一种水电站生产数据低时延高可靠传输通信方法及系统与流程

本发明涉及电力通信，具体是指一种水电站生产数据低时延高可靠传输通信方法及系统。

背景技术：

1、随着水电站自动化水平的不断提高，水电站生产过程中产生了大量的生产数据，包括调速器、励磁系统、闸门控制等保护控制类数据，以及机组振动、摆度、温度等运行监测类数据。保护控制类数据对传输时延要求高，运行监测类数据对传输可靠性要求高。

2、现有技术中，水电站生产数据通常通过站内光纤环网传输，并采用静态主备链路方式冗余保护：备用链路在主链路正常期间保持空闲冷备，仅在链路完全中断后触发切换。由于切换时需依次执行建链、协商和参数下发，切换耗时较长，期间的保护控制类数据容易丢失。对各类数据采用统一的传输策略和统一的重传机制，链路拥塞时运行监测类数据的重传流量会挤占信道资源，导致保护控制类数据时延增大，低时延需求与高可靠需求相互冲突。

3、即使采用了链路质量评估和自适应调节机制，也存在难以克服的缺陷：自适应调节本身会改变链路业务流量，发送端提高前向纠错冗余度或调整发送带宽配额后，探测报文测得的传输时延中混入了调节行为自身引入的排队时延，发送端会将调节后果误判为链路劣化，反复触发切换，形成乒乓切换。厂房内大功率设备启停和闸门启闭产生的电磁干扰具有突发性，由此造成的丢包在时间上成串聚集；现有前向纠错机制采用固定分组编码，同组数据帧在突发干扰下连续丢失时，纠错恢复整组失效，只能退化为大量重传，重传流量又进一步挤占信道，形成丢包与拥塞的恶性循环。备用链路带宽远小于光纤环网，主链路劣化时若将全部业务简单倒换至备用链路，备用链路会立即拥塞，低时延目标反而落空。

技术实现思路

1、本发明提出了一种水电站生产数据低时延高可靠传输通信方法及系统，有效解决了现有水电站生产数据传输中自适应调节行为与链路感知相互干扰导致乒乓切换、电磁干扰突发丢包使固定前向纠错失效及备用链路倒换即拥塞导致低时延目标落空的问题。

2、本发明采取的技术方案如下：本方案提供了一种水电站生产数据低时延高可靠传输通信方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤s1：获取水电站各生产终端采集的生产数据，并根据各生产终端在生产控制过程中的作用确定各生产终端的终端类型；根据终端类型确定生产数据的数据等级；为生产数据封装传输标签，传输标签包括数据等级、序列号、采集时刻和源终端标识，封装后得到带标签数据帧。

4、步骤s2：水电站生产数据的传输过程由发送端经主传输链路和备用传输链路完成；发送端按预设探测周期经主传输链路和备用传输链路发送探测报文，探测报文的发送优先级高于经主传输链路和备用传输链路发送的带标签数据帧；发送端根据探测报文得到各链路的实测传输时延、丢包率和时延抖动；发送端获取自身当前的传输控制参数，传输控制参数包括前向纠错冗余度、交织深度和队列占用率；根据发送端当前的前向纠错冗余度、交织深度和队列占用率确定排队时延修正量和交织缓冲时延修正量，并从实测传输时延中扣除排队时延修正量和交织缓冲时延修正量，得到各链路的净链路时延；根据净链路时延、丢包率和时延抖动确定各链路的链路可用度评分，并根据各链路的链路可用度评分构建链路状态表。

5、步骤s3：根据带标签数据帧的数据等级，将带标签数据帧分配至时延敏感队列和可靠性敏感队列；时延敏感队列缓存对传输时延需求高的带标签数据帧，可靠性敏感队列缓存对传输可靠性需求高的带标签数据帧；时延敏感队列中的带标签数据帧常态复制为冗余帧，主传输链路和备用传输链路同时发送带标签数据帧和冗余帧，冗余帧的发送优先级与对应的带标签数据帧相同，即均低于探测报文的发送优先级，使备用传输链路保持已建链状态；可靠性敏感队列中的带标签数据帧按当前前向纠错冗余度分组编码，并按当前交织深度进行交织后经主传输链路发送。

6、步骤s4：根据链路状态表中主传输链路的净链路时延的时序变化，计算主传输链路的时延趋势斜率，得到主传输链路的预测时延；当预测时延达到预设切换阈值时，在主传输链路中断之前执行一次原子化预切换；原子化预切换包括：完成备用传输链路的建链确认、按备用传输链路的链路可用度评分重新分配时延敏感队列和可靠性敏感队列的发送带宽配额、按备用传输链路的丢包率和时延抖动重设前向纠错冗余度和交织深度、以及暂停数据等级最低的带标签数据帧的发送。

7、步骤s5：接收端根据主传输链路的净链路时延与备用传输链路的净链路时延之差以及时延抖动，确定自适应去重窗口；接收端在自适应去重窗口内根据序列号对同时到达的带标签数据帧和冗余帧去重，得到重组数据帧；对重组数据帧进行完整性校验，得到校验结果；根据校验结果确定接收失败的数据帧，并根据前向纠错冗余度对应的冗余数据对接收失败的数据帧进行恢复；仅在对应数据帧的自适应去重窗口关闭后仍未恢复时，生成携带带宽占用权重的重传请求，并发送至发送端。

8、步骤s6：发送端根据重传请求确定各数据等级的丢包统计结果，根据丢包统计结果中的丢包聚集度对前向纠错冗余度和交织深度进行联合调整，结合链路状态表中的链路可用度评分对各队列的发送带宽配额进行调整，并将调整结果作为下一轮传输的控制参数，输出生产数据传输质量评估结果。

9、本发明还提出了一种水电站生产数据低时延高可靠传输通信系统，部署于由发送端、接收端、主传输链路和备用传输链路构成的传输架构中；所述系统包括数据分级封装模块、净时延链路感知模块、双路传输控制模块、原子化预切换模块、自适应去重重传模块和闭环调节模块：

10、数据分级封装模块获取各生产终端采集的生产数据，确定各生产数据的终端类型和数据等级，并完成传输标签的封装，封装后得到带标签数据帧；

11、净时延链路感知模块发送探测报文，根据探测报文得到各链路的实测传输时延、丢包率和时延抖动；获取传输控制参数，传输控制参数包括前向纠错冗余度、交织深度和队列占用率；根据传输控制参数对各链路的实测传输时延进行修正，得到净链路时延，根据净链路时延、丢包率和时延抖动确定各链路的链路可用度评分，并根据各链路的链路可用度评分构建链路状态表；

12、双路传输控制模块接收带标签数据帧，按数据等级写入时延敏感队列和可靠性敏感队列，对时延敏感队列中的带标签数据帧复制得到冗余帧并经主传输链路和备用传输链路同时发送，对可靠性敏感队列中的带标签数据帧按前向纠错冗余度完成前向纠错分组编码、按交织深度完成交织后经主传输链路发送，并为时延敏感队列和可靠性敏感队列设置发送带宽配额，将发送带宽配额、前向纠错冗余度和交织深度写入发送通道配置；

13、原子化预切换模块从链路状态表中读取主传输链路的净链路时延的时序变化，经计算得到预测时延，将预测时延与预设切换阈值进行比较；当预测时延达到预设切换阈值时，于主传输链路中断之前执行一次原子化预切换，在原子化预切换中重新分配发送带宽配额并重设前向纠错冗余度和交织深度，并下发至双路传输控制模块，以更新发送通道配置；

14、自适应去重重传模块确定自适应去重窗口，对同时到达的带标签数据帧和冗余帧完成去重、完整性校验和纠错恢复，在自适应去重窗口关闭后对仍未恢复的数据帧生成携带带宽占用权重的重传请求；

15、闭环调节模块根据重传请求得到丢包聚集度，对前向纠错冗余度和交织深度进行联合调整，并结合链路状态表中的链路可用度评分对发送带宽配额进行调整，将调整后的传输控制参数分别回馈至双路传输控制模块和净时延链路感知模块，其中回馈至净时延链路感知模块的传输控制参数用于下一探测周期的净链路时延修正，并输出生产数据传输质量评估结果。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、（1）针对现有技术中自适应调节行为与链路感知相互干扰导致乒乓切换的问题，本发明通过发送优先级高于带标签数据帧的探测报文，使探测报文的实测传输时延不受生产数据传输流量的波动影响；通过根据发送端当前的前向纠错冗余度、交织深度和队列占用率确定排队时延修正量和交织缓冲时延修正量，并从实测传输时延中扣除上述两个修正量，得到剥离了发送端自身调节行为引入的时延的净链路时延；以净链路时延作为构建链路状态表、判断预切换时机和闭环调节的统一输入，使链路状态判断不再受调节行为污染，切断了“调节改变流量、流量污染测量、测量误触发调节”的正反馈路径，克服了反复触发切换的乒乓切换问题。该效果需探测机制、时延修正与统一输入三者相互配合才能取得：脱离排队时延修正量和交织缓冲时延修正量，实测传输时延仍混入调节行为自身引入的时延；脱离以净链路时延为统一输入的链路状态表，闭环调节对前向纠错冗余度、交织深度和发送带宽配额的调整仍会被误判为链路劣化。

18、（2）针对电磁干扰突发丢包使固定前向纠错失效的问题，本发明通过根据重传请求确定各数据等级的丢包统计结果，根据丢包统计结果中的丢包聚集度对前向纠错冗余度和交织深度进行联合调整：前向纠错冗余度保证纠错组的恢复能力与平均丢包水平匹配，交织深度将突发成串丢失的数据帧分散至不同纠错组，使前向纠错在突发丢包场景下保持整组恢复能力，避免退化为大量重传；同时，交织深度调整后引入的时延变化被计入交织缓冲时延修正量参与净链路时延的确定，纠错强化不会被误判为链路劣化。前向纠错冗余度、交织深度与净链路时延修正构成互为输入的耦合关系，打破了突发丢包、重传流量挤占信道、进一步拥塞的恶性循环，解决了固定分组编码在突发丢包下整组失效的问题。

19、（3）针对备用传输链路倒换即拥塞导致低时延目标落空的问题，本发明通过时延敏感队列中的带标签数据帧常态复制为冗余帧，主传输链路和备用传输链路同时发送带标签数据帧和冗余帧，使备用传输链路始终保持已建链状态，预切换时无需执行建链协商；通过将建链确认、按备用传输链路的链路可用度评分重新分配发送带宽配额、按备用传输链路的丢包率和时延抖动重设前向纠错冗余度和交织深度、以及暂停数据等级最低的带标签数据帧的发送绑定为一次原子化预切换，在主传输链路中断之前一次性下发生效，避免倒换瞬间冗余帧和纠错编码数据同时涌入备用传输链路造成拥塞，并使低时延需求的带标签数据帧在倒换瞬间的带宽不被挤占；配合自适应去重窗口关闭后才生成携带带宽占用权重的重传请求，避免了冗余帧尚在传输途中时的重复重传。上述机制相互配合共同实现了链路中断前的无损倒换，克服了备用传输链路冷备用待机和倒换即拥塞的技术偏见。