АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СВЯЗИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА (ИЭУ)
ANALYSING COMMUNICATION CHARACTERISTICS OF INTELLIGENT ELECTRONIC DEVICE (IED)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области автоматизированных систем управления технологическими процессами, в частности к системам автоматизации подстанций со стандартизированным представлением конфигурации.
Уровень техники
Подстанции в сетях энергоснабжения высокого и среднего напряжения содержат первичные устройства, такие как электрические кабели, линии электропередачи, шины, переключатели, силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы, которые обычно устанавливаются в распределительных устройствах и/или коммутационных панелях. Эти первичные элементы работают автоматически с помощью системы автоматизации подстанции (АП). Система автоматизации подстанции содержит вторичные устройства, среди которых интеллектуальные электронные устройства (ИЭУ) отвечают за защиту, управление и контроль первичных устройств. Вторичные устройства могут быть иерархически отнесены к общестанционному уровню или секционному уровню системы автоматизации подстанции. Общестанционный уровень обычно включает в себя координирующий компьютер, содержащий автоматизированное рабочее место оператора (OWS) с интерфейсом «человек-машина» (HMI) и выполняющий на общестанционном уровне программу диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA), а также шлюз, который передает информацию о состоянии подстанции в центр управления сетью (NCC) и принимает от него команды. Интеллектуальные электронные устройства (ИЭУs) на секционном уровне, также именуемого секционными блоками, в свою очередь, соединены друг с другом, а также с ИЭУs на общестанционном уровне через межсекционную или станционную шину, в первую очередь служащую для обмена командами и информацией о состоянии.
Вторичные устройства на уровне обработки системы автоматизации подстанции содержат обычный измерительный трансформатор для измерения напряжения (трансформатор напряжения) и тока (трансформатор тока), датчики плотности или давления газа, а также контактный датчик для определения смены положений переключателя и механизм изменения отводов трансформатора. Кроме того, типичные интеллектуальные сенсоры, такие как нетрадиционные электронные или оптические сенсоры тока или напряжения содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для дискретизации аналоговых сигналов и подключены к секциям через выделенную шину или выделенную службу связи в общей системе связи, являясь частью интеллектуального интерфейса с технологической установкой. Последний вытесняет традиционный интерфейс с технологической установкой, реализованный аппаратными средствами, который соединяет обычные измерительные трансформаторы в распределительном устройстве посредством специальных медных проводов и коммутационных панелей с различными секциями, которые по отдельности дискретизируют аналоговые сигналы из измерительных трансформаторов (IT).
Стандарт связи между вторичными устройствами подстанции введен Международной Электротехнической Комиссией (IEC) как часть стандарта IEC 61850 под названием «сети и системы связи на подстанциях». Для некритичных в отношении времени сообщений раздел IEC 61850-8-1 устанавливает протокол спецификации производственных сообщений (MMS ISO/IEC 9506), основанный на сокращенном стеке протоколов OSI (взаимодействие открытых систем) с TCP (протокол управления передачей) и IP (Интернет-протокол) на транспортном и сетевом уровне, соответственно, и Ethernet и/или RS-232C IEC в качестве физической среды. Для критических по времени сообщений на основе событий, таких как команды автоматического выключения, IEC 61850-9-2 устанавливает GOOSE (общие объектно-ориентированные события на подстанции) непосредственно на уровне канала Ethernet стека протоколов связи. Для очень быстро периодически меняющихся сигналов на уровне процесса, таких как измеряемые величины напряжения или тока, раздел IEC 61850-9-2 устанавливает службу SV (дискретизированных значений), которая, как и GOOSE, формируется непосредственно на уровне канала Ethernet. Следовательно, часть 9 стандарта устанавливает формат публикации как групповых сообщений на промышленном Ethernet, оцифрованных данных от датчиков тока или напряжения на уровне обработки в качестве замены традиционному медному кабелю.
Системы автоматизации подстанций (АП) на основе IEC 61850 выполнены с помощью стандартизированного представления конфигурации или формального системного описания, называемого SCD (описание конфигурации подстанции). SCD файл содержит поток логических данных между ИЭУs на основе каждого сообщения, т.е. для каждого источника сообщений, список целевых, или приемных, ИЭУs, объем сообщения в терминологии описания набора данных, а также скорость передачи сообщений для периодического графика, такого как отчеты, GOOSE и SV.
Как сказано выше, IEC 61850 вводит различные службы связи для прикладных программ автоматизации подстанции (АП), в которых предсказуемое и детерминированное время связи является существенным, по меньшей мере, для функций, относящихся к безопасности и защите в реальном времени среди этих прикладных программ. Однако для больших автоматизированных систем управления, содержащих до 500 ИЭУs, поддерживающих связи между собой, и при возросших потребностях в неотложном информационном обмене в реальном времени вследствие многоадресной рассылки по системе в целом, загрузка линий связи становится критической. Это в особенности касается многоадресных GOOSE и SV сообщений согласно IEC 61850 и влияет на систему связи в целом, т.е. на поведение Ethernet на базе коммутаторов, а также на отдельные передатчики и приемники сообщений. Хотя характеристики коммуникационного стека приема передатчика зависят прежде всего от работы центрального процессора CPU и качества выполняемой программы, другие причины, например прикладные задачи, совместно использующие CPU, или соединение с приложением посредством очередей или разделяемой памяти также могут влиять на время обработки коммуникационного стека.
Обычно если критически важное приложение зависит от гарантированного исполнения в реальном времени, то выбором является детерминированный протокол, в котором характер связи может быть вычислен заранее. Типичными примерами являются синхронные шины, как определено, например, в IEC 61375 (многофункциональная транспортная шина MVB) или WorldFIP шина в реальном времени. В соответствии с этим постоянно передается максимально возможный объем данных, так что фиксированное время коммуникации всегда находится в соответствии с максимально возможной нагрузкой. Однако последнее неприменимо к асинхронной шине на основе Ethernet, принятой IEC 61850. В данном случае переключатели используются для исключения конфликтов; и возникновение очередей при переключателях может ожидаться в случае повышенной загрузки линии связи. С другой стороны в Ethernet со скоростью 100 Мбит/с или даже 1 Гбит/с узкие места для большинства существующих АП приложений находятся в конечных устройствах (ИЭУs), а не в Ethernet на базе коммутаторов.
В документе ЕР 1610495 анализ неисправностей в работе коммуникационной сети выполняется во время исполнения коммутационного приложения. Для этой цели сообщения или пакеты собираются, и регистрируется текущая передача сообщений и время появления сообщения на шине, в частности, во время работы с повышенной нагрузкой или при принудительном задании конкретных схем запрос/ответ. На базе регистрируемого времени определяются период прохождения сообщений туда-обратно и пропускная способность при передаче сообщений. Недостаток такого подхода состоит в том, что он применим только для изученных сценариев, и только ограниченные выводы могут быть сделаны из них для других сценариев. Кроме того, анализ качества сервиса ограничен уровнем связи и не рассматривается влияние на события на уровне приложения или функциональном уровне.
Принципы и способы нижеследующего изобретения ни в коем случае не ограничены использованием в автоматизации подстанции, но также применимы к другим системам управления технологическими процессами со стандартизированным описанием конфигурации. В частности, следует заметить, что IEC 61850 также является приемлемым стандартом для гидроэлектростанций, ветряных электростанций и распределенных ресурсов энергии (DER).
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является прогнозирование в реальном времени, или оперативно, характеристик связи в сети связи системы автоматизации подстанции с множеством интеллектуальных электронных устройств (ИЭУ), осуществляющих связь друг с другом. Эта задача решается с помощью способа анализа характеристик коммутационного стека отдельного ИЭУ и инструментальных средств анализа в соответствии с пунктами 1 и 6 формулы изобретения, соответственно. Другие предпочтительные варианты реализации изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением анализируются характеристики коммуникационного стека интеллектуального электронного устройства, выполненного с возможностью обработки сетевых сообщений, которые передаются с помощью или принадлежат к определенной конфигурируемой службе связи автоматизации подстанции. Способ содержит выполнение большого количества реалистичных сценариев на уровне приложения соответствующих повышенной загрузке линии связи, такой как событие, запущенное событием неисправности. Среди всех сетевых сообщений, собранных или перехваченных в процессе выполнения сценария, идентифицируются сетевые сообщения, предназначенные для ИЭУ и посылаемые в ответ от ИЭУ. Определяется количество идентифицированных сообщений, количество элементов определенного коммуникационного протокола или элементов данных, относящихся к свойству, специфическому для службы, а также количество измененных элементов протокола, указывающих на событие автоматизации подстанции, при котором значение элемента данных изменилось по сравнению со значением того же элемента данных в предыдущем сообщении. Аналогично определяется присущее для ИЭУ время обработки идентифицированных сообщений на основе того, какие вычисляются значения параметров модели времени обработки или связи, специфических для службы.
В предпочтительном варианте анализируются и моделируются совместно несколько служб связи автоматизации подстанции. Каждая служба связи автоматизации подстанции может независимо содержать параметры модели времени обработки для соответствующих элементов протокола до требуемой степени структурированности или детализации.
В других предпочтительных вариантах реализации изобретения сценарий автоматизации подстанции эмулируется во время испытания или вода в действие определенной конфигурации системы автоматизации подстанции с помощью выделенного синтезатора, формирующего соответствующие сетевые сообщения, предназначенные для проверяемого ИЭУ. Синтезатор может быть идентичным анализатору. В альтернативном варианте всплеск сообщений, соответствующих сценарию, может быть запущен с помощью моделирования события возникновения неисправности на уровне технологического процесса. Другими словами, анализ характеристик коммутационного стека устройства ИЭУ выполняется задолго до фактического возникновения события неисправности на реальной подстанции. Последняя может, однако, использоваться путем регистрации соответствующих сетевых сообщений с целью проверки или точной настройки параметров модели во время работы системы автоматизации подстанции.
Итак, настоящее изобретение предлагает захват сообщений в нескольких различных ситуациях повышенной нагрузки и оценку времени регистрации сообщений на шине. Путем использования заданного описания на уровне приложения всех данных и сообщений связи стандарта IEC 61850 и применения мелкоструктурной модели связи вычисляются параметры, относящиеся к некоторым характеристикам стека и модели связи. Предложенный способ оценки характеристик коммутационного стека интеллектуального электронного устройства (ИЭУ) рассматривает ИЭУ как черный ящик и производит анализ его работы полуэвристическим методом, основанным на характеристиках лежащих в основе протоколов IEC 61850. Нужные параметры всегда определяются для конкретного проекта в зависимости от конфигурации АП. Затем окончательная модель позволяет вычислять характеристики для других сценариев нагрузки, сформулированных в показателях нагрузки на уровне приложения.
Настоящее изобретение также относится к компьютерному программному продукту, содержащему программный код для управления одним или более процессорами интеллектуального электронного устройства (IFD) или анализирующего инструментария или другого устройства, выполненного с возможностью подключения к коммуникационной сети системы автоматизации подстанции (АП) и выполненного с возможностью введения в память стандартизированного представления конфигурации системы АП, в частности, компьютерный программный продукт, включающий в себя считываемый компьютером носитель, содержащий компьютерный программный код.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения объясняется более подробно в дальнейшем описании со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, которые иллюстрируются прилагаемыми чертежами.
Фиг.1 изображает часть подстанции и соответствующей системы автоматизации подстанции;
фиг.2 изображает последовательность сообщений, передаваемых в пределах сети связи АП;
фиг.3 представляет блок-схему, содержащую этапы анализа характеристик связи ИЭУ.
Ссылочные позиции на чертежах, а также их значения сведены в списке обозначений. В целом одинаковые элементы обозначаются одними и теми же ссылочными позициями на всех чертежах.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Фиг.1 показывает однолинейную схему части или секции типичной подстанции или распределительное устройство совместно с автоматизацией подстанции (АП) или вспомогательным оборудованием. Подстанция содержит конфигурацию с двойной системой шин с двумя шинами 10, причем каждая из них питает две секции 11 и 11' через разъединители QB1, QB2. Каждая секция содержит автоматический размыкатель сети QA1, разъединитель QC1 и переключатель заземления QE1. Соответствующая часть системы АП изображает жирными линиями сеть 20 связи, соединенную с двумя интеллектуальными электронными устройствами (ИЭУ) 21, 22, которые выполняют роль логических узлов класса CSWI (управление переключателем). Каждый логический узел отнесен к одному из вышеупомянутых автоматических выключателей QA1, как показано штрихпунктирными линиями. Анализатор 23 соединен с сетью 20 и выполнен с возможностью перехвата всех сетевых сообщений или пакетов, идущих к и от ИЭУ 21. Этот сетевой график может проистекать из реального процесса АП или моделироваться специальным синтезатором. В частности, в случае, если определенный SCD файл 24 подстанции, содержащий SCD (описание конфигурации подстанции) системы АП, вводится в анализатор 23, последний может сам формировать и передавать сетевые сообщения в испытываемое ИЭУ 21.
p
Фиг.2 изображает всплеск, т.е. типичную последовательность сообщений 30, передаваемых от анализатора 23 в ИЭУ 21, где время течет сверху вниз и где каждая диагональ представляет одно сообщение, а пунктирные линии различного стиля выделяют сообщения, соответствующие различным службам связи АП. ИЭУ 21 в свою очередь передает ряд ответных сообщений 31, при этом время t, прошедшее между первым принятым сообщением и последним сообщением, переданным ИЭУ, определяется анализатором 23. Для этой цели анализатор может также учитывать чистое время передачи по шине, которое известно из длины сообщения и скорости передачи в битах по сети Ethernet.
1
2
1
3
2
p
1
2
3
p
1
2
3
Фиг.3 представляет блок-схему, иллюстрирующую процесс анализа характеристики связи интеллектуального электронного устройства (ИЭУ) в соответствии с изобретением. На этапе 101 выполняется первый сценарий связи h=1. На этапе 102 идентифицируется количество n(h) сетевых сообщений, относящихся к службе связи АП и обработанных с помощью ИЭУ. На этапе 103 определяется количество n(h) определенных элементов протокола связи в пределах количества n идентифицированных сетевых сообщений. На этапе 104 определяется количество n(h) элементов с измененным значением данных в пределах количества n определенных элементов протокола связи. На этапе 105 определяется время t(h) обработки идентифицированных сетевых сообщений в ИЭУ. После этого выполняется следующий сценарий h=h+1. В итоге на этапе 106, основанном на параметрах n n n и времени обработки t для каждого из множества АП сценариев вычисляются относящиеся к определенной службе связи АП параметры k, k, k модели времени обработки, включающий в себя элемент определенного протокола.
Время обработки стека связи зависит от службы связи или типа протокола сообщений, такого как MMS для передачи отчетов, GOOSE и SV, и различных элементов протокола или объектов, подлежащих обработке. В рамках IEC 61850 и для служб связи АП, обеспечивающих самопроизвольную отправку данных, эти элементы протоколов содержат обработку 1) всех сообщений, 2) элементов данных в отдельных сообщениях и 3) событий, т.е. элементов данных с измененными значениями. Эти элементы различаются для разных служб связи, например, количеством событий, равных количеству элементов данных для передачи отчетов и в основном для SV, однако обычно не для GOOSE, и соответствующие периоды времени обработки обычно не зависят друг от друга в пределах одной службы.
Три примерных, но никоим образом не исчерпывающих конкретизации модели времени обработки, не учтенных в варианте реализации ниже ради простоты, основываются на следующих наблюдениях, (i). Время обработки события может зависеть от типа данных значения, (ii). Времена обработки сообщения, посылаемого с помощью ИЭУ, и сообщения, принимаемого в ИЭУ, могут различаться, (iii). Службы с разными приоритетами могут обрабатываться неодинаково; поэтому учет различия групп по приоритету наряду с различиями по типу службы связи, позволяет получить более точную оценку времени обработки.
Линейная модель времени обработки определяет для определенной АП службы j связи, включающей в себя сообщения определенного типа протокола сообщений, соответствующее время  обработки для всплеска сообщений следующим образом:
, где
- время обработки сообщений, относящихся к типу протокола, специфического для службы j;
- количество сообщений указанного типа протокола о всплеске сообщений;
- количество элементов данных в указанных сообщениях (обычно не зависимых от , т.е. количество элементов данных в сообщении может быть различным в пределах типа сообщений);
- количество измененных значений данных в указанных элементах данных.
p
p
Чтобы вычислить специфические для коммуникационной службы константы  для конкретного ИЭУ, анализатор, подключенный к той же коммуникационной сети АП, что и ИЭУ, определяет сетевой график в и из ИЭУ, содержащий как сообщения с групповой адресацией, так и сообщения, явно адресованные данному ИЭУ. Он определяет время t между первым сообщением во всплеске, принятом интеллектуальным электронным устройством ИЭУ, и последним сообщением, переданным с помощью ИЭУ во всплеске. Обычно во всплеске присутствуют все виды служб, и предполагается, что длительность интервала времени t содержит вклад от каждой службы, т.е. . Благодаря последовательной обработке различных сообщений преобладание сообщений одного типа или порядок сообщений не играет роли. С другой стороны, чтобы не завышать оценку константы  специфической для службы, коммуникационный стек должен постоянно обрабатывать сообщения, запрашивая средства для соответствующей организации очереди сообщений, подлежащих обработке.
1
2
3
Далее анализатор определяет тип каждого захваченного сообщения, считает количество n сообщений для каждого типа, проверяет каждое сообщение с целью определения количества элементов n и событий n для каждого типа. При этом анализатор может проверять, что ни одного сообщения не потеряно между анализатором и ИЭУ. Это осуществляется с помощью дополнительной оценки сообщений контроля приемника от ИЭУ, считающего потерянные входные сообщения или с помощью подсчета последовательности сообщений для каждого типа службы IEC 61850 с целью идентификации сообщений, отправленных ИЭУ, но не пришедших на анализатор. С другой стороны, корректная обработка потери события на уровне приложения потребует, например, для GOOSE и SV, специального ИЭУ приложения, возвращающего любое полученное изменение данных (событие).
Типичный всплеск сообщений, вызванный размыканием в шине, длится приблизительно 100 мс и содержит супервизорные аварийные сигналы, защитные отключения, изменения положения переключателя и изменения измеряемых параметров. На каждую секцию это может давать в результате 5-10 отчетных сообщений и 6-12 GOOSE сообщений в пределах 12 мс и дополнительно к регулярному SV трафику до 4000 сообщений/с для каждого из двух VT (трансформаторов напряжения) в секции. Сценарий всплеска может быть использован анализатором при определении начала всплеска по определенному событию/сообщению и конца пакета по продолжительной паузе в 10 мс или более. Альтернативно может оцениваться любая последовательность сообщений с конфигурируемой максимальной задержкой, составляющей несколько миллисекунд между следующими друг за другом сообщениями, и постоянно обрабатываемой коммуникационным стеком.
Посредством проведения независимых измерений в интервалах времени с повышенной нагрузкой (например, девять различных сценариев всплеска с номерами , формирующих обратимую матрицу максимального ранга для модели обработки времени с тремя службами и тремя константами в каждом) могут быть вычислены соответствующие константы . Так как здесь не рассматриваются времена реакции, зависящие от приложения, то предполагается, что вычисленные значения не зависят от приложения или функционального уровня, а потому конечная модель обработки времени может затем применяться для других сценариев нагрузки в системе АП такой же конфигурации и, в частности, заранее оценивать влияние нагрузки на ИЭУ.
Вышеуказанные измеренные относящиеся к приложению параметры могут использоваться, в свою очередь, для определения и проверки предполагаемых, относящихся к приложению сценариев, таких как нормальная нагрузка и некоторые ситуации в наихудшем случае. В частности, зная нормальную, или стабильную, нагрузку в виде изменений данных на уровне приложения, которые могут быть преобразованы в набор данных и сценарий службы благодаря формальному описанию относительно того, как они осуществляют связь, на основе модели обработки времени можно рассчитать стабильную нагрузку. Предполагая, что msgno, datano и eventno являются средними значениями в секунду, простая проверка того, превышает или нет результирующее общее время обработки 1 сек, свидетельствует о том, стабильно или нет работает ИЭУ.
Наконец, если вышеупомянутый анализ выполняется для системы автоматизации подстанции (АП) в целом, то результирующие подробные модели можно применять в качестве основы для вычисления различных глобальных параметров на различных уровнях модели IEC 61850 для различных ИЭУ, таких как
- скорость передачи сообщений на точку доступа, частота событий на точку доступа (если несколько логических узлов реализовано в ИЭУ),
- соотношение между измененными элементами данных и отправленными элементами данных (особенно интересно для GOOSE и SV), а также отправленными сообщениями,
- частота событий на точку доступа и по типу службы связи,
- время обработка по типу данных (IEC 61850 класс общих данных),
- частота событий на элемент данных.
Список обозначений
10 - шина
11 - секция
20 - сеть связи
21 - первое интеллектуальное электронное устройство (ИЭУ)
22 - второе ИЭУ
23 - анализатор
24 - SCL файл