CN102273148B - Sa系统的ied以及工程化sa系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出为变电站自动化的IED、例如间隔单元或变电站PC等配备中央处理单元CPU，其包括专用于并且配置成执行保护和控制应用的第一处理核，和专用于并且配置成操纵或解码网络通信流量的第二处理核或网络核。在优选实施例中，网络核在9‑2通信栈的顶部进行计算上昂贵的预或后处理功能性。可能需要多个网络核或多个网络接口来应付期望量的IEC 61850 9‑2流量。
Description
技术领域
本发明涉及高或中电压电网中的变电站的变电站自动化(SA)系统的领域。
背景技术
在高和中电压电力网中的变电站包括例如电缆、线路、母线、开关、电力变压器和仪表用互感器等一次装置，其一般设置在开关站和/或间隔中。这些一次装置采用自动方式通过变电站自动化(SA)系统操作。该SA系统包括二次装置，其中智能电子装置(IED)负责一次装置的保护、控制和监测。基本上，IED基于来自用于开关或抽头变换器位置、温度、电压、电流等的所指派的传感器的信号、来自其他IED的信号和来自监视系统的信号来控制所指派的一次装置的致动器。相反，IED传送它的指派的一次装置的状态或行为、即选择的传感器读数到其他IED或到监视系统。
二次装置可指派给分级等级，即站级、间隔级和过程级，后者由所谓的过程接口与间隔级分离。在SA系统的站级上的IED包括监视计算机或站PC，以及用于与网络控制中心(NCC)通信的网关，该监视计算机或站PC包括具有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)并且运行监控与数据采集(SCADA)软件。在间隔级上的IED(在下文中也称为间隔单元或保护和/或控制IED)进而通过主要用于交换命令和状态信息的目的的间隔间或站总线互相连接以及连接到站级上的IED。
在过程级上的二次装置包括例如用于电压(VT)、电流(CT)和气体密度测量的传感器、用于感测开关和变压器抽头变换器位置的接触探头和/或用于改变变压器抽头位置、或用于控制像断路器或隔离开关的开关装置的致动器(I/O)。例如非常规的电流或电压变换器等的示范性传感器包括用于模拟信号的采样的模拟数字(AD)转换器，并且通过专用或间隔内过程总线连接到间隔单元，该专用或间隔内过程总线可以看作是一种过程接口，其代替常规硬连线过程接口。后者通过专用铜导线将开关站中的电流或电压变换器连接到间隔级设备，在该情况下仪表用互感器的模拟信号由间隔单元采样。
用于变电站的二次装置之间通信的通信标准已经由国际电工委员会(IEC)提出作为名为“变电站中的通信网络和系统”的标准IEC 61850的一部分。对于非时间苛刻的报文，IEC 61850-8-1规定了基于减少的开放式系统互连(OSI)协议栈(建立在分别在传输和网络层中的传输控制协议(TCP)和互联网协议(IP)上和在作为物理介质的以太网和/或RS-232C上)的制造报文规范(MMS，ISO/IEC 9506)。对于时间苛刻的基于事件的报文，IEC 61850-8-1直接在通信栈的以太网链路层上规定面向通用对象变电站事件(GOOSE)。对于在过程级非常快地周期性变化的信号(例如测量的模拟电压或电流)IEC 61850-9-2规定采样值(SV)服务，其像GOOSE直接建立在以太网链路层上。因此，该标准限定公布的格式，如在工业以太网上的多播报文、基于事件的报文和来自过程级(作为对传统铜连线的代替)上的电流或电压传感器的数字化测量数据。
SV或其他过程数据可在间隔间过程总线上传送，使传送的信息对相邻间隔可用。对于例如在中或低电压变电站中等成本有效的设置，间隔间过程总线和站总线可以并入单一通信网络。在该情况下，通信网络可以看作是除过程数据之外还传送命令和/或状态有关的报文(其否则通过专用站总线来交换)的间隔间过程总线。
也就是说，不再需要将保护IED硬连线到相应传感器以便接收计算特定的保护功能所需要的必需信息。相反，保护IED可以预订在系统范围的SA通信网络或其特定子网上可用的数据流。该过程数据被数字化，可选地被提供有时标，并且由过程接口公布，即传感器装置自身包含模数(AD)转换器功能性并且直接连接到通信网络，不同的保护IED使它的本地测量可用，或合并单元(MU)将多个连接的传感器的瞬时信号并入单个网络报文。此外，将测量数据的采集和信息的处理分离的可能性使站PC能够预订该数据流，其进而带来变电站自动化系统的一对新的架构设计选项，例如涉及冗余度或后备保护概念。例如，在集中保护&控制方案内，站级上的像PC的装置将不仅充当网关或HMI控制台，而还将承担间隔IED装置的后备功能性，或执行例如母线保护等站范围的保护方案。
IEC 61850 9-2流量是多播协议，允许客户装置预订特定数据流，并且忽略不相关的流。然而，当利用在例如母线保护功能等的设置中或在站PC执行大量间隔的后备功能性中使用传感器数据的可能性时，可观数量的网络流量需要由接收装置处理。没有例如现场可编程门阵列(FPGA)等特定硬件支持情况下，需要在IED装置上处理的测量流量的数量容易超过这些装置的可用计算能力，以及由网络接口产生的中断数量，以及包信息的及时处理可以容易吸收IED装置的可用CPU能力并且因此影响时间苛刻任务的执行。
专利US6550020要求保护具有至少一个包含中央处理单元(至少包括第一和第二处理核)的集成电路IC的数据处理系统。该处理核中的每个包括由常规的单核CPU读取、解码和执行指令并且传送信息到例如全局数据存储或共享存储器等数据处理系统的其他部分和从该其他部分传送信息所利用的部件的全集。该IC还包括接收规定要利用处理核中的哪个的控制输入的输入设备，例如当确定第一核无效或损坏时利用第二个核作为虚拟第一处理核。为此，该IC包括配置逻辑，其动态解码该控制输入，并且响应地根据该控制输入选择性地控制输入信号的接收和处理核的一个或多个核的输出信号的传输。
发明内容
因此本发明的目的是避免在变电站自动化(SA)的智能电子装置(IED)中的数据处理瓶颈。该目的通过根据权利要求1和8的IED和工程化SA系统的方法实现。另外的优选实施例从从属专利权利要求是明显的。
根据本发明，例如间隔单元或变电站PC等SA的IED装备有具有中央处理单元CPU的集成电路，该中央处理单元包括专用于并且配置成执行保护和控制应用的第一处理核，和专用于并且配置成操纵或解码网络通信流量的第二处理核或网络核。因此，IED中的保护和控制功能性与通信问题分离或隔离，并且例如在存在通信网络问题的情况下前者不由后者妨碍。特别地，保护和控制应用仍然可以继续操作，同时操纵网络流量的第二处理核可看见中断溢流。
在优选实施例中，网络核进行计算上昂贵的预或后处理功能性以及还有9-2通信栈。后者包括从多个数据源接收9-2包、将该包解码、证实数据内容的完整性和如在标准IEC62351中潜在要求的其他安全性方面。代表特定保护功能的后处理操作、例如数字傅立叶变换(DFT)、均方根(RMS)计算、数字滤波或峰到峰计算等一般使许多计算上昂贵的浮点运算和迭代计算成为必要。
根据有利变化形式，提出的多核CPU实现可缩放的软件架构，其容易维护和更新为具有新的功能性。具体地，它允许根据几个参数分配9-2网络流量的解码给可变数目的两个或更多网络核，该参数例如9-2源的数目或采样的频率，即每秒由IED接收的网络报文的数目。此外，该多个网络核可以指派给一个或若干网络接口卡(NIC)，其数目至少对于站PC而言代表额外的灵活度。
根据本发明的进一步细化的变化形式，接收的9-2多播网络流量由单个网络接口卡(NIC)或由可编程开关(其是SA通信网络的一部分并且连接到两个或更多NIC)分发或重新路由到多个网络核。网络核的分配最方便地基于个体网络报文的源媒体访问代码(MAC)地址。所述源MAC地址容易被语法分析，即它可以在不需知道整个报文内容或将整个报文内容解码的情况下从接收的报文中隔离。在该上下文中，指出安全性标准IEC62351也是透明的，即仍然可以读取包括带符号报文的MAC的整个报文内容。
因为包括传感器的数目、网络基础结构和应用功能性的SA系统的大小和范围已经在系统的工程化期间规定，在用于操纵期望量的9-2流量的每个IED上需要的9-2栈和后处理功能性的实例可以采用静态方式完成。同样，假设提供多个网络核，在每个核上处理的数据流可以在工程化时间期间配置或预分配。这里，可以考虑几个参数以便确保个体处理核没有过载。作为备选项(但不太可能)，也可以应用在流的运行时间到网络核的动态(重新)分配，例如利用考虑各种预/后处理任务的计算资源要求的负载平衡算法。
作为备选项，基于硬件的技术方案也提供将网络流量的处理和后处理分离且卸载(offload)的可能性。例如，基于现场可编程门阵列(FPGA)的技术方案(其采用硬件实现解码和后处理逻辑并且通过像DMA(直接存储器存取)的方式推送数据到应用存储器)是与在本发明中提出的那个等同的技术方案。然而，例如包括例如额外的逻辑来操纵IEC 61850的安全性增强或支持的源的数目中的缩放等的改编可以要求硬件变化。
附图说明
本发明的主旨将在下列正文中参照在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，该附图示意地示出：
图1示意地示出具有包括两个核的CPU的IED，
图2示意地示出具有包括两个网络核的CPU的IED，以及
图3示意地示出具有两个网络接口的IED。
在附图中使用的标号和它们的含义采用总结形式列在标号列表中。原理上，在图中相同的部件提供有相同的标号。
具体实施方式
图1示出变电站自动化(SA)的智能电子装置(IED)1的基本部件中的一些，例如站PC、间隔单元或任何其他具有保护和控制功能性的嵌入装置。IED1具有微处理器或中央处理单元(CPU)10，其具有专用于保护和控制任务的第一处理核100与用于操纵通过网络接口卡(NIC)11接收的网络流量的网络核101。该IED1通过NIC11连接到SA通信网络2，优选地是具有IEC 618509-2流量的过程总线。SA系统的其他IED(没有描绘)在网络2上公布测量样本作为多播报文。NIC11根据它们的目的地MAC地址过滤报文并且将测量数据存储在共享输入存储器13中。在网络核101上的9-2解码栈从共享输入存储器13读取，处理信息，并且将它写入CPU核共享存储器103。在网络核101上或在不同核上运行的后处理功能性可以访问处理的9-2报文并且进行额外的后处理功能性，其结果再次存储在CPU核共享存储器103中。在处理核100上执行的保护和控制功能可以访问解码的原始数据或从CPU核共享存储器103访问额外后处理的数据。在示范性保护模式中，IED监测变电站或其的部分的状态并且万一它检测到例如过载等潜在危险的情况自主打开指派的断路器。
多核微处理器的特征是包括共享相同随机存取存储器(RAM)的两个或更多主处理核的单个集成电路，可利用其中每个，好像它是单独的CPU那样。优选地，主核中的每个提供等于或超过常规高性能单核处理器的计算能力的计算能力。在本发明中，网络核101专用于处理9-2流量(接收、解码、后处理)，然而对于保护和控制应用，一个或多个核100是可用的。
图2描绘具有两个网络核101、102的IED。在该变化形式中，一个网络接口11接收所有流量，并且基于从SA工程化得到的配置数据分发或转发接收的包到网络核101、102供进一步处理。网络核的确切数目取决于例如要处理的测量样本的数目。基本上，每个核可以在它每秒可以处理的报文方面限定上限，其取决于例如CPU时钟速度、执行的后处理功能性并且考虑一些安全余量。该极限然后可以与源的数目乘以每个源发送频率关联(给出对于9-2处理需要多少核的估计)。
因为报文格式没有规定采用将允许简单的报文拷贝到存储器的操作的格式，因此解码是昂贵的，即必须对整个报文净荷进行语法分析、检查整个报文净荷有效性，并且然后拷贝到适合的存储器结构。利用标准CPU(2.0GHz)，可以操纵高达每秒80K的报文。这对于变电站的20个间隔可是足够的。然而，如果应用后处理，那么执行许多另外的浮点运算(基本上*、div、sqrt)，并且最常见地计算牵涉每个接收的报文的一些迭代(历史)，其例如取决于采样频率(1.6kHz)乘以系统频率(50Hz)。估计这具有减少每个核可以操纵的报文的数目至少二分之一的可能性。
图3最后示出具有两个网络核101、102和两个网络接口11、12的IED。在该变化形式中，核中的每个具有专用网络接口。网络流量的拆分由作为SA通信网络2的节点的可编程开关20完成。
必须注意本发明不限于SA，一般而言延伸到过程自动化控制。因此任何适用于连接到数字过程总线并且配置成接收和处理网络报文的过程自动化控制装置(进一步特征在于该装置具有多核CPU且网络报文由该多核CPU的核中的一个操纵)可从如本文提到优势获益。
标号列表
Claims (7)
1. 一种变电站自动化SA（1）的智能电子装置IED，其适用于在变电站通信网络（2）上接收和处理IEC 61850 9-2网络报文，其特征在于，
所述IED包括中央处理单元CPU（10），其包括配置成处理IEC 61850 9-2网络流量的多个网络核（101、102）和配置成基于由所述网络核（101、102）处理的数据执行保护和控制应用的第一处理核（100），其中所述处理包括解码和/或后处理。
2.如权利要求1所述的IED，其特征在于，所述网络报文的所述解码和所述后处理在相同网络核（101、102）上执行。
3.如权利要求1所述的IED，其特征在于，它配置成基于所述网络报文的源地址分配网络报文给所述多个网络核中的一个。
4.如权利要求3所述的IED，其特征在于，它包括适用于连接到所述变电站通信网络（2）并且配置成分配网络报文给所述多个网络核中的一个的单个网络接口（11）。
5.如权利要求1所述的IED，其特征在于，它包括多个网络接口（11、12），其配置成转发网络报文到所述多个网络核中的预定的一个，并且适用于连接到所述变电站通信网络的开关（20），其进而适用于分配网络报文给所述网络接口中的一个。
6. 如权利要求1所述的IED，其特征在于，它是站PC，其中所述第一处理核准备基于接收的网络报文执行母线保护功能或大量间隔的后备保护功能性。
7. 一种工程化具有如在权利要求1至6中的一个所述的智能电子装置IED的SA系统的方法，其包括
基于所述SA系统的大小和/或由所述IED接收的网络流量的估计量指派多个网络核给所述IED，以及
配置网络报文到所述多个网络核的分配。
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