控)和錄波(錄波)裝置，每輪轉發(fā)中各數據幀的發(fā)送時隙等同，為25us。數據交換裝置在轉發(fā)數據時，可同時向線路、母差、主變、備投、測控或錄波器轉發(fā)出多路相同的數據。
[0030]交流信息為采樣通道數量、間隔數量，電流、電壓采樣值、品質系數和通道延時，其中，數據交換裝置判斷報文APDU的第一個通道的數據是交流采樣值還是前級裝置通道延時，再對FPGA進行寄存器配置，如果是通道延時，FPGA將會把延時值提取出來，延時值單位為微秒us。
[0031]二、數據交換裝置在數據轉發(fā)的同時，對接收到的SV數據的通道延時進行更新，更新后的延時時間為將SV數據在數據交換裝置中駐留的時間加上接收到原始SV數據中的延時信息數據，與此同時，數據交換裝置還更新數據幀的循環(huán)冗余校驗CRC碼，具體過程如下:
[0032]根據每通道25us時隙輪詢，等待某通道的發(fā)送使能，然后檢測該通道在緩存區(qū)中未發(fā)送的數據包狀態(tài)，選取最先接收的數據包發(fā)送，如果沒有數據的話就空閑等待到下一時隙。在發(fā)送的同時，由接收數據時記錄的采樣時刻和當前時刻計算出該數據包在裝置中的通道延時，累加上之前獲取的MU采樣延時，得到數據包單位為微秒的所有延時。數據交換裝置解析報文后，判斷是否需要配置FPGA的內部寄存器，把得到的延時替換相應的通道采樣數據，重新計算CRC校驗碼，最后把數據發(fā)送到線路、母差、主變、備投、測控和錄波器裝置，等待下一通道時隙輪詢發(fā)送的使能。
[0033]對于保護裝置而言，常常需要被送入不同MU的SV數據。保護裝置需要對SV數據進行計算，而計算的重要依據是時間相關性。即這些SV數據必須是以同一個時間點為基準采集到的。[0034]雖然MU發(fā)到保護裝置的SV信息包含有通道延時字節(jié)，但因為現有技術的交換機都是基于統計時分復用的交換機。其數據包傳輸延時不確定的問題使得其在電力系統上的應用受到制約。故而，目前MU裝置往保護裝置傳送SV數據采用點對點方式傳輸，而由此帶來的保護裝置散熱問題及現場布線問題隨即產生。
[0035]以上問題的根源在于使用了基于統計時分復用的交換機。若采用同步時分復用方式的數據交換裝置則可解決這些問題。本實施例以10路MU輸入，14路數據轉發(fā)為例，說明本發(fā)明的智能變電站采樣值網數據交換裝置的工作過程。
[0036]IEC61850-9-2標準通道數為12，每個通道占8個字節(jié)。測量(計量)通道3個，保護雙A/D配置下，總通道數為21，因此通道數據最大為21 X 8=168，最大幀長約為200字節(jié)。
[0037]MU按每周波80點采樣，這樣每個MU每秒產生50Hz X 80 X 200=800 X IO3字節(jié)的數據，即MU每秒向數據交換裝置上送的字節(jié)流量為0.8MBps字節(jié)流量。
[0038]我們平時說的百兆以太網的波特率為IOOMbps位流量對應于12.5MBps字節(jié)流量。同樣對應我們平時說的十兆以太網的波特率為IOMbps位流量對應于1.25MBps字節(jié)流量。
[0039]雖然現在數據交換裝置常用的以太網通信口是百兆的電口或光口，但顯然從MU的計算結果可看出，其實保護裝置的數據吞吐率還是遠小于百兆以太網的滿額數據吞吐率甚至小于10兆以太網的滿額數據吞吐率。由于12.5/0.8=15.625。故而，若能將15個MU的數據幀按照同步時分復用在一個以太網口上等時隙順序輸出。則可使得數據交換裝置在一個百兆以太網口上轉發(fā)15個MU的上送數據。
[0040]數據交換裝置對MU數據源數量最大化的要求是:10路MU，包括母線保護需要的2路其他間隔的數據，本地的8個間隔數據。即數據交換裝置最多需要10路MU數據，小于15。同樣MU要將數據送往本間隔保護裝置、測量錄波裝置、站域保護裝置、主變差動裝置、主變后備裝置，最大輸出配置需14個輸出通道，且這14個輸出通道的數據完全相同。故而本發(fā)明適用于電力系統智能變電站需求。
[0041]首先，無論多少路MU輸入，各MU發(fā)送的SV數據到達數據交換裝置的時間總是有先有后。數據交換裝置為每個MU接收口配置一個接收緩沖區(qū)和一個計時器，每個接收緩沖區(qū)在接收到完整一幀數據后開始清零并重新計時。
[0042]由于MU的采樣頻率是每周波80點，即每周波采樣80次，按照我國市電50Hz計算即MU的采用頻率是每秒80X50=4000Hz (0.25ms),也即數據交換裝置必須在0.25ms內將10個MU的數據順序發(fā)出。故而10個MU數據的發(fā)送間隔是25us。
[0043]數據交換裝置以0.25ms為周期順序遍歷各MU接收通道，并將接收到的數據幀順序放入發(fā)送緩沖區(qū)，隨后以25us的周期依次將發(fā)送緩沖區(qū)中的數據幀轉發(fā)出去。轉發(fā)前需依據IEC61850-9-2標準，對SV數據幀中的通道延時字節(jié)中的信息進行更新。
[0044]MU發(fā)出的SV數據首先遵循IEC61850-9-2標準會在數據幀的特定字節(jié)標注出該SV數據的通道延時(從MU采集到交流量到MU發(fā)出SV數據的這段時間)。交換裝置在接收完該SV數據時隨即清零該接收通道的計時器并開始重新計時。當數據交換裝置轉發(fā)該SV數據時，需將原數據幀中的通道延時信息與該數據幀在數據交換裝置中駐留的延時時間進行相加，并更新數據幀的循環(huán)冗余校驗碼CRC。
[0045]假設:
[0046]MU發(fā)出的SV數據中原始通道延時為tQ ；[0047]SV數據在數據交換裝置中駐留的實際為& ；
[0048]SV數據發(fā)出的SV數據中通道延時為tQ’ ；
[0049]則有:
[0050](排除以太網數據幀在端口收發(fā)過程中的耗時，畢竟該時間相當短，可被電力系統保護計算所忽略。)
[0051]三、當出現數據交換裝置對接收通道校驗錯誤或接收異常時，數據交換裝置將在周期轉發(fā)中屏蔽該接收通道的轉發(fā)，但該時隙仍然屬于該接收通道，即輪到轉發(fā)該異常數據通道的數據時，該25us時隙不轉發(fā)該異常接收通道口的數據，作為空閑處理。接收通道校驗錯誤或接收異常為接收報文類型不符，循環(huán)冗余校驗碼CRC校驗異常，或目標地址錯誤、APPID (IEC61850規(guī)約中的應用標識)不符。
[0052]如圖3所示，為防止MU因某些不確定因素導致數據交換裝置產生接收延時，本發(fā)明可分別針對各個MU在數據交換裝置中設置數據存儲區(qū)RBUF，作存儲處理。如圖4所示，每個RBUF可存儲I個采樣周期的數據，即接收第n幀數據的同時轉發(fā)第n-1幀數據。存儲深度依使用環(huán)境可做適當調整。
[0053]本發(fā)明的智能變電站采樣值網數據交換裝置，如圖2所示，由電壓合并單元MU和間隔層合并單元MU，經數據交換裝置連接線路、母差、主變、備投、測控和錄波。電壓合并單元MU和間隔層合并單元MU與數據交換采用光纖連接，數據交換裝置與線路、母差、主變、備投、測控和錄波裝置采用光纖連接。電壓MU和間隔層MU連接有時鐘源。
[0054]本實施例中，數據交換裝置采用現場可編程門陣列FPGA，間隔層合并單元MU為24個。
【權利要求】
1.一種智能變電站采樣值網數據交換方法，包括以下步驟: 一、間隔層合并單元采集到的一次互感器的交流信息，經接收通道送入數據交換裝置進行存儲，數據交換裝置采用同步時分復用方式，通過以太網將采集到的交流信息順序轉發(fā)到:線路保護裝置、母線保護裝置、主變壓器保護裝置、備用電源自動投入裝置、測控裝置和錄波裝置，并且每輪轉發(fā)中各數據幀的發(fā)送時隙等同；所述數據交換裝置采用現場可編程門陣列(FPGA): 二、數據交換裝置在數據轉發(fā)的同時，對接收到的交流信息中的通道延時信息進行更新。
2.根據權利要求1所述的智能變電站采樣值網數據交換方法，其特征在于:所述步驟一數據交換裝置按照每路8字節(jié)，最大幀長200字節(jié)存儲。
3.根據權利要求2所述的智能變電站采樣值網數據交換方法，其特征在于:所述步驟一數據交換裝置每輪轉發(fā)中各數據幀的發(fā)送時隙為25us。
4.根據權利要求1所述的智能變電站采樣值網數據交換方法，其特征在于:所述步驟一間隔層合并單元采集到的一次互感器的交流信息，首先檢驗報文類型為采樣值(SV)報文，目標地址與相應通道的地址一致，然后提取報文中含有的標識信息，與數據交換裝置內預存的相應通道標識信息比較一致性，最后通過循環(huán)冗余校驗碼(CRC)校驗后，經接收通道送入數據交換裝置的隨機存儲器(RAM)，同時，數據交換裝置記錄采樣的開始或結束時刻，并提取接收報文應用協議數據單元(APDU)中的第一個通道交流采樣值數據，作為前級合并單元采樣交流信息的通道延遲。
5.根據權利要求1所述的智能變電站采樣值網數據交換方法，其特征在于:所述交流信息為采樣通道數量、間隔數量，電流、電壓采樣值、品質系數和通道延時。
6.根據權利要求1所述的智能變電站采樣值網數據交換方法，其特征在于:所述步驟二延時時間為將交流信息在數據交換裝置中駐留的時間加上接收到原始交流信息中的時間信息并更新循環(huán)冗余校驗碼時間。
7.根據權利要求1所述的智能變電站采樣值網數據交換方法，其特征在于:所述接收通道接收報文類型不符，循環(huán)冗余校驗碼校驗異常，目標地址錯誤或IEC61850規(guī)約中的應用標識(APPID)不符，數據交換裝置將在周期的轉發(fā)中屏蔽該接收通道，轉發(fā)時作為空閑處理。
8.一種智能變電站采樣值網數據交換裝置，包括電壓合并單元和間隔層合并單元，其特征在于:所述電壓合并單元和間隔層合并單元經數據交換裝置連接線路保護裝置、母線保護裝置、主變壓器保護裝置、備用電源自動投入裝置、測控裝置和錄波裝置；所述數據交換裝置采用現場可編程門陣列。
9.根據權利要求8所述的智能變電站采樣值網數據交換裝置，其特征在于:所述電壓合并單元和間隔層合并單元與數據交換裝置采用光纖連接，數據交換裝置與線路保護裝置、母線保護裝置、主變壓器保護裝置、備用電源自動投入裝置、測控裝置和錄波裝置采用光纖連接。
10.根據權利要求8所述的智能變電站采樣值網數據交換裝置，其特征在于:所述間隔層合并單元為24個，電壓合并單元和間隔層合并單元連接有時鐘源。
【文檔編號】H04L12/70GK103633741SQ201310654646
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權日:2013年12月5日
【發(fā)明者】徐成斌 申請人:長園深瑞繼保自動化有限公司