一種廣域電網(wǎng)pmu數(shù)據(jù)時延精確測量的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測領域，特別是基于PMU的廣域測量系統(tǒng)和基于PMU的廣域電網(wǎng)實時閉環(huán)控制系統(tǒng)方向。
【背景技術】
[0002]目前，以同步時鐘(例如GPS的授時信號)作為數(shù)據(jù)采樣基準時鐘源的相量測量裝置(phasor measurement unit, PMU),在我國電力系統(tǒng)中已得到廣泛應用，作為實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成，以電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)為通信通道，通過網(wǎng)絡按照規(guī)范傳輸測量信息和控制信息，為廣域測量系統(tǒng)(wide-area measurement system, WAMS)提供實時測量數(shù)據(jù),接收并響應主站下達的命令。廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延作為影響廣域電網(wǎng)實時閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的主要因素之一，在整個通信過程中具有不確定性和隨機性，對廣域電力系統(tǒng)阻尼控制造成非常不利的影響。
[0003]基于上述背景，如何精準測量廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延成為一個需要解決的問題?，F(xiàn)有的PMU數(shù)據(jù)時延測量是通過WAMS接收PMU測量信息時的系統(tǒng)時間與測量信息內(nèi)部時標計算得到PMU測量信息時延，但該方法存在以下缺點:
(一)需要在WAMS內(nèi)部進行時延測量，一方面可能會影響WAMS的性能，另一方面也無法測量PMU與WAMS之間從最開始的PMU采集數(shù)據(jù)的時刻到最后的WAMS接收PMU控制響應信息的閉環(huán)時延。
[0004](二)PMU測量信息內(nèi)部時標為PMU采集數(shù)據(jù)的時刻，時間精度在微秒級，但WAMS的系統(tǒng)時間通過網(wǎng)絡對時(SNTP)，精度在毫秒級，因此該方法無法精確測量毫秒級或十毫秒級的PMU測量信息時延。
[0005](三)PMU控制信息內(nèi)部時標精度在秒級，因此該方法無法精確測量毫秒級的PMU控制信息時延。
[0006](H)PMU與WAMS的數(shù)據(jù)通信可以基于TCP或UDP協(xié)議，部分WAMS不支持基于UDP協(xié)議的通信過程，無法對基于m)P協(xié)議的PMU與WAMS的通信時延進行測量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明提供一種廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延精確測量的方法，以達到時延精確測量的目的。為此，本發(fā)明采取以下技術方案。
[0008]一種廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延精確測量的方法，包括以下步驟:
1)在WAMS主站端設模擬前置系統(tǒng)，模擬前置系統(tǒng)與PMU之間按照電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范進行配置和通信，模擬PMU與WAMS的數(shù)據(jù)交互，同時在特定時機發(fā)送特定的控制信息；
2)將PMU與模擬前置系統(tǒng)或PMU與WAMS之間交換機上PMU數(shù)據(jù)通信的一側端口收發(fā)鏡像到空閑端口，將鏡像端口接入網(wǎng)絡記錄儀的采集網(wǎng)口，網(wǎng)絡記錄儀按照規(guī)范采集PMU與模擬前置系統(tǒng)或PMU與WAMS的原始通信數(shù)據(jù)并標記精確時標記錄數(shù)據(jù)通過交換機的時刻；
3)根據(jù)網(wǎng)絡記錄儀采集的原始通信數(shù)據(jù)，參照通信參數(shù)和通信規(guī)約，對PMU傳遞測量信息的數(shù)據(jù)流管道和PMU傳遞控制信息的管理管道進行分析，得到需要的數(shù)據(jù)交互過程的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每個數(shù)據(jù)交互過程的通信數(shù)據(jù)類型、通信規(guī)約，分析得到需要的數(shù)據(jù)交互過程的時間信息，時間信息包括PMU測量信息內(nèi)部時標、PMU測量信息通過交換機的時刻、PMU控制信息通過交換機的時刻、PMU控制響應信息通過交換機的時刻；如果數(shù)據(jù)交互包括模擬前置系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互則還需要分析得到模擬前置系統(tǒng)發(fā)送特定控制信息的特定時刻；
4)根據(jù)數(shù)據(jù)交互過程的時間信息，計算廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延。
[0009]作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發(fā)明還包括以下附加技術特征。
[0010]在步驟I)中將模擬前置系統(tǒng)搭建在WAMS主站端，可以與WAMS同機運行，并與PMU同時進行基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互和基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互，模擬前置系統(tǒng)與WAMS同機運行時同時進行PMU數(shù)據(jù)交互過程:PMU與模擬前置系統(tǒng)基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互、PMU與模擬前置系統(tǒng)基于m)P協(xié)議的數(shù)據(jù)交互、PMU與WAMS的數(shù)據(jù)交互。
[0011]在步驟3)中，根據(jù)分析網(wǎng)絡記錄儀記錄的信息，分析得到PMU數(shù)據(jù)交互過程的時間信息，時間信息包括=PMU測量信息內(nèi)部時標TO、PMU測量信息通過交換機時網(wǎng)絡記錄儀標記的時刻Tl、模擬前置系統(tǒng)發(fā)送PMU控制信息的特定時刻T2、PMU控制信息通過交換機時網(wǎng)絡記錄儀標記的時刻T3、PMU控制響應信息通過交換機時網(wǎng)絡記錄儀標記的時刻T4 ；在步驟4)中，根據(jù)PMU數(shù)據(jù)交互過程的時間信息計算廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延，廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延包括:PMU與模擬前置系統(tǒng)基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互過程的時延、PMU與模擬前置系統(tǒng)基于m)P協(xié)議的數(shù)據(jù)交互過程的時延、PMU與WAMS的數(shù)據(jù)交互時延；
其中，PMU與模擬前置系統(tǒng)基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互過程的時延包括:從PMU采集測量數(shù)據(jù)、發(fā)送測量信息到測量信息到達交換機的時延Λ?^?ρ = Tlrcp-TOra;從模擬前置系統(tǒng)接收通過交換機的PMU測量信息并判定和組織PMU控制信息到PMU控制信息傳遞到交換機的時延Λ Tfeont_tcp = T3OT-T2ra;從PMU接收通過交換機的控制信息并判定和組織PMU控制響應信息到PMU控制響應信息傳遞到交換機的時延Λ Tcotl_tcp = T4tcp-T3tcp；
PMU與模擬前置系統(tǒng)基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互過程時延包括:從PMU采集測量數(shù)據(jù)、發(fā)送測量信息到測量信息到達交換機的時延Λ= Tlimp -TOimp ;從模擬前置系統(tǒng)接收通過交換機的PMU測量信息并判定和組織PMU控制信息到PMU控制信息傳遞到交換機的時延Λ TFE0NT_rop = T3udp -T2udp ;從PMU接收通過交換機的控制信息并判定和組織PMU控制響應信息到PMU控制響應信息傳遞到交換機的時延Λ Τω? = T4udp -T3udp ；
PMU與WAMS的數(shù)據(jù)交互時延包括:從PMU采集測量數(shù)據(jù)、發(fā)送測量信息到測量信息到達交換機的時延ΛT
CALC-WAMS " TIwams _T0wams ；從PMU接收通過交換機的控制信息并判定和組織PMU控制響應信息到PMU控制響應信息傳遞到交換機的時延Λ ΤωΜΒ = T4ffAMS -T3wams;其中，公式中標記的“TCP”指PMU與模擬前置系統(tǒng)基于TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互過程的時間信息；公式中標記的“UDP”指PMU與模擬前置系統(tǒng)基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)交互過程的時間信息；公式中標記的“WMS ”指PMU與WAMS的數(shù)據(jù)交互過程的時間信息。
[0012]在步驟I)中，模擬前置系統(tǒng)在特定時機發(fā)送特定的控制信息，其中特定的控制信息為心跳信號，特定的時刻為模擬前置系統(tǒng)每次或固定每隔幾次接收到PMU測量信息內(nèi)部時標為整秒數(shù)時；模擬前置系統(tǒng)以心跳信號命令幀作為特定的控制信息，通過管理通道傳遞給PMU，PMU收到心跳信號命令幀后回復心跳信號命令幀作為控制響應信息。
[0013]模擬前置系統(tǒng)發(fā)送PMU控制信息的特定時刻為最近一次內(nèi)部時標為整秒的PMU測量信息通過交換機的時刻。
[0014]根據(jù)實際需要測量的廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延，選擇PMU與模擬前置系統(tǒng)之間的交換機或PMU與WAMS之間的交換機單獨或同時進行端口鏡像并將鏡像端口接入網(wǎng)絡記錄儀，網(wǎng)絡記錄儀單獨或同時采集PMU與模擬前置系統(tǒng)之間的原始通信數(shù)據(jù)或PMU與WAMS之間的原始通信數(shù)據(jù)；測量廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)閉環(huán)時延時時，同時對模擬前置系統(tǒng)或WAMS主站側的交換機和PMU子站側的交換機進行端口鏡像并將鏡像端口接入網(wǎng)絡記錄儀，兩側的網(wǎng)絡記錄儀同時采集PMU與模擬前置系統(tǒng)之間或PMU與WAMS之間的原始通信數(shù)據(jù)，并分別記錄同一時間段PMU數(shù)據(jù)通過主站側交換機和子站側交換機的時刻；進行端口鏡像的交換機設于縱向加密裝置前，使原始報文處于尚未經(jīng)過加密或已經(jīng)解密狀態(tài)。
[0015]當交換機沒有空閑端口可以進行端口鏡像時將交換機的一側端口接入新增交換機，PMU與模擬前置系統(tǒng)之間或PMU與WAMS之間通過新增交換機進行通信，再將新增交換機上的通信端口收發(fā)鏡像并將鏡像端口接入網(wǎng)絡記錄儀。
[0016]當新增交換機后，在計算廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延前，計算新增交換機收發(fā)時延和新增交換機鏡像時延；在計算廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時延時，將PMU數(shù)據(jù)通過新增交換機的時刻減去新增交換機鏡像時延，得到補償校正后的通過新增交換機的時刻^fPMU數(shù)據(jù)經(jīng)過新增交換機的時延減去新增交換機收發(fā)時延，得到補償校正后的時延。
[0017]計算新增交換機收發(fā)時延和新增交換機鏡像時延的步驟為:
a)PTP對時信號接入交換機接收端口，網(wǎng)絡記錄儀通過鏡像端口和交換機發(fā)送端口采集PTP通信報文，記錄PTP到達各端口的時刻；
b)分析網(wǎng)絡記錄儀采集PTP通信報文，得到PTP內(nèi)部時標、PTP到達鏡像端口的時刻、PTP到達發(fā)送端口的時刻；
C)將PTP到達鏡像端口的時刻減去PTP內(nèi)部時標，得到新增交換機鏡像時延；將PTP到達發(fā)送端口的時刻減去PTP內(nèi)部時標之差，得到新增交換機額外時延。
[0018]在步驟3)中，廣域電網(wǎng)PMU數(shù)據(jù)時間信息分析的具體步驟包括:
5301:打開網(wǎng)絡記錄儀記錄PMU原始通信數(shù)據(jù)的pcap文件,按照pcap文件格式分析得到每個原始通信數(shù)據(jù)和其通過交換機時網(wǎng)絡記錄儀標記的時刻T ；
5302:分析PMU原始通信數(shù)據(jù)的鏈路層和網(wǎng)絡層；
5303:根據(jù)IP首部的標志和片偏移，對已分片的IP數(shù)據(jù)包進行分片重組得到完整IP數(shù)據(jù)包；
5304:分析傳輸層協(xié)議，判斷傳輸層協(xié)議類型；
5305:當為TCP協(xié)議類型時，根據(jù)TCP包長度、首部包含的序號等信息，拋棄重復數(shù)據(jù)、整合亂序數(shù)據(jù)、重組TCP分段，得到順序的數(shù)據(jù)流；
5306:判斷是否為需要的數(shù)據(jù)交互過程？若是，進入步驟S307 ；
5307:判斷PMU數(shù)據(jù)對應的PMU數(shù)據(jù)類型？
5308:當PMU數(shù)據(jù)類型為數(shù)據(jù)流管道數(shù)據(jù)幀時，分析數(shù)據(jù)幀即測量信息內(nèi)部時標T0，并根據(jù)PMU通信參數(shù)、上面分析得到的IP地址、端口和協(xié)議類型，將TO和其通過交換機時網(wǎng)絡記錄儀標記的時刻T存入對應的數(shù)據(jù)交互過程中； 5309:當PMU數(shù)據(jù)類型為管理管道命令幀(心跳信號)時，根據(jù)