黃 曙，陳炯聰，馬 凱，張曉悅，慕宗君，方 偉，張巧霞

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州510080；2.許繼電氣技術(shù)中心，河南 許昌461000）

0 引 言

在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，變電站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)［1］（以下簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)動(dòng)）加載問(wèn)答式規(guī)約［2］（如IEC101［3］、IEC104等）以主備通道模式運(yùn)行時(shí)，雙通道切換功能存在的主要問(wèn)題是：雙 （多）通道切換時(shí)，備通道切換為主通道過(guò)程中，遠(yuǎn)動(dòng)向調(diào)度主站［4］發(fā)送的模擬量、狀態(tài)量、動(dòng)作信息普遍存在信息的重發(fā)、漏發(fā)現(xiàn)象。如果存在狀態(tài)量信息的漏發(fā)現(xiàn)象，則會(huì)導(dǎo)致調(diào)度主站監(jiān)視的狀態(tài)與實(shí)際設(shè)備狀態(tài)不一致；如果存在信息重發(fā)，則會(huì)導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)量信息誤發(fā)現(xiàn)象，從而引起值班人員對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生誤判。上述兩種情況均會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

為了防止通道切換［5］誤發(fā)漏發(fā)現(xiàn)象，目前多數(shù)電力設(shè)備制造商采用一種設(shè)置信息緩存時(shí)間值的方法，在這個(gè)時(shí)間值內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，切換后遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)將其發(fā)送到調(diào)度主站，時(shí)間值外產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息則不上送調(diào)度主站；該時(shí)間值為通道切換時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值。然而如果該時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值小于實(shí)際通道切換時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致信息漏發(fā)現(xiàn)象；如該時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值大于實(shí)際通道切換時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致誤發(fā)現(xiàn)象。即切換時(shí)間不精確，而且在某些異常情況下，實(shí)際切換時(shí)間會(huì)超出時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值，這些都會(huì)加劇信息重發(fā)、漏發(fā)的故障現(xiàn)象。

因此當(dāng)前電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信設(shè)備急需一種能夠在雙（多）通道冗余［6－7］切換時(shí)保證數(shù)據(jù)信息不重發(fā)、不漏發(fā)的方法，以保證調(diào)度主站能夠安全、可靠［8－9］的監(jiān)視變電站的運(yùn)行狀態(tài)。本文提供一種基于時(shí)間序列的遠(yuǎn)動(dòng)通道數(shù)據(jù)同步方法，可以有效解決當(dāng)前變電站中在雙通道切換時(shí)信息的重發(fā)、漏發(fā)的問(wèn)題。

1 主要原理

同步通道、被同步通道基于時(shí)間一致性，即保持時(shí)間同步；同步通道將具有本地時(shí)標(biāo)的已發(fā)送成功的最近一個(gè)數(shù)據(jù)信息傳輸給被同步通道；被同步通道從接收到的同步數(shù)據(jù)中解析出數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)和時(shí)間信息，并與發(fā)送隊(duì)列中一個(gè)時(shí)間窗的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較，精確快速地查找出同步通道中已發(fā)送成功的所有數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)從被同步通道發(fā)送隊(duì)列中刪除。

簡(jiǎn)言之，本方法的數(shù)據(jù)同步就是在兩個(gè)不同時(shí)間序列上進(jìn)行的數(shù)據(jù)同步，即在不同時(shí)間序列上找出相同的信息，然后根據(jù)這個(gè)相同的數(shù)據(jù)信息將已經(jīng)過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)刪除，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，保證數(shù)據(jù)的不漏發(fā)、不重發(fā)。

時(shí)間序列是指將不同時(shí)間上的通道中各個(gè)數(shù)據(jù)，按時(shí)間先后順序排列而形成的序列，本方法中表現(xiàn)為通道發(fā)送隊(duì)列。

數(shù)據(jù)信息 （包括同步數(shù)據(jù)和通道發(fā)送隊(duì)列數(shù)據(jù)等）的兩個(gè)參數(shù)：

（1）數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)。指該數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中全局唯一標(biāo)識(shí)，相同信息的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)在同步、被同步通道中必須一致。如：Indexm和Indexq。即同步通道、被同步通道中的數(shù)據(jù)具有一致性，從而保證了雙 （多）通道在遠(yuǎn)動(dòng)通道切換過(guò)程中數(shù)據(jù)的不漏發(fā)。

（2）本地時(shí)標(biāo)。指接收到該數(shù)據(jù)時(shí)的通道自己的時(shí)標(biāo)，該時(shí)標(biāo)精確到毫秒。如：Tm、Tq和Tmq。

判斷同步通道和被同步通道發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)Indexq與同步數(shù)據(jù)Indexm為相同信息的時(shí)間窗公式如下［3］

其中：

Indexm為UDP／IP（或消息）傳輸?shù)耐酵ǖ劳綌?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)；

Indexq為被同步通道發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)；

Tm為UDP／IP（或消息）傳輸?shù)耐酵ǖ乐型綌?shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)；

Tq為被同步通道發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)；

Tmq為被同步通道發(fā)送隊(duì)列中與同步數(shù)據(jù)相同信息的時(shí)標(biāo)；

Δt為同步信息時(shí)間窗，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)時(shí)間值，用于精確快速定位同步數(shù)據(jù)所在時(shí)間窗，確定并快速刪除發(fā)送隊(duì)列中已發(fā)送成功的所有數(shù)據(jù)。從而解決通道切換過(guò)程中數(shù)據(jù)重發(fā)以及逐個(gè)比較發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)的開(kāi)銷 （資源、時(shí)間等）巨大的缺點(diǎn)。如：Δt等于150毫秒。

被同步通道發(fā)送隊(duì)列中，在式 （1）的時(shí)間窗內(nèi)根據(jù)式（2）獲取同步數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，然后查找出該數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的時(shí)間為Tmq；Tq和Tmq均為被同步通道中的時(shí)標(biāo)，屬于一個(gè)時(shí)間序列，故滿足式 （3）的數(shù)據(jù)即為同步通道中已發(fā)送成功的所有數(shù)據(jù)，再整體將其從被同步通道發(fā)送隊(duì)列中刪除；從而保證了在不同時(shí)間序列上的發(fā)送隊(duì)列的數(shù)據(jù)一致性。當(dāng)被同步通道切換為主通道時(shí)，被同步通道發(fā)送隊(duì)列中存在的數(shù)據(jù)皆為未成功發(fā)送給調(diào)度的數(shù)據(jù)，當(dāng)調(diào)度與被同步通道完成通信握手后，被同步通道即成為主通道，將發(fā)送隊(duì)列中未發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)度主站，因此解決了已發(fā)送成功數(shù)據(jù)的重發(fā)問(wèn)題。

另外，該時(shí)間窗范圍僅為2倍Δt，在這個(gè)極短的時(shí)間窗內(nèi) （毫秒級(jí)）包含的數(shù)據(jù)信息有限，故程序可確?？焖俣ㄎ徊h除已發(fā)送成功的所有數(shù)據(jù)。

如圖1所示。

圖1 同步信息時(shí)間窗原理

通道A、B分別為同步通道、被同步通道，Δt為150毫秒。

通道A收到各信號(hào)的時(shí)間如下：信號(hào)1（Tq1）為110毫秒，信號(hào)2（Tq2）為205毫秒，信號(hào)3（Tq3）為340毫秒，信號(hào)4（Tq4）為570毫秒。

通道B收到各信號(hào)的時(shí)間如下：信號(hào)1（Tq1）為100毫秒，信號(hào)2（Tq2）為250毫秒，信號(hào)3（Tq3）為410毫秒，信號(hào)4（Tq4）為590毫秒。

通道A在450ms時(shí)向通道B發(fā)起數(shù)據(jù)同步。此時(shí)被調(diào)度確認(rèn)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)為信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3，通道A仍未收到信號(hào)4。故此時(shí)的同步數(shù)據(jù)為信號(hào)3，即Tm等于通道A中的Tq3（340毫秒）。根據(jù)式 （1）同步信息時(shí)間窗為190－490毫秒。

通道B在450ms時(shí)收到通道A發(fā)起的數(shù)據(jù)同步信號(hào)3。此時(shí)通道B收到信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3，仍未收到信號(hào)4。根據(jù)同步信息時(shí)間窗和式 （2），在發(fā)送隊(duì)列中查找信號(hào)3（數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)相等），即Tmq等于通道B中的Tq3（410毫秒）。通道B發(fā)送隊(duì)列中Tq1、Tq2、Tq3均小于等于410毫秒，根據(jù)式 （3）刪除信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3。

根據(jù)上述實(shí)例，通道A與通道B在450毫秒處成功進(jìn)行了數(shù)據(jù)同步，假設(shè)在同步后又立即發(fā)生了通道切換，當(dāng)通道B切換為主通道與調(diào)度交互數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3將不再上送，僅上送信號(hào)4及其以后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了雙 （多）通道切換后數(shù)據(jù)的不漏發(fā)不重發(fā)。

2 同步條件

數(shù)據(jù)同步的前提條件就是時(shí)間的一致性。時(shí)間一致性包括以下幾個(gè)方面：通道的時(shí)間同步、通道數(shù)據(jù)的接收同步。

通道的時(shí)間同步指同步的所有通道的時(shí)間的一致，此時(shí)間差采用Tc表示。

通道數(shù)據(jù)的接收同步指參與同步的所有通道接收到相同信號(hào)的時(shí)間差 （Tr），主要由網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差異和傳輸延時(shí)所決定。即IED向每個(gè)通道發(fā)送數(shù)據(jù)，是否同時(shí)到達(dá)每個(gè)通道，理論上不會(huì)同時(shí)達(dá)到，但這個(gè)時(shí)間差很小。圖1為了說(shuō)明原理，有意將其放大，如通道A接收到信號(hào)3時(shí)為340毫秒，通道B為410毫秒，則Tr等于70毫秒。

如式 （4），時(shí)間總誤差Tz由雙 （多）通道的時(shí)間差Tc、接收相同信號(hào)兩個(gè)通道的時(shí)間差Tr組成。

當(dāng)式 （5）條件不滿足時(shí)，即當(dāng)時(shí)間總誤差大于時(shí)間窗Δt時(shí)，則失去同步，通道切換將會(huì)出現(xiàn)重發(fā)現(xiàn)象

如圖2所示，通道A和通道B時(shí)間不同步，時(shí)間差Tc為100毫秒；通道A、B收到信號(hào)3的時(shí)間差Tr為70毫秒，即Tz等于170毫秒，大于時(shí)間窗Δt，即已經(jīng)不在時(shí)間窗內(nèi) （190－490毫秒），時(shí)間窗內(nèi)已找不到信號(hào)3（通道B接收到信號(hào)3的時(shí)間為510毫秒）。只能采用同步數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo) （340毫秒）為Tmq，并根據(jù)式 （3）刪除被同步通道發(fā)送隊(duì)列中信號(hào)1（200毫秒）及以前的信號(hào)。而信號(hào)2（350毫秒）、信號(hào)3（510毫秒）雖然在通道A中已成功發(fā)送，但在通道B的發(fā)送隊(duì)列中未被同步數(shù)據(jù)刪除，當(dāng)通道B切換為主通道時(shí)，將向調(diào)度發(fā)送。此時(shí)調(diào)度收到了兩遍信號(hào)2和信號(hào)3，通道A、B分別上送了一次，出現(xiàn)了重發(fā)現(xiàn)象。

圖2 通道時(shí)間不同步

根據(jù)上述實(shí)例分析，數(shù)據(jù)同步的條件一：Δt大于時(shí)間總誤差Tz。當(dāng)同步通道為單機(jī)運(yùn)行模式，即同步、被同步通道運(yùn)行于一臺(tái)機(jī)器，通道的時(shí)標(biāo)均取自同一臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)時(shí)標(biāo)，故Tc等于零，Δt主要由接收相同信號(hào)兩個(gè)通道的時(shí)間差Tr構(gòu)成；當(dāng)同步通道為雙機(jī)運(yùn)行模式時(shí)，同步通道的時(shí)標(biāo)取自兩臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的時(shí)標(biāo)，通道的時(shí)間差為兩臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)的時(shí)間差，而目前變電站對(duì)時(shí)系統(tǒng)的對(duì)時(shí)精度均可達(dá)到1毫秒以下，即Tc小于1毫秒。Δt也主要由接收相同信號(hào)兩個(gè)通道的時(shí)間差Tr構(gòu)成。故無(wú)論是單機(jī)多通道還是雙機(jī)多通道的運(yùn)行模式，如式 （4）、式 （5），滿足數(shù)據(jù)同步的第一個(gè)條件體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是雙 （多）通道時(shí)間同步，二是通道數(shù)據(jù)的接收同步。

另外，數(shù)據(jù)同步的條件二：如式 （6），Δt經(jīng)驗(yàn)值小于變電站允許的SOE時(shí)間分辨率Tsoe。當(dāng)Δt過(guò)大時(shí)，會(huì)引起一個(gè)新問(wèn)題，即同一個(gè)信號(hào) （數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)相等）頻繁抖動(dòng)，且抖動(dòng)間隔小于Δt，則被同步通道中可能將抖動(dòng)的信號(hào)誤刪，從而出現(xiàn)漏發(fā)。為了避免漏發(fā)，Δt不能大于信號(hào)抖動(dòng)的時(shí)間間隔 （變電站允許的SOE時(shí)間分辨率）。

綜上所述，如式 （4）、式 （5）、式 （6），Δt經(jīng)驗(yàn)值必須大于時(shí)間總誤差Tz，同時(shí)小于變電站允許的SOE時(shí)間分辨率Tsoe。數(shù)據(jù)同步的條件是通道的時(shí)間同步和通道數(shù)據(jù)的接收同步，即通道時(shí)間差Tc和接收相同信號(hào)兩個(gè)通道的時(shí)間差Tr均足夠小，則式 （7）成立，即時(shí)間總誤差小于SOE時(shí)間分辨率，從而使得Δt可根據(jù)式 （5）、式 （6）選擇。本例為了說(shuō)明原理，Δt經(jīng)驗(yàn)值選擇為150毫秒。

3 同步角色

同步角色分別為主通道、備通道、同步通道和被同步通道等。主通道指主動(dòng)發(fā)送和請(qǐng)求同步數(shù)據(jù)的通道，備通道指被動(dòng)接收同步數(shù)據(jù)和被請(qǐng)求同步數(shù)據(jù)的通道。同步通道指發(fā)送同步數(shù)據(jù)的通道，被同步通道指接收同步數(shù)據(jù)的通道，主、備通道均可以是同步或被同步通道。

4 部署方式

按設(shè)備可分為單機(jī)、雙機(jī)部署，即同步、被同步通道部署在一臺(tái) （或兩臺(tái)）遠(yuǎn)動(dòng)裝置設(shè)備上；按同步對(duì)象可分為一主一備、一主多備等部署方式。

5 同步方式

同步方式可分為立即同步、周期同步和請(qǐng)求同步三種方式。

立即同步指同步通道數(shù)據(jù)發(fā)送成功后立即向被同步通道發(fā)送該數(shù)據(jù)；周期同步指同步通道周期性地向被同步通道發(fā)送最近一次向調(diào)度發(fā)送成功的數(shù)據(jù)；請(qǐng)求同步指主備通道切換后，備通道升級(jí)為主通道，但仍為被同步通道，立即向此前的主通道 （現(xiàn)為備通道，但仍為同步通道）請(qǐng)求最近一次向調(diào)度發(fā)送成功的數(shù)據(jù)。3種方式可混合使用，以保證通道切換過(guò)程中數(shù)據(jù)同步的可靠性。

同步方式按傳輸方式還可分為任務(wù)間消息、UDP／IP協(xié)議傳輸同步數(shù)據(jù)信息兩種。單機(jī)采用任務(wù)間消息的方式，雙機(jī)則采用UDP／IP協(xié)議的方式。

6 局限性

任何規(guī)約及通信方式均無(wú)法完全杜絕重發(fā)，但可以解決漏發(fā)，對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)講，可以承受一定程度的重發(fā)，但絕不允許漏發(fā)，因?yàn)槁┌l(fā)將導(dǎo)致調(diào)度主站監(jiān)視的狀態(tài)與實(shí)際設(shè)備狀態(tài)不一致，最終引起值班人員誤判，易引起事故，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行［10］。

本方法雖然可以解決遠(yuǎn)動(dòng)已發(fā)送成功的數(shù)據(jù)不再漏發(fā)，但無(wú)法解決調(diào)度主站已收到數(shù)據(jù)但遠(yuǎn)動(dòng)未收到確認(rèn)信息引起的重發(fā)。問(wèn)答式規(guī)約判斷數(shù)據(jù)已發(fā)送成功數(shù)據(jù)的依據(jù)是調(diào)度主站對(duì)接收到的信息向遠(yuǎn)動(dòng)告知。實(shí)際通信中可能出現(xiàn)，調(diào)度主站已接收成功，也成功發(fā)出確認(rèn)向遠(yuǎn)動(dòng)告知，但遠(yuǎn)動(dòng)未收到該確認(rèn)信息。此時(shí)該數(shù)據(jù)調(diào)度主站已成功收到，但遠(yuǎn)動(dòng)卻判為未成功發(fā)送，在通道切換后，該數(shù)據(jù)將出現(xiàn)重發(fā)的現(xiàn)象。任何通信模式和規(guī)約均無(wú)法避免此類重發(fā)現(xiàn)象，電力系統(tǒng)也可以承受此類信息的重發(fā)。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文采用一種基于時(shí)間序列 （同步信息時(shí)間窗）的數(shù)據(jù)同步方法，同步通道發(fā)送一個(gè)帶時(shí)標(biāo)的信息給被同步通道端；被同步通道根據(jù)時(shí)間窗，采用模糊計(jì)算方法對(duì)被同步通道端發(fā)送隊(duì)列的待發(fā)送信息進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的分檢，刪除同步通道已經(jīng)發(fā)送過(guò)的信息，同時(shí)通過(guò)三種同步方式確保在通道切換后數(shù)據(jù)同步的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性；還分析了數(shù)據(jù)同步的前提條件——時(shí)間一致性，即時(shí)間不同步對(duì)數(shù)據(jù)同步的可靠性，以及進(jìn)而引起雙通道切換過(guò)程中的信息漏發(fā)、重發(fā)現(xiàn)象的影響，但只要遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備接收變電站同一個(gè)對(duì)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間同步，皆可滿足數(shù)據(jù)同步的時(shí)間要求。該方法經(jīng)過(guò)變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，在問(wèn)答式規(guī)約的主備通道運(yùn)行模式中消除變電站遠(yuǎn)動(dòng)雙通道切換過(guò)程中信息的漏發(fā)、重發(fā)現(xiàn)象的效果是顯著的。

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