一种5G差动保护装置的数据传输方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，涉及一种5g差动保护装置的数据传输方法。

背景技术：

电力系统中，差动保护要求获取两侧设备同步采样数据。传统的光纤差动保护装置，光信号在光纤中传输的延时为固定延时，一般不受外界环境影响。通过测量通道延时，将收到的对侧数据推算到本侧时间轴上，可以实现采样数据的同步。

使用光纤作为数据传输媒介的传统式差动保护装置，已在现场大量使用，可靠性已得到验证。但是专用的光纤管线敷设难度大，建设成本高，有些地区也不具备光纤敷设条件，对发展差动保护技术有一定的制约性。其次，当光纤出现断线时，查找断线位置较为困难，维护成本高。

目前，5g网络已经投入商业使用，5g网络切片中端到端的延时达到10毫秒以内，其低延时的特点有利于实现差动保护功能。

在新建变电站中，在线路两侧各配置一套5g差动保护装置，替代传统式光纤差动保护装置是容易实现的方案。

5g网络虽然具有低延时的特性，但时延具有不稳定性，而光纤差动保护装置却恰恰利用了光纤传输延时的稳定性实现。使用5g网络替代光纤有很大的优势，但重新开发满足要求的软件系统周期长，可靠性还需验证。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种设备和方法，在使用原有软件系统的基础上，用5g通信替代光纤通信，并满足通信稳定时延的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种5g差动保护装置的数据传输方法，基于数据处理装置完成，所述数据处理装置包括主控制器模块、卫星对时模块，主控制模块中包括连接卫星对时模块的卫星对时功能模块，关键在于：所述数据处理装置还包括fpag模块、连接5g通信模块的5g网络接口，主控制器模块中还包括连接fpga模块的数据处理模块以及连接5g网络接口的以太网控制功能模块。

进一步地，所述数据处理模块包括差动数据处理功能模块、5g数据转换与传输功能模块；所述fpga模块中包括数据缓冲模块、差动接收与数据加密模块、5g数据接收与数据解密模块。

进一步地，设置稳定时延参数t3；所述数据传输方法包括以下步骤：

数据的发送：差动数据接收与加密模块收到主控制器的差动数据后，对数据做加密处理，计算获得生成差动数据产生的绝对时间并发送给主控制器的5g数据转换与传输功能模块；5g数据转换与传输功能模块将差动数据、生成差动数据的绝对时间通过以太网控制模块传输到5g网络接口。

数据的接收：5g数据转换与传输功能模块接收5g网络接口收到的数据，解帧后根据t3计算数据缓冲时间、计算fpga数据缓冲模块发送数据所消耗的时间，计算完成后发送给fpga的5g数据接收与数据解密模块；5g数据接收与数据解密模块完成数据解密处理并将传送给数据缓冲模块；数据缓冲模块计算等待时间，到达等待时间后，发送数据到主控制器的差动保护数据处理功能模块。

收到数据时，计算差动数据产生的时间，将差动数据产生的时间和数据通过5g通信网络发给对侧；对侧收到5g模块的数据帧后，根据差动数据产生的时间和固定时延设置等待时间，从而达到数据在两个差动保护装置间传输具有固定时延。

有益效果：采用本发明提出的技术方案，在原有光纤网络的基础上升级为5g网络时，只需要在原设备上更新硬件装置和数据的前端处理软件，软件系统的核心部分不用变动，大大降低了工作量，缩短了研发周期，可靠性不用重新验证。

附图说明

图1为数据处理装置设备组成示意图，

图2为收发两侧的时隙图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参看图1，数据处理装置包括主控制器模块、卫星对时模块，主控制模块中包括连接卫星对时模块的卫星对时功能模块，卫星对时模块为gps模块或北斗对时模块。

fpga由于其具有较好的时序和逻辑特性，可以用来实现对数据进行加密和解密，保证数据安全，并实现对接收数据的缓冲，达到稳定时延的目的。

所述数据处理装置还包括fpag模块、连接5g通信模块的5g网络接口，主控制器模块中还包括连接fpga模块的数据处理模块以及连接5g网络接口的以太网控制功能模块。

主控制器模块中的数据处理模块包括差动数据处理功能模块、5g数据转换与传输功能模块；所述fpga模块中包括数据缓冲模块、差动接收与数据加密模块、5g数据接收与数据解密模块。

5g网络接口包括mac+phy模块、switch模块，switch模块连接rj45接口模块和5g通信模块。可以使用rj45网口外挂5gcpe装置；也可以根据需要内置5g模组。主控制器通过mac+phy形成以太网通道；以上以太网通道使用switch芯片实现互联互通。

液晶屏可以进行装置参数设置，基本参数包括：5g终端的选用，包括外置5gcpe，内置5g模组；5g终端参数设定与读取，包括终端mac、网关、apn；本装置的ip及对侧装置的ip设定与读取；稳定时延参数设定与读取，可设置为10ms-15ms任意数值。

主控制器模块作为数据流的中枢，实现数据帧的组帧和解帧。接收gps/北斗对时信号，从而保证较高的系统时间精度。主控制器模块接收到fpga数据后，加入当前点的时标信息，并组成udp帧。udp帧通过5g网络发送到对侧数据处理装置。对侧数据处理装置对udp帧进行解码，对帧序号、时间戳进行判断；将应用层数据发送给fpga进行解密处理；fpga依据设置的时延值，对数据进行缓冲处理；达到设定的时延后，将数据发送到主控制器的差动保护数据处理功能模块。

数据的接收和发送。

本侧和对侧的数据处理装置实现通信功能；在数据处理装置中设置稳定时延参数t3，t3为数据从本侧差动保护装置发送到对侧差动保护装置的固定时延。

5g数据转换与传输功能模块，主要包换两部分功能，一是用于接收加密后的差动保护数据，并将差动保护数据产生时的绝对系统时间等信息组成udp帧形式，通过以太网控制模块传输到5g网络接口，通过5g网络发送出去；二是：接收5g网络接口收到的对侧数据，解帧后并根据稳定时延参数计算数据缓冲时间，计算fpga数据缓冲模块发送数据所消耗的定时器计数；计算完成后发送给fpga的5g数据接收与数据解密模块。

fpga模块中的数据接收与加密模块的功能：1、接收主控制器的差动数据，对数据做加密处理，并将差动保护数据接收到完成解密消耗的定时器计数值发送给主控制器的5g数据转换与传输功能模块。2、接收主控制器解帧后的5g数据、数据缓冲时间、数据缓冲模块发送数据所消耗的定时器计数；完成数据解密处理。

fpga模块中的数据缓冲模块，用于计算数据滞留时间，定时器计数到达数据滞留时间后发送数据到主控制器的差动保护数据处理功能模块，从而实现稳定的5g时延。

所述方法包括数据的发送和数据的接收。

数据的发送：差动数据接收与加密模块收到主控制器的差动数据后，对数据做加密处理，计算处理时间并发送给主控制器的5g数据转换与传输功能模块；5g数据转换与传输功能模块将差动数据、生成差动数据的绝对时间，通过以太网控制模块传输到5g网络接口，具体为：

步骤s1、开始接收差动数据时，启动定时器进行计数，定时器频率为fr，fr≧10mhz。

fpga模块中的差动数据接收与加密模块收到主控制器的差动数据。当检测传来数据时，启动定时器，同时对数据进行以下处理。

步骤s2、获取差动保护装置的数据帧，放入数据缓冲区。

步骤s3、对获取的数据帧进行加密处理，完成处理后停止计数，获取定时器计数nr。

以上完成了数据的处理，且通过计数器确定了处理时间。步骤s1到步骤s3由fpga处理数据，fpga未连接gps/北斗对时信号。其中步骤s1启动定时器计数和步骤s2同时启动，并不是先后顺序。

步骤s4、记录获取到加密数据的当前系统时间t1，计算接收数据时间戳tr=t1–nr/fr。

该步骤由主控制器模块完成。由于fpga未连接gps/北斗对时信号，不能获取系统时间，这里通过计数器的计时，计算收到差动保护数据的时间。

步骤s5、将时间戳信息tr、加密数据进行打包处理。

步骤s6、获取本侧装置的mac地址、5g终端的mac地址，本侧装置的ip地址，对侧装置的ip地址，将打包后的数据通过udp帧的形式，传输给5g网络接口进行发送；

5g数据转换与传输功能模块接收5g网络接口收到的数据，解帧后根据t3计算数据缓冲时间、计算fpga数据缓冲模块发送数据所消耗的时间，计算完成后发送给fpga的5g数据接收与数据解密模块；5g数据接收与数据解密模块完成数据解密处理并将传送给数据缓冲模块；数据缓冲模块计算等待时间，到达等待时间后，发送数据到主控制器的差动保护数据处理功能模块。具体为：

步骤r1、获取5g网络接口接收到的对侧udp帧。

步骤r2、对数据进行解析，读取接收udp帧的时间戳tr，读取当前系统时间t2和稳定时延参数t3，计算数据缓冲时间：δt=t3–(t2–tr)，δt的单位为μs。

同时执行步骤r3、计算数据发送所需定时器计数：ns=m×n，其中m为udp帧中数据的字节数，n为fpga发送一个字节需要的定时器计数。

步骤r4、启动定时器进行计数，定时器频率为fs，fs≧10mhz。

步骤r5、数据解密；将解密后的数据和数据缓冲时间δt放入数据缓冲区。

步骤r6、当计数值nc=δt×fs-ns时，将数据发送到主控制器模块中的的差动保护数据处理功能模块。

参看图2，本方法要实现的是从s1开始到完成r6之间的时间稳定为t3。

发送端的定时器计数确定fpga执行步骤s2和s3的耗时，主控制器通过获取执行完步骤s3的系统时间t1，进而回推得到数据到达的时间tr。步骤s4至步骤s6的执行时间根据数据帧的大小会有不同，具体时间不会造成影响。通过5g发送的时延不稳定，即步骤s6完成到步骤r1开始之间的时间不稳定。

步骤r2、r3同时执行，r3预计发送数据需要的时间，r2得到完成r2和r3后，从步骤s1开始到达固定时延t3的剩余时间δt。

此时，步骤r4启动定时器开始计数；步骤5开始数据解密。

步骤6完成等待和发送。当到达t3的剩余时间为发送数据的时间ns时，即从r4开始，已经用时到达nc=δt×fs–ns时，开始发送。当数据发送完成时，从s1开始，用时为t3。

以上实现了收发间隔的恒定。

需要注意的是，t3的设定要大于5g的端到端发送延时+设备中数据的处理发送时间。5g网络切片中端到端的延时达到10毫秒以内，本实施例中，t3设置10-15ms，可以达到要求。

上述的定时器频率fr和fs是为fpga配置的晶振主频。