基于時間序列的遠動通道數據同步方法

黃 曙，陳炯聰，馬 凱，張曉悅，慕宗君，方 偉，張巧霞

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

0 引 言

在電力系統領域，變電站遠動系統［1］（以下簡稱遠動）加載問答式規約［2］（如IEC101［3］、IEC104等）以主備通道模式運行時，雙通道切換功能存在的主要問題是：雙 （多）通道切換時，備通道切換為主通道過程中，遠動向調度主站［4］發送的模擬量、狀態量、動作信息普遍存在信息的重發、漏發現象。如果存在狀態量信息的漏發現象，則會導致調度主站監視的狀態與實際設備狀態不一致；如果存在信息重發，則會導致狀態量信息誤發現象，從而引起值班人員對當前電力系統的運行狀態產生誤判。上述兩種情況均會嚴重影響電力系統的安全運行。

為了防止通道切換［5］誤發漏發現象，目前多數電力設備制造商采用一種設置信息緩存時間值的方法，在這個時間值內產生的數據信息，切換后遠動系統將其發送到調度主站，時間值外產生的數據信息則不上送調度主站；該時間值為通道切換時間經驗值。然而如果該時間經驗值小于實際通道切換時間，則會導致信息漏發現象；如該時間經驗值大于實際通道切換時間，則會導致誤發現象。即切換時間不精確，而且在某些異常情況下，實際切換時間會超出時間經驗值，這些都會加劇信息重發、漏發的故障現象。

因此當前電力系統遠動通信設備急需一種能夠在雙（多）通道冗余［6－7］切換時保證數據信息不重發、不漏發的方法，以保證調度主站能夠安全、可靠［8－9］的監視變電站的運行狀態。本文提供一種基于時間序列的遠動通道數據同步方法，可以有效解決當前變電站中在雙通道切換時信息的重發、漏發的問題。

1 主要原理

同步通道、被同步通道基于時間一致性，即保持時間同步；同步通道將具有本地時標的已發送成功的最近一個數據信息傳輸給被同步通道；被同步通道從接收到的同步數據中解析出數據標識和時間信息，并與發送隊列中一個時間窗的數據信息進行比較，精確快速地查找出同步通道中已發送成功的所有數據，然后將這些數據從被同步通道發送隊列中刪除。

簡言之，本方法的數據同步就是在兩個不同時間序列上進行的數據同步，即在不同時間序列上找出相同的信息，然后根據這個相同的數據信息將已經過時的數據刪除，從而實現數據的同步，保證數據的不漏發、不重發。

時間序列是指將不同時間上的通道中各個數據，按時間先后順序排列而形成的序列，本方法中表現為通道發送隊列。

數據信息 （包括同步數據和通道發送隊列數據等）的兩個參數：

（1）數據標識。指該數據在數據庫中全局唯一標識，相同信息的數據標識在同步、被同步通道中必須一致。如：Indexm和Indexq。即同步通道、被同步通道中的數據具有一致性，從而保證了雙 （多）通道在遠動通道切換過程中數據的不漏發。

（2）本地時標。指接收到該數據時的通道自己的時標，該時標精確到毫秒。如：Tm、Tq和Tmq。

判斷同步通道和被同步通道發送隊列中數據Indexq與同步數據Indexm為相同信息的時間窗公式如下［3］

其中：

Indexm為UDP／IP（或消息）傳輸的同步通道同步數據的數據標識；

Indexq為被同步通道發送隊列中數據的數據標識；

Tm為UDP／IP（或消息）傳輸的同步通道中同步數據的時標；

Tq為被同步通道發送隊列中數據的時標；

Tmq為被同步通道發送隊列中與同步數據相同信息的時標；

Δt為同步信息時間窗，是一個經驗時間值，用于精確快速定位同步數據所在時間窗，確定并快速刪除發送隊列中已發送成功的所有數據。從而解決通道切換過程中數據重發以及逐個比較發送隊列中數據的開銷 （資源、時間等）巨大的缺點。如：Δt等于150毫秒。

被同步通道發送隊列中，在式 （1）的時間窗內根據式（2）獲取同步數據中的數據標識，然后查找出該數據，該數據的時間為Tmq；Tq和Tmq均為被同步通道中的時標，屬于一個時間序列，故滿足式 （3）的數據即為同步通道中已發送成功的所有數據，再整體將其從被同步通道發送隊列中刪除；從而保證了在不同時間序列上的發送隊列的數據一致性。當被同步通道切換為主通道時，被同步通道發送隊列中存在的數據皆為未成功發送給調度的數據，當調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，將發送隊列中未發送的數據傳輸給調度主站，因此解決了已發送成功數據的重發問題。

另外，該時間窗范圍僅為2倍Δt，在這個極短的時間窗內 （毫秒級）包含的數據信息有限，故程序可確保快速定位并刪除已發送成功的所有數據。

如圖1所示。

圖1 同步信息時間窗原理

通道A、B分別為同步通道、被同步通道，Δt為150毫秒。

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

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

通道A在450ms時向通道B發起數據同步。此時被調度確認發送成功的數據為信號1、信號2、信號3，通道A仍未收到信號4。故此時的同步數據為信號3，即Tm等于通道A中的Tq3（340毫秒）。根據式 （1）同步信息時間窗為190－490毫秒。

通道B在450ms時收到通道A發起的數據同步信號3。此時通道B收到信號1、信號2、信號3，仍未收到信號4。根據同步信息時間窗和式 （2），在發送隊列中查找信號3（數據標識相等），即Tmq等于通道B中的Tq3（410毫秒）。通道B發送隊列中Tq1、Tq2、Tq3均小于等于410毫秒，根據式 （3）刪除信號1、信號2、信號3。

根據上述實例，通道A與通道B在450毫秒處成功進行了數據同步，假設在同步后又立即發生了通道切換，當通道B切換為主通道與調度交互數據時，信號1、信號2、信號3將不再上送，僅上送信號4及其以后的信號，實現了雙 （多）通道切換后數據的不漏發不重發。

2 同步條件

數據同步的前提條件就是時間的一致性。時間一致性包括以下幾個方面：通道的時間同步、通道數據的接收同步。

通道的時間同步指同步的所有通道的時間的一致，此時間差采用Tc表示。

通道數據的接收同步指參與同步的所有通道接收到相同信號的時間差 （Tr），主要由網絡環境差異和傳輸延時所決定。即IED向每個通道發送數據，是否同時到達每個通道，理論上不會同時達到，但這個時間差很小。圖1為了說明原理，有意將其放大，如通道A接收到信號3時為340毫秒，通道B為410毫秒，則Tr等于70毫秒。

如式 （4），時間總誤差Tz由雙 （多）通道的時間差Tc、接收相同信號兩個通道的時間差Tr組成。

當式 （5）條件不滿足時，即當時間總誤差大于時間窗Δt時，則失去同步，通道切換將會出現重發現象

如圖2所示，通道A和通道B時間不同步，時間差Tc為100毫秒；通道A、B收到信號3的時間差Tr為70毫秒，即Tz等于170毫秒，大于時間窗Δt，即已經不在時間窗內 （190－490毫秒），時間窗內已找不到信號3（通道B接收到信號3的時間為510毫秒）。只能采用同步數據的時標 （340毫秒）為Tmq，并根據式 （3）刪除被同步通道發送隊列中信號1（200毫秒）及以前的信號。而信號2（350毫秒）、信號3（510毫秒）雖然在通道A中已成功發送，但在通道B的發送隊列中未被同步數據刪除，當通道B切換為主通道時，將向調度發送。此時調度收到了兩遍信號2和信號3，通道A、B分別上送了一次，出現了重發現象。

圖2 通道時間不同步

根據上述實例分析，數據同步的條件一：Δt大于時間總誤差Tz。當同步通道為單機運行模式，即同步、被同步通道運行于一臺機器，通道的時標均取自同一臺遠動機時標，故Tc等于零，Δt主要由接收相同信號兩個通道的時間差Tr構成；當同步通道為雙機運行模式時，同步通道的時標取自兩臺遠動機的時標，通道的時間差為兩臺遠動機的時間差，而目前變電站對時系統的對時精度均可達到1毫秒以下，即Tc小于1毫秒。Δt也主要由接收相同信號兩個通道的時間差Tr構成。故無論是單機多通道還是雙機多通道的運行模式，如式 （4）、式 （5），滿足數據同步的第一個條件體現在兩個方面，一是雙 （多）通道時間同步，二是通道數據的接收同步。

另外，數據同步的條件二：如式 （6），Δt經驗值小于變電站允許的SOE時間分辨率Tsoe。當Δt過大時，會引起一個新問題，即同一個信號 （數據標識相等）頻繁抖動，且抖動間隔小于Δt，則被同步通道中可能將抖動的信號誤刪，從而出現漏發。為了避免漏發，Δt不能大于信號抖動的時間間隔 （變電站允許的SOE時間分辨率）。

綜上所述，如式 （4）、式 （5）、式 （6），Δt經驗值必須大于時間總誤差Tz，同時小于變電站允許的SOE時間分辨率Tsoe。數據同步的條件是通道的時間同步和通道數據的接收同步，即通道時間差Tc和接收相同信號兩個通道的時間差Tr均足夠小，則式 （7）成立，即時間總誤差小于SOE時間分辨率，從而使得Δt可根據式 （5）、式 （6）選擇。本例為了說明原理，Δt經驗值選擇為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。主通道指主動發送和請求同步數據的通道，備通道指被動接收同步數據和被請求同步數據的通道。同步通道指發送同步數據的通道，被同步通道指接收同步數據的通道，主、備通道均可以是同步或被同步通道。

4 部署方式

按設備可分為單機、雙機部署，即同步、被同步通道部署在一臺 （或兩臺）遠動裝置設備上；按同步對象可分為一主一備、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、周期同步和請求同步三種方式。

立即同步指同步通道數據發送成功后立即向被同步通道發送該數據；周期同步指同步通道周期性地向被同步通道發送最近一次向調度發送成功的數據；請求同步指主備通道切換后，備通道升級為主通道，但仍為被同步通道，立即向此前的主通道 （現為備通道，但仍為同步通道）請求最近一次向調度發送成功的數據。3種方式可混合使用，以保證通道切換過程中數據同步的可靠性。

同步方式按傳輸方式還可分為任務間消息、UDP／IP協議傳輸同步數據信息兩種。單機采用任務間消息的方式，雙機則采用UDP／IP協議的方式。

6 局限性

任何規約及通信方式均無法完全杜絕重發，但可以解決漏發，對于電力系統來講，可以承受一定程度的重發，但絕不允許漏發，因為漏發將導致調度主站監視的狀態與實際設備狀態不一致，最終引起值班人員誤判，易引起事故，影響電力系統安全運行［10］。

本方法雖然可以解決遠動已發送成功的數據不再漏發，但無法解決調度主站已收到數據但遠動未收到確認信息引起的重發。問答式規約判斷數據已發送成功數據的依據是調度主站對接收到的信息向遠動告知。實際通信中可能出現，調度主站已接收成功，也成功發出確認向遠動告知，但遠動未收到該確認信息。此時該數據調度主站已成功收到，但遠動卻判為未成功發送，在通道切換后，該數據將出現重發的現象。任何通信模式和規約均無法避免此類重發現象，電力系統也可以承受此類信息的重發。

7 結束語

本文采用一種基于時間序列 （同步信息時間窗）的數據同步方法，同步通道發送一個帶時標的信息給被同步通道端；被同步通道根據時間窗，采用模糊計算方法對被同步通道端發送隊列的待發送信息進行有效、準確的分檢，刪除同步通道已經發送過的信息，同時通過三種同步方式確保在通道切換后數據同步的及時性、準確性和可靠性；還分析了數據同步的前提條件——時間一致性，即時間不同步對數據同步的可靠性，以及進而引起雙通道切換過程中的信息漏發、重發現象的影響，但只要遠動設備接收變電站同一個對時系統的時間同步，皆可滿足數據同步的時間要求。該方法經過變電站現場實際運行，在問答式規約的主備通道運行模式中消除變電站遠動雙通道切換過程中信息的漏發、重發現象的效果是顯著的。

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