КОММУНИКАЦИОННАЯ СЕТЬ ЦИФРОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КРИТИЧНЫМИ ВО ВРЕМЕНИ ПРОЦЕССАМИ В ОБЛАСТИ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ НА ОСНОВЕ ПАССИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СЕТИ
COMMUNICATION NETWORK OF A DIGITAL SUBSTATION FOR CONTROLLING TIME-CRITICAL PROCESSES IN THE AREA OF RELAY PROTECTION AND AUTOMATION BASED ON A PASSIVE OPTICAL NETWORK

Изобретение относится к промышленным коммуникационным системам, использующим коммуникационные сети на базе технологий пассивных оптических сетей с древовидной топологией, для управления критичными по времени процессами в системах релейной защиты и автоматики на цифровых электрических подстанциях.
Аналогом предлагаемого решения является промышленная коммуникационная система, использующая основанные на сети Ethernet коммуникационные сети для управления критичными по времени процессами в системах управления транспортными средствами, приводом или автоматикой на подстанции. Коммуникационная сеть взаимодействует с множеством синхронизированных узлов, при этом в коммуникационной сети нормальные блоки данных, содержащие критичные по времени данные, передаются периодически или циклически, а спорадические блоки данных передаются непериодически или случайно. В частности, каждый узел из множества узлов передает нормальный блок данных в начале периода передачи, являющегося общим для всех узлов и синхронизированным со всеми узлами. Затем узел принимает нормальные блоки данных из первого соседнего узла и пересылает их в пределах того же периода передачи и с самой короткой задержкой второму соседнему узлу. Кроме того, узел активно задерживает передачу любого спорадического блока данных, является ли он исходящим от приложения, находящегося в узле, или принимается от соседнего узла, до завершения пересылки всех принятых нормальных блоков данных (патент RU 2534931 С2, МПК H04L 12/40, опубл. 2014.12.10).
Недостатком данной системы является использование кольцевой топологии для соединения устройств между собой, при этом при передаче информации от узла к узлу пакеты ретранслируются рядом промежуточных узлов (при количестве узлов большем или равным двум), чтобы добраться до пункта назначения, что может вызывать дополнительные задержки. Данный недостаток может оказывать существенное влияние при большом количестве устройств, подключенных в такую сеть, что может быть критичным при передаче команд аварийного отключения оборудования на подстанции.
Наиболее близким заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является многопроцессорная информационно-управляющая система релейной защиты и автоматики на основе пассивной оптической сети, предназначенная для реализации функций противоаварийной автоматики в электроустановке, а также для автоматизации процесса сбора информации о состоянии вводов, присоединений и выключателей объекта контроля и управления, автоматизации сбора диагностической информации от блоков релейной защиты и автоматики объекта контроля и управления, обработки этой информации и передачи ее в автоматизированные системы управления в энергетике верхнего уровня или оперативному персоналу (патент RU 2697633 С1, МПК G06E 1/04, опубл. 2019.10.08).
Недостатком прототипа является отсутствие механизмов приоритезации критичных по времени передачи пакетов данных в информационной сети на основе пассивной оптической сети, что может вызывать недопустимые задержки при работе противоаварийной автоматики и релейной защиты, а также снизить устойчивость информационной сети к режиму повышенной информационной нагрузки, т.н. «информационному шторму».
Также недостатком прототипа является отсутствие организации и поддержки способов межтерминального обмена информации (между интеллектуальный электронными устройствами - ИЭУ, т.н. IED) и получением/передачи информации на верхний уровень, организуемых согласно комплексу международных стандартов цифровой подстанции и сетей МЭК 61850, а также протоколов передачи текущих измерений (от измерительных трансформаторов) в рамках международного стандарта МЭК 61869.
Задачей настоящего изобретения является создание коммуникационной сети цифровой подстанции на основе пассивной оптической сети, в которой реализуются механизмы приоритезации критичных по времени передачи пакетов данных различных типов, а также поддержка способов организации межтерминального обмена и получения/передачи информации на верхний уровень согласно комплексу международных стандартов МЭК 61850, а также протоколов передачи текущих измерений согласно международным стандартам МЭК 618050 и МЭК 61869.
Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик коммуникационных сетей цифровых подстанций на основе пассивной оптической сети, поддерживающих международные протоколы МЭК 61850 и МЭК 61869, для управления критичными во времени процессами в области релейной защиты и автоматики на подстанции.
1
n
ni
ni
ni1
nik
ni1
ni2
ni3
nik
Технический результат достигается тем, что, коммуникационная сеть цифровой подстанции для управления критичными во времени процессами в области релейной защиты и автоматики на основе пассивной оптической сети, поддерживающей международные протоколы стандартов МЭК 61850 и МЭК 61869, имеет древовидную топологию, причем в корне древовидной топологии расположен центральный сервер, соединенный с узлами (b…b) обработки, через промежуточные оптические сплиттеры, разделяющие оптический сигнал от центрального сервера на n+1 оптических сигналов, причем в случае резервирования каналов связи информационные потоки узлов обработки генерируются одновременно и передаются в два параллельных канала, центральный сервер при этом передает пакеты данных только в основной канал, причем каждый узел обработки передает на центральный сервер периодически или циклически нормальные блоки (R, M, где n - соответствующий узел обработки, i - соответствующий цикл передачи) данных, содержащие критичные по времени передачи данные, а также спорадические блоки (S - S, где k - уровень приоритета) данных, в частности, каждый узел обработки в коммуникационной сети передает нормальные блоки данных, которые являются унифицированными и синхронизированными, один из которых (М) содержит информацию о длине последующих блоков данных, причем, согласно концепции множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access), общее время цикла передачи всеми узлами обработки в сети является фиксированным, причем в момент первого запуска сети центральный сервер рассылает всем узлам обработки, находящимся в сети пакет (Pd) данных, содержащий информацию (UBM) о распределении временных доменов (индивидуальное расписание) в соответствии с которыми узлы обработки будут отправлять данные с целью исключения возможности коллизий сигналов с учетом поправки на задержку прохождения сигналов, причем перед передачей спорадических блоков данных узлы передают длину следующего передаваемого сообщения (М) на сервер с целью перераспределения ширины временного домена и обеспечения необходимой ширины канала для доставки пакета данных, при этом каждый вид передаваемого спорадического блока имеет приоритет отправки, в соответствии с которым передача спорадического блока данных может быть отложена в случае если пропускная способность канала окажется недостаточной, таким образом передача спорадических блоков данных с наиболее низким приоритетом задерживается до тех пор, пока не завершится передача нормальных блоков (R) данных и более приоритетных спорадических блоков (S, и далее по убыванию приоритета S, S… S) данных.
Анализ известных технических решений по научно-технической и патентной документации показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности (новизна, изобретательский уровень).
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3).
1
4
На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема коммуникационной сети цифровой подстанции для управления критичными во времени процессами в области релейной защиты и автоматики на основе пассивной оптической сети, поддерживающей протоколы комплекса международных стандартов МЭК 61850 и МЭК 61869, состоящая, в качестве примера, из четырех узлов (b…b) обработки.
На фиг. 1 обозначены:
1 - центральный сервер;
1
2
2, 2 - оптический сплиттер основной линии связи;
1
2
3, 3 - оптический сплиттер резервной линии связи;
1
4
b…b - узлы обработки;
На фиг. 2 изображена схема временного разделения при отправке сообщения от центрального сервера к узлам обработки.
На фиг. 2 обозначены:
Pd - длина пакета нисходящего потока от центрального сервера узлам обработки;
РСВ - физический блок управления нисходящего потока (Physical Control Block Downstream);
ЦВМ - карта временных доменов восходящего потока для узлов обработки (Upstream Bandwidth Map)
Payload - пакет (полезных) данных;
1
n
M…M - временной домен для соответствующего узла обработки;
Start - начало передачи; End - конец передачи.
На фиг. 3 изображена схема временного разделения при отправке сообщения от узлов обработки к центральному серверу.
На фиг. 3 обозначены:
Pu - общая длина пакета восходящего потока от узлов обработки к центральному серверу;
1
i
T…T - последовательные циклы передачи данных от узлов обработки;
11
ni
R…R - нормальный пакет данных, критичный по времени передачи;
11
ni
M…M - длина последующего пакета данных, передаваемого на центральный сервер;
111
nik
S…S - спорадические блоки данных.
1
4
1
4
1
2
1
2
1
4
1
k
1
4
На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема коммуникационной сети цифровой подстанции для управления критичными во времени процессами в области релейной защиты и автоматики на базе технологии пассивной оптической сети, поддерживающей протоколы комплекса международных стандартов МЭК 61850 и МЭК 61869, и в качестве примера состоящей из четырех узлов (b…b) обработки, в которой в корне древовидной топологии расположен центральный сервер (1), соединенный с узлами (b…b) обработки через промежуточные оптические сплиттеры основного (2, 2) и резервного (3, 3) каналов, разделяющие оптический сигнал от центрального сервера (1) на n+1 оптических сигналов. При этом узлы (b…b) обработки отправляют блоки (R, М, S…S) данных на центральный сервер (1) в последовательности, соответствующей временному домену, выделяемому центральным сервером каждому узлу (b…b) обработки. В случае резервирования информационные каналов связи потоки узлов обработки генерируются одновременно и передаются в два параллельных канала. Центральный сервер (1) при этом передает пакеты данных только в основной канал.
1
n
11
n1
1
n
1
1
n
11
n1
11
n1
2
2
На фиг. 2 и фиг. 3 изображена в качестве примера базовая операция древовидной структуры из n узлов (b…b) обработки. В начальный момент времени центральный сервер (1) передает пакет (Pd) данных в основной канал, содержащий карту (UBM) временных доменов о распределении временных доменов (M…M), содержащих время (start) начала передачи и время (end) конца передачи для соответствующих узлов (b…b) обработки. Далее, согласно фиг. 3, в цикле T передачи данных, узлы (b…b) обработки передают в информационную сеть нормальные пакеты (R…R) данных и сообщения (M…M), содержащие длины последующих пакета, которые будут переданы в момент времени Т. Следующий цикл (Т) передачи также начинается с передачи центральным сервером (1) пакета нисходящего потока, содержащего измененную, по сравнению с предыдущим циклом, карту (UBM) временных доменов.
11
n1
ni1
ni2
ni3
nik
ni2
ni3
nik
Кроме того, каждый временной домен (M…M) имеет гарантированную ширину, достаточную для передачи нормальных блоков (R, М) данных, и каждый вид спорадического блока (S, и далее по убыванию приоритета S, S…S) данных имеет приоритет отправки. В соответствии с этим передача спорадического блока (S, S…S) данных может быть отложена, в случае если ширина канала окажется недостаточной, таким образом, передача спорадических блоков данных с наиболее низким приоритетом задерживается до тех пор, пока не завершится передача нормальных блоков данных и более приоритетных спорадических блоков данных.
Таким образом, передача нормальных блоков данных всеми узлами обработки запускается в заданный момент времени и, находящиеся в очереди, нормальные блоки данных последовательно передаются в коммуникационную сеть узлами обработки исходя из зарезервированного и назначенного временного домена посредством резервирующих временной домен блоков (М) данных. Таким образом гарантируется, что весь нормальный поток информации отправляется внутри нормальной фазы действующего периода передачи. При этом распределяются временные домены достаточной длины для передачи случайных спорадических блоков данных перед запуском следующего периода передачи.
k
k
k
k
Приведем для сравнения с аналогом настоящего изобретения расчет пропускной способности пассивной оптической сети на базе технологии GPON (ITU-T G.984). В информационной сети на базе указанной технологии интервал между последовательными циклами передачи составляет 125 микросекунд (мкс), причем суммарный объем за этот период восходящего потока составляет 19440 байт, а нисходящего 38880 байт, что эквивалентно пропускной способности в 1,25 Гбит/с и в 2,5 Гбит/с соответственно. Для примера отметим, что минимальное время передачи некритичного по времени блока данных (S блока) в такой сети, считая, что каждый узел посылает минимальный S блок размером в 64 байта (512 бит) может составлять около 0,4 мкс. При этом максимальное время передачи S блока в этой же сети, считая, что каждый узел посылает максимальный S блок размером в 1522 байт (12176 бит) может составлять около 9,7 мкс.
k
n
С базовым интервалом между последовательными циклами передачи в 125 мкс существует достаточное пространство для передачи максимальных блоков S данных и блоков R данных всего от 12 узлов обработки за один цикл. При этом минимальный интервал между отправками, например, GOOSE сообщений, в соответствии с МЭК 61850-8-1, составляет 1 мс: таким образом, максимальная емкость такой сети, в случае применения комплекса международных стандартов цифровых подстанций и сетей МЭК 61850, составляет не более 96 узлов обработки (12 узлов за 8 циклов в сети).
Причем при передаче каждым узлом обработки в сети GPON, в соответствии с профилем формата SV международного протокола МЭК 61850-9-2, блоков данных из 160 байт, с минимальной стандартизированной частотой выборок равной 80 (Sample Rate, SmpRate=80) и количеством измерений, размещаемых в одном кадре равным 1 (noASDU=l), частота формирования кадров в сеть в таком случае будет равна  при этом максимальная емкость сети может составить до 250 узлов в отличие от аналога, использующего кольцевую топологию и стандартную скорость передачи данных в 100 Мбит/с, где, при условии самой высокой частоты передачи в 2500 Гц, максимальная емкость может составлять всего 21 узлов.
Соответственно можно рассчитать максимальное количество возможных к подключению в сеть узлов обработки при рассмотрении профиля SV международного протокола МЭК 61869-9 (блок данных из 160 байт, SmpRate=96, NoASDU=l, ): максимальная емкость сети в таком случае может составить максимум 208 узлов, в отличие от аналога с максимумом устройств в стандартном исполнении до 16 узлов.
В предложенном способе предполагается, что общие часы для всех узлов существуют внутри самих узлов и действуют с точностью порядка 1 мкс, синхронизируются через средства, такие как GPS, PPS, или по протоколам согласно стандарту IEEE 1588v2.
Использование настоящего изобретения позволит, используя способ приоритезации критичных по времени передачи пакетов данных в информационной сети на основе пассивной оптической сети, исключить недопустимые задержки при работе противоаварийной автоматики и релейной защиты, увеличить количество узлов обработки в одной сети, а также повысить устойчивость информационной сети к режиму повышенной информационной нагрузки, т.н. «информационному шторму».
Кроме того, использование настоящего изобретения позволит реализовать способы обмена информации согласно комплексу международных стандартов МЭК 61850 и МЭК 61869, используя в качестве физического, канального и транспортного уровня оптические сети, разворачиваемые на цифровых подстанциях по технологии пассивных оптических сетей (xPON).
Заявленное техническое решение соответствует требованиям промышленной применимости и может быть изготовлено на стандартном оборудовании с применением современных материалов и технологий, и прошло апробацию на объекте филиала АО «Сетевая компания» Набережночелнинские электрические сети.