CN104054284B

CN104054284B - 通过分组交换网络的数据传输

Info

Publication number: CN104054284B
Application number: CN201380005977.6A
Authority: CN
Inventors: D.卡钦; R.贝奇里; A.盖加西; H.斯皮伊斯
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: US9537648B2; CN104054284A; EP2618502A1; WO2013107896A1; RU2567379C1; EP2805441B1; US20140328356A1; HK1202191A1; BR112014017634A2; CA2858777C; BR112014017634A8; CA2858777A1; EP2805441A1

Abstract

用于传输测量数据28a的方法包括以下步骤：在第一通信模块22a中接收测量数据28a；在第一模块中用时间标签34对测量数据28a印时间戳；经由分组交换数据网络24将测量数据28a传输到第二通信模块22b；以及在预定义延迟时间Δt_D之后在对测量数据28a印时间戳之后输出传输的测量数据30a。

Description

通过分组交换网络的数据传输

技术领域

本发明涉及电力系统中数据传输的领域。特别地，本发明涉及通过分组交换数据网络在时间同步的通信模块之间的数据传输。

背景技术

在线路差动保护中，电力线受到在电力线的两个遥远位置或末端处放置的两个线路差动保护继电器的保护。通过比较不同位置处电力线中电流的相位信息，差动保护继电器可检测电力线上的关键情形（像短路）并且可在将导致对电设备的损坏之前使电力线与电网隔离。

按常规，在电力线的不同位置中的每个处定位测量设备，其测量通过电力线的实际电流。每个测量设备的数据然后可发送到差动保护继电器，其比较来自不同测量设备的数据例如来确定电力线的两个不同点处的两个电流之间的相移。在这里，出现需要比较在相同时间测量的数据并且保护继电器可因此需要知道由通信链路引起的时间延迟的问题。

电力公用事业在大部分情况下使用电路交换SDH（同步数字体系）或SONET（同步光网络）网络用于任务关键的操作数据（像遥护信令或SCADA控制和监管数据）的广域通信。备选地，电力公用事业的遥远位置之间的数据通信可依靠分组交换数据网络（像以太网）。然而，分组交换数据网络可具有可变的分组等待时间或分组延迟变化，即，分组从第一设备发送到第二设备的传输时间可随时间变化。此外，分组从第一设备发送到第二设备的传输时间可与分组从第二设备发送到第一设备的传输时间不同。因此，可能使通过分组交换网络传输的数据同步证明是困难的。

1983年12月IEEE Journal卷SAC-1、第6期的W.A. Montgomery的题为“Techniquesfor Packet Voice Synchronization”的文章描述通过分组交换网络传输分组的语音并且从以变化的传输延迟并且甚至无序到达的一组分组重建连续语音流的方法。在长途网络中，传播延迟可超过100ms，而明显的分组间延迟变化由在交换机中排队的分组引起。在由于成本原因而认为不利的实施例中，分组发送器和接收器同步到相同的绝对时间参考，并且每个分组携带它的产生时间的指示。对于到达的分组，目标播出时间确定为分组产生时间之后的固定间隔。发送器和接收器处时钟的同步牵涉具有已知传播延迟的可靠独立信道。

发明内容

本发明的目标可是使用分组交换通信网络用于将同步时分复用（TDM）数据传输到远程线路差动保护继电器。该目标可由独立权利要求的主旨实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下面的描述中显而易见。

本发明的方面涉及通过分组交换数据网络在时间同步通信模块之间传输数据的方法。

根据本发明的实施例，方法包括以下步骤：在第一或源通信模块中接收同步TDM数据；在第一模块处生成时间戳，该时间戳指示在第一模块处同步TDM数据的接收时间，特别地指示随后要打包到数据分组内的位序列的第一位的接收时间；经由分组交换数据网络将在数据分组中接收数量的数据传输到第二或目的地通信模块；以及由第二模块在第一模块处的数据接收时间之后经过预定义时间延迟后采用同步的形式输出传输的数据。简而言之，方法以在同步TDM数据的源与目的地之间的预定义和可控延迟来仿真电路交换通信链路。

时间戳从第一通信模块的第一时钟（其同步到第二模块处的第二时钟）生成。预定义时间延迟或延迟时间至少持续某一时段地具有恒定值，并且可由运营商或自动适应机制配置并且最终更改。第二模块处的实际输出时间可由第一模块确定（在该情况下输出时间连同数据一起传输到第二模块），或由第二模块基于从第一模块传输的时间戳而确定。

在优选实施例中，本发明适用于连续测量数据的通信，或分别为了电力传输系统或运营公用事业的利益而适用于控制或保护数据。特别地，为了电力线的线路差动保护的目的，第二模块连接到线路差动继电器，向该线路差动继电器提供输出数据并且它控制用于中断电力线的开关。标准线路差动保护继电器设计成用于以恒定时间延迟接收同步TDM数据流，并且从而在结合到远程线路差动保护继电器的通信链路使用时不必被替换，其经由根据本发明的分组交换网络硬件而建立。

在优选实施例中，基于时间戳与第二通信模块的第二时钟的时钟时间（其指示第二模块处的分组接收时间）之间的差计算第二模块处的传输时间。在等待基于传输时间与预定义延迟时间之间的差的等待时间后，第二通信模块可输出传输的数据。等待输出或使之延迟的动作可通过在第二模块处将传输数据写到抖动输出缓冲器的合适的位置来实现。

本发明的另外的方面涉及用于通过分组交换数据网络传输数据的计算机程序，其在由处理器或FPGA执行时适应于实施如在上文和在下面描述的方法的步骤，并且适应于其中存储这样的计算机程序的计算机可读介质。

计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB（通用串行总线）存储设备、RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、EPROM（可擦除可编程只读存储器）和FLASH存储器。计算机可读介质还可以是数据通信网络，例如因特网，其允许下载程序代码。

本发明的另外的方面涉及目的地或第二通信模块，例如连接到电力系统的保护继电器的通信模块。该通信模块可以是保护继电器的部分或可以是通信地连接到保护继电器的独立设备。

根据本发明的实施例，目的地通信模块适应于执行如在上文和在下面描述的方法。例如，目的地通信模块可适应于经由分组交换数据网络从源或第一通信模块接收传输的数据。通信模块可配置成在源通信模块中的数据的印时间戳之后在预定义时间延迟终止之后输出传输的数据。

本发明的另外的方面涉及用于电力系统的通信系统，其包括由分组交换数据网络互连的至少两个这样通信模块。

根据本发明的实施例，通信系统适应于执行如在上文和在下面描述的方法。这样的通信系统可适应于向远程保护继电器提供具有预定义延迟时间的同步TDM数据。

本发明的这些和其他方面从下文描述的实施例将是明显的并且将参考它们来解释。

附图说明

本发明的主旨将在下列正文中参考在附图中图示的示范性实施例更加详细地说明。

图1示意地示出根据本发明的实施例的电力系统。

图2示出根据本发明的实施例具有时间延迟的图。

图3示出根据本发明的实施例传输数据的方法的流程图。

图4示出根据本发明的实施例使通信模块同步的方法的流程图。

原则上，相同的部件在图中提供有相同的标号。

具体实施方式

图1示出具有电力线12的电力系统10。在该电力线12中，两个保护继电器18a、18b位于远程位置或变电站14a、14b处。这两个保护继电器18a、18b远离彼此超出十或甚至超出一百公里，这可是可能的。

每个保护继电器18a、18b控制开关16a、16b用于中断电力线12。例如，电力线12可利用开关16a、16b中的一个从电网断开。

此外，每个保护继电器18a、18b连接到用于测量电力线12中的电流的测量模块20a、20b和用于与电力系统10的另外的设备数据通信的通信模块22a、22b。

两个保护继电器18a、18b经由分组交换数据网络24而互连用于数据通信，该分组交换数据网络24例如可以是以太网或IP或MPLS网络。特别地，通信模块22a、22b可彼此交换数据分组26。

例如，测量模块20a可生成连续测量数据，其提供给保护继电器18a用于处理并且随后作为同步TDM测量数据28a而在第一通信模块22a中接收并且存储在数据分组26中。第一通信模块22a可经由数据网络24将数据分组26传输到第二通信模块22b，其从数据分组26提取传输的同步TDM测量数据30a并且将连续数据流中的数据输出到保护继电器18b。

保护继电器18b可适应于从测量模块20b接收测量数据并且可将传输的测量数据30a与之前的数据比较用于在测量模块20a、20b的两个位置处检索测量电流之间的相位差信息。

必须注意保护继电器18a、18b可等同地设计并且数据交换和数据的处理可完全对称。例如，来自保护继电器18b的同步TDM数据28b可传输到保护继电器18a并且可作为传输的同步TDM数据30b而输出。

因为数据分组26经由数据网络24的传输需要时间，传输的测量数据30a相对于已经在与测量模块20a测量测量数据28a相同的时间由测量模块20b测量的测量数据而延迟。

可配置保护继电器18a、18b使得它假设传输的测量数据30a、30b相对于测量模块20a、20b处的本地测量具有恒定的时间延迟。

因为数据网络24被分组交换，两个通信模块22a、22b之间的数据分组26的传输时间可随时间变化并且还可关于传输方向是不对称的。例如，数据分组26从通信模块22a发送到通信模块22b的传输时间可与数据分组26从通信模块22b发送到通信模块22a的传输时间不同。数据分组26的非恒定传输时间也可叫作分组延迟变化。

通信系统32（其包括通信模块22a、22b和数据网络24）能够补偿该可变抖动，如将在下面解释的。

为了实现此，通信模块22a将时间戳或标签34存储在数据分组26中。该时间标签34可从通信模块22a的本地时钟36a的时钟时间生成。在接收数据分组26之后，通信模块22b计算数据分组26的特定传输的传输时间并且等待直到在传输的测量数据30a输出到保护继电器18b之前已经过去的预定义延迟时间。在等待时间期间，数据分组26和/或测量数据28a可存储在通信模块22b的抖动缓冲器38b中。（通信模块22a还可具有抖动缓冲器38a，用于存储来自通信模块22b的数据分组26）。

图2示出在该计算期间可使用的具有不同时间的图。

在时间点t_S处，数据28a存储在数据分组中并且用时间标签34印时间戳。在时间点t_R处，数据28a在第二通信模块22b处接收，并且在时间点t_O处，传输的数据30a输出到保护继电器18b。

通信模块22b计算作为时间点t_R与t_S之间的差的传输时间Δt_T和作为预定义延迟时间Δt_D与传输时间Δt_T之间的差的等待时间Δt_W。时间点t_R基于第二通信模块22b的本地时钟36b的时钟时间而确定。

图3示出传输数据的方法，其将参考图1和2解释。

在步骤100中，第一测量模块20a通过测量电力线12的第一位置处的第一电流而生成第一测量数据。

在步骤102中，测量数据在保护继电器18a处处理或操纵并且随后作为同步TDM测量数据28a在第一通信模块22a中接收。第一通信模块22a将同步TDM测量数据28a写入数据分组26中。

例如，大约0.125μs至几ms的同步TDM数据28a作为有效载荷分组到以太网、IP或MPLS分组26内。

在步骤104中，通信模块22a用时间标签34对第一测量数据28a印时间戳。该时间标签34生成有第一时钟36a的实际时钟时间。时间标签34可存储在数据分组26中。例如，指示分组26中的数据28a的第一位在通信模块22a中接收所在的天信息的时间的时间标签34另外作为有效载荷的部分分组到以太网、IP或MPLS分组内。

在步骤106中，数据分组26并且特定地第一测量数据28a和时间标签34经由分组交换数据网络24传输到第二通信模块22b。

在步骤108中，数据分组26在第二通信模块22b中接收。第二通信模块22b可从数据分组26提取第一测量数据28a和时间标签34。

此外，第二通信模块22b从时间标签34计算传输时间Δt_T和等待时间Δt_W。传输时间Δt_T基于第二时钟36b的实际时钟时间与第二通信模块22b中的时间标签34之间的差而计算。等待时间Δt_W基于预定义延迟时间Δt_D与传输时间Δt_T之间的差而计算。

在步骤110中，通信模块22b将传输的测量数据30a存储在第二通信模块22b的抖动缓冲器38b中并且等待计算的等待时间Δt_W。采用这样的方式，通信模块22b持续等待时间Δt_W地使传输的测量数据30a的输出延迟。

在步骤112中，第二通信模块22b在同步TDM测量数据28a的印时间戳之后在预定义延迟时间Δt_D处输出传输的测量数据30a。传输的测量数据30a可包括测量模块20a处电流测量的测量值。

特定地，传输的测量数据30a输出到保护继电器18b。

总的来说，在时间点t_S处发送出的测量数据28a在时间点t_O处输出，该时间点t_O控制为时间点t_S之后的预定义延迟时间Δt_D。采用这样的方式，方法例如对于线路差动保护的应用可视为分组交换网络24上的电路仿真，或通信系统32可视为包括仿真的电路交换通信链路40。

从而，方法可提供基于以太网的广域通信网络24上的电路仿真服务，其适合于线路差动保护的应用。

例如，包含特定时间间隔的测量数据28a的以太网、IP或MPLS分组26（其可经由同步通信链路而被通信模块22a接收）传送到电路仿真服务的目的地节点（即，通信模块22b）。在通信模块22b中，测量数据28a可再次序列化并且放置在抖动缓冲器38b中。抖动缓冲器38b可用于补偿分组交换网络24上的通信延迟变化。使用同步频率来读出数据位，可再生成同步TDM信号30a，其可经由分组交换网络24而仿真并且可保证低的所得抖动和漫游值。

另外传输的时间标签34的信息可用于以高准确性控制仿真电路40的延迟。凭借时间标签34，电路仿真服务的接收节点（即，第二通信模块22b）可在测量数据28a的特定数据间隔的第一位已经到达电路仿真服务的发送节点（即，通信模块22a）时获得确切的绝对时间。

必须注意若干技术可用，其可支持分组交换网络上电路交换线路的仿真，像例如分组CESoP上的电路仿真服务。在与通信网络元件（例如，同步以太网Sync-E）的高度准确同步结合时或在与通过对于特定通信服务（例如，像多协议标签交换（MPLS））具有保留带宽和保证的优先级的分组交换网络的点到点通信路径结合时，这些技术可支持低的分组延迟变化并且从而支持同步TDM信号的低的不对称通信延迟。

然而，在模块22a、22b之间的不对称通信延迟的情况下，仅在上文和在下面描述的方法可适合于实现通常线路差动保护所需的对数据同步的要求。

在步骤114中，测量模块20b通过测量电力线12的第二位置处的第二电流而生成第二测量数据。该第二测量数据提供给保护继电器18b。

在同时执行测量模块20a、20b的两个测量时，对应测量数据在保护继电器18b处的到达时间相对于彼此具有预定义延迟时间Δt_D。

在步骤116中，保护继电器18b采用比较相等时间点的测量这样的方式处理测量数据。保护继电器18b感知恒定的延迟时间Δt_D并且相应地使传输的测量数据30a移位。例如，可比较电力线12的两个不同点的相位信息并且可在线路保护继电器18a与18b之间执行线路差动保护。

两个保护继电器18a、18b可通过补偿本地测量数据与远程测量数据30a、30b之间的已知固定和无抖动延迟而使来自远程终端的测量数据30a、30b与本地测量数据按时间相关。

对于线路差动保护的仿真电路交换通信链路40展现下面的性质。

通信链路40每方向具有不超出10ms的固定通信延迟Δt_D。这可由对保护继电器18a、18b中的保护应用的要求推动以在某些时间极限内对受保护的电力线12上的故障作出反应。

通信链路40将低的抖动添加到通过通信链路40传输的测量数据28a、28b中的当前测量值。

通信链路40在两个通信方向之间具有不超出160μs的差分延迟。160μs的要求可由线路差动保护的目标推动来检测低至3°的相位误差，其在50Hz电网中对应于大约160μs。

图4示出用于使通信模块22a和22b的时钟36a、36b同步的方法的流程图。图4的方法可在图3的方法之前执行。

对于在适合于线路差动保护应用的分组交换网络24上的电路仿真服务，可不仅需要两个通信模块22a、22b的精确频率同步以便使通信链路40的抖动（和漫游，‘慢抖动’）保持为低的，另外还需要通信模块22a、22b的精确的天同步的时间以便在每个方向上精确地控制通信链路40的通信延迟。假设每个方向上的通信延迟可每方向以160μs/2=80μs的准确性来调整，所得的两个方向之间的不对称延迟将很好地控制在上文的160μs的极限内。

这些要求可通过使本地时钟36a、38b与全局主时钟50同步而满足。如在图1中指示的，连接到分组交换数据网络24的另外的设备52可包括主时钟50。

在步骤200中，第一通信模块22a的第一时钟36a经由分组交换数据网络24而与主时钟50同步。

在步骤202中，第二通信模块22b的第二时钟36b经由分组交换数据网络24而与主时钟50同步。

采用这样的方式，用于生成时间标签34的第一时钟36a和用于计算延迟时间Δt_T的第二时钟36b可以高准确性地同步。

为了时钟36、36b、50的同步，可使用根据IEEE 1588v2的时间和频率同步协议（也叫作精确时间协议（PTP））以便实现通信网络24中所有通信节点（即，通信模块22a、22b、52）的频率和时间同步。

如果所有网络节点（即通信模块22a、22b和52）实现例如根据IEEE C37.238的简档-功率简档-IEEE 1588v2的，每单个网络节点22a、22b、52的同步中的不确定性可不超出50ns。也就是说，包括200个通信节点的数据网络24可仍实现同步误差，其不超出10μs。这可是足够的，以便实现点到点电路仿真服务，其在路径延迟调整中具有需要的准确性。

在通信模块22a（其形成分组交换网络24上的电路仿真线路40的起始点）中接收的同步TDM测量数据28a然后可使用经由数据网络24而用IEEE 1588v2同步的本地时钟36a以高准确定性地印时间戳。

使用也可同步到相同IEEE 1588v2主时钟50的本地时钟36b（像时钟36a），电路仿真服务的接收节点（即，通信模块22b）然后可使同步传输的测量数据30a的再生延迟，使得以高准确性地满足预定义通信延迟Δt_D。

尽管本发明已经在图和前述描述中详细地图示和描述，这样的图示和描述要认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。对公开的实施例的其他变化形式可以被本领域内技术人员理解和实现并且从对图、公开和附上的权利要求的学习实践本要求权利的发明。在权利要求中，词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一（a）”或“一（an）”不排除多数。单个处理器或控制器或其他单元可实现在权利要求中列举的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的这一事实不指示这些措施的组合无法被有利地使用。在权利要求中的任何标号不应该解释为限制范围。

Claims

1.一种通过分组交换数据网络（24）在时间同步的通信模块（22a，22b）之间传输数据的方法，所述方法包括以下步骤：

在第一通信模块（22a）中接收同步TDM数据（28a）；

由所述第一通信模块（22a）生成时间戳（34），其指示在所述第一通信模块处所述同步TDM数据（28a）的接收时间；

经由所述分组交换数据网络（24）在数据分组（26）中将接收的同步TDM数据（28a）传输到第二通信模块（22b）；

由所述第二通信模块（22b）在通过将预定义延迟时间添加到所述时间戳（34）而确定的输出时间处输出传输的同步TDM数据（30a），

其中所述预定义延迟时间至少持续某一时段地具有恒定值。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

在所述数据分组（26）中将所述时间戳（34）传输到所述第二通信模块（22b）；或

由所述第一通信模块（22a）确定所述输出时间并且在所述数据分组（26）中将所述输出时间传输到所述第二通信模块（22b）。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一通信模块（22a）和所述第二通信模块（22b）是电力系统的通信网络的节点，其中所述同步TDM数据（28a）包括测量数据，并且其中所述预定义延迟时间小于10ms，所述方法进一步包括以下步骤：

由所述第二通信模块（22b）向配置成保护所述电力系统的电力线（12）的线路差动保护继电器（18b）提供传输的同步TDM数据（30a）。

4.如权利要求3所述的方法，其中包括所述第一通信模块（22a）、所述第二通信模块（22b）和所述分组交换数据网络（24）的对于同步TDM数据（28a）的通信链路（40）每方向具有比80μs更好的通信延迟准确性。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：

由所述第二通信模块（22b）基于在所述第二通信模块（22b）处所述数据分组（26）的分组接收时间与所述时间戳（34）之间的差来计算传输时间；

计算作为所述预定义延迟时间与所述传输时间之间的差的等待时间；

持续所述等待时间地使传输的同步TDM数据（30a）的输出延迟。

6.如权利要求5所述的方法，进一步包括以下步骤：

将传输的同步TDM数据（30a）持续所述等待时间地存储在所述第二通信模块（22b）的抖动缓冲器（38b）中。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

使所述第一通信模块（22a）的第一时钟（36a）与主时钟（50）同步，所述第一时钟（36a）用于对所述同步TDM数据（28a）印时间戳；

使所述第二通信模块（22b）的第二时钟（36b）与所述主时钟（50）同步，

其中所述第一时钟（36a）和所述第二时钟（36b）经由所述分组交换数据网络（24）而与所述主时钟（50）同步。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一时钟（36a）或所述第二时钟（36b）中的一个充当所述主时钟。

9.如权利要求7所述的方法，其中为了同步，使用根据时间和频率同步协议IEEE1588v2的精确时间协议。

10.一种目的地通信模块（22b），其适应于通过分组交换数据网络（24）而与源通信模块（22a）交换数据分组，其中所述目的地通信模块和所述源通信模块时间同步，其特征在于，所述目的地通信模块（22b）配置成

在输出时间处输出来自所述源通信模块（22a）的在数据分组（26）中传输的同步TDM数据（30a），其中所述输出时间通过将预定义延迟时间添加到时间戳（34）而确定，所述时间戳（34）由所述源通信模块（22a）生成并且指示在所述源通信模块（22a）处同步TDM数据（28a）的接收时间，

其中所述预定义延迟时间至少持续某一时段地具有恒定值。

11.如权利要求10所述的目的地通信模块（22b），其中所述目的地通信模块（22b）和所述源通信模块（22a）是电力系统的通信网络的节点，其中所述同步TDM数据（28a）包括连续测量数据，并且其中所述预定义延迟时间小于10ms，其特征在于，所述目的地通信模块（22b）配置成：

向配置成保护所述电力系统的电力线（12）的线路差动保护继电器（18b）提供传输的同步TDM数据（30a）。

12.如权利要求10所述的目的地通信模块（22b），其特征在于，所述预定义延迟时间至少持续某一时段地具有恒定值，以及所述目的地通信模块（22b）配置成

基于在所述目的地通信模块（22b）处所述数据分组（26）的分组接收时间与所述时间戳（34）之间的差来计算传输时间；

13.一种对于电力系统（10）的通信系统（32），

其中所述通信系统（32）包括第一通信模块（22a）和第二通信模块（22b）；

其中所述通信系统（32）适应于执行如权利要求1至9中的一项所述的方法。