CN112272360B - 基于5g网络对时的电流差动保护数据同步方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法及***，方法包括以下步骤：电流差动保护装置的5G模块接收5G基站的广播消息SIB9和定时提前量；根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ；基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正；以修正后的本地时钟为基准，5G模块为电流差动保护装置提供电流差动保护数据同步采样所需的时间信息和绝对时间标签。本发明利用5G模块接收来自基站的时间相关量设计一种实现时间同步的技术方案，该方案通过补偿传播时延，实现基站对5G模块的授时功能；并以此为基础，为电流差动保护装置提供同步采样的对时信号，实现采样数据的同步。

Description

基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法及***

技术领域

本发明涉及一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法及***，属于电力***继电保护技术领域。

背景技术

5G通信技术的出现及快速发展为电网提供了一种经济可靠的通信手段。与此同时，5G网络通信过程中蕴含着时间信息，目前5G基站间可实现300ns的时间同步误差。这可作为一种增值服务，为其他行业提供授时功能。

电流差动保护数据同步采样含义是保证线路两侧在同一时刻进行采样。现阶段，电流差动保护数据同步方式有两大类，一种是基于数据通道的乒乓同步方法，另一种是基于卫星授时的同步方法。前者是建立在通道来回路径时延一致的基础上，计算出路径传输时延以及两侧时钟偏差，由此调整两侧采样数据或两侧时钟，完成数据同步过程。该方法对通道时延抖动要求苛刻，一般采用光纤进行数据交互，5G通信由于来回路由时延不一致，无法通过该方式实现数据同步。基于卫星授时的同步方法则依赖于GPS/北斗授时信号，利用卫星接收模块输出的秒脉冲(1PPS)信号和串口时间信息对两侧电流值进行同步采样。该方法要求每一台差动保护装置配备卫星接收模块，这将大大增加经济成本；另一方面，卫星信号易受干扰，影响同步的可靠性。

因此，现有的数据同步方式无法完全适应于5G通信电流差动保护。

发明内容

针对以上方法存在的不足，本发明提出了一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法及***，能够为差动保护装置提供高精度时间信息，并合理利用该高精度时间信息实现线路两侧保护装置的同步采样。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法，包括以下步骤：

电流差动保护装置的5G模块接收5G基站的广播消息SIB9和定时提前量；

根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ；

基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正；

以修正后的本地时钟为基准，5G模块为电流差动保护装置提供电流差动保护数据同步采样所需的时间信息和绝对时间标签。

SIB是5G NR***信息块，5G模块可通过其获取基站侧的基本信息，例如，SIB9中含有与GPS时间和协调世界时相关的信息。该***消息块可通过周期性广播或用户侧请求在5G模块获取。定时提前量TA值是5G通信为保证位于同一子帧但在不同频域资源的信号能同时到达基站而进行的传播时延估计，是保证5G通信本身不发生干扰的必要条件。基站通过检测确定上行信号距离基站位置的远近，获取TA值，并将TA值通过下行消息反馈给5G模块。本发明利用以上两个时间相关量，设计基站到5G模块授时方式。

作为本实施例一种可能的实现方式，根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ，包括：

判断自身所处状态，当5G模块初始化时，传播时延的计算公式为：

τ₁＝(TA×T_μ)/2

当5G模块处于连接状态时，传播时延计算公式为：

τ₂＝[N_TA,old+(TA-31)×T_μ]/2

式中，TA为定时提前量，在5G模块初始化状态时，TA索引值为0-3846；在5G模块连接状态时，TA索引值为0-63。T_μ为时间提前量TA的粒度，T_μ＝16*64*T_C/2^μ，T_C为5G NR的最小时间单位，μ＝0,1,2…，N_TA,old为5G模块前一次定时提前量TA的实际调整值。

作为本实施例一种可能的实现方式，基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正，包括：

5G模块解析广播消息SIB9中的时间信息t₁，并标记收到广播消息SIB9的时刻t₂，其中，t₁为基站侧发送广播消息SIB9时的基站侧时间，t₂为5G模块侧收到广播消息SIB9时的5G模块侧时间；

计算基站侧和本地时钟的时钟偏差；

根据基站侧和本地时钟偏差对本地时钟进行修正。

广播消息SIB9中的GPS时间和协调世界时记录了基站发送SIB9广播消息的时间信息t₁，以基站侧时钟为准。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述基站侧和本地时钟的时钟偏差Δt的计算公式为：

Δt＝t₁-t₂-τ

其中，τ为广播消息的传播时延，包括传播时延τ₁或传播时延τ₂。

另一方面，本发明实施例提供的一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，包括5G模块、时钟模块、同步采样控制模块、数据采集模块和CPU处理器；

所述5G模块获取并解码来自5G基站的广播消息SIB9和定时提前量TA，并对广播消息SIB9接收时刻标记时间戳t₂；

所述5G模块同时与线路对端进行数据交互；

所述时钟模块用于基于5G模块解析的时间相关量对本地时钟进行修正，并输出对时信号；

所述同步采样控制模块用于接收时钟模块的高精度时间信息，输出满足要求的采样脉冲；

所述数据采集模块用于将采集的电流差动保护数据模拟量转换为相应数字量；

所述CPU处理器对数据包置以绝对时间标签，同时对本端数据以及对端数据进行分析处理，并进行继电保护测量、逻辑和控制。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述时钟模块包括本地时钟、数据存储单元、时间同步单元和输出单元；所述数据存储单元对来自5G模块解析的时间相关量进行存储；所述时间同步单元根据时间提前量TA计算广播消息的传播时延τ，并计算基站侧与5G模块时钟差，所述时钟模块根据时钟差修正本地时钟，所述输出单元输出对时信号。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述时间偏差Δt的计算公式为：

Δt＝t₁-t₂-τ

式中，t₁为基站侧发送广播消息SIB9时的基站侧时间，t₂为5G模块侧收到广播消息SIB9时的5G模块侧时间，τ为广播消息的传播时延。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述广播消息的传播时延包括：

当5G模块初始化时，传播时延为：

τ₁＝(TA×T_μ)/2

当5G模块处于连接状态时，传播时延为：

τ₂＝[N_TA,old+(TA-31)×T_μ]/2

式中，TA为定时提前量，在5G模块初始化状态时，TA索引值为0-3846；在5G模块连接状态时，TA索引值为0-63。T_μ为时间提前量TA的粒度，T_μ＝16*64*T_C/2^μ，T_C为5G NR的最小时间单位，μ＝0,1,2…，N_TA,old为5G模块前一次定时提前量TA的实际调整值。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述时钟模块支持外部输入对时方式。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明利用5G模块接收来自基站的时间相关量；利用时间相关量设计一种实现时间同步的技术方案，该方案通过补偿传播时延，实现基站对5G模块的授时功能；并以此为基础，为电流差动保护装置提供同步采样的对时信号，实现采样数据的同步。

本发明将5G网络作为电流差动保护数据交互的通道，同时，5G网络中蕴含的高精度时间信息又为差动保护数据同步提供时间基准。本发明以该时间基准解决电流差动保护数据同步问题，该方法相对于传统的“乒乓算法”及卫星授时法，无需铺设光纤线路，无需安装卫星接收模块，使用便捷，成本较低。

本发明利用5G网络通信本身的时间信号：***消息块SIB9和时间提前量TA，设计了一种具体的5G无线授时方式，该方法无需基站侧额外的信令开销，实现简单。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种5G网络时间流向示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种5G模块获取时间信号示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种5G模块对时步骤流程图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种5G模块对时原理逻辑框图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种5G模块为保护装置提供时间信息示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种基于5G网络授时的电流差动保护数据同步***内部结构示意图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种5G网络授时的电流差动保护数据同步***整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

电网中电流差动保护对时间同步有着极高的要求，5G网络在实现线路两侧数据交互的同时，其授时功能也可为解决该场景的数据同步问题提供可选思路，因此5G网络本身的高精度时间信息可完美解决该问题。

同步的实现分为两步：(1)5G基站之间实现高精度时间同步；(2)线路两侧设备由各自覆盖区域的基站独立授时。通过以上两步，线路两侧设备可取得高精度时间同步。为满足通信业务本身要求，步骤(1)已经实现。本发明针对基站对终端设备的授时功能提出了一种具体实现方法，该方法充分利用5G网络中已存在的时间相关消息，对传输时延进行补偿，以此为基础为差动保护装置提供高精度时间信息，并合理利用该高精度时间信息实现线路两侧保护装置的同步采样。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供的一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法，该方法的前提是5G网络通过高精度时间同步组网实现基站同步。时间信息流向如图2所示，本发明针对基站对终端设备的授时功能提出了一种具体实现方法，并利用该高精度时间信息实现线路两侧保护装置的同步采样，包括以下步骤：

步骤S1,电流差动保护装置的5G模块接收5G基站的广播消息SIB9和定时提前量。

获取基站侧时间信号(***消息块SIB9和时间提前量TA)的过程如图3所示，5G模块通过周期性广播接收***消息块SIB9，其中含有与GPS时间和协调世界时相关的信息。基站通过功率检测确定上行信号距离基站位置的远近，获取TA值，并将TA值通过下行消息反馈给5G模块。

步骤S2,根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ；

步骤S3,基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正；

步骤S4,以修正后的本地时钟为基准，5G模块为电流差动保护装置提供电流差动保护数据同步采样所需的时间信息和绝对时间标签。

以修正后的本地时钟为基准，5G模块输出IBIG-B码等对时信号，为保护装置提供同步采样所需的时间信息；并数据包被置以绝对时间标签。步骤S4的具体过程如图6所示。

作为本实施例一种可能的实现方式，根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ，包括：

首先检测5G信号强度，判断是否满足授时要求；

判断自身所处状态，当5G模块初始化时，基站通过测量接收的Preamble来确定TA值，并通过TA Command字段(共12bit，对应TA索引值为0-3846)发送个5G模块。当子载波间隔为2^μ*15KHz(μ＝0,1,2…)时的时间提前量TA粒度为T_μ＝16*64*T_C/2^μ，T_C为5G NR的最小时间单位为0.5086ns，对于随机接入而言，TA*T_μ为实际调整值。由TA值的定义可知，其实质为两倍的传播时延，因此可得基站到5G模块的传播时延的计算公式为：

τ₁＝(TA×T_μ)/2

当5G模块处于连接状态时，考虑到5G模块的移动性、晶振偏移等因素，仍需对TA进行更新，基站通过测量上行传输信号确定此刻TA的偏移量，偏移量TA通过TA Command字段(共6bit，对应TA索引值为0-63)发给5G模块，5G模块保存前一次TA实际调整值N_TA,old，收到新的偏移量TA值之后，计算出新的实际调整值：N_TA,new＝N_TA,old+(TA-31)*T_μ。由此可得该情况下的传播时延计算公式为：

τ₂＝[N_TA,old+(TA-31)×T_μ]/2

式中，TA为定时提前量T_μ＝16*64*T_C/2^μ，T_C为5G NR的最小时间单位，μ＝0,1,2…，N_TA,old为5G模块前一次定时提前量TA的实际调整值。

作为本实施例一种可能的实现方式，基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正，包括：

5G模块解析广播消息SIB9中的时间信息t₁，以基站侧时钟为准，并标记收到广播消息SIB9的时刻t₂，其中，t₁为基站侧发送广播消息SIB9时的基站侧时间，t₂为5G模块侧收到广播消息SIB9时的5G模块侧时间；

计算基站侧和本地时钟的时钟偏差；5G模块根据t₁、t₂和传播时延τ计算时钟偏差，每隔一段时间对本地时钟进行修正，时间偏差Δt计算公式为：

Δt＝t₁-t₂-τ

其中，τ为广播消息的传播时延，包括传播时延τ₁或传播时延τ₂。

根据基站侧和本地时钟偏差对本地时钟进行修正。对本地时钟进行修正的实现过程如图4所示。

5G模块根据解析后的时间相关量计算时间偏差，并修正本地时钟。此步骤在实施过程中，可为时钟偏差设定极限值T₀，比较时钟偏差与T₀的大小判断是否修正本地时钟，完成基站对终端设备的授时功能的逻辑流程图如图5所示。

如图7所示，本发明实施例提供的一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，包括5G模块、时钟模块、同步采样控制模块、数据采集模块和CPU处理器；

所述5G模块获取并解码来自5G基站的广播消息SIB9和定时提前量TA，并对广播消息SIB9接收时刻标记时间戳t₂；其中，SIB9中的GPS时间和协调世界时记录了基站发送SIB9广播消息的时刻t₁，以基站侧时钟为准。

所述5G模块同时与线路对端进行数据交互；

所述时钟模块用于基于5G模块解析的时间相关量对本地时钟进行修正，并输出对时信号；

所述同步采样控制模块用于接收时钟模块的高精度时间信息，输出满足要求的采样脉冲；

所述数据采集模块用于将采集的电流差动保护数据模拟量转换为相应数字量；

所述CPU处理器对数据包置以绝对时间标签，同时对本端数据以及对端数据进行分析处理，并进行继电保护测量、逻辑和控制。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述时钟模块包括本地时钟、数据存储单元、时间同步单元和输出单元；所述数据存储单元对来自5G模块解析的时间相关量进行存储；所述时间同步单元根据时间提前量TA计算广播消息的传播时延τ，并计算基站侧与5G模块时钟差，所述时钟模块根据时钟差修正本地时钟，所述输出单元输出对时信号：IRIG-B码、定时脉冲、串口时间信息等。

本实施例中，时钟模块输出B码对时信号，解码后为同步采样控制模块提供秒脉冲(1PPS)，同步采样控制模块输出同步采样脉冲。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述时间偏差Δt的计算公式为：

Δt＝t₁-t₂-τ

式中，t₁为基站侧发送广播消息SIB9时的基站侧时间，t₂为5G模块侧收到广播消息SIB9时的5G模块侧时间，τ为广播消息的传播时延。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述广播消息的传播时延包括：

当5G模块初始化时，传播时延为：

τ₁＝(TA×T_μ)/2

当5G模块处于连接状态时，传播时延为：

τ₂＝[N_TA,old+(TA-31)×T_μ]/2

式中，TA为定时提前量，在5G模块初始化状态时，TA索引值为0-3846；在5G模块连接状态时，TA索引值为0-63。T_μ为时间提前量TA的粒度，T_μ＝16*64*T_C/2^μ，T_C为5G NR的最小时间单位，μ＝0,1,2…，N_TA,old为5G模块前一次定时提前量TA的实际调整值。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述时钟模块支持外部输入对时方式。时钟模块可依靠本地原子钟长时间精确守时，在5G通信告警情况下仍可输出高精度时间，时钟模块支持外部输入对时方式，用于增加冗余配置。

本实施例基于5G网络授时的电流差动保护数据同步***整体示意图如图7所示。

本发明提供的技术方案，可解决现有数据同步方式无法适应5G电流差动保护的难题，具有精度高，成本低，部署灵活的特点。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法，其特征是，包括以下步骤：

电流差动保护装置的5G模块接收5G基站的广播消息SIB9和定时提前量；

根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ；

基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正；

以修正后的本地时钟为基准，5G模块为电流差动保护装置提供电流差动保护数据同步采样所需的时间信息和绝对时间标签。

2.根据权利要求1所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法，其特征是，根据自身所处状态和定时提前量计算广播消息的传播时延τ，包括：

判断自身所处状态，当5G模块初始化时，传播时延的计算公式为：

τ₁＝(TA×T_μ)/2

当5G模块处于连接状态时，传播时延计算公式为：

τ₂＝[N_TA,old+(TA-31)×T_μ]/2

式中，TA为定时提前量，在5G模块初始化状态时，TA索引值为0-3846；在5G模块连接状态时，TA索引值为0-63；T_μ为时间提前量TA的粒度，T_μ＝16*64*T_C/2^μ，T_C为5G NR的最小时间单位，μ＝0,1,2…，N_TA,old为5G模块前一次定时提前量TA的实际调整值。

3.根据权利要求2所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法，其特征是，基于广播消息SIB9和传播时延τ对电流差动保护装置本地时钟进行修正，包括：

5G模块解析广播消息SIB9中的时间信息t₁，并标记收到广播消息SIB9的时刻t₂，其中，t₁为基站侧发送广播消息SIB9时的基站侧时间，t₂为5G模块侧收到广播消息SIB9时的5G模块侧时间；

计算基站侧和本地时钟的时钟偏差；

根据基站侧和本地时钟偏差对本地时钟进行修正。

4.根据权利要求3所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步方法，其特征是，所述基站侧和本地时钟的时钟偏差Δt的计算公式为：

Δt＝t₁-t₂-τ

其中，τ为广播消息的传播时延，包括传播时延τ₁或传播时延τ₂。

5.一种基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，其特征是，包括5G模块、时钟模块、同步采样控制模块、数据采集模块和CPU处理器；

所述5G模块获取并解码来自5G基站的广播消息SIB9和定时提前量TA，并对广播消息SIB9接收时刻标记时间戳t₂；

所述5G模块同时与线路对端进行数据交互；

所述时钟模块用于基于5G模块解析的时间相关量对本地时钟进行修正，并输出对时信号；

所述同步采样控制模块用于接收时钟模块的高精度时间信息，输出满足要求的采样脉冲；

所述数据采集模块用于将采集的电流差动保护数据模拟量转换为相应数字量；

所述CPU处理器对数据包置以绝对时间标签，同时对本端数据以及对端数据进行分析处理，并进行继电保护测量、逻辑和控制。

6.根据权利要求5所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，其特征是，所述时钟模块包括本地时钟、数据存储单元、时间同步单元和输出单元；所述数据存储单元对来自5G模块解析的时间相关量进行存储；所述时间同步单元根据时间提前量TA计算广播消息的传播时延τ，并计算基站侧与5G模块时钟差，所述时钟模块根据时钟差修正本地时钟，所述输出单元输出对时信号。

7.根据权利要求6所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，其特征是，所述时间偏差Δt的计算公式为：

Δt＝t₁-t₂-τ

式中，t₁为基站侧发送广播消息SIB9时的基站侧时间，t₂为5G模块侧收到广播消息SIB9时的5G模块侧时间，τ为广播消息的传播时延。

8.根据权利要求7所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，其特征是，所述广播消息的传播时延包括：

当5G模块初始化时，传播时延为：

τ₁＝(TA×T_μ)/2

当5G模块处于连接状态时，传播时延为：

τ₂＝[N_TA,old+(TA-31)×T_μ]/2

式中，TA为定时提前量，T_μ为时间提前量TA的粒度，N_TA,old为5G模块前一次定时提前量TA的实际调整值。

9.根据权利要求5至8任意一项所述的基于5G网络对时的电流差动保护数据同步***，其特征是，所述时钟模块支持外部输入对时方式。

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