CN108880946B - 一种广域监测***主站与pmu数据通信时延的估算方法 - Google Patents

Abstract

为了解决广域监测***中通信时延的定量计算问题，通过将时延进行分段计算，并针对每个部分提出相应的时延计算模型，可以有效增加计算结果的准确性。本发明公开了一种广域监测***主站与PMU数据通信时延的估算方法，采取函数建模和分段计算的方法，根据信息流报文组成和发送周期，用函数的方式准确的描述各时间点相量测量单元所处子站所发送速率和等效带宽，指导时延计算的精准化。

Description

一种广域监测***主站与PMU数据通信时延的估算方法

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种广域监测***主站与PMU数据通信时延的估算方法。

背景技术

目前基于相量测量单元(PMU)的广域测量***(WAMS)已经在我国电力***中得到了广泛的应用，通过逐步布局全网关键测点的相量测量单元，实现电网数据实时高效的采集工作，提供对电网的实时监测和分析，掌握电网的运行状态。

WAMS***数据的可靠性和时效性是影响广域电网实时闭环控制***性能的主要因素，其具有很大的随机性和不确定性，对广域电力***的阻尼控制产生了负面影响。WAMS时延主要包括PMU数据采集时延、数据处理时延、数据传输时延等部分，目前针对不同阶段的时延，已有相对成熟的分段时延计算方法和仿真测量方案。但是目前的分段时延计算方法中，对于发送时延部分，没有针对性的建模方案，多以协议逻辑配合相关测量或仿真数据进行定性分析，不能单纯用数学方法进行时延计算，这对于整体传输时延的计算是一个很大的挑战。同时，大多数的广域监测***时延计算方法中，都是以整个网络作为计算对象，无法有针对性的进行具体的报文分析，对于数据流的结构没有进行考量。

因此，本发明需要提出具体的发送时延计算模型，完成所有阶段的时延分段计算，提供总的监测***主站(控制中心)与相量测量单元数据通信时延计算方法，给WAMS***的时延分析和控制提供支持。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种广域监测***主站(控制中心)与相量测量单元数据通信时延的计算方法。

本发明的技术方案为

一种广域监测***主站与PMU数据通信时延的估算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，计算PMU数据流发送时延，基于定义通信网络参数信息流速V的单位为Mbps，等效信息流速指单位时间内流过网络中信息元件的信息流长度总量。信息流速受到信息传输媒质类型、信源与目的地间的距离、等效带宽等性能以及交换机的信息处理速率影响，经通信网络参数信息流速、等效信息流速整合而成流速矩阵，具体包括：

步骤1.1、建立用于反映各节点所传输的信息流中报文长度b与该报文的传送时延τ_send的关系，V_nr表示信息源节点n在其第r条流通路径的等效流速，V′_ij表示交换机j的端口对信息源i发出数据流信息的等效带宽，则有：

b_nr＝τ_sendnrV_nr (1)

式(1)中b_n为信息源节点n所对应报文的长度；式(3)中参数r_n为信息源n的相量信息数据流的最大持续到达速率，C^out表示PMU与交换机或主站与交换机之间的传送速度，

表示信源n信息流中优先级低于计算报文的集合中最大报文的长度；HP表示信源节点n所传报文优先级高于计算报文，EP表示信息源节点n所传报文优先级与计算报文相同，相对应地，

分别表示信源n的信息流中优先级高于/等于计算报文的报文长度。

步骤1.2、将报文进行优先级排序：LP IED、TP IED、BP IED、MU1、MU2、MU3、MU4、BRIED1、BR IED2、BR IED3、PC，由此得到信息源所发送的数据包长度形成的注入报文信息相量集合，

F＝{X₁，X₂，…，X_i，…，X_n} (4)

式(4)中X₁，X₂，…，X_i，…，X_n则分别表示不同发送频率报文信息。按照报文的发送频率将信息流表达为以下形式，

F(t)＝g(t₁)X₁+g(t₂)X₂…+g(t_i)X_i…+g(t_n)X_n (5)

式(5)中，

步骤1.3、取信息源中时延最大者作为该PMU信息流的发送时延

步骤2，计算数据在交换机的交换时延，具体是将交换时延分为处理时延和排队时延两部分进行计算，M代表分组数据包的平均长度，单位：bit；Rx代表链路的数据传输速率，单位：Mbps；λ_i代表链路i上的负载，单位：分组每秒，v_serv代表该节点的服务速度，则平均排队时延为

处理时延为

τ_proc＝Mλ_i/v_serv (9)

交换时延为

步骤3，计算PMU数据流从发送端到接收端的传输时延，设定发送端与接收端两点间的传输媒介长度为S，信号传播速度为v，

τ_prop＝S/v (11)；

步骤4，计算PMU与主站之间的总通信时延，基于以下公式：

τ_trans＝τ_send+τ_prop+τ_swit (12)。

在本发明中，利用极小代数(Min-plus Algebra)运算的方法将复杂的非线性网络***等价成便于计算分析的线性网络***，用某一点的信息源中的最大时延作为该点的最终计算用发送时延，简化了数据流的组成成分和同步时延计算。

根据报文频率不同，组建动态信息流F(t)，用X_i表示不同发送频率报文信息相量集合，根据时间与信号的对应关系，明确了具体的发送时延建模和计算方法，使得发送时延的计算能从数据流的角度进行定量的数学分析，计算结果更加精准和可靠。

本发明具有如下优点：本发明利用极小代数(Min-plus Algebra)运算的方法将复杂的非线性网络***等价成便于计算分析的线性网络***，用某一点的信息源中的最大时延作为该点的最终计算用发送时延，简化了数据流的组成成分和同步时延计算。同时，建立了动态信息流建模方式，使得发送时延的计算更准确具体，完成了从数据流角度对发送时延的分析和计算。

附图说明

图1是本发明计算流程图。

具体实施方式

本发明主要基于通信相关原理，考虑以数学方法具体计算广域监测***主站(控制中心)与相量测量单元各部分通信时延特性，提出的一种广域监测***主站(控制中心)与相量测量单元数据通信时延的计算方法。本方法充分考虑了每个阶段时延的主要影响因素，通过建立合适的计算模型，完成各部分时延的阶段性计算，最终进行总体时延分析。通过本发明获得的结果更加科学，更加精确。

本发明提供的方法能够用于监测***主站(控制中心)与相量测量单元数据通信时延计算。参见图1，实施监测***主站(控制中心)与相量测量单元数据通信时延的分段计算流程，如下：

对广域测量***(WAMS)进行分析时把***划分为PMU子站、RN(Remote Network)传输路径、中间层PDC、BN(Boneback Network)传输途径、监控中心(主站)五个模块。信息从PMU子站发出，经RN传输后到达中间层PDC，经过PDC时，PDC会对信息进行处理然后再上传，经由BN传输途径到达监控中心(主站)。这些过程中PMU子站采集信息和监控中心(主站)处理信息均会产生时间延迟，但由于本发明主要对信息流的传输时延进行研究，故只对RN传输时延、PDC同步时延、BN传输时延进行分析计算。这三种时延中RN传输时延和BN传输时延产生时延机理相同，故以传输时延τ_trans来表示RN传输时延和BN传输时延两种时延。信息的传输过程为，源端发送、信道传输和终端接收处理三个部分，与之对应的传输时延τ_trans由源端产生的发送时延τ_send、信道中产生的传播时延τ_prop和终端接收处理中产生的交换时延τ_swit组成，需要对他们进行分阶段计算。

步骤1，计算发送时延，网络演算是一种基于非线性代数的确定性排队理论，利用极小代数(Min-plus Algebra)运算的方法将复杂的非线性网络***等价成便于计算分析的线性网络***，可以用于计算源端发送的数据在经过计算机网络到达目的端后时延(Delay)和积压(Backlog)等性能参数的确界。定义网络参数为信息流速V的单位为Mbps，等效信息流速指单位时间内流过网络中信息元件的信息流长度总量，其受到信息传输媒质类型、信源与目的地间的距离、等效带宽等性能以及交换机的信息处理速率参数整合而成流速矩阵，具体计算步骤如下，

建立起用于反映各节点所传输的信息流中报文长度(b)与该报文的传送时延(τ_send)的关系，V_nr表示信息源节点n在其第r条流通路径的等效流速，V_ij表示交换机j的端口对信息源i发出数据流信息的等效带宽，

b_nr＝τ_sendnrV_nr

根据我国现状，PDC间和PDC与主站间的信道速率为100Mbps，而PMU-PDC和PDC-PMU间的信道速率为10Mbps，故式中BN传输过程中PDC间和PDC-主站交换机输出端口的传送速度Cout＝100Mbps，而在RN传输过程中PMU-PDC过程交换机输出端口的传送速度为Cout＝10Mbps；式中参数ri为信息源i的相量信息数据流的最大持续到达速率，由于在带宽足够的情况下到达速度和发送速度取值相同，故有数据包的到达速度r_A＝1.05015Mbps，在本发明的计算中，当该情况下存在优先级高于计算报文的报文时，

取值为r_A＝1.05015Mbps，当该情况下不存优先级高于计算报文的报文时，

取值为0；bi取信息源节点i所发对应报文的长度；

表示信息源i的信源所发测量相量数信息流中优先级低于计算报文的报文集合中长度最大报文的长度，；HP表示信息源节点i所传报文结合中优先级高于计算报文，EP表示信息源节点i所传报文优先级与计算报文相同；与之对应的

分别表示信息源i的信源所发测量相量数信息流中优先级高于计算报文的报文长度、信息源i的信源所发测量相量数信息流中优先级等于计算报文的报文长度。需要注意的是，本发明中报文类型的优先级顺序已经确定，且不存在同等优先级报文类型，故计算时，

项取值始终为0。

将报文进行优先级排序：LP IED、TP IED、BP IED、MUl、MU2、MU3、MU4、BR IEDl、BRIED2、BR IED3、PC，由此得到信息源所发送的数据包长度形成的注入报文信息相量集合，如式(4)所示，按照报文的发送频率将信息流表达为式(5)形式，并以此计算确定任意时刻由任意点PMU所属子站发出的数据量，取信息源中时延最大者作为该点的发送时延：

步骤2，计算交换时延，交换时延是指节点设备从收到分组信息到开始传输数据包的时间，由处理时延和排队时延组成，排队时延受排队模型、网络拥塞情况所影响，是一个随机变量，处理时延则与服务速度及数据包长度。将交换时延分为处理时延和排队时延两部分进行计算，M代表分组数据包的平均长度(单位：bit)，R_i代表链路的数据传输速率(单位：Mbps)，λ_i代表链路i上的负载(单位：分组每秒)，v_serv代表该节点的服务速度，则平均排队时延为

处理时延为

τ_proc＝Mλ_i/v_serv

由此可以得出交换时延

步骤3，计算传输时延，设定两点间的传输媒介长度为S，信号传播速度为v，τ_prop＝S/v。在本发明的计算过程中，计算传输时延时选取了其中最大时延值作为计算结果，由于在带宽足够的情况下，服务速度始终与发送速度具有相同取值结果，故在信息接收的过程中，中间层PDC就在进行信息同步过程，也就是说作为计算时，最终传送时延中包含了中间层PDC同步时延。

步骤4，计算PMU与主站之间的总通信时延τ_trans＝τ_send+τ_prop+τ_swit。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种广域监测***主站与PMU数据通信时延的估算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，计算相量测量单元PMU信息流发送时延，通信网络参数信息流速V的单位为Mbps，等效信息流速指单位时间内流过网络中信息元件的信息流长度总量，步骤1包括：

步骤1.1，建立用于反映各节点所传输的信息流中报文长度b_nr与该报文的传送时延τ_sendnr的关系，V_nr表示信息源节点n在其第r条流通路径的等效信息流速，V′_ij表示交换机j的端口对信息源i发出信息流的等效带宽,则有:

b_nr＝τ_sendnrV_nr (1)

式(1)中b_nr为信息源节点n所对应报文的长度；式(3)中b_i为信息源i所发出的报文长度；在带宽足够的情况下到达速度和发送速度取值相同，当该情况下存在优先级高于计算报文的报文时，

取值为1.05015Mbps，当该情况下不存在优先级高于计算报文的报文时，

取值为0；C^out表示PMU与交换机或主站与交换机之间的传送速度，

表示信息源节点n信息流中优先级低于计算报文的集合中最大报文的长度；HP表示信息源节点n所传报文优先级高于计算报文，EP表示信息源节点n所传报文优先级与计算报文相同，相对应地，

分别表示信息源节点n的信息流中优先级高于或等于计算报文的报文长度；

步骤1.2，将报文进行优先级排序：LP IED、TP IED、BP IED、MU1、MU2、MU3、MU4、BRIED1、BR IED2、BR IED3、PC，由此得到信息源所发送的数据包长度形成的注入报文信息相量集合，

F＝{X₁,X₂,…,X_i,…,X_n} (4)

式(4)中X₁,X₂,…,X_i,…,X_n则分别表示不同发送频率报文信息，按照报文的发送频率将信息流表达为以下形式，

F(t)＝g(t₁)X₁+g(t₂)X₂…+g(t_i)X_i…+g(t_n)X_n (5)

式(5)中，

步骤1.3，取信息源中时延最大者作为该PMU信息流的发送时延

τ_send＝max{τ_sendnr} (7)；

步骤2，计算数据在交换机的交换时延，具体是将交换时延分为处理时延和排队时延两部分进行计算，M代表分组数据包的平均长度，单位：bit；R_i代表链路的数据传输速率，单位：Mbps；λ_i代表链路i上的负载，单位：分组每秒；v_serv代表该节点的服务速度，则排队时延为

处理时延为

τ_proc＝Mλ_i/v_serv (9)

交换时延为

步骤3，计算PMU信息流从发送端到接收端的传输时延，设定发送端与接收端两点间的传输媒介长度为S，信号传播速度为v，

τ_prop＝S/v (11)；

步骤4，计算PMU与主站之间的总通信时延，基于以下公式：

τ_trans＝τ_send+τ_prop+τ_swit (12)。

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