智能电网物理融合的数据传输

智能电网CPS数据传输摘要：随着全球资源环境压力不断的增大，社会对节能减排、环境保护和可持续发展的要求日益提高。与此同时电力市场化进程的不断推进以及用户对供电可靠性和质量要求的持续提升，要求未来的电网必须能够提供更加安全、可靠、清洁、优质的电力，因此智能电网应运而生。智能电网把信息技术、通信技术、测量技术、计算机技术和原来的输配电基础设施高度集成在一起形成新型的电网。通信技术是智能电网中非常重要的环节，本文对现有的物理介质进行了对比研究最后采用光纤为物理介质；为了满足通信系统实时性的要求，本文对现有的4种通信模式进行分析，由于IP+SDH模式具有较高的吞吐量、较低的协议开销、较高的带宽利用率，可以缓解网络带宽资源紧张的问题，所以最后采用此模式。在传输层采用面向连接的TCP协议，应用层采用IEEEC37.118协议。为了实现PMU装置和服务器之间的可靠通信，采用基于TCP/IP的Socket技术完成二者之间的信息交换。为了最大可能的缩短传输延时，本文还为该通信系统编写了数据压缩软件，经过PPM算法和LZW算法的数据压缩性能测试，最后采用LZW算法，并在代码实现时对LZW算法中的hush表的长度进行了修改，通过比较证明改进后的算法在压缩时间和压缩率方面有很大的提高。关键词：智能电网；同步相量测量；数据压缩；通信系统第1章绪论1.1课题的研究背景与意义全球范围内的智能电网不是一个固定的、一成不变的方案，每个国家要根据自己的业务目标和要解决的关键问题，对其进行修改以适合自己的情况。跨入21世纪以来，我国经济持续快速发展，电力需求飞速增长，中国在2009年5月21日召开的特高压输电技术国际会议提出了建设中国坚强智能电网的发展战略。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。通信技术是近年来发展最迅速的技术之一，同时通信技术也逐步应用于电力通信系统中。近几年来一些电力通信方面的标准也纷纷出台，其目的就是保证站内和站间信息的快速可靠交换。基于GPS的PMU应用在智能电网中，以实现互联电网的同步采集。因此PMU数据传输的研究显得尤为重要。1.2同步相量测量数据传输研究现状通信系统是是智能电网中同步相量测量系统的重要组成部分，快速可靠的通信网络是实现智能电网必不可少的基础设施。以前的通信系统中广泛采用SCADA通信模式，该通信系统采用以点对点通信为主的串行通信方式，采用的通信规约一般是循环式或轮训式，该种通信速率很低，实时性也不高，不能满足智能电网对通信性能的要求。随着电力系统光纤通信网络的大规模建设，光纤凭借抗干扰能力强、传输容量大等优点被广泛应用于电力系统广域通信。利用计算机网络传输的高波特率特性，将以太网和ATM相结合，通过光纤构建了一套高实时性的全网相角信息实时传输通道，传输层采用TCP协议。尽管TCP可以提供可靠的数据通信，但是建立连接耗费时间，影响通信的实时性。综合已有的发现，目前对广域通信系统的研究主要为物理载体的选择和通信模式的分析比较上，并且已有的研究中所提出的广域通信系统均需要单独建立通信通道。然而目前我国电力系统通信网络有了很大的提高，光纤网络覆盖全国，已经具备了实时通信的物质条件。因此利用目前的电力通信网络结合新的通信技术，可以保证智能电网中测量数据传输的实时性和可靠性。第2章数据处理模块中数据压缩算法的研究2.1数据压缩技术应用于PMU测量数据传输的必然性由于在庞大的智能电网中，具有繁多的PMU测量点，并且数据采集间隔要达到秒级，数据量非常大。如果将采集的数据直接传输，不能满足数据传输的实时性，无法对厂站进行实时监控，数据压缩技术势在必行。下面详细介绍几种数据压缩技术。2.2数据压缩技术介绍数据压缩技术按压缩精度可以分为有损压缩和无损压缩两种。有损压缩广泛应用于语音，图像和视频数据的压缩。相对于有损压缩来说，无损压缩是100%的保存、没有任何的信号丢失，转换比较方便。为了防止信号丢失影响全网分析的精确性，本文采用无损压缩算法。下面对这几种典型的无损压缩算法：Huffman编码、算术编码、LZ系列编码及RLE编码等进行详细介绍，并比较选出最优的压缩算法。Huffman压缩算法Huffman压缩算法通过二叉树进行编码，在传递的信息中越重复出现的字符的编码越长，出现频率小的字符的编码就短。2.2.2算术编码许多情况下，Huffman压缩算法并不能得到最优的结果，因为它使用的是整数个2进制数。因此这种算法的的长度过大，在本文所提到的系统中并不适用。算术编码的特点在于对整条信息其输出仅仅是介于0和1之间的二进制小数。算数编码的压缩率很高，但是它的计算量太大，在很多情况下实时性差，远远不如LZ系列算法，因此，到目前为止，算术编码并没有得到广泛应用。PPM算法统计模型的自适应算术编码的PPM（PredictionbyPartialMatching），由于高压缩率的优越性它成为无损压缩的性能标准。PPM的中心思想是:利用输入流中的末尾几个字符出现的次数对即将输入的下一个字符的概率进行预测。LZW算法LZW把LZ78算法中的标识的第二段删除，即LZW的输出只包含一个指向字典的指针。LZW压缩有三个重要的对象：数据流、编码流和编译表。在编码时，数据流是输入对象（文本文件的数据序列），编码流就是输出对象（经过压缩运算的编码数据）在解码时，编码流则是输入对象，数据流是输出对象;而编译表是在编码和解码时都须要用借助的对象。LZW编码原理是：首先建立一个字符串表，把每一个第一次出现的字符串放入串表中，并用一个数字来表示，这个数字与此字符串在串表中的位置有关，并将这个数字存入压缩文件中，如果这个字符串再次出现时，即可用表示它的数字来代替，并将这个数字存入文件中。压缩完成后将串表丢弃。LZW的解码过程是按照同样的方式对字典进行维护。2.3测试几种压缩算法的性能在智能电网中PMU测量数据的传输对实时性的要求很高，而且压缩算法要想达到较好的压缩效果需要结合传输数据的特点，因此需要对几种压缩算法进行性能测试，凭借测试结果选出实时性高且与传输数据特点相似的压缩算法。在上一节介绍的几种压缩算法中，在实际应用中作为编码手段的Huffman编码和算术编码不是较为成熟的压缩算法，所以在此只对PPM算法和LZ系列的压缩算法进行性能分析和测试却是LZW的数倍。在压缩率方面稍低一筹的LZW算法在耗时方面很短，非常适合用于实时性要求高的场合。压策算法源文件大小压缩1口文件大小压缩时间解压时间PPMSOOOk4320k146.3s145.2sLZWSOOOk4440k29.2s2.4小结本章主要介绍了几种压缩算法，并进行了性能测试与比较，然后选出适用的压缩算法LZW压缩算法，对压缩模块进行了实现，最后验证了选用的压缩算法能够满足实时性的要求。第3章PMU数据传输的研究3.1电力通信系统物理介质智能电网的运行需要通信系统的实时性和不间断性的保证，因此智能电网对通信系统的性能提出了极高的要求。其对信息通信通道的时延要求是：变电站内部小于1ms，其他小于500ms；同步时间偏差小于1ms。高质量的通信性能都需要先进的通信技术的支持，鉴于实现智能电网的技术大多已经应用于其它行业的通信系统，所以需要将这些先进的技术应用到智能电网的建设中。智能电网可以使用目前存在的的各种通信技术，按物理介质分类可分为有线通信技术和无线通信技术。3.1.1有线通信技术在电力通信专用网络中，有线通信包括电力线载波通信PLC(Powerlinecarrier)、光纤通信等。电力线载波通信电力线载波通信把输电线路作为传输介质进行数据传输，PLC的通道在传输数据方面比较可靠，建设费用低，得到的效果比较快。电力线载波通信PLC将原始信号对载波进行调制采用的原理是频率搬移、频率分割，频带被搬移到不同的线路上进行传输，因此可以实现多路通信。目前电力载波通信使用的调制方式主要有SSB调制、FSK调制、PSK调制、工频调制、扩频调制和OFDM调制等。（2）光纤通信光纤通信是在光导纤维上以光信号为载波的通信方式。它的工作原理是在发送端，通过电发送机对来自信息源的电信号进行处理后送到光发送机，然后调制光源的光载波，将处理好的光信号祸合到光纤内，通过光纤传输到接收端，转换成电信号之前需要经过光接收机的检测，最后想恢复原信号要通过电接收机。3.1.2无线通信技术卫星通信、微波通信、短波通信、移动宽带通信等都属于无线通信技术。下面简单介绍这几种通信技术。（1） 卫星通信卫星通信以空间轨道中运行的人造卫星为中继站在无线通信站之间进行通信。卫星通信系统包括卫星和地球站。（2） 微波通信微波通信取得迅速发展的原因是：通信容量很大、需要很少的投资费用、在建设中花费的时间短、对外在灾难的抵抗力比较强。大电厂、大电网、超高压长距离输电线路的发展离不开微波通信。但是这种通信方式需要中继站，以中继方式进行数据传输，3）短波通信短波通信是指波长在10m-50m之间的通信，该通信方式需要借助电离层的反射将信息传输至接收方。与上一种通信方式相比，该通信方式具有不可比拟的抗毁能力和自主通信能力，因此将其作为通信的备用通信方式是一般通信系统中的方案。另外，它也不适用于城市电力通信。（4）移动宽带通信历经了基于模拟调制技术的第一代移动通信、以数字蜂窝通信为核心的窄带第二代移动通信以及面向多媒体宽带通信的第三代移动通信，移动通信目前正在向更高带宽、更大容量、更优性能的第四代移动通信系统演进。3.2电力系统通信技术由于电力系统行业的特殊性和行业特征，决定了在电力系统中的通信方式不论在抗通信环境干扰上还是通信的可靠性、安全性上都具有更高的要求。因此发展适合于电力系统的通信技术是十分必要的，在此方面，具有主导地位的一种通信方式就是SDH技术，该技术已经被广泛应用于电力系统通信，并取得了很大的成功。同时，电力系统通信也在向着网络化发展，它将更加深刻的改变传统电力通信的概念和体系。以下将简要介绍几种主流的电力系统通信技术.SDH技术SDH同步数字序列是一种将复接、线路传输和交换功能融为一体的综合信息传输网络，是美国贝尔通信技术研究所所提出的同步光网络。CCITT（国际电报电话委员会）（现在是ITU-T）于1988年接受了SONET概念并重新命名为同步数字体系（SDH），使之发展成既适用于光纤又适用于微波和卫星传输的通用体制。它可以实现的功能很多，比如对网络进行有效的管理、监控实时业务、维护动态网络等。在网络资源利用率方面有了很大的提高，并且对管理和维护费用进行降低，可以使得网络运行和维护变得非常的灵活可靠和高效。正是因为SDH具有这些优点才成为当今世界信息领域在传输技术方面的发展和应用的热点，被受到广泛的重视。SDH的诞生解决了由于入户媒质的带宽限制跟不上骨干网和用户业务需求的发展，而产生了用户与核心网之间的接入“瓶颈”的问题，同时对传输网上大量带宽的传输率有了很大的提高。ATM技术ATM(异步传输模式)又叫信息元中继。它是一种面向连接的技术。为了支持宽带综合业务而专门开发的一门新技术。ATM的提出是为了解决在实现宽带高速的交换任务时电路交换和分组交换产生的缺点，ATM由于包括不需要周期性出现来自某用户信息的各个信元，所以这种传输模式是异步的。在ATM的信元是采用定长分组作为传输和交换的单元。为了同时满足数据、语音、视频等应用的要求，将信元长度定为53个8位位组，以提高实时性能，且使效率不至于太低。ATM参考模式分为三层：ATM适配层、ATM层和物理层。AAL连接更高的协议到ATM层，主要任务是与ATM层交换ATM信元。ATM具有端到端的流量控制和逐段差错校验。ATM具有星型、环型、网格型及各种混合型网络结构，在网络扩展方面技术比较成熟，如果想提高网络的可靠性可以采用ATM组建网格型网络。3.3PMU通信方案设计和通信方法研究3.3.1物理层载体的选择智能电网对PMU数据的传输具有很高的要求，传输速度快而且传输的数据量大，因此数据传输的物理载体必须能够具有足够的数据传输能力。在电力系统中，光纤作为数据的载体的传输模式主要有以下几种：第一种模式，结构最为复杂，在光纤之上存在三种通信技术，以SDH为基础，在网络层次使用了ATM技术。虽然ATM技术适用于实时应用，然而要实现实时性，只有在端到端全程都采用该技术。由于两端接入仍为IP，故其实时性仍然取决于IP的实时性。同时由于层次的复杂性导致数据包的封装也大大影响了数据传输的效率，这是该模式存在的最大的缺点。所以这种方案有一定的局限性，在此不使用此种模式。第二种模式相比第一种模式除去了SDH通信层，因此本模式中IP数据包完全封装为ATM信元在信道中传输。这种模式的优点就在于它的传输方式利用了ATM网上建立的虚电路(VC)，这样一来IP数据包就不再经过路由器进行路由而在此虚电路上以直通的方式传输，从而解决了路由器瓶颈问题，而这一问题在PMU数据传输中也是十分重要和难以解决的问题。但是，此种模式也存在一些不足，比如由于不存在SDH，而ATM交换机的驱动能力较差，因此需要十分昂贵的放大设备，所以一般不选用此方案。第三种模式相比第一种模式除去了ATM这一层次，完全采用SDH和高速路由器网络，转发数据时路由器的转发速度提高了一个水平，同时数据传输协议随着网络堆栈的减少而变得非常的简单，传输需要的费用很低。该模式对不同IP应用业务的物理隔离的便捷性决定了其在对实时性要求比较高的电力系统业务中是弥足珍贵的。3.3.2传输层通信协议的选择面向连接的TCP传输控制协议是为广域网而设计的。在数据传输时可以实现双向通信，并且提供用户数据流的服务具有很高的可靠性。在利用TCP进行数据传输时必须要在传输层与通信接收方建立“握手”机制。在电力系统中进行数据传输时通过创建TCP连接而在通信双方之间建立了一条“虚电路”，直到数据传输完毕该虚拟电路才终止连接。因此在传输大量数据时只需要建立一次“握手”机制，这不会带来太大的时间开销。3.4基于TCP/IP协议的Socket的通信所谓Socket通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口。Socket的使用使网络底层的复杂的结构与协议对使用者不可见，这样一来使用者将无需关注底层复杂的结构和协议，而专心致力于网络的编程。Socket是以TCP/IP为基础的网络编程的一种重要实现方式。Socket是通讯的基石，是支持TCP/IP协议网络通信的基本操作单元，可以将Socket看作是网络上不同主机的进程进行双向通信的端点。Socket采用C/S的通信机制，使网络Client和Server通过Socket实现网络进程之间的通信。3.4.1Socket的通信流程本设计采用面向连接的TCP传输控制协议在电力系统中进行数据传输时必须首先启动服务器，直到accept()调用操作完为止，在接收到客户请求之前服务器需要一直处于等待状态。假如错误的先启动客户端，则连接失败，并且由Connect。函数返回出错代码。3.4.2数据包的格式设置如果用户不仅想传输文本格式的数据，也想传输二进制流格式的数据时就可以采用Socket。在本系统中，智能电网中的PMU测量数据包括各个监测点的三相电压、频率、幅值等模拟量和开关量等都需要上传给调度中心，数据量巨大，采用具有最高数据存储效率的二进制流的形式可以满足实时性的要求，所以需要采用二进制流的形式。数据的传输需要对数据包进行格式设置，这样才能保证数据传输的准确无误，在Socket传输中，采用二进制流时同样需要约定客户端和服务端之间传输的数据格式，让系统识别并处理。3.4.3PMU测量数据的传输在数据传输的过程中，需要设定四种数据标志：请求标志ask、允许标志-good、数据标志-data、结束标志-end。在传输数据的过程中可以把接收通道和发送通道分别分为四种、五种状态，它们的取值范围分别为0-3和0-4。3.5数据通信工作流程3.5.1子站、主站网络通信流程在通信过程中需要建立数据流管道和管理管道。下面先介绍一下这两种管道的含义：数据流管道：是子站和主站之间，或者相量测量装置和数据集中器之间实时同步数据的传输管道。其数据传输方向是单向的，是子站到主站，或者PMU装置到数据集中器。管理管道：是子站和主站之间，或者相量测量装置和数据集中器之间管理命令、记录数据和配置信息等的传输通道。3.5.2离线数据通信流程离线数据传输管道与管理管道和数据流管道相分离，是独立的TCP连接。离线数据传输管道中传送的信息包括传输指令帧、事件标识帧和离线数据帧。传输指令帧：规定子站与主站之间传送离线数据的要求，包括传送离线数据的类型、数据记录的起止时刻要求和传输控制信息。事件标识帧：用来上传子站记录的事件标识，即PMU装置的运行记录及触发录波记录。另外，该帧还包括了PMU监录的异常事件，主站根据事件发生的时间及录波原因召唤相应的录波文件。离线数据帧：离线数据帧用于传输动态数据、暂态数据以及指定的文件。离线数据帧格式定义如图所示。丽【rMitiedSYN〔FRAMESIZESOC1DCODEFRAMECOINTMSB2I.SB 2 1E22 2-1X2建立离线数据传输管道的过程为：由主站主动向子站提出建立离线数据传输管道的申请。子站接受申请并建立与主站之间的离线数据传输管道。当离线数据传输管道因故障而断开时，应断开主站和对应子站的离线数据传输管道并重新建立通信过程3.6小结本章首先介绍了各种通信物理介质和通信技术。针对实时通信的要求提出以光纤为物理介质，以IP+SDH为传输模式，传输层采用TCP协议，基于TCP/IP的Socket的通信方案，给出通信流程，并建立了实验室实时通信模拟系统，对不同长度的数据进行了延时测试，测试结果表明该方案能够满足实时通信的要求。第四章结论测量技术和通信技术是实现智能电网的基础，如何快速可靠的传输数据是实现智能电网的关键。本文分析了同步相量测量装置的结构，深入研究了目前的压缩技术和通信技术，并对压缩技术和通信技术进行了深入比较，针对智能电网对通信系统的要求，综合考虑电力通信系统的现状，为通信系统进行了数据压缩算法的选择和数据压缩软件的设计，并对通信系统提出了设计方案：以光纤为传输介质，IP+SDH为通信模式，传输层采用TCP协议，应用层采用IEEEC37.118协议。为了使现代通信技术更好的服务于智能电网，还有许多问题需要进一步完成：在通信平台的建设初期为未来的网络扩展和维护更新做冗余配置；集成通信系统的标准化工作需要继续加强；建立通信系统兼顾考虑智能电网全公司管理业务的需求。参考文献张文亮，刘壮志，王明俊，杨旭升.智能电网的研究进展及发展趋势[J].电网技术.2009,33(13):1-11谢开，刘永奇，朱治中，等面向未来的智能电网[J].中国电力.2008,41(6):19-22陈树勇，宋书芳，李兰欣，等智能电网技术综述[J].电网技术.2009,33(8):1-7钟金，郑睿敏，等建设信息时代的智能电网[J].电网技术.2009,33(3):12-18林宇峰，钟金，吴复立.智能电网技术体系探讨[J].电网技术.2009,33(12):8-14胡学浩.智能电网：未来电网的发展态势[J].电网技术.2009,33(14):1-5JingjingLu,DaXieandQianAi.ResearchonSmartGridinChina[J].IEEET&DAsia2009:1-4周渝慧.智能电网[M].北京：清华大学出版社,2009:78-137D.Divan,H.Johal.ASmarterGridforImprovingSystemReliabilityandAssetUtilization[C].PowerElectronicsandMotionControlConference,2006:24-27刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社,2010:165-278JunqingShuai.Aimingattheforefrontand