一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法
2023-05-29 14:06:51
專利名稱：一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法
技術領域：
本發明涉及一種電力自動化領域的系統方法，具體涉及一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法。
背景技術：
IEC61850標準的使用推動了過程層總線技術的發展，並促進變電站網絡通信從串口連接、現場總線發展為乙太網傳輸，極大地提高了變電站通信的整體水平，由於採樣數據通過網絡傳輸後可以實現全站數據共享，有效減少變電站複雜的電纜接線，不僅有利於簡化全站結構，同時還能有效降低變電站的建設成本，更為重要的能夠推動變電站高級應用功能的發展，進一步提聞變電站的總體水平。 在數位化變電站建設階段，由於對採樣同步、網絡設計、採樣接收處理等各領域技術成熟度不高，網絡採樣雖然得到了試點應用但總體效果並不理想，採樣數據的同步和網絡傳輸延遲給保護測控裝置帶來了巨大影響，尤其是經常出現的採樣報文丟失或者延遲達至IJ，保護裝置都未能進行有效處理。因此，網絡採樣在試點之後並未得到有效推廣。2009年5月，隨著國家電網公司智能電網發展建設規劃的提出，智能變電站的發展建設成為變電站今後的發展的目標，而變電站智能化水平的體現則主要集中在基於變電站全站數據共享的高級應用上，而實現這一問題的關鍵則在於變電站內部的網絡採樣。從智能變電站試點工程建設的情況來看，大多數站仍然採用了傳統的電纜連接，雖然也有不少試點工程採用了網絡採樣，但僅限於測控裝置，保護裝置對網絡採樣仍然處於懷疑的狀態，且其採用通過點對點的方式進行連接，不僅增加了全站設計的難度和複雜程度，同時也增加了總體投入，不利於智能變電站今後的發展建設。
發明內容
針對當前變電站內部網絡採樣應用存在的問題，本發明提供一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，該方法能夠解決網絡採樣的對時同步問題、網絡傳輸延時問題以及對報文丟失或者延遲後數據的處理問題，不僅能夠提高網絡採樣的可靠性，有效提高採樣同步精度和降低網絡傳輸延時，同時還能夠有效應對在採樣報文丟失或者延遲等情況下保護、測控裝置的處理問題，能夠有效指導變電站建設，推動網絡採樣技術在變電站內的應用。本發明的目的是採用下述技術方案實現的一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其改進之處在於，所述方法包括下述步驟( I)採樣環節的高精度同步對時；(2)採樣發送環節的等間隔傳輸；(3)對網絡傳輸環節進行優化設計；(4)採樣接收設備對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理。
其中，所述步驟(I)中，所述高精度同步對時包括網絡對時、高精度同步採樣時鐘電路設計和高精度守時電路設計。其中，其特徵在於，所述網絡對時基於IEEE1588標準，通過採樣裝置(採樣裝置就是變電站中的合併單元，其實現是基於IEEE1588標準的，即採用支撐IEEE158標準的CPU或者德州儀器TI的DP83640網絡晶片)內部CPU或者DP 83640網絡晶片(CPU或者DP83640網絡晶片均支持IEEE1588標準)的設置，實現採樣裝置亞微妙級 的對時精度。其中，所述高精度同步採樣時鐘電路採用恆溫晶振和FPGA的配合(恆溫晶振主要是用來確保時鐘運行的準確性，FPGA用來定時發送採樣脈衝給電子式互感器，而其發送的頻率是通過晶振進行擴頻的，即電網的頻率只有50Hz，每一個周波20ms，但實際採樣頻率可能4000Hz/周波，晶振就是用來保證這4000Hz的精準性，儘量減小其兩次採樣脈衝之間的離散性)；所述高精度守時電路採用採樣裝置時鐘與外部時鐘的偏差並通過所述恆溫晶振進行補償。其中，所述步驟(2)中，採樣數據的發送環節採用DSP-FPGA-VxWorks相結合的方式，FPGA發送採樣脈衝並接受電子式互感器返回的原始採樣數據，之後FPGA將其寫入CPU，原始採樣數據基於IEC61850-9-2標準的組包處理在CPU的VxWorks實時作業系統中完成，之後將採樣報文寫入DSP與FPGA的雙口 RAM中，DSP利用其定時中斷定時讀取雙口 RAM的報文後發送採樣數據；所述VxWorks實時作業系統嵌入在所述CPU中。其中，所述步驟(3)中，對網絡傳輸環節進行優化設計包括I)採樣網絡的結構採用星型拓撲結構，採用百兆網口，各百兆網絡交換機再通過星型網絡接入千兆網絡交換機；所述百兆網絡交換機是千兆網絡交換機的接入設備；所述採樣裝置是百兆網絡交換機的接入設備；2)所述採樣網絡分別通過所述百兆網絡交換機和千兆網絡交換機埠接入設備的不同各劃分VLAN，減少各埠轉發轉換採樣報文的數量，降低報文隊列延時；或整個採樣網絡也可通過IEEE802. lak-2007標準，通過多播報文註冊協議MMRP實現VLAN的自動劃分，實現虛擬網絡中設備的動態加入和退出。其中，基於網絡傳輸的採樣報文遵循IEEE802. IP標準，採樣報文中採用優先級設置，且將採樣報文的優先級設置為4。其中，整個採樣網絡遵循IEC62439標準，採用冗餘通信網絡協議PRP對整個採樣網絡進行冗餘設計。其中，所述步驟(4)中，採樣接收設備對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理包括A、當採樣設備處於時間同步狀態時，接收設備會按照接收的順序分別填寫接收設備各採樣數據通道的緩衝區；或當採樣設備失去外部對時同步時，接收設備會按照採樣點號進行排列，並以相同米樣點號對同一時間序列(及同一時刻或同一時間段)米樣數據進行處理；B、當採樣報文統一對齊以後，會將採樣數據轉換成32點/周波進行快速傅立葉計算，獲取採樣數據的有效值。其中，當採樣報文由於網絡原因(交換機故障、網絡堵塞等)導致個別採樣報文丟失或者延遲到達時，接收設備會採用三階拉格朗日拋物線插值法進行插值計算，將插值計算後的計算值作為丟失點的採樣數據或者延時點的採樣數據。其中，當連續10個採樣間隔的採樣報文未收到時，接收設備將採樣通道置為異常並告警，對於保護裝置(保護裝置是採樣接收裝置的一種)則同時閉鎖與此採樣值相關的保護功能，對於測控裝置(測控裝置是採樣接收裝置的一種)則將該採樣數據設置為最後接收到的採樣數據，並保持不變。與現有技術比，本發明達到的有益效果是I、本發明提供一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，該方法在採樣環節通過高精度對時，確保採樣數據與採樣時間的高度同步；在採樣發送環節通過等間隔發送，減少數據發送延遲；在網絡傳輸環節進行最優化設計，減少網絡傳輸延時；在數據接收環節進行重採樣。其中採樣環節包括IEEE1588高精度對時、高精度採樣時鐘設計以及高精度守 時電路設計；發送環節採用DSP-FPGA-VxWorks的方式實現數據的等間隔發送；網絡傳輸環節通過採用星型拓撲結構、PRP雙網冗餘設計、報文優先級、VLAN劃分和MMRP協議對網絡進行優化；採樣接收環節包括對正常數據處理和數據丟失、延遲及異常的處理。採用本發明所述的方法，能夠從系統層面統一考慮，提高採樣同步精度，減少網絡延遲，並能夠對採樣異常情況下的數據進行有效處理，能夠有效提高變電站網絡化水平和網絡採樣的可靠性，推動網絡採樣技術在變電站的廣泛應用，提高變電站的智能化水平。2、本發明提供的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，能夠從系統層面統一考慮，解決網絡採樣的對時同步問題、網絡傳輸延時問題以及對報文丟失或者延遲後數據的處理問題，不僅能夠提高網絡採樣的可靠性，有效提高採樣同步精度和降低網絡傳輸延時，同時還能夠有效應對在採樣報文丟失或者延遲等情況下保護、測控裝置的處理問題，能夠有效指導變電站建設。
圖I是本發明提供的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法流程圖；圖2是本發明提供的採樣環節的高精度同步對時的流程圖；圖3是本發明提供的對網絡傳輸環節進行優化設計的流程圖；圖4是本發明提供的採樣數據的接收處理流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。本發明提供的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法流程圖如圖I所示，該方法包括下述步驟(I)採樣環節的高精度對時，確保採樣裝置時間與外部時鐘的高度同步；採樣環節的高精度同步對時包含三個方面，分別是基於IEEE1588的網絡對時、高精度同步採樣時鐘的設計、高精度守時電路的設計，本發明提供的採樣環節的高精度同步對時的流程圖如圖2所示，具體如下①採樣環節的外部對時基於IEEE1588標準，通過採樣裝置(採樣裝置就是變電站中的合併單元，其實現是基於IEEE1588標準的，即採用支撐IEEE158標準的CPU或者德州儀器TI的DP83640網絡晶片)內部CPU或者DP83640網絡晶片(CPU或者DP83640網絡晶片均支持IEEE1588標準)的設置，實現採樣裝置亞微妙級的對時精度。②採樣裝置的同步採樣時鐘採樣恆溫晶振和FPGA (恆溫晶振主要是用來確保時鐘運行的準確性，FPGA用來定時發送採樣脈衝給電子式互感器，而其發送的頻率是通過晶振進行擴頻的，即電網的頻率只有50Hz，每一個周波20ms，但實際採樣頻率可能4000Hz/周波，晶振就是用來保證這4000Hz的精準性，儘量減小其兩次採樣脈衝之間的離散性)的配合，能有效提高採樣脈衝發送的準確性，減少採樣脈衝發送的離散型。通過計算採樣裝置時鐘與外部時鐘的偏差，利用恆溫晶振進行補償，確保採樣裝置在外部對時信號丟失後能在2小時內進行守時，確保時鐘誤差仍然保持在Ius以內。(2)採樣發送環節的等間隔發送，減少數據發送延遲；採樣數據的發送環節採用DSP-FPGA-VxWorks相結合的方式，FPGA發送採樣脈衝並接受電子式互感器返回的原始採樣數據，之後FPGA將其寫入CPU，原始採樣數據基於 IEC61850-9-2標準的組包處理在CPU的VxWorks實時作業系統中完成，之後將採樣報文寫A DSP與FPGA的雙口 RAM中，DSP利用其定時中斷定時讀取雙口 RAM的報文後發送採樣數據；VxWorks實時作業系統嵌入在CPU中。(3)網絡傳輸環節進行最優化設計，減少網絡傳輸延時；本發明提供的對網絡傳輸環節進行優化設計的流程圖如圖3所示，對網絡傳輸環節進行優化設計包括I)採樣網絡的結構採用星型拓撲結構，採用百兆網口，各百兆網絡交換機再通過星型網絡接入千兆網絡交換機；所述百兆網絡交換機是千兆網絡交換機的接入設備；所述採樣裝置是百兆網絡交換機的接入設備；2)所述採樣網絡分別通過所述百兆網絡交換機和千兆網絡交換機埠接入設備的不同各劃分VLAN (百兆交換機和千兆交換機共同組成了一個完整的網絡，VLAN的換分是針對整個網絡接入設備的，存在接入不同百兆交換機的合併單元可能會組成一個VLANjP其連接就包含千兆交換機)，減少各埠轉發轉換採樣報文的數量，降低報文隊列延時；或整個採樣網絡也可通過IEEE802. lak-2007標準，通過多播報文註冊協議MMRP實現VLAN的自動劃分，實現虛擬網絡中設備的動態加入和退出。基於網絡傳輸的採樣報文遵循IEEE802. IP標準，採樣報文中採用優先級設置，且將採樣報文的優先級設置為4。整個採樣網絡遵循IEC62439標準，採用冗餘通信網絡協議PRP對整個採樣網絡進行冗餘設計。(4)採樣接收設備對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理；本發明提供的採樣數據的接收處理流程圖如圖4所示，採樣接收設備(採樣接收設備主要指保護裝置和測控裝置)對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理包括A、當採樣設備處於時間同步狀態時，接收設備會按照接收的順序分別填寫接收設備各採樣數據通道的緩衝區；或當採樣設備失去外部對時同步時，接收設備會按照採樣點號進行排列，並以相同米樣點號對同一時間序列(及同一時刻或同一時間段)米樣數據進行處理；
B、當採樣報文統一對齊以後，會將採樣數據轉換成32點/周波進行快速傅立葉計算，獲取採樣數據的有效值。其中，當採樣報文由於網絡原因(交換機故障、網絡堵塞等)導致個別採樣報文丟失或者延遲到達時，接收設備會採用三階拉格朗日拋物線插值法進行插值計算，將插值計算後的計算值作為丟失點的採樣數據或者延時點的採樣數據。其中，當連續10個採樣間隔的採樣報文未收到時，接收設備將採樣通道置為異常並告警，對於保護裝置(保護裝置是採樣接收裝置的一種)則同時閉鎖與此採樣值相關的保護功能，對於測控裝置(測控裝置是採樣接收裝置的一種)則將該採樣數據設置為最後接收到的採樣數據，並保持不變。本發明就是針對當前變電站內部網絡採樣應用存在的問題，利用現有的工程經驗以及最新技術，提出了一種提高變電站網路採樣可靠性的系統方法，能夠有效解決網絡採樣的對時同步問題、網絡傳輸延時問題以及對報文丟失或者延遲後數據的處理問題，不僅能夠提高網絡採樣的可靠性，有效提高採樣同步精度和降低網絡傳輸延時，同時還能夠有 效應對在採樣報文丟失或者延遲等情況下保護、測控裝置的處理問題，能夠有效指導變電站建設，推動網絡採樣技術在變電站內的應用。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述方法包括下述步驟 (1)採樣環節的高精度同步對時； (2)採樣發送環節的等間隔傳輸； (3)對網絡傳輸環節進行優化設計； (4)採樣接收設備對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理。
2.如權利要求I所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述步驟(I)中，所述高精度同步對時包括網絡對時、高精度同步採樣時鐘電路設計和高精度守時電路設計。
3.如權利要求2所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述網絡對時基於IEEE1588標準，通過採樣裝置內部CPU或者DP83640網絡晶片的設置，實現採樣裝置亞微妙級的對時精度。
4.如權利要求2所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述高精度同步採樣時鐘電路採用恆溫晶振和FPGA的配合；所述高精度守時電路採用採樣裝置時鐘與外部時鐘的偏差並通過所述恆溫晶振進行補償。
5.如權利要求I所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，採樣數據的發送環節採用DSP-FPGA-VxWorks相結合的方式，FPGA發送採樣脈衝並接受電子式互感器返回的原始採樣數據，之後FPGA將其寫入CPU，原始採樣數據基於IEC61850-9-2標準的組包處理在CPU的VxWorks實時作業系統中完成，之後將採樣報文寫A DSP與FPGA的雙口 RAM中，DSP利用其定時中斷定時讀取雙口 RAM的報文後發送採樣數據； 所述VxWorks實時作業系統嵌入在所述CPU中。
6.如權利要求I所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述步驟(3)中，對網絡傳輸環節進行優化設計包括 1)採樣網絡的結構採用星型拓撲結構，採用百兆網口，各百兆網絡交換機再通過星型網絡接入千兆網絡交換機；所述百兆網絡交換機是千兆網絡交換機的接入設備；所述採樣裝置是百兆網絡交換機的接入設備； 2)所述採樣網絡分別通過所述百兆網絡交換機和千兆網絡交換機埠接入設備的不同各劃分VLAN，減少各埠轉發轉換採樣報文的數量，降低報文隊列延時；或 整個採樣網絡也可通過IEEE802. lak-2007標準，通過多播報文註冊協議MMRP實現VLAN的自動劃分，實現虛擬網絡中設備的動態加入和退出。
7.如權利要求6所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，基於網絡傳輸的採樣報文遵循IEEE802. IP標準，採樣報文中採用優先級設置，且將採樣報文的優先級設置為4。
8.如權利要求6所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，整個採樣網絡遵循IEC62439標準，採用冗餘通信網絡協議PRP對整個採樣網絡進行冗餘設計。
9.如權利要求I所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，所述步驟(4)中，採樣接收設備對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理包括 A、當採樣設備處於時間同步狀態時，接收設備會按照接收的順序分別填寫接收設備各採樣數據通道的緩衝區；或 當採樣設備失去外部對時同步時，接收設備會按照採樣點號進行排列，並以相同採樣點號對同一時間序列採樣數據進行處理； B、當採樣報文統一對齊以後，會將採樣數據轉換成32點/周波進行快速傅立葉計算，獲取採樣數據的有效值。
10.如權利要求9所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，當採樣報文由於網絡原因導致個別採樣報文丟失或者延遲到達時，接收設備會採用三階拉格朗日拋物線插值法進行插值計算，將插值計算後的計算值作為丟失點的採樣數據或者延時點的採樣數據。
11.如權利要求9所述的提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，其特徵在於，當連續10個採樣間隔的採樣報文未收到時，接收設備將採樣通道置為異常並告警，對於保護裝置則同時閉鎖與此採樣值相關的保護功能，對於測控裝置則將該採樣數據設置為最後接收到的採樣數據，並保持不變。
全文摘要
本發明涉及一種提高變電站網絡採樣可靠性的系統方法，該方法包括下述步驟(1)採樣環節的高精度同步對時；(2)採樣發送環節的等間隔傳輸；(3)對網絡傳輸環節進行優化設計；(4)採樣接收設備對接收的採樣數據進行重採樣，對採樣數據進行統一處理。該方法能夠從系統層面統一考慮，解決網絡採樣的對時同步問題、網絡傳輸延時問題以及對報文丟失或者延遲後數據的處理問題，不僅能夠提高網絡採樣的可靠性，有效提高採樣同步精度和降低網絡傳輸延時，同時還能夠有效應對在採樣報文丟失或者延遲等情況下保護、測控裝置的處理問題，能夠有效指導變電站建設，推動網絡採樣技術在變電站內的應用。
文檔編號H04L12/24GK102801557SQ20121026523
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者樊陳, 徐歆, 姚志強, 倪益民, 竇仁暉, 趙東坡 申請人:中國電力科學研究院, 國家電網公司