專利名稱：多節(jié)點同步采樣和數據傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及分布在不同場所的多個數據采集節(jié)點之間同步采樣和實時數據傳 輸的方法。尤其在需要分布式采集控制和集中式數據處理，對數據采樣要求嚴格同步， 采樣數據要求實時傳輸，時延固定的電力系統(tǒng)保護領域和工業(yè)控制領域。具體地說， 本發(fā)明是多節(jié)點同步數據采集和實時傳輸的方法。
二背景技術：
在電力系統(tǒng)繼電保護和工業(yè)過程控制領域，為精確地保留信號的相位信息，或對 異步發(fā)生的事件進行精確時序分析，需要對某一組過程量進行嚴格異地同步等間隔采 集，為提高系統(tǒng)實時處理能力和異步事件響應速度需要各個過程量采集控制裝置的采 樣數據能夠實時上送，并且處理裝置的命令設置信息需要實時地發(fā)往執(zhí)行機構或調節(jié) 機構。 一些標準如IEC61850-5就定義了3個等級的采樣值同步準確度T3， T4和T5。 其中T3等級要求為25^，用于配電線路保護；T4等級要求為4^，用于輸電線路保 護中；T5等級要求為1^，用于計量[5 ]。而等間隔采樣是后級基于準同步采樣算 法基礎[4]，當被測過程量可以接入同一個采集裝置時同步采集比較容易實現(xiàn)，但當這 些過程量位于不同的采集裝置，而且這些采集裝置物理分布不在一起時就沒有統(tǒng)一的 實現(xiàn)方法。
目前現(xiàn)有的同步采樣控制方法主要包括以下三種方法
1. 遵循IEC61850-9-l體系結構，由一個精確時鐘源同步多個合并器，再由合并 器產生控制ADC的啟動信號，實現(xiàn)多節(jié)點采樣[3]。
2. 基于IEEE1588精確時間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)的同歩采樣系統(tǒng)， 通過對滿足多點通信的分布式控制系統(tǒng)采用多播技術終端設備的時鐘進行微秒級同 步，進而根據絕對時間實現(xiàn)采樣同步。
3. GPS同步法。利用GPS模塊為不同物理分布節(jié)點提供秒脈沖，各節(jié)點采樣同步 于GPS模塊輸出的秒脈沖實現(xiàn)全局同步采樣。
目前現(xiàn)有的同步采樣控制方法的不足之處
1. IEC61850-9-l體系結構需要獨立的同步通道，普遍采用秒脈沖同步合并器，這 種體系結構沒有考慮傳輸鏈路長度影響，而且數據傳輸的方向是單向的，在需要主從 節(jié)點交互信息時不適用，對同步鐘源和本地時鐘要求高。
設同步鐘源的周期為T,而實際ADC的采樣周期為Ta,為實現(xiàn)等間隔采樣應有 r = iVx7; 式中N為在周期T中采樣點數
/0 =i/r = (i/ATfl) = /。/7v 式中/。 =1/7;為本地節(jié)點工作時鐘
由于/o,/。,W為整數，采樣率N越高時，上式越無法精確相等，不同的節(jié)點之間由
于y;不同和頻^飄移，實際上無法實現(xiàn)同步等間隔采樣。
2. 基于IEEE1588的同步采樣方法，需要支持IEEE1588協(xié)議的網絡硬件接口和交換設備，增加額外的成本。而且由于IEEE802.3對以太網傳輸距離和網絡傳輸延時有 要求，使之不適用物理上分布較遠的多個節(jié)點之間的同步采集和控制。IEEE1588每秒 啟動一次同步過程，在時鐘校同步失敗后，再次同步需要反復計算兩側時鐘的相對誤 差At，同步延時較長。
此外，在高速多節(jié)點采集控制裝置連接到同一個主控節(jié)點時，重載時網絡沖突加 劇，影響實時數據傳輸，不能保證每個采樣數據在固定的時延下傳輸到數據處理終端。
3. GPS同步法受到GPS的受捕獲衛(wèi)星數量影響，以及自然環(huán)境和社會環(huán)境等因素 的制約，并且需要相應的硬件支持，需要額外的數據傳輸通道，成本較高。參考文獻:
1. 高厚磊，江世芳，賀家李。數字電流差動保護中幾種采樣同步方法.電力系 統(tǒng)自動化，1996, 20(9)。
2. 楊維娜，鮑偉廉.PCM系統(tǒng)傳送繼電保護數據的信號處理.電力系統(tǒng)通信， 1992(2)
3. 殷志良劉萬順楊奇遜秦應力 一種遵循IEC61850標準的合并單元同步的 實現(xiàn)新方法.電力系統(tǒng)自動化.2004,28(11),57-61
4. 戴先中準同步采樣及其在非正弦功率測量中的應用儀器儀表學報1984年
11月
5. IEC 61850-5. Communication Networks and Systems in Substations , Part 5: Communication Requirements for Functions and Device Models. 2003.
6. 殷志良劉萬順楊奇遜秦應力基于IEEE 1588實現(xiàn)變電站過程總線采樣 值同步新技術 電力系統(tǒng)自動化.2005,29(13).-60-6
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提出一種在同一對全雙工鏈路上實現(xiàn)了同步采樣控制和實時數據傳 輸的方法，并解決不同物理分布的多個采集控制節(jié)點之間由于物理鏈路長度和軟件協(xié) 議棧所產生的額外時延。
本發(fā)明是通過這樣方案實現(xiàn)的多節(jié)點同步采樣和數據傳輸方法
(1) .構建一個與上層數據處理設備和過程量采集控制裝置相匹配的全局同步裝置
(以下簡稱GSE)，該設備可以利用外接同步源，也可以利用本地定時器產生一個全局同 步信號S1，其周期就是過程量采集控制裝置的采樣周期，通過編碼在該信號中包含絕 對時標和全局采樣計數器。
(2) .將全局同步信號接入一個或多個(由系統(tǒng)規(guī)模確定)稱之為通信裝置(以下簡稱 DCE)的設備，該設備為每個接入的過程層采集控制裝置產生一個同步信號S2， S2的周 期就是全局同步信號S1的周期，但信號的啟動時刻和其與對應的采集裝置之間的鏈路
相關，即比Sl延遲A/,(Z為采集裝置編號，/ = 1，2,.』)。通過對信號S2的編碼使之攜
帶上層數據處理設備發(fā)往對應采集控制裝置控制信息和同步信號。
(3) .利用信號S1中的絕對時標和全局采樣計數器，在多個通信裝置之間實現(xiàn)過程 量的二次同步抽樣。(4) .負責過程量采集和執(zhí)行輸出的采集控制裝置(以下簡稱DAE)在接收到信號S2 后檢出同步信號和命令數據，在同步信號的控制下立即啟動本地過程量的采集并回傳 信號S3到DCE，即S3和S2是嚴格時鐘相關的.通過對信號S3的編碼使之攜帶上一時刻的 采樣數據和發(fā)往上層數據處理設備的應用數據。
(5) .在每次全局信號到來時按式3-1、式3-2和式3-3計算通信裝置到采集控制裝置
A4￡, (/ = 1,2,3......)的信道延遲量AZ,(設鏈路傳輸延遲為^—，并認為收發(fā)數據的物理
鏈路等長)，根據Ar,.動態(tài)調整S2信號的啟動時刻實現(xiàn)遠距離多節(jié)點的同步采樣。
'd乂J冊)/2 (式3-l)
"《-(H;V2《-" (式3-2)
T血=max {,一"勿,，(式3-3) 式中A廣-通道延遲量
7;—同步幀頭部寬度
7^—系統(tǒng)最大鏈路傳輸延時，可以根據最大鏈路長度估算
^一特定通道發(fā)送同步波形時刻，/^一接收到返送數據的時刻
由于釆樣數據在采樣同步信號的控制下回傳，獲得穩(wěn)定的實時采樣數據的時延和 傳輸帶寬，在信號中通過編碼同時攜帶控制命令和同步信號，實現(xiàn)了在同一對鏈路上 的采樣同步和數據傳輸。
本發(fā)明所述的采集控制裝置發(fā)往通信裝置的數據幀，由采樣數據字段和用戶協(xié)議 字段組成。采樣字段每次傳送上次采樣數據，協(xié)議字段傳送高層協(xié)議數據單元，構成 兩個邏輯信道，采樣數據為實時傳輸，協(xié)議數據非實時傳輸。同一個數據幀在一次采 樣間隔中被傳送兩次，鏈路層控制器根據幀校驗碼確定選取其中一個，簡化傳輸機制 并提高信道糾錯能力。
多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法適合需在不同場所布置采集控制裝置，全局 數據采樣需要嚴格同步，對采樣數據傳輸時延要求固定的分布式采集實時集中數據處 理的電力系統(tǒng)保護領域和工業(yè)控制領域。
本發(fā)明的特點
(l).利用一對數據鏈路實現(xiàn)數據傳輸和同步采樣，成本低，可靠性好。 (2).每個采樣周期內完成數據傳輸，時刻固定，無需插入時標，可以直接傳輸采 樣數據，便于高層軟件進行深度分析。
(3) .自動計算多個信道傳輸延遲并調整每個信道同步信號，保證多個節(jié)點之間精 確同步。
(4) .采樣數據續(xù)傳兩遍，提高信道糾錯能力，又減少高層請求重發(fā)的開銷
(5) .數據字段分為實時數據字段和協(xié)議數據字段，保證實時數據傳輸同時提供邏 輯信道傳輸高層協(xié)議數據。
(6) .同步精度不受信道物理長度影響，也不受外界條件影響，可達到納秒級。
6(7) .利用違規(guī)編碼產生同步信號，發(fā)送方同歩點為信號前沿，接收方同步點信 號的后沿，保證同步信號精確檢出。
(8) .本發(fā)明的信道延時量算法和傳輸及差錯控制規(guī)則簡單有效，適合基于FPGA 設計實現(xiàn)，通過并行處理提高系統(tǒng)性能。


圖l多節(jié)點同步采樣控制系統(tǒng)結構圖 圖2全局同步裝置同步信號S1 圖3通信裝置同步/命令信號S2 (S3) 圖4多節(jié)點同步采樣系統(tǒng)工作時序圖
具體實施例方式
1. 多節(jié)點同步系統(tǒng)構成
典型的多節(jié)點同歩采樣及數據傳輸系統(tǒng)如圖l所示
系統(tǒng)自下而上有三層結構，Level l為采集控制裝置，負責過程量采集和控制命令 執(zhí)行，待測過程量和執(zhí)行/調節(jié)機構連接在采集控制裝置上。DAE在接收到同步/命令 (Syn/Cmd)信號后啟動數據采樣，執(zhí)行相應命令并轉發(fā)采樣數據。Level 2包括全局同 步裝置(以下簡稱GSE)和通信裝置(以下簡稱DCE)，其中同步裝置負責按高層要求的釆 樣間隔產生全局同步信號，通信裝置負責同步各采集控制裝置并透明轉發(fā)來自上層或 下層的數據，Level 3為數據處理裝置(以下簡稱DPE),負責實時數據處理和下發(fā)控制命 令。本發(fā)明只涉及系統(tǒng)中Level l和Level 2.
圖1中S。為外同步信號，通過S。可以接入遠方同步信號，擴大系統(tǒng)規(guī)模，實現(xiàn)多 個系統(tǒng)同步采樣。&為采樣/時標信號，由同步裝置產生符合上層設備要求的過程量采 樣啟動信號，該信號同時包括全局絕對時標和采樣計數器。^為通信裝置發(fā)往采集控 制裝置的同步/命令信號，該信號包含過程量采樣啟動信號和上層設備發(fā)往采集裝置的 協(xié)議數據單元。53為采集控制裝置發(fā)往通信裝置采樣數據和協(xié)議數據單元，該信號包 括一個同步脈沖。通過擴充圖l虛線框中設備，可以擴大本地同步系統(tǒng)規(guī)模。
本發(fā)明采用定長幀，傳輸延時固定，用于數據傳輸和同步控制的信號波形均由同 步頭和隨后的數據字段形成，附加用于差錯控制幀校驗碼。
2. 全局同步信號S
圖1中同步裝置輸出的同步信號S的物理層定時和編碼如圖2所示，編碼使用高電
平寬度表示信息，每個碼元寬度為7;。圖中7;為幀同步頭寬度，緊隨同步頭之后的是 數據段，r。為碼元邏輯o的寬度，r,為碼元邏輯i的寬度，rs為采樣間隔。z;、 r。和r, 均為z;的函數。同步裝置以間隔R發(fā)送同步信號， 為幀起始點，接收方連續(xù)檢測到 兩個寬度為7;高電平認為檢測到幀同步信號，標記圖中^"為接收方同步檢出點，幀同 步頭之前有一個碼元寬度的低電平，可以確保同歩檢出。在信號&的數據字段中，包 含絕對時標和一個8位的采樣計數器。當系統(tǒng)連接多個通信裝置時，利用全局的采樣計 數器來標記某一特定時刻的采樣數據，根據數據處理裝置的需要可以進行二次抽樣。/&
如圖2所示，本發(fā)明中通信裝置下行信號&和采集裝置上行信號&的幀格式相同，
物理層定時和編碼如圖3。 起始點，
由—
-次釆樣間隔中，數據被連續(xù)傳送兩次，圖中^為發(fā)送方幀
~ 為接收方同步信號檢出點，由兩個連續(xù)的寬度為r、一的高電平標記幀開始， -個寬度為7;—的高電平標記隨后將重傳數據，。vl為第二次傳送起始時刻。圖中/。為
同步時刻，^為數據重傳的起始時刻，/2為下一個采樣間隔開始，T^為一個完整采樣
間隔時間。每幀的數據場在一個前導i之后開始，/^表示數據場開始時刻，7;^為標 記信號到前導i之間的時間寬度，z;為一個數據比特寬度。數據場編碼采用曼切斯特編 碼，以便能同差分收發(fā)器相接。
由于本發(fā)明的&/&中幀控制信號不采用曼切斯特編碼，而且寬度也比數據位寬大 很多，所以接收方通過脈沖寬度檢測辦法可恢復同歩信號。
4.差錯控制和協(xié)議數據傳輸
如圖3所示，本發(fā)明中，信號^/^的數據字段(從圖3中^,開始)被劃分為如下三 個部分，采樣數據、協(xié)議數據和幀校驗部分，如表1所示。 表l 信號S2/S3的數據鏈路層幀格式
采樣數據
用戶協(xié)議數據
幀校驗(CRC)
本發(fā)明的采樣數據字段應由SGDMA(scatter gather DMA)裝配，或者由協(xié)議棧的 最低層在啟動傳輸時填充.利用用戶協(xié)議數據字段可以構成一個非實時的邏輯信道，用 來傳輸DAE和對等的高層之間監(jiān)視信息。如表2所示， 一次協(xié)議數據傳輸可能包含多個 采樣間隔。
在本發(fā)明中，采樣數據和協(xié)議數據的位寬比例由應用決定，幀校驗為16位CRC.— 個協(xié)議數據的完整幀可能由表2所示的協(xié)議數據0到協(xié)議數據n-l的n個分組組合而成， 視具體應用而定。
表2 協(xié)議數據S2/S3組成
采樣數據o協(xié)議數據o幀校驗T0
釆樣數據l協(xié)議數據l幀校驗Tl
采樣數據2協(xié)議數據2幀校驗T2
......
采樣數據n-l協(xié)議數據n-l幀校驗
由于實時采集的數據必須在每個采樣間隔送達，在高速采樣時不能采用出錯請求 重發(fā)的機制，而串行鏈路上的錯誤如果不是擴展性錯誤，可以通過隨后的一幀糾正。 本發(fā)明同一幀數據在鏈路層連發(fā)兩次，接收方根據幀校驗確定選取正確的一組，若兩 組都錯提交高層確定。
5.多節(jié)點同步采樣系統(tǒng)工作原理
完整系統(tǒng)工作物理層信號交互和定時信息如圖4所示，圖4中以兩A^為例給出了全局同步裝置GSE和兩個采集控制裝置及通信裝置之間的工作信號時序。
圖4中7;為采樣周期，波形WavO為GSE到DCE的同步信號，WavOO為通信裝置DCE到采 集控制裝置DAEO的同步/命令波形，WavOl為經過傳輸延遲DAEO接收到同歩波形，Wav02 為DCE接收到來自DAEO的采樣數據波形。WavlO為通信裝置DCE到采集控制裝置DAEl的同 步/命令波形，Wavll為DAEO側經過傳輸延遲接收到同歩波形，Wavl2為DCE側接收到來 自DAE1的采樣數據波形。類似地，若一個DCE接入多個采集控制裝置，則物理鏈路上的 數據波形和傳輸過程與DAE0和DAE1類似，不再分析。
6. 信道延時和同步采樣實現(xiàn)
圖4中在時刻z。同步裝置GSE發(fā)出帶時標的采樣同步信號《，通信裝置根據上一時 刻確定的鏈路延遲計算出發(fā)往DAE0和DAE1的同歩信號同S,的延遲量為A/。和A^，并在 時刻^和^分別產生各自同步/命令信號S2 ，見波形WavOl和Wavll.經過通信鏈路延遲， DAE0和DAE1在時刻^產生本地過程量采集啟動信號，同時返送上一采樣時刻的數據，參 見波形Wav02和Wav12。通道延遲量每個采樣間隔計算一次，計算方法如下
如上圖6，可以按式3-1、式3-2和式3-3計算出通道/的延時量A。對接在通道/上 的采集控制裝置，同步命令幀在時刻",=~+&, (/= 0,1,2,....)發(fā)出，'設采集控制裝置/ 的數據采樣時刻為^^， 為通道/的鏈路傳輸延時，7^為幀頭寬度，綜合式3-l 和式3-2有
W = ~ + + + 7冊"o + 4 + ; = G (式3一4) 式3-4的結果為常數，所以如果按上法選擇通道/選擇通道延遲量即可保證所有采
集控制裝置在同一時刻^^(=~ +7^ +7^)啟動數據采樣。
7. 信道誤碼和數據完整性監(jiān)視
本發(fā)明采集裝置到通信裝置之間的信號S2/S3的數據字段采用曼切斯特編碼，解碼 部件可以監(jiān)視每一個比特的信號完整性，同時監(jiān)視數據幀完整性，提供幀碎片檢測。 通過監(jiān)視接收信道上數據流來監(jiān)視信道工作狀況，向高層軟件發(fā)送信道鎖定信號，以 便于根據信道工作狀況采取不同算法或控制策略。
權利要求
1、多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法，其特征是步驟如下(1).構建一個與上層數據處理設備和過程量采集控制裝置(DAE)相匹配的全局同步裝置，該設備利用外接同步源或本地定時器產生一個全局同步信號S1，其周期就是過程量采集控制裝置的采樣間隔，通過編碼使S1攜帶絕對時標和全局采樣計數器信息；(2).將全局同步信號接入一個或多個稱之為通信裝置(DCE)的設備，通信裝置為每個接入的過程量采集控制裝置產生一個同步信號S2，S2的周期與全局同步信號S1的周期相同，但S2的啟動時刻和其與對應的采集裝置之間的鏈路相關，即比S1延遲Δti，i為采集裝置編號，i＝1，2，...n；通過對信號S2的編碼使S2攜帶上層數據處理設備發(fā)往對應采集控制裝置控制命令數據信息和同步信號；(3).利用信號S1中的絕對時標和全局采樣計數器，在多個通信裝置之間實現(xiàn)過程量的二次同步抽樣；(4).負責過程量采集和執(zhí)行輸出的采集控制裝置(DAE)在接收到信號S2后檢出同步信號和命令數據，在同步信號的控制下立即啟動本地過程量的采集并回傳數據信號S3到DCE，通過對S3的編碼使之攜帶上個采樣間隔的采樣數據和發(fā)往上層數據處理設備的應用數據；(5).在每次全局信號到達通信裝置時重新計算通信裝置到采集控制裝置DAEi，i＝1，2，3......的信道延遲量Δti，根據Δti動態(tài)調整S2信號的啟動時刻實現(xiàn)遠距離多節(jié)點的同步采樣。
2、 根據權利要求l所述的多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法，其特征是全局 同步信號《使用高電平寬度表示編碼信息，每個碼元寬度為7;，由一個寬度為Tb的前 導O和兩個連續(xù)高電平寬度為Th的脈沖構成幀同步頭，隨后附加數據字段，邏輯0的高電平寬度為7;，邏輯i的高電平寬度為r,， 7;、 r。和r,均為7;的函數；同步裝置以 間隔rs發(fā)送同步信號，接收方連續(xù)檢測到兩個寬度為7;高電平認為檢測到幀同步信號， 并將后一個高電平寬度為i;的脈沖的下降沿標記為接收方同步檢出點；
3、 根據權利要求i所述的多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法，其特征是同步信號S2和數據信號S3的幀格式相同，由一個寬度為Tp的前導O和兩個連續(xù)高電平寬度為7;-^^^牛勾③巾貞^^A，木示—記/^一+t^力r、一樂1c^W"f,^力^ife力^步ltli點、。
4、 根據權利要求i所述的多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法，其特征是在采 集控制裝置發(fā)往通信裝置的數據幀由采樣數據字段和用戶協(xié)議字段組成，采樣數據字 段每次傳送上次采樣數據，用戶協(xié)議字段傳送上層協(xié)議數據單元，構成兩個邏輯信道， 采樣數據為實時傳輸，協(xié)議數據非實時傳輸。
5、 根據權利要求3所述的多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法，其特征是在通信裝置和釆集控制裝置交換的信息幀，同一個數據報在一次采樣間隔中被傳送兩次，由兩個連續(xù)的寬度為r、—的高電平標記幀開始、r^w的低電平和一個前導i及隨后的 數據字段構成第一個數據包；由一個寬度為r—,的高電平標記隨后將重傳數據，鏈路層 控制器根據幀校驗碼確定選取其中的一個數據包，簡化傳輸機制并提高信道糾錯能力。 6、根據權利要求i所述的多節(jié)點同歩采樣控制和數據傳輸方法，其特征是通信裝置DCE根據全局同步信號S1和上個采樣間隔確定的鏈路延遲計算出發(fā)往采集控制裝 置A4五,的同步信號同&的延遲量為Ar,，并在時刻 ,(/ = 0,1,2，....)發(fā)出同歩/ 命令信號&.經過通信鏈路延遲，i!45,在時刻^產生本地過程量采樣啟動信號，同 時返送上一采樣時刻的數據，延遲量&,的計算方法如下<formula>formula see original document page 3</formula>式中A廣-通道延遲量rOT—同步幀頭部寬度，= ~ - = ~ -~ =.... 7i—系統(tǒng)最大鏈路傳輸延時，可以根據最大鏈路長度估算 ^一特定通道發(fā)送同步波形時刻，l.v--接收到返送數據的時刻^,,一鏈路傳輸延遲，設收發(fā)數據的物理鏈路等長。
全文摘要
多節(jié)點同步采樣控制和數據傳輸方法，其步驟如下(1)構建一個與上層數據處理設備和過程量采集控制裝置(DAE)相匹配的全局同步裝置，該設備利用外接同步源或本地定時器產生一個全局同步信號S1；(2)將全局同步信號接入一個或多個稱之為通信裝置(DCE)的設備，通信裝置為每個接入的過程量采集控制裝置產生一個同步信號S2；(3)利用信號S1中的絕對時標和全局采樣計數器，在多個通信裝置之間實現(xiàn)過程量的二次同步抽樣；(4)負責過程量采集和執(zhí)行輸出的采集控制裝置(DAE)在接收到信號S2后檢出同步信號和命令數據；(5)采集控制裝置根據Δt_i動態(tài)調整S2信號的啟動時刻實現(xiàn)遠距離多節(jié)點的同步采樣。
文檔編號H04L7/00GK101316160SQ20081012407
公開日2008年12月3日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權日2008年6月11日
發(fā)明者龐吉耀 申請人:南京磐能電力科技股份有限公司