基于硬件的变电站互感器采样值时钟透传装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及网络信息传送领域，特别涉及一种基于硬件的变电站互感器采样值时钟透传装置及方法。
【背景技术】
[0002]IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。它通过标准的实现，实现了智能变电站的工程运作标准化。而基于IEC61850标准的智能变电站中，各间隔互感器采用分布式独立采样方式，采样值经合并单元后通过9-2报文传输。由于各间隔互感器的采集处理环节独立，没有统一协调；采样报文在网络中的传输过程中会附加时延，时延的产生包括线路时延和交换机时延，其中线路时延是可查可控的，而交换机产生的时延在不采取时钟同步措施的前提下是不可控的，尤其当采样报文经过多级交换机传输后，不同间隔互感器的采样值之间便失去了同时性，导致这些数据无法直接用于继电保护装置计算。针对智能变电站中互感器采样值不同步问题，目前主要解决办法有两种:基于外时钟同步和插值再采样同步；而采用这两种方式解决互感器采样值不同步又分别会产生如下问题:
采用外时钟同步方式时:外时钟同步的精度、外时钟同步网络的可靠性、网络冲突、网络时延均可能会对继电保护系统的安全性或可靠性构成不利影响。
[0003]采用插值再采样同步方式时:随着网络设备增多(如采样值经过多级交换机时)，采样值的延迟和抖动会显著增加，继电保护系统设备无法获得精确的传变时延补偿，从而无法通过插值法正确恢复出采样时刻信号。
[0004]应注意的是，本发明中，时延、时延值以及时延数据可以互换并表示同一含义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种设置在交换机中由硬件实现IEC61850标准电力系统中间隔互感器采样报文时钟透传的变电站互感器采样值时钟透传装置；将包含该装置的交换机部署于基于IEC61850标准的智能变电站网络上，可以获得采样报文经过智能变电站网络的精确传变时延，从而保障互感器采样值的同步性，进而保障采样值能够便于继电保护装置计算。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
一种基于硬件的变电站互感器采样值时钟透传装置，所述采样值时钟透传装置由硬件实现(如FPGA或NP)并设置在变电站网络交换机中，包括，
计时器，用于实时计时；
报文识别模块，用于识别交换机接收到的报文是否采样报文；
计时锁存模块，用于在任一采样报文接收完毕时和发送完毕时锁存计时器中当前时间；采样报文接收完毕时的当前时间为接收时间，采样报文发送完毕时的当前时间为发送时间。
[0007]时延计算模块，用于根据采样报文的接收时间和发送时间计算该采样报文在交换机中的时延值；
时延插入模块，用于将时延计算模块计算出的时延值插入到该采样报文的指定位置形成时延字段。报文识别模块实时检测交换机收到的各个报文，当发现报文为变电站互感器采样报文时，监控该报文的接收时间，在采样报文接收完毕时，计时锁存模块锁存计时器的当前时间为接收时间；同时，在该采样报文发送出去时，计时锁存模块同时给予监控，当该采样报文发送完毕时，计时锁存模块同样锁存计时器的当前时间为发送时间；时延计算模块迅速根据所述接收时间及发送时间计算出该采样报文在交换机中的时延；时延插入模块则将时延计算模块计算出的时延值插入至该采样报文的指定位置形成时延字段；时延字段的插入不影响采样报文的其他原有数据；同时，由于本时钟透传装置采用硬件协处理器实现(如FPGA或NP)，因此其具有非常高的响应速度，同时，其计时锁存模块配合内置的计时器对接收时间及发送时间的锁存精度可达纳秒级。
[0008]进一步的，所述报文识别模块通过报文的以太网类型字段和/或APDU类型字段判断该报文是否采样报文。默认的，采样报文的固定位置为以太网类型字段或APDU类型字段，通过判断接收到的报文相应位置的字段值判断该报文是否采样报文，如采样报文相应位置的以太网类型字段值为0x88BA，APDU类型字段值为0x4000。
[0009]—些实施例中，所述时延计算模块在计算采样报文在交换机中的时延时，将该采样报文的发送时间减去接收收时间得出。
[0010]另外一些实施例中，所述计时锁存模块将采样报文的接收时间取负值；
所述时延计算模块在计算采样报文在交换机中的时延时，将该采样报文的发送时间与已经取负值的接收时间直接相加得出；根据硬件协处理器相加运算更快的计算特性，采用先将接收时间取负值，再将发送时间与取负值的接收时间直接相加的处理方式，可以进一步提高实验计算模块的计算效率；
进一步的，所述时延插入模块在将时延值插入到采样报文中时还加入PHY补偿数据；所述PHY补偿数据为一固定值，或，
所述PHY补偿数据为跟采样报文长度成正固定比值的数据。
[0011 ] 进一步的，当变电站网络中存在多级交换机时，将在本交换机中计算出的时延值与采样报文中的时延值累加；即当变电站网路中存在多级交换机时，互感器采样值的采样报文可能需要连续通过多个交换机，而在每个交换机中都会产生时间不等的时延；该采样报文在经过的第一个交换机时，其指定位置不存在时延字段；因此，位于第一个交换机中的时延插入模块可以将时延值直接插入到采样报文指定位置形成时延字段；而在其后，采样报文经过第二个交换机、第三个交换机乃至第N个交换机时，该采样报文的指定位置已经存在时延字段，此时，时延插入模块采用将本交换机中的时延值与原时延字段累加的方式更新位于采样报文指定位置的时延字段，以使得采样报文指定位置的时延字段中包含的时延值是该采样报文所经过的所有交换机时的总时延值。
[0012]本发明同时提供一种基于硬件的变电站互感器采样值时钟透传方法，其特征在于，包含如下步骤:
判断交换机接收的报文是否采样报文；
在采样报文接收完毕时锁存当前时间，该时间为接收时间；
在采样报文发送完毕时锁存当前时间，该时间为发送时间； 根据接收时间和发送时间计算该采样报文在交换机中的时延；
将该时延插入到采样报文指定位置形成时延字段。
[0013]进一步的，在判断报文是否采样报文的步骤中，通过报文的以太网类型字段和/或APDU类型字段判断该报文是否采样报文。
[0014]进一步的，在锁存接收时间的步骤中，将接收时间取负值；
在计算该采样报文在交换机中的时延的步骤中，所述时延通过将发送时间与已取负值的接收时间直接相加获得。
[0015]进一步的，当变电站网络中存在多级交换机时，所述时延插入模块先检测采样报文指定位置是否已存在时延字段，若存在，则将在本交换机中计算出的时延与已存在的时延字段累加形成新的时延字段。
[0016]进一步的，所述变电站互感器的原始采样时间由本地报文接收时间减去线路传输时延以及采样报文指定位置的时延字段记录的交换机时延得出。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果:本发明提供的采样值时钟透传装置由硬件实现(又称为硬件协处理器)并设置在变电站网络交换机中的方式对采样报文进行时延记录，本装置通过硬件实现锁存采样报文的接收时间、发送时间计算采样报文的时延，并将该时延以时延字段的方式插入到采样报文指定位置以记录其在交换机中的时延，精度达到纳秒(ns)级别；硬件协处理器内置计时器无需时钟同步网络，实施简单；同时采用在原采样报文指定位置插入时延字段方式记录时延，原始数据采样时刻恢复算法简单；且适用于多级网络设备级联场景。
[0018]【附图说明】:
图1为本发明中结构示意图。
[0019]图2为本发明提供的时钟透传装置在交换机中位置与工作状况示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范围。
[0021]实施例1:如图1、图2所示，一种基于硬件的变电站互感器采样值时钟透传装置，所述采样值时钟透传装置由硬件实现(如FPGA或NP)并设置在变电站网络交换机中，包括，
计时器，用于实时计时；