CN104584515B - 过程控制系统中的通信配置分析 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括连接到以太网通信网络的客户端IED和多个服务器IED的过程控制系统。连接到通信网络的协议分析器工具捕获指向所述客户端IED的消息，并且从包括逻辑数据流定义的PC系统的标准化配置表示中将服务器或源IED指配给每个所捕获消息。通过按统计方式分析所捕获消息来提供诊断客户端过负荷问题的原因的客户端IED无关方式。这种统计方式允许识别平均发送比前一周期期间要多的消息或者比所计算要多的消息的任何操作服务器或源IED。

Description

过程控制系统中的通信配置分析
技术领域
本发明涉及过程控制领域，以及具体来说，涉及分站自动化。具体来说，它涉及采用标准化配置表示对过程控制系统的通信配置的分析。
背景技术
高压和中压电力网中用于配电的分站包括一次或现场装置，例如电缆、线路、汇流条、开关、断路器、电力变压器和仪表变压器，其设置在开关场和/或间隔中。这些一次装置经由分站自动化(SA)系统(其负责分站的控制、保护和监测)以自动化方式来操作。SA系统包括可编程二次装置、即所谓的智能电子装置(IED)，其结合在SA通信网络中，并且经由过程接口与一次装置进行交互。
SA系统要求与制造商无关的所有IED之间的互通。因此，引入了IEC标准61850“分站中的通信网络和系统”。按照该标准的抽象数据模型根据编组为逻辑装置并且分配给作为物理装置的IED的逻辑节点来结合SA功能性。通信特定问题经由ISO/OSI通信栈(其中包括具有MMS/TCP/IP/Ethernet的栈和光、无线或其他介质类型的物理层)来操控。虽然包括例如时间戳或有效性指示等的属性的数据模型通过通信栈的应用层来实现，但是对于时间关键或安全相关的通信、即通用面向对象的分站事件(GOOSE)(例如跳闸和阻断)以及对于模拟取样值(SV)的消息直接映射到通信栈的以太网链路层。
可通过符合IEC 61850的系统的综合基于XML的分站配置描述语言(SCL)，在工程过程中正式地描述具有其整体装置和通信链路的完整SA系统。SCL语言用来描述IED能力描述(ICD)中的特定IED类型的能力。它列举如通过I/O端口的数量所界定的物理装置的通信和应用功能性。SCL语言中的分站配置描述(SCD)文件是SA系统的标准化配置表示，并且描述特定分站的模型、逻辑节点方面的IED功能和通信连接。
SCD文件包括采取控制块形式的IED之间的逻辑数据流，以对于各消息类型或者对应消息源/服务类来指定接收方或预计目标IED、按照数据集定义的消息大小以及例如GOOSE、SV和完整性报告等的所有周期业务的消息发送速率。基于这个信息，并且通过对基于事件的报告添加正常状态数据变化率、例如每秒一个改变值和控制块以及突发变化大小、例如每事件相关控制块五个消息，能够对各接收方IED计算平均正常负荷以及负荷峰值。
以上所述在专利申请EP-A 2157731中是有益的。从作为SA系统的标准化配置表示的一部分并且包括采取控制块形式的、每一个消息的正式信息的逻辑数据流描述，来检索或确定接收方IED。对于每个所检索的接收方IED，例如考虑到数据流的后续网络负荷分析、虚拟局域网指配或图形显示，来评估或处理预计指向或定向到这个特定接收器IED的所有网络消息的全体。该过程适用于所设计的SA系统，并且因而不能检测硬件故障，其在先前设计的配置信息被传递给IED时可引起仅在安装或调试期间引入的过度消息速率或者配置误差的广播。SCD文件与单独IED的实际配置之间的硬件故障和配置不一致在SA系统的调试期间或之后应当被识别和矫正。
纯粹的尺寸方面增加上述配置不一致问题。对于因穿过整个系统的多播通信而具有增加的实时关键通信需要的大过程控制系统，通信网络负荷成为关键。此外，来自不同团体、单独配置数据服务器的工程师可能不知道相应客户端的通信需要和限制，并且一般没有集中于完整系统通信负荷。对于按照IEC 61850的多播GOOSE和SV消息，情况尤其是这样，并且这具有对整个通信系统以及对单独消息接收方具有影响。因此，特别是在具有相互进行通信的多达500个IED的过程控制系统中的数据流定义的完整性和/或正确性不易检验。在这个上下文中，以下发明的原理和方法决不是局限于分站自动化中的使用，而是同样可适用于具有标准化配置描述的其它过程控制系统。具体来说，必须注意，IEC 61850也是水力发电厂、风力发电厂和分布式能量资源(DER)的公认标准。
如所述，除了基于以太网的标准化通信之外以及对于TCP/IP上的一些服务类型，基于IEC 61850的过程控制系统还提供基于SCL的所有服务器IED内部的数据模型和通信定义的标准化描述。此外，标准化描述还允许将所有IP地址与客户端IED相关，即使后者不支持数据模型的目录服务和逻辑服务名称发现。另一方面，在这些种类的通信系统中，客户端冒着在某种程度上过负荷的风险，从而防止它们处理任何其他入局数据。
其原因可能是多样的，并且包括生成过度消息的系统中的硬件故障以及最突出的是涉及客户端功能性的服务器的不一致或错误配置。虽然在接收方处的通信过负荷所引起的影响能够立即观测到，但是不易诊断原因。如果通信问题出现，则可启用各客户端中实现的特殊通信诊断设施。但是，后者是客户端特定的，并且依靠客户端IED类型的特定知识。
备选地，协议分析器可用来收集和分析通信业务。随着对IED与分站中的其他装置之间的以太网通信的增长相关性，已经开发了工具，其允许在SA网络中交换的网络业务、即基本以太网和相关TCP/IP业务的分析。这些(mms-ethereal、KEMA分析器)中的几个允许进一步分析标准以太网业务，并且从消息中提取61850相关数据分组，例如取样值、GOOSE、MMS等。但是，不存在使操作员了解所提取数据的上下文、即给予它正确含意的可能性。
专利申请EP-A 1850447描述一种分站自动化测试工具，其将分站(分站配置描述)或IED(IED能力描述)的SCL(分站配置语言)中存在的协议语义信息与从分站通信网络业务所提取的分站相关数据相结合。通过作为连接到分站通信网络的消息截取器的标准膝上型计算机，检索和分析IEC 61850相关数据，从而允许一致性检验而无需修订操控。
专利申请EP-A 2288080涉及SA系统的通信网络中的IED的通信栈性能的分析。与IED上的高通信负荷对应的多个应用级情形通过消息合成器来运行。在情形执行期间所截取的所有网络消息之中，识别预计指向IED并且由IED作为响应所发送的那些网络消息。同样地确定所识别消息的IED本征处理时间，基于其，计算特定通信服务的IED处理时间模型的参数值。
发明内容
本发明的一个目的是降低具有多个智能电子装置(IED)的过程控制(PC)或分站自动化(SA)系统的通信网络的调试和测试的时间和工作量。这个目的通过如独立权利要求所述的方法和装置来实现。通过从属专利权利要求，优选实施例是显而易见的。
按照本发明，分析包括客户端或接收方IED和多个服务器或发送方IED(其连接到以太网通信网络)的PC系统。连接到通信网络中在客户端IED附近的战略位置的协议分析器工具捕获或截取指向客户端IED的消息，并且从包括逻辑数据流定义的PC系统的标准化配置表示将服务器或源IED指配给每个所捕获和可识别的消息。分析器确定由客户端IED从特定服务器IED所接收的每单位时间的消息的当前或已更新数量。分析器然后将这个时间平均与每单位时间的消息的预计或基本数量进行比较，以便在两个数量之间的显著差异的情况下将特定服务器IED识别为因服务器IED配置和/或硬件异常引起的过度消息速率的来源。协议分析器工具甚至可对某个时间来记录或收集所有网络业务，并且按照稍后定义的过滤标准进入后一批量分析或评估。
换言之，通过基于协议语义映射由协议分析器工具在PC系统的假定常规操作期间所收集的消息，并且按统计方式分析所映射数据，来提供诊断客户端过负荷问题的原因的客户端IED无关方式。这种统计方式允许识别平均发送比其他IED要多的消息或者发送比原始计算要多的消息的任何操作服务器或源IED。通过咨询按照IEC 61850的控制块配置数据和数据集内容，任何误配置能够立即被识别，并且随后通过例如改变循环时间或者通过从基于事件的报告移动到循环报告来矫正。
分析器工具最初在PC或SA项目的调试期间被采用，但是在以后任何时间、特别是在保修期中反复涉及。因此，该工具能够检测仅在安装或调试期间所引入并且引起过度消息速率的广播的配置错误。发明方式也能够用来识别具有硬件故障的IED，只要错误发送的消息中的发送方标识仍然是正确的。
在本发明的一优选变体中，消息的预计或参考数量是相同消息类型的消息的数量，和/或由按照IEC 61850的相同控制块来控制，每单位时间由客户端IED所接收。备选地，消息的预计或参考数量是基于消息发送频率信息结合PC系统的标准化配置表示所计算的消息的平均数量。备选地，分析器可计算每单位时间由客户端IED所接收的所有消息，并且按照PC系统的标准化配置表示来确立客户端IED(其具有可识别发送方)所接收的那些消息的总和。将两个数量之间的任何差指配给某个非协议服务器，其不遵守PC的标准化配置表示。
在本发明的一有利实施例中，PC系统是分站自动化SA系统，以及包括逻辑数据流定义的标准化配置表示是按照IEC 61850的SA系统的分站配置描述SCD。SCD包括具有客户端和服务器逻辑装置LD和对应消息类型信息的消息控制块。分析器确定由客户端LD从服务器LD所接收的每单位时间的特定消息类型的消息的当前数量，并且将消息的当前数量与预计数量进行比较，以便将服务器LD或者甚至服务器LD上的特定服务或过程数据对象识别为过度消息速率的来源。观测时间间隔的几分钟的最小长度足以考虑偶发消息突发，并且实现有意义统计评估。比较顺序消息速率允许检测因SA系统中的通用面向对象的分站事件(GOOSE)和模拟取样值(SV)业务的缺失VLAN过滤器引起的缓慢下降性能。
本发明还涉及包括用于控制分析器的一个或多个处理器(其适合连接到通信网络和/或配置成存储标准化配置表示)的计算机程序代码的计算机程序产品，具体来说是包括其中包含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
下文中将参照附图示出的优选示范实施例更详细地说明本发明主题，附图包括：
图1示出通信网络的物理网络结构。
具体实施方式
图1示出示范分站自动化(SA)系统的通信网络结构。所示的是开关(空心圆)、电缆(点)和智能电子装置(IED)(矩形)。开关SW1、SW2、SW3和SW4采用电缆C1、C2、C3、C41、C43、C10、C12连接到IED(站级的OPC服务器AA1KA1和网关P2Y1；间隔级的IED P2KA1、P2KA4、P2FA1、P2KA2、P2KA3)以及在其自身之间采用中继电缆C21、C23、C42来连接。在分站的调试期间，作为协议分析器PA的膝上型计算机连接到SA通信网络或间隔间母线的开关SW4。PA有权访问SA系统的分站配置描述(SCD)文件。
现代SA系统中的一种类型的通信基于使用多播以太网帧的发布者-订户模型。因此，包括分析器PA、连接到网络的任何客户端将在相应配置时接收所有GOOSE信息。开发了工具，其允许在SA网络中交换的网络业务、即基本以太网和相关TCP/IP业务的分析。为了产生人类可读形式、包括所提取数据的相关文本，所提取数据的分析包括借助于SCD或ICD文件中存在的描述的解释。这样生成的增强信息例如涉及一段所提取数据的特定数据类型或格式，即，特定数值是以整数、字符串还是十六进制格式来表示。信息还可揭示值的语义含意，并且指示例如开关位置或者对分站自动化系统的正确操作必须知道或设置的任何其他属性。
下表报告对作为客户端、图1的每个IED所合计的示范计算和测量消息发生。每一线条还可延伸到包括计算和测量的发送消息的LD或源控制块。如从密切匹配的消息速率数显而易见，没有发现差异。
虽然在附图和以上描述中详细描述了本发明，但是这种描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的变更是本领域的技术人员能够理解和实施的，并且实施要求保护的本发明。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一”、“一个”并不排除多个。在不同权利要求中引述某些元件或步骤的唯一事实并不表示这些元件或步骤的组合不能有利地使用、具体来说作为对实际权利要求相关性的补充，任何其他有意义的权利要求组合将理解为被公开。

Claims (4)

1. 一种分析包括连接到通信网络的客户端智能电子装置IED和服务器IED的过程控制PC系统的方法，其中连接到所述通信网络的分析器捕获指向所述客户端IED的消息，并且基于包括逻辑数据流定义的所述PC系统的标准化配置表示将服务器IED指配给所捕获消息，包括
- 确定由所述客户端IED从服务器IED所接收的每单位时间的消息的当前数量，以及
- 将消息的所述当前数量与预计数量进行比较，以便将所述服务器IED识别为过度消息速率的来源。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，消息的所述预计数量包括由所述客户端IED每单位时间所接收的消息的先前数量或者消息的所计算平均数量。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述PC系统是分站自动化SA系统，并且包括所述逻辑数据流定义的所述标准化配置表示是包括客户端和服务器逻辑装置LD和消息类型、按照IEC 61850的分站配置描述SCD，包括
- 确定由客户端LD从服务器LD所接收的每单位时间的消息类型的消息的当前数量，以及
- 将消息的所述当前数量与预计数量进行比较，以便将所述服务器LD识别为过度消息速率的来源。
4.一种用于分析包括连接到通信网络的客户端智能电子装置IED和服务器IED的过程控制PC系统的分析器，其中，所述分析器适合连接到所述通信网络，以捕获指向所述客户端IED的消息，所述分析器配置成
- 基于包括逻辑数据流定义的所述PC系统的标准化配置表示将服务器IED指配给所捕获消息，
- 确定由所述客户端IED从服务器IED所接收的每单位时间的消息的当前数量，以及
- 将消息的所述当前数量与预计数量进行比较，以便将所述服务器IED识别为过度消息速率的来源。
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