一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法技术

本发明专利技术公开了一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，包括以下步骤，1)将级联系统划分为四个层次；2)确定级联系统的采样间隔Ts，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道；3)依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的对同步采样和同步传输及链路管理的各层装置；4)计算各层的信道延迟量；5)重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号；6)以采样周期Ts为节拍控制数据传输。本发明专利技术解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，同步精度和实时性高，通道建设成本和施工工作量低，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法
本专利技术涉及适用于在分散距离较远的多个关联节点之间的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，属于电力系统保护和工业控制

技术介绍
在电力系统广域保护和广域过程控制领域，为精确地保留信号的相位信息，或对异步发生的事件进行精确时序分析，需要对某一组过程量进行严格异地同步等间隔采集。为了提高系统实时处理能力和异步事件响应速度需要各个过程量采集控制装置的采样数据能够实时上送，并且处理装置的命令设置信息需要实时地发往执行机构或调节机构，一些标准对同步采样和数据传输抖动更是提出近乎严苛的要求，如IEC61850-5就定义了3个等级的采样值同步准确度：T3、T4和T5，其中用于计量T5等级，则要求为1μs。对广域测量和控制系统来说，系统规模大、测控节点物理分布较远、组网成本高，如何保证全系统的严格等间隔同步采样和实时数据的同步低抖动回传就成为难题。针对这类应用，还没有统一的实现方法，现有的同步采样控制方法主要包括以下四种方法：(1)遵循IEC61850体系结构，由一个精确时钟源同步多个合并器，再由合并器产生控制ADC的启动信号，实现多节点采样；(2)基于IEEE1588精确时间协议PTP(PrecisionTimeProtoco1)的同步采样系统，通过对满足多点通信的分布式控制系统采用多播技术终端设备的时钟进行微秒级同步，进而根据绝对时间实现采样同步；(3)基于卫星时钟同步法，利用GPS或北斗模块为不同物理分布节点提供秒脉冲，各节点采样同步于GPS或北斗模块输出的秒脉冲实现全局同步采样；(4)由一个通信装置产生同步命令帧，过程量采集控制装置在同步命令帧的控制下启动本地数据转换，同时回传上一个采样间隔的采样数据和协议数据，在一对通信链路上实现同步控制和数据传输。上述的同步采样控制方法的均存在不足之处：对于方法(1)，IEC61850体系结构需要独立的同步通道，普遍采用秒脉冲同步合并器，这种体系结构没有考虑传输链路长度影响，而且数据传输的方向是单向的，在需要主从节点交互信息时不适用，对同步钟源和本地时钟要求高，且本地需要执行复杂的时钟驯服算法。此外，由于引入了专门的同步接口和同步网络，实际上增加了系统成本和复杂性。对于方法(2)，基于IEEE1588的同步采样方法，需要支持IEEE1588协议的网络硬件接口和交换设备，增加额外的成本。而且，由于IEEE802.3对以太网传输距离和网络传输延时有要求，使之不适用物理上分布较远的多个节点之间的同步采集和控制，IEEE1588每秒启动一次同步过程，在时钟校同步失败后，再次同步需要反复计算两侧时钟的相对误差Δt，同步延时较长。此外，在高速多节点采集控制装置连接到同一个主控节点时，重载时网络冲突加剧，影响实时数据传输，不能保证每个采样数据在固定的时延下传输到数据处理终端。对于方法(3)，GPS和北斗同步法受捕获卫星数量影响，以及自然环境和社会环境等因素的制约，并且需要相应的硬件支持，对天线的安装位置要求较高，需要额外的数据传输通道，成本较高。对于方法(4)，基于非级联通信装置控制同步采样和数据传输的方法在系统规模扩大且距离很远时，需要连接多个点对点的链路，增加工程施工成本且系统容量扩充困难。以上几种方法虽可解决同步采样问题，但都没有涉及广域数据同步传输问题，尤其是对传输的实时性有严格要求的场合。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足及缺陷，本专利技术的硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，解决了不同物理分布的多个通过多级级联的采集控制节点之间由于物理链路长度和软件协议栈所产生的额外时延及为关键业务数据提供硬实时转发能力，同步精度和实时性高，通道建设成本和施工工作量低，具有良好的应用前景。为了达到上述的目的，本专利技术采用如下技术方案实现：一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置、位于系统第三层的数据合并和转发装置，位于系统第四层的是数据采集和控制终端；步骤(2)，确定级联系统的采样间隔Ts，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；(b)构建第三层的数据合并和转发装置，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息编码的信号连接采集控制装置；(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；(d)以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：(a)数据交换和通信管理装置的端口在T1时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T2时刻接收到该报文，并在T3时刻发回测距应答报文，该报文在T4时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间Tpkt_correct后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟Tmu_delay和时钟偏差Tmu_offset，Tmu_delay＝{[(T4-Tpkt_correct)-T1]-(T2-T3)}/2(1)Tmu_offset＝{(T2-T1)+[T3-(T4-Tpkt_correct)]}/2(2)(b)第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T5时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T6时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T7时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟Tdae_delay为，Tdae_delay＝(T7-T5)/2(3)；步骤(5)，根据步骤(4)测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，(a)第二层的数据交换和通信管理装置以Ts为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置、位于系统第三层的数据合并和转发装置，位于系统第四层的是数据采集和控制终端；步骤(2)，确定级联系统的采样间隔Ts，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；(b)构建第三层的数据合并和转发装置，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息的编码信号连接采集控制装置；(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；(d)以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：(a)数据交换和通信管理装置的端口在T1时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T2时刻接收到该报文，并在T3时刻发回测距应答报文，该报文在T4时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间Tpkt_correct后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟Tmu_delay和时钟偏差Tmu_offset，Tmu_delay＝{[(T4‑Tpkt_correct)‑T1]‑(T2‑T3)}/2   (1)Tmu_offset＝{(T2‑T1)+[T3‑(T4‑Tpkt_correct)]}/2   (2)(b)第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T5时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T6时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T7时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟Tdae_delay为，Tdae_delay＝(T7‑T5)/2   (3)；步骤(5)，根据步骤(4)测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，(a)第二层的数据交换和通信管理装置以Ts为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含同步信息的背景扫描控制报文，为级联的第三层的数据合并和转发装置提供同步参考；(b)第三层的数据合并和转发装置从第二层的数据交换和通信管理装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为Ts的外同步信号，再将该信号超前移相Ts‑Tmu_delay作为本地同步信号(以下简称MSYN)；超前移相Ts‑2Tmu_delay后作为本地实时数据发送的触发信号(以下简称MU_TX_SYN)，其中Tmu_delay为数据合并和转发装置根路径延迟；(c)第三层的数据合并和转发装置在本地同步信号(MSYN)的触发下向各下级的第四层的数据采集和控制终端发送间隔Ts的背景扫描控制报文，为第四层的数据采集和控制终端提供同步参考；(d)第四层的数据采集和控制终端从第三层的数据合并和转发装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为Ts的外同步信号(以下简称DSYN)，再将该信号超前移相Ts‑Tdae_delay作为本地同步信号，Tdae_delay为第三层的数据合并和转发装置与四层的是数据采集和控制终端的链路延迟；(e)第四层的数据采集和控制终端在恢复出的本地同步信号(DSYN)的触发下控制本地的模拟量或数字量的采集，完成系统级同步采样控制；步骤(6)，本地同步信号建立以后，以采样周期Ts为节拍控制数据传输，每个节拍传送的数据的过程如下，(a)第三层...

【技术特征摘要】
1.一种硬实时级联式多节点同步采样和数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)，将级联系统划分为四个层次，包括位于系统第一层的数据处理设备和时间服务器、位于系统第二层的数据交换和通信管理装置、位于系统第三层的数据合并和转发装置，位于系统第四层的是数据采集和控制终端；步骤(2)，确定级联系统的采样间隔Ts，并将物理信道划分为实时和非实时两个逻辑信道，按业务的时间特性需求，将具有硬实时要求的业务归入到实时逻辑信道中传输，将通用业务归入非实时逻辑信道传输，并通过带宽保留法为实时逻辑信道划分固定带宽和传输时隙，保证在固定时刻传送实时业务；步骤(3)，依次构建级联系统中第二层、第三层、第四层的同步采样和同步传输及链路管理的各层装置，(a)构建第二层的数据交换和通信管理装置，该装置通过上行以太网接口与第一层的数据处理设备相连，通过下行支持硬件优先级功能的网口级联第三层的数据合并和转发装置，通过一个IP业务端口接入通用网络业务数据，同时通过连接时间服务器，接收绝对时间和同步参考信号；(b)构建第三层的数据合并和转发装置，该装置通过支持硬件优先级功能的网口向上连接上一级的数据合并和转发装置或第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口，通过支持硬件优先级功能的网口向下级联到下一级数据合并和转发装置，普通业务通过一个IP业务端口接入，通过含同步信息的编码信号连接采集控制装置；(c)构建系统第四层的是数据采集和控制终端，负责过程量采集和执行输出，通过接收来自数据合并和转发装置的编码信号，利用恢复出的同步信号控制数据采集和采集数据回传；(d)以第二层的数据交换和通信管理装置的下行端口为根节点划分冲突域，同步建立过程在不同的冲突域中独立进行，而同一个冲突域中实时数据传输需要在同步建立之后；步骤(4)，在系统建立后的第二层的数据交换和通信管理装置、第三层的数据合并和转发装置、第四层的是数据采集和控制终端之间通过一组报文交换进行延迟测量，测量过程如下：(a)数据交换和通信管理装置的端口在T1时刻发送由硬件标记的测距报文，数据合并和转发装置在T2时刻接收到该报文，并在T3时刻发回测距应答报文，该报文在T4时刻到达数据交换和通信管理装置，在补偿因软件延迟产生的修正时间Tpkt_correct后，根据公式(1)和公式(2)，计算数据交换和通信管理装置的端口和第三层对应的数据合并和转发装置路径延迟Tmu_delay和时钟偏差Tmu_offset，Tmu_delay＝{[(T4-Tpkt_correct)-T1]-(T2-T3)}/2(1)Tmu_offset＝{(T2-T1)+[T3-(T4-Tpkt_correct)]}/2(2)(b)第三层的数据合并和转发装置在同步脉冲的控制下在T5时刻发送同步编码信号，数据采集和控制终端在T6时刻解码并恢复出帧同步信号,与此同时在该信号的触发下立即回发包含采样数据的报文，而数据合并和转发装置在T7时刻解码并恢复出帧同步信号，根据公式(3)计算第三层的数据合并和转发装置与四层的数据采集和控制终端的链路延迟Tdae_delay为，Tdae_delay＝(T7-T5)/2(3)；步骤(5)，根据步骤(4)测得的链路延迟，重建第三层的数据合并和转发装置、第四层的数据采集和控制终端的本地同步信号，过程如下，(a)第二层的数据交换和通信管理装置以Ts为间隔，周期性地向所有下行端口发送包含同步信息的背景扫描控制报文，为级联的第三层的数据合并和转发装置提供同步参考；(b)第三层的数据合并和转发装置从第二层的数据交换和通信管理装置下行的背景扫描控制报文中用数字锁相环提取出周期为Ts的外同步信号，再将该信号超前移相Ts-Tmu_delay作为本地同...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞吉耀，
申请(专利权)人：南京磐能电力科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32