一种广域电网pmu数据时延精确测量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统实时动态监测领域，特别是基于PMU的广域测量系统和基于PMU的广域电网实时闭环控制系统方向。
【背景技术】
[0002]目前，以同步时钟(例如GPS的授时信号)作为数据采样基准时钟源的相量测量装置(phasor measurement unit, PMU),在我国电力系统中已得到广泛应用，作为实时动态监测系统的重要组成，以电力调度数据网为通信通道，通过网络按照规范传输测量信息和控制信息，为广域测量系统(wide-area measurement system, WAMS)提供实时测量数据,接收并响应主站下达的命令。广域电网PMU数据时延作为影响广域电网实时闭环控制系统性能的主要因素之一，在整个通信过程中具有不确定性和随机性，对广域电力系统阻尼控制造成非常不利的影响。
[0003]基于上述背景，如何精准测量广域电网PMU数据时延成为一个需要解决的问题。现有的PMU数据时延测量是通过WAMS接收PMU测量信息时的系统时间与测量信息内部时标计算得到PMU测量信息时延，但该方法存在以下缺点:
(一)需要在WAMS内部进行时延测量，一方面可能会影响WAMS的性能，另一方面也无法测量PMU与WAMS之间从最开始的PMU采集数据的时刻到最后的WAMS接收PMU控制响应信息的闭环时延。
[0004](二)PMU测量信息内部时标为PMU采集数据的时刻，时间精度在微秒级，但WAMS的系统时间通过网络对时(SNTP)，精度在毫秒级，因此该方法无法精确测量毫秒级或十毫秒级的PMU测量信息时延。
[0005](三)PMU控制信息内部时标精度在秒级，因此该方法无法精确测量毫秒级的PMU控制信息时延。
[0006](H)PMU与WAMS的数据通信可以基于TCP或UDP协议，部分WAMS不支持基于UDP协议的通信过程，无法对基于m)P协议的PMU与WAMS的通信时延进行测量。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，以达到时延精确测量的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
[0008]一种广域电网PMU数据时延精确测量的方法，包括以下步骤:
1)在WAMS主站端设模拟前置系统，模拟前置系统与PMU之间按照电力系统实时动态监测系统技术规范进行配置和通信，模拟PMU与WAMS的数据交互，同时在特定时机发送特定的控制信息；
2)将PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS之间交换机上PMU数据通信的一侧端口收发镜像到空闲端口，将镜像端口接入网络记录仪的采集网口，网络记录仪按照规范采集PMU与模拟前置系统或PMU与WAMS的原始通信数据并标记精确时标记录数据通过交换机的时刻；
3)根据网络记录仪采集的原始通信数据，参照通信参数和通信规约，对PMU传递测量信息的数据流管道和PMU传递控制信息的管理管道进行分析，得到需要的数据交互过程的数据，然后根据每个数据交互过程的通信数据类型、通信规约，分析得到需要的数据交互过程的时间信息，时间信息包括PMU测量信息内部时标、PMU测量信息通过交换机的时刻、PMU控制信息通过交换机的时刻、PMU控制响应信息通过交换机的时刻；如果数据交互包括模拟前置系统的数据交互则还需要分析得到模拟前置系统发送特定控制信息的特定时刻；
4)根据数据交互过程的时间信息，计算广域电网PMU数据时延。
[0009]作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
[0010]在步骤I)中将模拟前置系统搭建在WAMS主站端，可以与WAMS同机运行，并与PMU同时进行基于TCP协议的数据交互和基于UDP协议的数据交互，模拟前置系统与WAMS同机运行时同时进行PMU数据交互过程:PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互、PMU与模拟前置系统基于m)P协议的数据交互、PMU与WAMS的数据交互。
[0011]在步骤3)中，根据分析网络记录仪记录的信息，分析得到PMU数据交互过程的时间信息，时间信息包括=PMU测量信息内部时标TO、PMU测量信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻Tl、模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻T2、PMU控制信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T3、PMU控制响应信息通过交换机时网络记录仪标记的时刻T4 ；在步骤4)中，根据PMU数据交互过程的时间信息计算广域电网PMU数据时延，广域电网PMU数据时延包括:PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时延、PMU与模拟前置系统基于m)P协议的数据交互过程的时延、PMU与WAMS的数据交互时延；
其中，PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时延包括:从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延Λ?^?ρ = Tlrcp-TOra;从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延Λ Tfeont_tcp = T3OT-T2ra;从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延Λ Tcotl_tcp = T4tcp-T3tcp；
PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程时延包括:从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延Λ= Tlimp -TOimp ;从模拟前置系统接收通过交换机的PMU测量信息并判定和组织PMU控制信息到PMU控制信息传递到交换机的时延Λ TFE0NT_rop = T3udp -T2udp ;从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延Λ Τω? = T4udp -T3udp ；
PMU与WAMS的数据交互时延包括:从PMU采集测量数据、发送测量信息到测量信息到达交换机的时延ΛT
CALC-WAMS " TIwams _T0wams ；从PMU接收通过交换机的控制信息并判定和组织PMU控制响应信息到PMU控制响应信息传递到交换机的时延Λ ΤωΜΒ = T4ffAMS -T3wams;其中，公式中标记的“TCP”指PMU与模拟前置系统基于TCP协议的数据交互过程的时间信息；公式中标记的“UDP”指PMU与模拟前置系统基于UDP协议的数据交互过程的时间信息；公式中标记的“WMS ”指PMU与WAMS的数据交互过程的时间信息。
[0012]在步骤I)中，模拟前置系统在特定时机发送特定的控制信息，其中特定的控制信息为心跳信号，特定的时刻为模拟前置系统每次或固定每隔几次接收到PMU测量信息内部时标为整秒数时；模拟前置系统以心跳信号命令帧作为特定的控制信息，通过管理通道传递给PMU，PMU收到心跳信号命令帧后回复心跳信号命令帧作为控制响应信息。
[0013]模拟前置系统发送PMU控制信息的特定时刻为最近一次内部时标为整秒的PMU测量信息通过交换机的时刻。
[0014]根据实际需要测量的广域电网PMU数据时延，选择PMU与模拟前置系统之间的交换机或PMU与WAMS之间的交换机单独或同时进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，网络记录仪单独或同时采集PMU与模拟前置系统之间的原始通信数据或PMU与WAMS之间的原始通信数据；测量广域电网PMU数据闭环时延时时，同时对模拟前置系统或WAMS主站侧的交换机和PMU子站侧的交换机进行端口镜像并将镜像端口接入网络记录仪，两侧的网络记录仪同时采集PMU与模拟前置系统之间或PMU与WAMS之间的原始通信数据，并分别记录同一时间段PMU数据通过主站侧交换机和子站侧交换机的时刻；进行端口镜像的交换机设于纵向加密装置前，使原始报文处于尚未经过加密或已经解密状态。
[0015]当交换机没有空闲端口可以进行端口镜像时将交换机的一侧端口接入新增交换机，PMU与模拟前置系统之间或PMU与WAMS之间通过新增交换机进行通信，再将新增交换机上的通信端口收发镜像并将镜像端口接入网络记录仪。
[0016]当新增交换机后，在计算广域电网PMU数据时延前，计算新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延；在计算广域电网PMU数据时延时，将PMU数据通过新增交换机的时刻减去新增交换机镜像时延，得到补偿校正后的通过新增交换机的时刻^fPMU数据经过新增交换机的时延减去新增交换机收发时延，得到补偿校正后的时延。
[0017]计算新增交换机收发时延和新增交换机镜像时延的步骤为:
a)PTP对时信号接入交换机接收端口，网络记录仪通过镜像端口和交换机发送端口采集PTP通信报文，记录PTP到达各端口的时刻；
b)分析网络记录仪采集PTP通信报文，得到PTP内部时标、PTP到达镜像端口的时刻、PTP到达发送端口的时刻；
C)将PTP到达镜像端口的时刻减去PTP内部时标，得到新增交换机镜像时延；将PTP到达发送端口的时刻减去PTP内部时标之差，得到新增交换机额外时延。
[0018]在步骤3)中，广域电网PMU数据时间信息分析的具体步骤包括:
5301:打开网络记录仪记录PMU原始通信数据的pcap文件,按照pcap文件格式分析得到每个原始通信数据和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T ；
5302:分析PMU原始通信数据的链路层和网络层；
5303:根据IP首部的标志和片偏移，对已分片的IP数据包进行分片重组得到完整IP数据包；
5304:分析传输层协议，判断传输层协议类型；
5305:当为TCP协议类型时，根据TCP包长度、首部包含的序号等信息，抛弃重复数据、整合乱序数据、重组TCP分段，得到顺序的数据流；
5306:判断是否为需要的数据交互过程？若是，进入步骤S307 ；
5307:判断PMU数据对应的PMU数据类型？
5308:当PMU数据类型为数据流管道数据帧时，分析数据帧即测量信息内部时标T0，并根据PMU通信参数、上面分析得到的IP地址、端口和协议类型，将TO和其通过交换机时网络记录仪标记的时刻T存入对应的数据交互过程中； 5309:当PMU数据类型为管理管道命令帧(心跳信号)时，根据