CN101997717B - 分析ied的通信性能 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为分析IED的通信性能，涉及变电站自动化(SA)系统的通信网络中智能电子装置(IED)的通信栈性能的分析。IED处理用特定可配置SA通信服务传送或属于它的网络消息。运行与高通信负荷对应的多个应用级情形。在该情形期间捕获或截取的所有网络消息中间，识别送往IED以及由IED响应而发送的网络消息。确定所识别的消息数、与服务特定属性相关的特定通信协议元素或数据项数以及指示SA事件的改变的协议元素数，其中数据项的值相比先前消息中的同一数据项的值已经改变。基于计算了服务特定处理时间模型的哪些参数值，类似地确定所识别消息的IED固有处理时间。

Description

分析IED的通信性能
技术领域
本发明涉及具有标准化配置表示的过程控制系统领域，并且具体地说，涉及变电站自动化系统。
背景技术
高压和中压电力网中的变电站包含基本装置诸如电缆、电线、母线、开关、电力变换器和仪表变换器，它们一般布置在开关场和/或机架(bays)中。这些基本装置经变电站自动化(SA)系统以自动方式操作。SA系统包括辅助装置，在其中智能电子装置(IED)负责保护、控制和监视基本装置。辅助装置可被分级指配给SA系统的站级或机架级(bay level)。站级通常包含其中包括具有人机接口(HMI)的操作员工作站(OWS)并运行站级监控控制和数据采集(SCADA)软件的监控计算机，以及向网络控制中心(NCC)传递变电站状态并从它那接收命令的网关。还称为机架单元的机架级上的IED又彼此连接，以及经主要服务于交换命令和状态信息目的的机架间或站间总线连接到站级上的IED。
SA系统的过程级上的辅助装置包括用于电压(变压器VT)和电流(变流器CT)测量的常规仪表变换器(IT)、气体密度或压力传感器以及用于感测开关和变换器抽头转换器位置(tap changer positions)的接触探针。而且，示范性智能传感器诸如用于电流或电压的非常规电子或光学传感器包括用于对模拟信号进行采样的模数(A/D)转换器，并经专用总线连接到机架单元，或公共通信系统上的专用通信服务，作为智能过程接口的一部分。后者代替了经专用铜线和连接台(junction board)将开关场中的常规仪表变换器连接到单独对来自IT的模拟信号进行采样的不同机架单元的常规硬连线过程接口。
国际电工委员会(IEC)已经介绍了用于变电站辅助装置之间通信的通信标准，作为题为“变电站中的通信网络和系统(communication networksand systems in substations”的标准IEC 61850的一部分。对于非时间关键报告消息，章节IEC 61850-8-1规定了基于在传输层和网络层中分别具有传输控制协议(TCP)和因特网协议(IP)的缩减的开放系统互连(OSI)协议栈的制造消息规范(MMS、ISO/IEC 9506)协议，以及以太网和/或RS-232C作为物理介质。对于时间关键的基于事件的消息，诸如跳闸命令(trip command)，IEC 61850-8-1规定直接在通信栈的以太网链路层上的通用面向对象的变电站事件(GOOSE)。对于在过程级非常快速周期性改变的信号，诸如所测量的模拟电压或电流，章节IEC 61850-9-2规定采样值(SV)服务，其类似于GOOSE直接构建在以太网链路层上。因此，该标准的部分9定义了作为对传统铜线的替代的过程级上作为工业以太网上的多播消息发布来自电流或电压传感器的数字化测量数据的格式。
基于IEC 61850的SA系统通过标准化配置表示或称为变电站配置描述(SCD)的形式系统描述来配置。SCD文件包括以“每个消息”为基础(即，对于每个消息源)的IED之间的逻辑数据流、目标或接收器IED列表、按照数据集定义的消息大小、以及所有周期性业务、如报告、GOOSE和SV的消息发送速率。
如所提到的，IEC 61850介绍变电站自动化应用的不同通信服务，其中可预测和确定性的通信时间至少对于这些应用中间的实时安全性和保护相关功能是必需的。然而，对于具有高达500个IED在彼此之间通信并具有提高的实时临界通信需要(real-time critical communicationneeds)的大过程控制系统，由于穿过整个系统的多播通信，通信负荷变成临界了。这对于根据IEC 61850的多播GOOSE和SV消息尤其是如此，并且对整个通信系统，即基于开关的以太网的行为，以及单独的消息发送器和接收器具有影响。虽然收发器的通信栈的性能主要取决于实现软件的CPU性能和质量，但是如共享CPU的应用任务或经队列或共享存储器到应用的连接等其它原因可能也对通信栈处理时间具有影响。
一般而言，如果任务关键应用(mission-critical application)取决于所保证的实时性能，则选择是可预先计算通信行为的确定性协议。典型的示例是例如在IEC 61375(多功能车辆总线MVB)或WorldFIP实时现场总线中所定义的周期性总线。根据这些，永久传送最大可能量的数据，使得固定通信时间总是根据可能的最大负荷。然而，后者不适用于由IEC61850采用的基于以太网的非周期性总线。在此，开关用于去除碰撞效应；并且在高通信负荷的情况下，可以预计开关中的排队效应。另一方面，在容量100MB/s乃至1GB/s的以太网中，对于大多数当前的SA应用，瓶颈在于终端装置(IED)，而不在于基于开关的以太网系统。
在EP 1610495中，在通信应用运行期间，执行用于分析通信网络上性能故障原因的故障分析。为这个目的，捕获消息或分组，并且记录正在进行的消息传送和总线上消息出现的时间，特别是在高负荷情况期间或当强制某些请求/响应计划时。基于记录的时间，确定往返行程时间和消息吞吐量。这种方法的缺点是，它只对于所研究的情形有效，并且从它们仅可得出其它情形的有限结论。此外，服务质量分析被局限于通信级，并且未考虑在应用级或功能级的事件效应。
以下发明的原理和方法决不局限于用在变电站自动化中，而是同样可应用于具有标准化配置描述的其它过程控制系统中。具体地说，必须注意，IEC 61850也是水力发电厂、风力系统和分布式能源资源(DER)的所接受标准。
发明内容
因此，本发明的目的是预测具有多个通信智能电子装置(IED)的变电站自动化(SA)系统的通信网络的实时或可操作通信性能。这个目的是通过分别根据权利要求1和6所述的分析单个IED通信栈性能的方法和分析工具来实现的。根据从属权利要求，另外的优选实施例是显然的。
根据本发明，分析适合于处理用特定可配置变电站自动化通信服务传送的或属于它的网络消息的IED的通信栈性能。这包括运行与诸如由故障事件触发的高通信负荷对应的多个实际应用级情形。在该情形期间捕获或截取的所有网络消息中间，识别送往IED以及由IED响应而发送的网络消息。确定所识别消息数、与服务特定属性相关的数据项数或者特定通信协议元素数以及指示SA事件的所改变的协议元素数，其数据项的值相比先前消息中的同一数据项的值已经改变。基于计算服务特定处理时间或通信模型的哪些参数值，同样地确定所识别消息的IED固有处理时间。
在优选变型中，共同分析和模型化多个SA通信服务。每个SA通信服务可独立包含相应协议元素的处理时间模型参数，直至粒度或细节的期望程度。
在另外的有利实施例中，在测试或试运行特定SA系统配置期间，通过生成送往测试中的IED的对应网络消息的专用合成器仿真SA情形。合成器可等同于分析器。备选地，可以通过模拟在过程级的故障事件触发对应于该情形的消息突发。换句话说，IED的通信栈性能的分析在实际变电站中故障事件实际发生之前很久就执行。然而，后者可通过鉴于在SA系统操作期间验证或微调模型参数而记录对应的网络消息来开发。
总之，本发明提出在多个不同高负荷情况下捕获消息并估计总线上的消息注册时间(message registration times)。通过使用IEC 61850标准的所有数据和通信消息的定义的应用级描述，并应用细粒度通信模型，计算一些特性栈和通信模型相关图。评估IED通信栈性能的所提出方法将IED视为黑盒子，并基于基础IEC 61850协议的属性以半探试性方式分析其性能。总是对于特定项目相关SA配置确定有用的参数。所得到的模型然后允许按照应用级负荷制定的其它负荷情形的性能计算。
本发明还涉及包含用于控制IED的一个或多个处理器的计算机程序代码的计算机程序产品，或适合于连接到SA系统的通信网络并配置成存储SA系统的标准化配置表示的分析工具或其它装置，特别是包含其中含有计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品。
附图说明
下文将参照在附图中例证的优选示范实施例更详细地说明本发明的主题，附图中：
图1描绘了变电站和对应的变电站自动化系统的摘选；
图2描绘了通过SA通信网络交换的消息序列；以及
图3是描绘分析IED通信性能的步骤的流程图。
在名称列表中以概括形式列出了附图中所用的附图标记以及它们的意义。原则上，所有附图中相同的部分提供有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了示范变电站或开关场的部分或片段连同某一变电站自动化(SA)或辅助设备的单线图。变电站包括具有两个母线10的双母线配置，它们中的每个经分离器(disconnectors)QB1、QB2馈送两个机架11、11′。每个机架包括断路器QA1、分离器QC1和接地开关QE1。SA系统的对应摘选用粗线描绘了连接到两个智能电子装置(IED)21、22的通信网络20，其中二者都托管类CSWI(开关控制)的逻辑节点。每个逻辑节点被分配给上面提到的断路器QA1之一，如点画线所指示的。分析器23连接到网络20，并适合于截取来自和去往IED 21的所有网络消息或分组。这个网络业务可从实际SA过程发出，或由专用合成器模拟。具体地说，如果包括SA系统的变电站配置描述(SCD)的变电站特定SCL文件23被输入到分析器23中，则后者本身可生成网络消息并将其发送到测试中的IED 21。
图2描绘了突发，即，从分析器23发送到IED 21的消息30的示范序列，其中时间从上到下进行，并且其中每个斜线表示单个消息，并且其中不同划线样式根据不同SA通信服务来区分消息。IED 21又发送若干响应消息31，其中分析器23确定由IED接收的第一消息与由IED发送的最后消息之间经过的时间tp。为这个目的，分析器还可将总线上的纯传输时间考虑进去，如根据消息长度和以太网比特率所知道的。
图3是根据本发明例证分析IED通信性能的过程的流程图。在步骤101，运行第一通信情形h＝1。在步骤102，识别与SA通信服务相关并由IED处理的n1(h)个网络消息。在步骤103，确定n1个所识别网络消息内的n2(h)个特定通信协议元素。在步骤104，确定n2个特定通信协议元素内具有改变的数据值的n3(h)个元素。在步骤105，确定在IED的所识别网络消息的处理时间tp(h)。这之后，运行下一情形h＝h+1。最后，在步骤106，对于多个SA情形中的每个SA情形，基于数量n1、n2、n3和处理时间tp，计算包含特定协议元素的处理时间模型的SA通信服务特定参数k1、k2、k3。
通信栈处理时间取决于SA通信服务或消息协议类型，诸如用于报告的MMS(制造消息规范)、GOOSE(通用面向对象变电站事件)和SV(采样值)以及要处理的不同协议元素或实体。在IEC 61850内，并对于提供数据的自发发送的SA通信服务，这些协议元素包括处理1)完整消息、2)个体消息内的数据项和3)事件，即，具有改变值的数据项。这些元素对于不同的通信服务是不同的，例如其中对于报告和主要对于SV，事件数等于数据项数，然而对于GOOSE通常不是，并且在单个服务内，相关处理时间一般彼此独立。
在下面的实施例中为了简化而忽视的三个示范但绝非详尽的处理时间模型改进基于如下观察：(i)事件的处理时间可取决于值的数据类型；(ii)可区分由/在IED的消息发送和接收处理时间；(iii)可不同地处理具有不同优先级的服务；因此，另外将优先级组差别考虑成通信服务类型差别将允许更细粒度处理时间估计。
线性处理时间模型规定，对于涉及特定消息协议类型消息的特定SA通信服务j，用于消息突发的对应处理时间tp j为：
tp j＝∑i(ni j*ki j)＝k1 j*msgnoj+k2 j*datanoj+k3 j*eventnoj
具有如下解释：
-tp j：用于处理对于服务j特定的协议类型消息的时间
_msgno(＝n1 j)：突发中所述协议类型的消息数
_datano(＝n2 j)：所述消息中的数据项数(一般与n1 j无关，即，每个消息的数据项数可在消息类型内改变)
_eventno(＝n3 j)：所述数据项中的改变的数据值数
为了计算通信服务特定常数ki j，对于特定IED，连接到与IED相同的SA通信网络的分析器观察来自和去往IED的网络业务，包含多播消息以及明确寻址到IED的消息。它确定由IED接收的突发的第一消息与该突发中由IED发送的最后消息之间经过的时间tp。一般而言，突发中存在各种各样的服务，并且假设时隙tp的长度包含来自每个服务的贡献，即tp＝∑jtp j。由于不同消息的串行处理，一个消息类型的优势或消息的顺序无关紧要。另一方面，为了不过高估计服务特定常数ki j，通信栈应该连续处理消息，需要用于适当排队要处理的消息的构件。
分析器还确定所捕获的每个消息的类型，对每个类型的消息数n1计数，检查每个消息以确定每个类型的数据项数n2和事件数n3。在这个上下文中，分析器可验证在分析器与IED之间没有消息丢失。这通过还估计来自对丢失的输入消息计数的IED的接收器监控消息，或对每个IEC 61850服务类型的消息序列计数，以便识别由IED发送但未到达分析器的消息来进行。另一方面，准确处理在应用级的事件丢失例如对于GOOSE和SV将要求特殊IED应用返回任何接收的数据改变(事件)。
由母线跳闸(busbar-trip)激发的典型消息突发持续大约100ms，并且包含监控警告、跳闸保护、开关位置改变和测量改变。每个机架，在12ms内，并且除了用于机架中两个VT中的每个的4000msg/s周期性SV业务之外，这可导致5到10个报告消息和6到12个GOOSE消息。突发情形可由分析器通过确定从特定事件/消息开始的突发和从10ms或更多的连续静默结束起的突发而开发。备选地，可以估计连续消息之间具有几毫秒可配置最大延迟并由通信栈连续处理的任何消息序列。
通过在高负荷时隙期间提供独立测量(例如具有数量ni j(h)(h＝1...9)的九个不同的突发情形形成各具有三个服务和三个常数的处理时间模型的最大秩的可逆矩阵)，可以计算适当的常数ki j。因为在此不研究应用相关反应时间，所以独立于应用级或功能级假设所计算的值，因此所得到的处理时间模型随后可用于同一SA系统配置中的其它负荷情形，并具体地说，预先估计IED上的负荷效应。
上面测量的应用相关数量又可用于定义或验证所假设的应用相关情形，如正常负荷和某些最坏实际情况。具体地说，知道应用级数据形式的正常或稳定状态负荷改变，其可由于关于它们如何通信的形式描述而变换为数据集和服务情形，可基于处理时间模型计算稳定状态负荷。假设msgno、datano和eventno作为每秒的平均，对所得到的总处理时间是否超过1秒的直接检查指示IED是否运行稳定。
最后，如果对于整个SA系统执行以上分析，则所得到的详细模型可用作基础来计算对不同IED的IEC 61850模型的不同级的不同全局测量，诸如：
-每个接入点的消息速率，每个接入点的事件速率(如果按IED实现多个逻辑节点的话)
-改变的数据项与发送的数据项(特别对于GOOSE和SV感兴趣的)以及与发送的消息的关系
-每个接入点和每个通信服务类型的事件速率
-每个数据类型的处理时间(IEC 61850公共数据类)
-每个数据项的事件速率
名称列表
10母线
11机架
20通信网络
21第一智能电子装置(IED)
22第二IED
23分析器
24SCL文件

Claims (7)

1.一种分析适合于处理用变电站自动化SA通信服务传送的网络消息的智能电子装置IED(21)的通信性能的方法，包括：在多个SA情形中的每个SA情形期间，
-由分析器(23)识别与所述SA通信服务相关并由所述IED处理的数量n1个网络消息，
-在所述数量n1个识别的网络消息内确定数量n2个特定通信协议元素，
-在所述数量n2个特定通信协议元素内确定具有改变的数据值的数量n3个元素，
-确定在所述IED的所识别网络消息的处理时间tp，还包括：基于对于所述多个SA情形中的每个SA情形的所述数量n1、n2、n3和所述处理时间tp，
-计算包含特定协议元素的处理时间模型的SA通信服务特定参数k1、k2、k3。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述IED(21)适合于处理与多个不同的SA通信服务相关的网络消息，其特征在于，它包括：
-对于所述SA通信服务中的每个服务j，识别与所述SA通信服务相关并由所述IED处理的总数n1 j个网络消息，
-对于每一个所述SA通信服务并在相应数量n1 j个所识别的网络消息内，确定数量n2 j个特定通信协议元素，
-对于每一个所述SA通信服务并在相应数量n2 j个协议元素内，确定具有改变的数据值的数量n3 j个元素，
-基于对于所述多个SA情形中每个SA情形确定的数量ni j和所述处理时间tp，计算所述IED(21)的处理时间模型的参数值ki j。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括：
-通过由合成器(23)生成对应的网络消息或通过模拟在处理级的故障来仿真SA情形。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括：
-在实际SA事件期间记录所述网络消息，并基于此来验证之前计算的处理时间模型参数值。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括：
-基于所述处理时间模型，预测在未对于计算所述模型参数考虑的SA应用级负荷情形期间所述IED(21)的性能。
6.一种分析适合于处理用变电站自动化SA通信服务传送的网络消息的智能电子装置IED(21)的通信性能的装置，包括：在多个SA情形中的每个SA情形期间，
-用于由分析器(23)识别与所述SA通信服务相关并由所述IED处理的数量n1个网络消息的部件，
-用于在所述数量n1个识别的网络消息内确定数量n2个特定通信协议元素的部件，
-用于在所述数量n2个特定通信协议元素内确定具有改变的数据值的数量n3个元素的部件，
-用于确定在所述IED的所识别网络消息的处理时间tp的部件，还包括：基于对于所述多个SA情形中的每个SA情形的所述数量n1、n2、n3和所述处理时间tp，
-用于计算包含特定协议元素的处理时间模型的SA通信服务特定参数k1、k2、k3的部件。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述装置包括允许所述IED(21)处理与多个不同的SA通信服务相关的网络消息的部件，其特征在于，它包括：
-用于对于所述SA通信服务中的每个服务j，识别与所述SA通信服务相关并由所述IED处理的总数n1 j个网络消息的部件，
-用于对于每一个所述SA通信服务并在相应数量n1 j个所识别的网络消息内，确定数量n2 j个特定通信协议元素的部件，
-用于对于每一个所述SA通信服务并在相应数量n2 j个协议元素内，确定具有改变的数据值的数量n3 j个元素的部件，
-用于基于对于所述多个SA情形中每个SA情形确定的数量ni j和所述处理时间tp，计算所述IED(21)的处理时间模型的参数值ki j的部件。
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