專利名稱：通信方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及公用事業(yè)通信領(lǐng)域，具體來說，涉及電力公用事業(yè)企業(yè)的遠距離站點之間的實時操作數(shù)據(jù)的傳遞。它基于權(quán)利要求1的前序部分中所述的通信方法。
背景技術(shù)：
電力公用事業(yè)或傳輸系統(tǒng)運營商擁有并操作將諸如電源和變電站之類的站點進行互連的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，這些站點盡管相互遠離大約IOOkm或以上，但也必須按照一種方式或另一種方式來協(xié)調(diào)。在其公用事業(yè)通信系統(tǒng)上，各種消息通過公用事業(yè)的遠距離站點之間的長距離通信鏈路來傳遞，以便安全傳送和分配電能。對于這些消息的一部分，具體來說對于遠距離保護命令，傳送與接收器之間的傳輸延遲至關(guān)重要，并且不應(yīng)當超過數(shù)毫秒， 最高達大約10毫秒。又稱作遠距離保護裝置的專用遠程跳閘裝置或保護信號傳輸裝置一般用于高壓和中壓電網(wǎng)及系統(tǒng)中的遠距離保護方案和差動保護方案的保護或開關(guān)命令。保護命令例如引起斷路器直接或間接斷開，并且因此引起網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的所選部分的電氣斷開。相反，其它保護命令引起防止或阻塞遠程站中斷路器的斷開。為了使保護命令從電力傳輸或分配網(wǎng)絡(luò)的一個點傳送到另一個點，遠程跳閘裝置中的傳送器按照保護命令來產(chǎn)生信號，所述信號經(jīng)由物理信號鏈路來傳送。另一個遠程跳間裝置中的接收器檢測所傳送信號，并且確定保護命令的對應(yīng)數(shù)量和性質(zhì)。物理信號鏈路可包括無線電波或光纖，但是優(yōu)選地，保護信號通過模擬或數(shù)字通信系統(tǒng)的語音信道、領(lǐng)示線(Pilot wire)、模擬租賃線或者甚至高電壓電力傳輸線來傳送，后者稱作電力線通信(PLC)。US 2003/081634A1涉及經(jīng)由兩個變電站之間的專用音頻電信鏈路并且包括以確定性的方式從發(fā)送方連續(xù)傳送給接收方的時分復(fù)用幀的常規(guī)音頻單音遠距離保護。在發(fā)送方，將特殊成幀模式(8比特的預(yù)先選擇模式)插入各幀的最后一個時隙，因而降低可用于操作數(shù)據(jù)的帶寬。如果在接收方?jīng)]有反復(fù)檢測到已知成幀模式，則將主要的(override)信息信號插入解幀數(shù)據(jù)流，以便防止噪聲信號產(chǎn)生錯誤輸出狀態(tài)。為了通過長距離將消息從一個站點傳送到另一個站點，公用事業(yè)可依靠具有非確定性行為的公共或?qū)Ｓ型ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。在這個上下文中，廣域通信網(wǎng)(WAN)指定分組交換通信網(wǎng)絡(luò)，它將公用事業(yè)的兩個站點進行互連并且包括具有諸如路由器、交換機、轉(zhuǎn)發(fā)器以及在物理層的可能光傳輸介質(zhì)之類的特定網(wǎng)絡(luò)元件的多個IP網(wǎng)絡(luò)。WAN—般非?？煽浚?，所述網(wǎng)絡(luò)元件可引起不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)延遲、偶然比特差錯和固有的鏈路故障，這些全部促成網(wǎng)絡(luò)的非確定性行為。在具有攜帶目的地地址的單獨數(shù)據(jù)分組的分組交換網(wǎng)絡(luò)中，通信信道或特定網(wǎng)絡(luò)元件上的高負荷可能導(dǎo)致增加的延遲或分組丟失，而鏈路故障因路由器的重新配置而會引起延遲。對于時間關(guān)鍵的應(yīng)用，增加的延遲或分組丟失可引起系統(tǒng)的失靈。對于電力事業(yè)， 在最壞情況下，如果跳閘信號被延遲，則會對變電站發(fā)生重大損壞。WAN還會是(包括例如在路由器之一處有意插入錯誤命令的)入侵的未必但可能有害動作的目標。因此，包括WAN
3的任何通信信道可被認為是非確定性或者非同步并且非安全的。非確定性通信用于命令和控制意味著無法保證輸送，也無法保證分組所采取的實際通信路徑。具體來說，因特網(wǎng)的使用增加關(guān)鍵控制系統(tǒng)通信故障的風險，因為針對其它實體的攻擊可能極大地影響使用這個路徑或者共享接觸因特網(wǎng)的資源的任何控制通信。按常規(guī)，專用遠距離保護系統(tǒng)通過專用循環(huán)測試消息來監(jiān)測通信系統(tǒng)的狀態(tài)和延遲，其按如下所述進行操作兩個站A和B經(jīng)由通信鏈路連接。站A向站B傳送特殊消息， 站B對其進行接收，并且立即向站A回送“回聲(echo)”。當站A接收到這個“回聲”時，它知道通信鏈路正在工作，并且它還能夠測量傳輸延遲(循環(huán)測試消息從A傳播到B并且回到A所需時間的一半)。循環(huán)測試消息通常每幾小時發(fā)送一次，相應(yīng)地，無法檢測到實時的傳輸延遲的變化。備選地，能夠使用IEEE 1588 (IEEE標準1588-2002、組網(wǎng)測量和控制系統(tǒng)的準確時鐘同步協(xié)議的IEEE標準、又稱作準確時間協(xié)議PTP)中規(guī)定的延遲測量方法，以便監(jiān)測通信系統(tǒng)的狀態(tài)和/或可用性。諸如IEEE 1588之類的標準雙向時間同步協(xié)議定義用于經(jīng)由諸如局域網(wǎng)(LAN)之類的通信網(wǎng)絡(luò)使裝置高準確性地(好于一微秒)同步的方法。在基于IP的語音(VoIP)領(lǐng)域中，語音呼叫通過因特網(wǎng)協(xié)議(IP)網(wǎng)絡(luò)來路由，并且服務(wù)質(zhì)量(QoQ是服務(wù)提供商與最終用戶之間的重要問題。在這個上下文中，以及更一般地為了實時數(shù)據(jù)傳輸，ISO-OSI層參考模型中的實時協(xié)議(RTP)規(guī)定例如RTP分組中編碼語音數(shù)據(jù)的封裝。將RTP分組傳遞給傳輸層，并且進一步傳遞給因特網(wǎng)協(xié)議(IP)網(wǎng)絡(luò)層。 在傳輸層，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可使用可靠協(xié)議(例如傳輸控制協(xié)議TCP)或者不可靠協(xié)議(例如用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP)。前者確保所有分組到達接收器，但是因協(xié)議開銷而要求更大帶寬，并且它引入更大延遲。可靠傳輸協(xié)議通常測量往返延遲，以便從其中得出何時應(yīng)當重復(fù)消息。 另一方面，不可靠協(xié)議是輕便且更快速的，但是數(shù)據(jù)流可易遇到分組丟失。在專利申請US 2007/0230361A1中，提供一種用于監(jiān)測經(jīng)由其傳送實時VoIP數(shù)據(jù)的分組交換網(wǎng)絡(luò)的方法。嗅探(sniff)包含實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分組，以便監(jiān)測QoS參數(shù)。QoS 參數(shù)包括出口延遲、入口延遲、抖動、往返延遲、分組丟失、吞吐量、瞬時信號丟失和累計內(nèi)容丟失其中之一。在與VoIP相關(guān)的另一個專利申請US 2002/105909中，只要在評估分組丟失數(shù)據(jù)的同時對于暫時效果進行調(diào)整的平滑算法產(chǎn)生可接受值，則呼叫繼續(xù)通過IP網(wǎng)絡(luò)來路由。另一方面，如果該值超過閾值，則QoS監(jiān)測器阻塞通過IP網(wǎng)絡(luò)的路由，并且通過諸如交換電路網(wǎng)絡(luò)(SCN)之類的備選網(wǎng)絡(luò)來路由呼叫。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是使公用事業(yè)、尤其是電力事業(yè)能夠有效利用非確定性通信信道在公用事業(yè)的遠距離站點之間交換實時操作數(shù)據(jù)。這個目的通過如權(quán)利要求1和 10所述的通信方法和通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。其它優(yōu)選實施例通過從屬專利權(quán)利要求是顯而易見的。按照本發(fā)明，包括具有分組交換通信的廣域網(wǎng)(WAN)(例如因特網(wǎng)協(xié)議(IP)網(wǎng)絡(luò)) 的非確定性通信信道基于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)來監(jiān)測，即，通過評估攜帶作為有效載荷的實時操作數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組來進行。因此，不要求確定性通信信道中的帶寬的持久占用， 也不存在采取在非確定性信道上生成的測試消息或消息副本形式的任何附加開銷網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，并且實現(xiàn)對通信信道的最少使用或干擾。包括發(fā)現(xiàn)信道質(zhì)量不充分的情況下的適當告警的信道質(zhì)量的持久確定和監(jiān)測基于在接收節(jié)點對發(fā)送節(jié)點連續(xù)傳送的數(shù)據(jù)分組的評估。 這些連續(xù)或重復(fù)傳送的數(shù)據(jù)分組可包括反映當前狀態(tài)而不是狀態(tài)變化的相同有效載荷作為操作數(shù)據(jù)。最后，提高沒有消息確認的情況下通過非確定性信道的通信的可靠性該通信方法最有利地用于電力系統(tǒng)中，其中數(shù)據(jù)分組包括用于保護電力系統(tǒng)的兩個站點之間的電力線的保護命令，并且其中站點是電源、電力接收器(power sink)或變電站。電力線的保護可以是遠距離保護方案或差動保護方案，并且產(chǎn)生例如在遠程站點的開關(guān)裝置的阻塞、未阻塞或準許狀態(tài)。重復(fù)傳送的數(shù)據(jù)分組可被看作是取代常規(guī)遠距離保護信道中的常規(guī)防護信號(guard signal) 0在一個優(yōu)選變體中，接收節(jié)點將信道可用性確定為二進制的且可快速更新的信道質(zhì)量量度。為此，接收節(jié)點檢驗是否實際接收到具有預(yù)計類型的有效載荷的數(shù)據(jù)分組，以及接連接收的數(shù)據(jù)分組之間的延遲是否處于預(yù)計范圍之內(nèi)。如果在接連數(shù)據(jù)分組之間經(jīng)過的時間超過某個閾值，則信道可用性至少暫時被認為是不充分的。然后在接收節(jié)點采取適當措施，例如告警生成、轉(zhuǎn)換到獨立或孤島操作模式或者在信號被認為丟失的(missing)情況下在第二站點的開關(guān)裝置未阻塞。在一個有利實施例中，用于有效載荷傳輸和信道監(jiān)控的所提出協(xié)議包括數(shù)據(jù)分組中包含發(fā)送序列號。發(fā)送序列號由于在發(fā)送方處因例如時鐘同步、人工時間設(shè)定或日光節(jié)約時間引起的時間源的可能不規(guī)則性而優(yōu)于時間戳。通過適當監(jiān)測序列號，多個類型的信道差錯能夠被檢測和記錄，例如分組丟失、分組復(fù)制和以錯誤順序(即沒有按照分發(fā)它們的順序)的分組接收。所有這些差錯均指向WAN中的降級信道質(zhì)量。在另一個變體中，數(shù)據(jù)分組包括響應(yīng)請求標志。如果設(shè)置后者，則響應(yīng)消息由原始數(shù)據(jù)分組的目的地節(jié)點來預(yù)備，并且立即返回給源或始發(fā)節(jié)點。響應(yīng)消息包括所接收的“發(fā)送序列號”。通過測量響應(yīng)請求的傳輸與相同發(fā)送序列號所標識的響應(yīng)消息的接收之間經(jīng)過的時間，源節(jié)點能夠估計通信信道的往返延遲或時間。如果這個持久響應(yīng)時間測量然后檢測到超過可配置閾值的延遲，則生成告警，通知用戶關(guān)于非確定性通信信道的質(zhì)量不再得到保證，并且應(yīng)當選擇不同通信信道，或者應(yīng)當暫時忽略消息內(nèi)容。在另一個優(yōu)選實施例中，發(fā)送節(jié)點連接到第一站點或變電站處的繼電器，并且持久地傳送從后者接收的狀態(tài)。在已改變狀態(tài)或信號被輸入到該節(jié)點的情況下，并且為了盡可能快地傳送新信息，攜帶新狀態(tài)的數(shù)據(jù)分組的重復(fù)率或傳送頻率至少暫時增加。例如，在返回到每5ms —個維護消息的標準速率之前，生成以每2ms —個消息的增加速率的N = 16 個重復(fù)。最后，通過非安全通信信道的所提出傳輸?shù)挠嬎銠C安全方面通過作為數(shù)據(jù)分組的一部分傳送并且基于報頭和有效載荷字段來計算的哈?；蛳⒄?digest)來照管。哈希允許檢驗數(shù)據(jù)分組的可信性，并且因而在需要時結(jié)合序列號和節(jié)點地址來提供針對各種安全威脅的基本保護。優(yōu)選地，所提出協(xié)議在兩種通信節(jié)點中以對等方式來實現(xiàn)，使得各節(jié)點能夠獨立
地測量信道質(zhì)量和信號告警。


下文中參照附圖示出的優(yōu)選示范實施例更詳細地說明本發(fā)明主題，附圖包括圖1示意示出公用事業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，圖2是示范性數(shù)據(jù)分組的摘錄，以及圖3示意示出維護分組序列和一個響應(yīng)分組。附圖中所使用的參考標號及其含義在參考標號的列表中以概括形式列出。附圖中，基本上對相同的部分提供相同的參考標號。
具體實施例方式圖1示出公用事業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，所述公用事業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)具有第一節(jié)點或終端11、第二節(jié)點或終端21以及(例如基于在兩個節(jié)點之間具有未確認傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)報協(xié)議(UDP) 的)作為非確定性通信信道的一部分的廣域網(wǎng)(WAN)30。這兩個節(jié)點11、21是分別位于第一變電站10和第二變電站20的專用遠距離保護裝置，并且硬連線到多個保護繼電器12、22 或者相應(yīng)變電站的其它輔助設(shè)備。兩個節(jié)點11、21可經(jīng)由沿兩個變電站10、20之間的高架電力線40的(諸如電力線通信(PLC)信道之類的)其它通信信道互連。繼電器12、22又連接到變電站的主要設(shè)備，并且提供待傳送的信號或狀態(tài)，例如與高架電力線40的遠距離保護功能相關(guān)的跳閘信號或命令。圖2示出將要由第一節(jié)點11通過非確定性通信信道30發(fā)送給第二節(jié)點21的示范數(shù)據(jù)分組50的摘錄。數(shù)據(jù)分組包括作為遠距離保護應(yīng)用層的一部分的報頭、有效載荷和尾部。報頭包括具有響應(yīng)請求標志51、遠距離保護節(jié)點地址52和發(fā)送序列號53的特殊報頭字段以及其它字段。有效載荷字段M包括采取較短比特序列形式的一個或多個信號或保護命令。之后跟隨具有基于報頭和有效載荷字段所計算的哈希55或消息摘要的第一尾部字段。哈希提供針對各種安全威脅的基本保護并且在需要時結(jié)合序列號53和節(jié)點地址 52來實現(xiàn)對各種安全威脅的檢測，例如未經(jīng)授權(quán)(偽造)消息、錯誤合作方、中間人或消息重放。其它尾部字段可跟隨，例如重傳計數(shù)56，重傳計數(shù)56在以增加重復(fù)率并且跟隨特定事件重傳在其它情況下具有相同序列號和哈希的未改變數(shù)據(jù)分組的情況下遞增。按照OSI 傳輸(UDP)網(wǎng)絡(luò)(IP)和物理(以太網(wǎng))層(圖2中未示出)將應(yīng)用層數(shù)據(jù)嵌入報頭和尾部。圖3示出在節(jié)點11與21之間交換的示范性消息序列50、50’、50”，其中時間由上至下前進，并且其中各對角線表示單個消息。第一節(jié)點11以沒有發(fā)送活動的空閑周期所分隔的常規(guī)間隔、例如每5ms連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)分組。數(shù)據(jù)分組由第二節(jié)點21接收，并且只要消息按照順序和/或以預(yù)計消息間延遲△ t來接收，則信道30被認為是可用的，以及由消息所傳送的有效載荷在接收端適當評估。有時候，設(shè)置數(shù)據(jù)分組50”中的響應(yīng)請求標志M，第二節(jié)點對其采用響應(yīng)消息60進行響應(yīng)。在第一節(jié)點對后者的接收、具體來說是包含響應(yīng)-請求數(shù)據(jù)分組50”和響應(yīng)消息60的累計傳輸時間或延遲的往返時間延遲又能夠在信道質(zhì)量方面來評估。定期發(fā)送響應(yīng)請求，但以比沒有響應(yīng)請求的數(shù)據(jù)分組低許多的速率(例如每 IOOms至10秒)發(fā)送。標號列表10,20 變電站11，21 節(jié)點
12，22 繼電器
30WAN
40電力線
50數(shù)據(jù)分組
51響應(yīng)請求標志
52節(jié)點地址
53序列號
54有效載荷
55哈希
56重傳計數(shù)
60響應(yīng)消息
權(quán)利要求
1.一種在第一站點(10)處的第一通信節(jié)點(11)與在第二站點00)處的第二通信節(jié)點之間進行通信的方法，包括-由所述第一節(jié)點(11)通過通信信道(30)向所述第二節(jié)點發(fā)送包含操作數(shù)據(jù) (54)的消息，并且基于所述消息來監(jiān)測所述通信信道(30)的信道質(zhì)量，其特征在于，所述方法包括-由所述第一節(jié)點(11)通過包括分組交換網(wǎng)絡(luò)的非確定性通信信道(30)向所述第二節(jié)點(21)連續(xù)發(fā)送包含操作數(shù)據(jù)(54)的數(shù)據(jù)分組(50，50，，50”)，以及-由所述第二節(jié)點基于所述數(shù)據(jù)分組(50，50’，50”)來監(jiān)測所述信道質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述兩個站點(10，20)經(jīng)由電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的電力線 (40)來連接，其特征在于，所述方法包括-連續(xù)發(fā)送包含采取用于所述電力線GO)的保護命令形式的操作數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分組 (50，50’，50”)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述第一節(jié)點(11)適合從連接到所述第一節(jié)點(11)的繼電器(12)接收作為輸入信號的保護命令，其特征在于，所述方法包括-當來自所述繼電器的所述輸入信號發(fā)生變化時立即增加所述連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組 (50，50，，50，，)的重復(fù)率。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括-由所述第二節(jié)點基于預(yù)計和觀測的對數(shù)據(jù)分組(50，50’，50”)的接收來確定信道可用性。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，包括-基于兩個接連發(fā)送的數(shù)據(jù)分組(50，50’ )之間的消息間時間延遲At來確定所述信道可用性。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)分組(50，50’，50”)包括發(fā)送序列號 (53)，其特征在于，所述方法包括-基于所述已接收數(shù)據(jù)分組的所述發(fā)送序列號(5 來確定所述信道可用性。
7.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)分組(50)包括響應(yīng)請求標志(51)， 其特征在于，所述方法包括-由所述第二節(jié)點在已接收數(shù)據(jù)分組(50”)的所述響應(yīng)請求標志(51)被設(shè)置時采用響應(yīng)消息(60)進行響應(yīng)，以及-由所述第一節(jié)點(11)基于所述響應(yīng)消息(60)來確定信道質(zhì)量。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，包括-基于其中所述響應(yīng)請求標志(51)被設(shè)置的所述數(shù)據(jù)分組和所述響應(yīng)消息(60)的往返時間延遲來確定所述信道質(zhì)量。
9.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述數(shù)據(jù)分組(50)包括哈希(55)，其特征在于，所述方法包括-由所述第二節(jié)點基于所述哈希(5 來確定所述數(shù)據(jù)分組(50)是否可信。
10.一種具有第一節(jié)點(11)、第二節(jié)點和非確定性通信信道(30)的通信系統(tǒng)，所述通信系統(tǒng)適合執(zhí)行按照如以上權(quán)利要求中的任一項所述的通信方法。
全文摘要
本發(fā)明提高通過非確定性通信信道的通信的可靠性，并且特別適合電力系統(tǒng)中的變電站間遠距離保護?；诔Ｒ?guī)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)來監(jiān)測通信信道，即，通過評估攜帶作為有效載荷的實時操作數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分組或消息來進行。包括發(fā)現(xiàn)信道質(zhì)量不充分的情況下的適當告警的信道質(zhì)量的持久確定基于在接收節(jié)點對發(fā)送節(jié)點連續(xù)傳送的數(shù)據(jù)分組的評估。這些連續(xù)或重復(fù)傳送的數(shù)據(jù)分組可包括反映當前狀態(tài)而不是狀態(tài)變化的相同有效載荷作為操作數(shù)據(jù)。
文檔編號H04B15/00GK102282776SQ201080004954
公開日2011年12月14日 申請日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者A·諾特, H·基爾曼, H·斯皮斯, M·伊斯拉爾, S·拉姆塞爾, W·威默 申請人:Abb技術(shù)有限公司