УСТРОЙСТВО ОБЪЕДИНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ПОТОКОВ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для применения в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами, в частности, в системах управления электрическими подстанциями, содержащими в своем составе измерительные датчики тока/напряжения с цифровыми и, возможно, аналоговыми выходами и устройства измерения и вычисления электрических параметров на основании аналоговых данных или данных, поступающих через цифровые интерфейсы устройств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны устройства, осуществляющие преобразование аналоговых сигналов измерительной информации в цифровой формат, например, HardBrick GE [1]. Недостатком вышеуказанного устройства является то, что оно требует подключения к измерительным датчикам тока и к датчикам напряжения с аналоговыми выходами, что в свою очередь требует прокладки аналоговых цепей от указанных датчиков, размещенных, как правило, на значительном удалении друг от друга (по требованиям электробезопасности), в единую точку - место размещения преобразователя. В случае не подключения к данному устройству цепей тока или напряжения, поток цифровых значений, формируемый устройством, будет содержать значительный объем избыточной информации (в каждом пакете будут передаваться нулевые значения в полях неподключенных токов и/или напряжений).
Известно выбранное в качестве прототипа устройство синхронизированных векторных измерений напряжения и тока [2], выполняющее функцию объединения внешних цифровых потоков, поступающих в устройство по цифровому интерфейсу, с внутренним цифровым потоком, формируемым на основании аналоговых сигналов измерительной информации, поступающих в устройство через аналоговые измерительные интерфейсы напряжения и тока. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности выдачи по цифровому интерфейсу потока данных, сформированного путем объединения исходных цифровых потоков.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Известен и получил широкое распространение протокол передачи данных измерений МЭК 61850-9-2 [3]. Данный протокол предусматривает передачу мгновенных значений токов и напряжений от измерительных датчиков с цифровыми выходами через коммуникационную сеть, выполненную по технологии Ethernet. Наибольшее распространение получила спецификация данного протокола, подготовленная организацией UCAIug (http://www.ucaiug.org/default.aspx), и получившая наименование LE (http://iec61850.ucaiug.org/implementation%20guidelines/digif_spec_9-21e_r2-1_040707-cb.pdf). Данная редакция протокола предусматривает, что в Ethernet пакет, содержащий данные в формате протокола, включается набор мгновенных значений тока и напряжения. Устройства, принимающие данный поток, осуществляют свои технологические функции на основании получаемых таким образом мгновенных значений тока и напряжения. При этом большинство предлагаемых на рынке устройств, принимающих указанный цифровой поток, рассчитаны на прием только одного потока, содержащего полный объем данных, включающий с себя как данные измерений тока, так и напряжения, например, счетчик электрической энергии Landis&Gyr E880 http://www.landisgyr.co.uk/product/landisgyr-zxq-e850/?download=40945&filename=/webfoo/wp-content/uploads/2012/09/D000045932_E880_Brochure_a_en.pdf). В то же время значительная часть предлагаемых на рынке цифровых измерительных датчиков тока (выполненных с цифровым выходом, в частности, МЭК 61850-9-2, например, http://www.alstom.com/grid/products-and-services/high-voltage-power-products/instrument-transformers/Compact-Optical-Sensor-Intelligence, http://www.profotech.ru/products/206/) и соответствующих цифровых измерительных датчиков напряжения (см. например, http://www.profotech.ru/products/207/) обеспечивает генерацию выходных цифровых потоков, содержащих, соответственно, данные измерений только токов либо только напряжений.
Следует отметить, что Ethernet пакеты, передающие данные по протоколу МЭК 61850-9-2 [4], содержат значительное количество сервисной информации, используемой для адресации пакетов, передачи данных самоописания устройств и т.д., поэтому передача данных тока и напряжения в одном потоке данных значительно сокращает общий объем передачи данных по сравнению с ситуацией, когда значения тока и напряжения передаются в рамках самостоятельных цифровых потоков. Кроме того, производительность коммуникационного оборудования (в частности, Ethernet коммутаторов) и принимающих устройств (например, устройств вычисления электрических параметров на основании цифровых данных) зависит не только от размера Ethernet пакетов, но и от их количества, поэтому при передаче двух потоков данных вместо одного возрастает нагрузка на коммуникационное оборудование и устройства, принимающие цифровые потоки.
Полезная модель направлена на создание устройства, обеспечивающего реализацию функции объединения цифровых потоков от разных источников, либо, возможно, объединения цифрового потока и данных от собственного блока аналого-цифрового преобразования, с выдачей результирующего цифрового потока.
Техническим результатом применения рассматриваемой полезной модели является организация возможности работы устройств, поддерживающих прием только комбинированного цифрового потока тока и напряжения, совместно с цифровыми измерительными датчиками тока и напряжения, обеспечивающими генерацию выходных цифровых потоков с данными измерений соответственно только токов либо только напряжений, а также обеспечение снижения коммуникационной и вычислительной нагрузки с коммуникационного оборудования и устройств, осуществляющих вычисление электрических величин на основании цифровых потоков данных.
Вышеуказанный технический результат достигается применением предлагаемого устройства объединения цифровых потоков данных измерений. Предлагаемое устройство содержит, по меньшей мере, один цифровой интерфейс для приема цифровых потоков данных измерений, по меньшей мере, один цифровой интерфейс для передачи цифровых потоков данных измерений, и блок объединения цифровых потоков. При этом блок объединения цифровых потоков выполнен с возможностью объединения, по меньшей мере, двух цифровых потоков данных измерений, получаемых через цифровые интерфейсы для приема цифровых потоков, в новый единый цифровой поток данных измерений, содержащий всю значимую, либо часть значимой информации из исходных цифровых потоков, с последующей передачей вышеуказанного нового потока через цифровой интерфейс для передачи цифровых потоков. Под значимой информацией в частности здесь и вообще, в контексте выполнения операции объединения цифровых потоков данных измерений, понимаются, в том числе, наборы значений измеряемых величин, например, величин тока и напряжения; при этом к значимой информации не относится, в частности, передаваемая в потоках сервисная информация (например, данные, используемые для адресации пакетов данных потока, данные самоописаний устройств и т.п.).
Заявленное устройство объединения цифровых потоков обеспечивает выполнение объединения отдельных цифровых потоков, содержащих данные измерений либо только тока либо только напряжения, в комбинированные цифровые потоки тока и напряжения, и, таким образом, обеспечивается возможность совместного применения измерительных устройств, поддерживающих прием только комбинированного цифрового потока тока и напряжения, с цифровыми измерительными датчиками тока и напряжения, обеспечивающими генерацию выходных цифровых потоков, каждый из которых содержит данные измерений только токов либо только напряжений. Кроме того, за счет выполнения объединения цифровых потоков сокращается общее количество потоков, транслируемых коммуникационным оборудованием и принимаемых устройствами (например, устройствами вычисления электрических параметров и т.п.), а значит, сокращается количество передаваемых (принимаемых) устройствами пакетов данных потоков, а также сокращается общий объем передаваемых (принимаемых) данных за счет, в частности, сокращения количества и исключения дублирования передаваемой в потоках сервисной информации, что в результате приводит к снижению нагрузки на коммуникационное оборудование и устройства, принимающие цифровые потоки.
Дополнительно блок объединения цифровых потоков устройства может быть выполнен с возможностью выполнения математических и/или логических операций над данными из объединяемых цифровых потоков с включением полученных в результате выполнения вышеуказанных операций данных в формируемый блоком объединения выходной цифровой поток, в частности, например, осуществлять операцию передискретизации входных потоков с данными измерений мгновенных значений тока/напряжения, принимаемых устройством по протоколу МЭК 61850-9-2, с целью формирования выходного потока с частотой дискретизации мгновенных значений, отличной от частоты дискретизации входных потоков.
Дополнительно устройство может быть реализовано с возможностью включения в свой состав, по меньшей мере, одного аналогового интерфейса, блока аналого-цифрового преобразования и интерфейса синхронизации, где блок аналого-цифрового преобразования выполнен с возможностью формирования на основании аналоговых сигналов, принимаемых устройством через аналоговые интерфейсы, и сигнала синхронизации, принимаемого через интерфейс синхронизации, выходного цифрового потока, содержащего данные измерений с привязкой к времени, а блок объединения цифровых потоков данных выполнен с возможностью объединения цифрового потока данных от блока аналого-цифрового преобразования с цифровыми потоками данных измерений, получаемыми устройством через цифровые интерфейсы для приема цифровых потоков.
Дополнительно устройство может быть реализовано с учетом возможности резервирования цифровых интерфейсов для приема или передачи цифровых потоков. При этом резервный интерфейс может быть выполнен в отличном от соответствующего формата резервируемого интерфейса. Например, цифровой интерфейс, выполненный в формате 100 BASE-TX (медный кабель витая пара, скорость передачи данных до 100 Мбит/с), может быть резервирован цифровым интерфейсом 1000 BASE-LX (оптический кабель скорость до 1 Гбит/с).
Дополнительно устройство может быть реализовано с учетом возможности резервирования источника цифровых данных, когда поток данных от блока аналого-цифрового преобразования резервирует поток данных, поступающих через цифровой интерфейс для приема цифровых потоков, либо наоборот.
Дополнительно устройство может быть реализовано с учетом возможности объединения интерфейса синхронизации с цифровым интерфейсом приема или передачи данных. При этом интерфейс синхронизации также может быть резервируем, в том числе резерв может быть выполнен в отличном от соответствующего формата резервируемого интерфейса.
В частном случае устройство может быть выполнено с цифровым интерфейсом приема или передачи данных от измерительных датчиков, выполненным по технологии Ethernet (например, 100 BASE-FX).
В частном случае, устройство может быть выполнено с интерфейсом синхронизации, выполненным на базе протокола PTP поверх интерфейса Ethernet, либо интерфейса IRIG-B.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства объединения цифровых потоков в общем случае его реализации. Устройство 1 оснащено цифровыми интерфейсами 2 для приема цифровых потоков данных измерений, цифровыми интерфейсами 3 для передачи цифровых потоков данных измерений и блоком 4 объединения цифровых потоков. Входные цифровые потоки 5, поступающие через цифровой интерфейс 2, обрабатываются блоком 4, при этом объединенный поток данных 6 передается от блока 4 через цифровой интерфейс 3.
На фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства объединения в частном случае его реализации, подразумевающем дополнительно наличие в составе устройства 1 аналоговых интерфейсов 7, блока 8 аналого-цифрового преобразования и интерфейса синхронизации 9. Интерфейс 9 требуется блоку 8 для того, чтобы обеспечить формирование корректных временных меток для оцифруемых значений. Аналогичные метки времени передаются в составе входных цифровых потоков 5, поступающих через цифровые интерфейсы 2. Метки времени используются блоком объединения цифровых потоков для формирования объединенного цифрового потока данных, в рамках которого объединятся данные, имеющие соответствующие друг другу метки времени.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Приведенное на фиг.1 устройство объединения цифровых потоков данных 1 включает в себя цифровые интерфейсы для приема 2 и передачи 3 цифровых потоков данных измерений и блок 4 объединения цифровых потоков. Предлагаемое устройство 1 может быть реализовано в виде электронного микропроцессорного устройства. При этом блок 4 объединения цифровых потоков в составе устройства 1 может быть реализован, например, в виде электронного модуля (платы), или набора электронных модулей, или набора связанных электронных компонентов в составе электронного модуля, включающего в себя микропроцессор, модули памяти (оперативной и/или, энергонезависимой) и др.
Устройство 1 функционирует следующим образом. Цифровые потоки 5, поступающие на цифровой интерфейс 2, передаются в блок объединения цифровых потоков 4. В блоке 4 осуществляется разбор полученных данных и выделение из них набора мгновенных значений тока, мгновенных значений напряжений и соответствующих им меток времени. Далее блок 4 осуществляет формирование группы новых данных, соответствующих объединенному потоку, на основании вышеуказанных меток времени, и осуществляет передачу объединенного потока 6 через цифровой интерфейс 3.
При реализации устройства с аналоговым интерфейсом (фиг.2) в схему работы вносятся следующие изменения:
- блок 8 аналого-цифрового преобразования осуществляет преобразование аналоговых сигналов 11, полученных через аналоговые интерфейсы 7, в цифровой вид, при этом каждому значению присваивается временная метка, полученная блоком 8 на основании данных 12, поступающих через интерфейс синхронизации 9;
- блок объединения цифровых потоков 4 в качестве одного из объединяемых цифровых потоков использует поток данных 10 с блока аналого-цифрового преобразования 8.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «HardFiber Process Bus System. Reference Manual» / GE publication code GEK-113500, 2008 (руководство по эксплуатации на систему HardFiber от производителя GE Digital Energy; электронная версия руководства - на сайте производителя GE Digital Energy: http://www.gedigitalenergy.com/products/manuals/hardfiber/GEK-113542.pdf).
2. Патент РФ на полезную модель №118760.
3. «Цифровая подстанция ЕНЭС» / Моржин Ю.И., Попов С.Г., Гельфанд A.M., Фридман Л.И., Горожанкин П.А., Наровлянский В.Г., Власов М.А., Сердцев А.А. Журнал «Энергоэксперт», №4 (27), 2011 г.
4. «Шина процесса - технологический фундамент цифровой подстанции» / Власов М.А., Кириллов А.С., Сердцев А.А. Журнал «Релейщик», №1 / март 2010 г.