Интеллектуальные электронные устройства для системы автоматизации подстанции и способ ее разработки и управления

Изобретение относится к области систем автоматизации подстанции (SA) для подстанций в сетях электроснабжения высокого и среднего напряжения. Технический результат заключается в обеспечении непрерывной обработки сетевого трафика за счет разделения функциональных возможностей защиты и контроля в интеллектуальных электронных устройствах (IED) от задач передачи данных, и первая не препятствует последней. Технический результат достигается за счет интеллектуального электронного устройства (IED), оборудованного для автоматизации подстанций, таких как модули коммутационной панели или ПК подстанции, с центральным процессором (CPU), который включает в себя первое ядро обработки, предназначенное для и выполненное с возможностью исполнения приложения защиты и управления, и второе ядро обработки или сетевое ядро, предназначенное для и выполненное с возможностью обработки или декодирования сетевого графика передачи данных; в предпочтительном варианте осуществления сетевое ядро выполняет объемные по вычислениям функции предварительной или последующей обработки в верхней части стека передачи данных 9-2; множество сетевых ядер или множество сетевых интерфейсов может потребоваться для того, чтобы обеспечить возможность работы с ожидаемым объемом графика IEC 61850 9-2. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области систем автоматизации подстанции (SA) для подстанций в сетях электроснабжения высокого и среднего напряжения.

Уровень техники

Подстанции в сетях электроснабжения высокого и среднего напряжения включают в себя первичные устройства, такие как электрические кабели, линии, собирательные шины, переключатели, силовые трансформаторы и измерительные трансформаторы, которые обычно расположены в распределительных устройствах и/или коммутационных панелях. Такими первичными устройствами управляют автоматизированным способом через систему автоматизации подстанции (SA). Система SA содержит вторичные устройства, среди которых интеллектуальные электронные устройства (IED) отвечают за защиту, управление и мониторинг первичных устройств. В основном, IED управляют исполнительными элементами назначенных первичных устройств на основе сигналов от назначенных датчиков для установки переключателя или положения переключателя отводов, температуры, напряжения, тока и т.д., сигналов из других IED и других сигналов из системы диспетчерского управления. И, наоборот, IED выполняют обмен данными состояния или поведения назначенных для них первичных устройств, то есть выбранными показателями датчика, с другим IED или системой диспетчерского управления.

Вторичные устройства могут быть назначены для иерархических уровней, то есть для уровня станции, уровня коммутационной панели и уровня процесса, причем последний отделен от уровня коммутационной панели так называемым интерфейсом процесса. IED на уровне станции в системе SA включают в себя компьютер диспетчерского управления или PC станции, содержащий рабочую станцию оператора (OWS) с интерфейсом человек-машина (HMI), и в нем работает программное обеспечение диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), а также шлюз для обмена данными с центром управления сетью передачи данных (NCC). IED на уровне коммутационной панели в дальнейшем также называются модулями коммутационной панели или IED защиты и/или управления, в свою очередь, соединены друг с другом, а также с IED на уровне станции через шину между коммутационными панелями или шину станции, которая изначально предназначена для обмена командами и информацией состояния.

Вторичные устройства на уровне процесса содержат датчики для измерения напряжения (VT), тока (СТ) и плотности газа, контактные зонды для определения положений переключателя и переключателя ответвлений трансформатора, и/или исполнительные элементы (I/O) для изменения положения отвода трансформатора, или для управления коммутационной аппаратурой, такой как прерыватели цепи или разъединители. Примеры датчиков, таких нестандартных трансформаторов тока или напряжения содержат аналогово-цифровой (AD) преобразователь для получения выборки аналоговых сигналов, и он соединен с модулями коммутационной панели через специализированную шину или шину обработки внутри коммутационной панели, которую можно рассматривать, как интерфейс процесса, заменяющий обычный реализованный на аппаратном уровне интерфейс процесса. Последний соединяет обычные трансформаторы тока или напряжения в распределительном устройстве с оборудованием уровня коммутационной панели через специально выделенные медные провода, и в этом случае аналоговые сигналы измерительных трансформаторов подвергают выборке с помощью модулей коммутационной панели.

Стандарт передачи данных, для передачи данных между вторичными устройствами подстанции, был принят Международной электротехнической комиссией (МЕС) как часть стандарта IEC 61850 под названием "Сети и системы передачи данных в подстанциях". Для сообщений, которые не являются критичными по времени IEC 61850-8-1, устанавливает протокол спецификации производственных сообщений (MMS, ISO/IEC 9506) на основе ограниченного стека протокола взаимных соединений открытых систем (ASI), который построен на основе протокола управления передачей (TCP) и протокола Интернет (IP) на транспортном уровне и уровне сети, соответственно, и для Ethernet и/или RS-232C, в качестве физических сред передачи. Для сообщений, основанных на критичном по времени событии IEC 61850-8-1, устанавливает события подстанции, ориентированные на обобщенный объект (GOOSE) непосредственно на уровне соединения Ethernet стека передачи данных. Для очень быстрых периодически изменяющихся сигналов на уровне процесса, таких как измеряемые аналоговые напряжения или токи IEC 61850-9-2, устанавливают службу значения выборки (SV), которая, как и GOOSE построена непосредственно на уровне соединения Ethernet. Следовательно, стандарт определяет формат для публикации, в качестве сообщений многоадресной передачи в промышленной Ethernet, сообщения на основе события и оцифрованных данных измерений от датчиков тока или напряжения уровня процесса, как замену традиционным медным проводам.

SV или другие данные процесса могут быть переданы через шину процесса между коммутационными панелями, что делает передаваемую информацию доступной для соседних коммутационных панелей. Для эффективной по затратам установки, такой как на подстанциях среднего или низкого напряжения, шина процесса между коммутационными панелями и шина станции могут быть объединены в одну единую сеть передачи данных. В этом случае, сеть передачи данных можно рассматривать, как шину процесса между коммутационными панелями, которая передает, в дополнение к данным обработки, команды и/или сообщения, относящиеся к состоянию, которые обычно передают через специализированную шину станции.

Другими словами, больше нет необходимости выполнять аппаратную установку защитных IED для соответствующих датчиков, для того, чтобы принимать необходимую информацию, требуемую для расчета определенной функции защиты. Вместо этого становится возможным абонировать IED защиты для потока данных, который доступен в сети передачи данных SA всей системы или конкретных ее подсетей. Данные процесса преобразуют в цифровую форму, в случае необходимости, для них предусмотрен временной штамп, и они публикуются интерфейсом процесса, то есть, либо самим устройством датчика, который содержит функцию аналогово-цифрового (AD) преобразователя и непосредственно соединен с сетью передачи данных, при этом различные IED защиты делают доступными его локальные преобразования, или модуль слияния (MU) объединяет мгновенные сигналы множества подключенных датчиков в единое сетевое сообщение. Кроме того, возможность разделения получения данных измерений и обработки информации обеспечивает для PC станции возможность абонирования потока данных, что, в свою очередь, обеспечивает ряд новых возможностей архитектурного конструирования систем автоматизации подстанции, например, относящихся к избыточности или концепции защиты путем резервирования данных. Например, в пределах схемы централизованной защиты и управления устройства типа PC на уровне станции могли бы использоваться не только как шлюз или консоль HMI, но также для выполнения функций резервирования данных главного устройства для устройств IED коммутационной панели или выполнения схем защиты во всей станции, таких как защита коммутационных панелей.

Трафик IEC 61850 9-2 представляет собой протокол многоадресной передачи, обеспечивающий для устройства-клиента возможность абонирования специфичных потоков данных и отклонять не соответствующие потоки. Однако когда используются преимущества возможности использования данных датчика в таких компоновках, как функции защиты коммутационных панелей, или выполнение функции резервирования данных PC станции для множества коммутационных панелей, необходима обработка значительного объема сетевого графика приемными устройствами. Без специализированной аппаратной поддержки, такой как программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA), количество графика результатов измерений, которое требуется обработать в устройствах IED, легко превышает доступную расчетную мощность этих устройств, и количество прерываний, генерируемых интерфейсом сети, и своевременная обработка пакетной информации могут легко поглощать доступные возможности CPU устройств IED и поэтому могут влиять на выполнение критичных по времени задач.

В патенте US 6'550'020 заявлена система обработки данных, по меньшей мере, с одной интегральной схемой IC, содержащей центральный процессорный модуль, который включает в себя, по меньшей мере, первое и второе ядро обработки. Каждое из ядер обработки включает в себя полный набор компонентов, используемых обычным одноядерным CPU для анализа, декодирования и исполнения инструкции и передачи информации в и из других частей системы обработки данных, таких как глобальный накопитель данных или совместно используемое запоминающее устройство. IC также включает в себя входные средства, которые принимают входные команды управления, устанавливающие, какое из ядер обработки следует использовать, например, использовать второе ядро, как виртуальное первое ядро обработки после определения, что первое ядро является неактивным или дефектным. С этой целью, IC включает в себя логику конфигурации, которая динамически декодирует входные команды управления и, в ответ, избирательно управляет приемом входных сигналов и передачей выходных сигналов одного или более ядер для ядер обработки в соответствии с входными командами управления.

Сущность изобретения

Таким образом, цель изобретения состоит в том, чтобы исключить узкие места при обработке данных в интеллектуальных электронных устройствах (IED) для автоматизации подстанции (SA). Эта цель достигается с помощью IED и способа разработки и управления системы SA в соответствии с пп.1 и 8 формулы изобретения. Кроме того, предпочтительные варианты осуществления будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения.

В соответствии с изобретением, IED для SA, такие как модули коммутационных панелей или ПК подстанции, оборудованы интегральной схемой с центральным процессорным модулем (CPU), который включает в себя первое ядро обработки, предназначенное и выполненное с возможностью выполнения приложений защиты и управления, и второе ядро обработки, или сетевое ядро, предназначенное для и выполненное с возможностью обработки или декодирования сетевого графика передачи данных. Следовательно, функции защиты и управления в IED отделены или изолированы от задач передачи данных, и первая не препятствует последней, например, в случае проблем с сетью передачи данных. В частности, приложения защиты и управления могут все еще продолжать работу, в то время как второе ядро обработки, которое обрабатывает сетевой график, может столкнуться с лавинной маршрутизацией прерываний.

В предпочтительном варианте осуществления сетевое ядро выполняет требующие значительных вычислений функции предварительной или последующей обработки, в дополнение к стеку передачи данных 9-2. Последняя включает в себя прием пакетов 9-2 из множества источников данных, декодирование этих пакетов, проверку целостности содержания данных и другие аспекты безопасности, потенциально требуемые в соответствии со стандартом IEC 62351. Операции последующей обработки от имени специфичных функций защиты, таких как цифровое преобразование Фурье (DFT), расчет среднеквадратичного значения (RMS), цифровая фильтрация или расчет от пика к пику, обычно требуют выполнения большого количества дорогостоящих расчетных операций с плавающей запятой и итерационных расчетов.

В соответствии с предпочтительным вариантом, предложенное многоядерное CPU обеспечивает масштабируемую программную архитектуру, которую легко поддерживать и обновлять новыми функциями.

В частности, она обеспечивает выделение декодирования сетевого графика 9-2 для различного количества из двух или больше сетевых ядер, в зависимости от ряда параметров, таких как, например, количество источников 9-2 или частота выборок, то есть количество сетевых сообщений, принимаемых IED за секунду. Кроме того, множество сетевых ядер может быть назначено одному или нескольким картам сетевого интерфейса (NIC), количество которых представляет, по меньшей мере, для станции PC, дополнительную степень гибкости.

В соответствии с дополнительными улучшенными вариантами изобретения, принятый многоадресный сетевой график 9-2 распределяют или перенаправляют во множество сетевых ядер, либо с помощью одной карты сетевого интерфейса (NIC), или с помощью программируемого переключателя, который представляет собой часть сети передачи данных SA, и соединенных с двумя или больше NIC. Выделение сетевого ядра удобнее всего основано на адресе кода доступа к среде источника (MAC) отдельного сетевого сообщения. Упомянутый адрес MAC источника можно легко проанализировать, то есть, он может быть изолирован от принимаемого сообщения без знания или декодирования всего содержания сообщения. В этом контексте было указано, что стандарт IEC 62351 безопасности также является прозрачным, то есть все содержание сообщения, включая в себя MAC подписанного сообщения, все еще может считываться.

Учитывая размер и протяженность системы SA, включающей в себя множество датчиков, инфраструктуры сети и функции приложения, уже установленные во время разработки системы, установка стека 9-2 и функции последующей обработки, требуемой для каждого IED для обработки ожидаемого количества графика 9-2, может быть выполнена статически. Аналогично, в случае, когда предоставлено более чем одно сетевое ядро, потоки данных, которые обрабатываются в каждом ядре, могут быть сконфигурированы или предварительно выделены во время разработки системы. Здесь несколько параметров могут быть учтены для обеспечения того, что отдельные ядра обработки не будут перезагружены. В качестве альтернативы, но менее вероятно, также можно применять динамическое (повторное) выделение во время работы потоков в сетевые ядра, например, используя алгоритмы балансирования нагрузки, с учетом требований к вычислительным ресурсам различных задач предварительной/последующей обработки.

В качестве альтернативы, решения на основе аппаратных средств также обеспечивают возможность разделения и снижения нагрузки при обработке и последующей обработке сетевого графика. Например, решения на основе программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA), которые воплощают логику декодирования и последующей обработки в аппаратных средствах и пропускание данных через такое средство, как DMA (запоминающее устройство прямого доступа) в запоминающее устройство приложения, представляют собой эквивалентные решения для решения, предложенного в данном изобретении. Однако адаптация, такая как включение, например, дополнительной логики для обработки улучшения безопасности в соответствии с IEC 61850, или масштабирование множества поддерживаемых источников, могут потребовать изменения аппаратных средств.

Краткое описание чертежей

Предмет изобретения поясняется более подробно в следующем тексте, со ссылкой на предпочтительные примерные варианты осуществления, которые иллюстрируются на приложенных чертежах, на которых схематично представлено:

на фиг.1 IED с CPU, содержащим два ядра,

на фиг.2 IED с CPU, содержащим два сетевых ядра, и

на фиг.3 IED с двумя сетевыми интерфейсами,

Символы ссылочных позиций, используемые на чертежах, и их значения, представлены в обобщенном виде в списке символов ссылочных позиций. В принципе, идентичные части обозначены одинаковыми номерами ссылочных позиций на чертежах.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показаны некоторые из основных компонентов интеллектуального электронного устройства (IED) 1 для автоматизации подстанции (SA), такой как PC станции, модуль коммутационной панели или любое другое встроенное устройство с функцией защиты и управления. IED 1 имеет микропроцессор или центральный процессорный модуль (CPU) 10 с первым ядром 100 обработки, которое предназначено для выполнения задач защиты и управления, и сетевым ядром 101, для обработки сетевого графика, принимаемого через карту сетевого интерфейса (NIC) 11. IED 1 соединен, через NIC 11, с сетью 2 передачи данных SA, предпочтительно с шиной обработки, с графиком, соответствующим IEC 61850 9-2. Другие IED (не показаны) системы SA публикуют выборки измерений, как сообщения многоадресной передачи в сети 2. NIC 11 фильтрует сообщения в соответствии с их адресом MAC назначения и сохраняет измеренные данные в совместно используемом входном запоминающем устройстве 13. Стек декодирования 9-2 по сетевому ядру 101 считывает информацию из совместно используемого входного запоминающего устройства 13, обрабатывает эту информацию и записывает ее в совместно используемое запоминающее устройство 103 ядра CPU. Функции последующей обработки, работающие либо в сетевом ядре 101 или в другом ядре, могут получать доступ к обработанному сообщению 9-2 и выполнять дополнительную функцию последующей обработки, результат которой снова сохраняют в совместно используемом запоминающем устройстве 103 ядра CPU. Функции защиты и управления, выполняемые в ядре 100 обработки, могут получать доступ либо к декодированным необработанным данным, или к дополнительным данным после последующей обработки из совместно используемого в памяти запоминающего устройства 103 ядра CPU. В примерном режиме защиты IED отслеживает состояние подстанции или ее части, и автономно размыкает соответствующий прерыватель цепи в случае, когда он детектирует потенциально опасную ситуацию, такую как перегрузка.

Многоядерные микропроцессоры составляют единую интегральную схему, которая включает в себя два или больше основных ядра обработки, совместно использующих одно и то же оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), каждое из которых может использоваться, как если бы оно представляло собой отдельное CPU. Предпочтительно, каждое из процессорных ядер обеспечивает вычислительную мощность, которая равна или превышает вычислительную мощность обычного одноядерного процессора высокой производительности. В изобретении сетевое ядро 101 предназначено для обработки графика 9-2 (приема, декодирования, последующей обработки), в то время как одно или большее ядер 100 доступны для приложений защиты и управления.

На фиг.2 представлен IED с двумя сетевыми ядрами 101, 102. В этом варианте один сетевой интерфейс 11 принимает весь трафик и распределяет или перенаправляет, на основе данных конфигурации, получаемых в результате разработки SA, принимаемые пакеты в сетевые ядра 101, 102 для дальнейшей обработки. Точное количество сетевых ядер зависит, например, от количества выборок измерения, предназначенных для обработки. В принципе, верхний предел может быть определен для каждого ядра с учетом сообщений, которые он может обрабатывать в секунду, в зависимости, например, от тактовой частоты CPU, выполняемых функций последующей обработки и учета определенного запаса надежности. Такой предел может быть затем сопоставлен с количеством раз передачи источника, частоты на источник, предоставления оценки количества ядер, требуемых для обработки 9-2.

Декодирование является дорогостоящим, поскольку формат сообщения не установлен в формате, который позволил бы выполнять простую операцию "копирования сообщения в запоминающее устройство", то есть все информационное содержание сообщения должно быть проанализировано, проверено на достоверность и затем скопировано в соответствующие структуры запоминающего устройства. С помощью стандартного CPU (2,0 ГГц) могут быть обработаны до 80 К сообщений в секунду. Это может быть достаточным для 20 коммутационных панелей подстанции. Однако если применяется последующая обработка, тогда выполняют большое количество дополнительных операций с плавающей запятой (обычно ^∗, div, sqrt), и чаще всего расчеты включают в себя некоторые итерации (история) для каждого принятого сообщения, например, в зависимости от частоты выборки (1,6 кГц) системной частоты (50 Гц). Полученная оценка показывает, что данный подход имеет потенциал уменьшения количества сообщений, которые могут быть обработаны каждым ядром, по меньшей мере, в два раза.

На фиг.3 в конечном итоге показаны IED с двумя сетевыми ядрами 101, 102 и двумя сетевыми интерфейсами 11, 12. В этом варианте каждое из ядер имеет специализированный сетевой интерфейс. Разделение сетевого графика выполняют с помощью программируемого переключателя 20, используемого в качестве сети 2 передачи данных SA.

Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено SA, но может быть расширено на обработку автоматического управления, в общем. Следовательно, любое устройство управления автоматизации процесса, выполненное с возможностью его подключения к цифровой шине обработки и выполненное с возможностью приема и обработки сетевых сообщений, дополнительно отличающееся тем, что такое устройство имеет многоядерное CPU и, что сетевые сообщения обрабатывают одним из ядер многоядерного CPU, может предпочтительно использовать упомянутые здесь преимущества.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

1. Интеллектуальное электронное устройство

10. Микропроцессор

100. Ядро обработки

101, 102 Сетевое ядро

103. Совместно используемое запоминающее устройство ядра CPU

11, 12. Сетевой интерфейс

13. Совместно используемое входное запоминающее устройство

2. Сеть передачи данных SA

20. Переключатель.

1. Интеллектуальное электронное устройство (IED) для автоматизации подстанции SA, выполненное с возможностью принимать и обрабатывать сетевые сообщения IEC 61850 9-2 через сеть передачи данных подстанции, отличающееся тем, что IED содержит центральный модуль обработки (CPU), который включает в себя множество сетевых ядер, выполненных с возможностью обработки сетевого графика IEC 61850 9-2, и первое ядро обработки, выполненное с возможностью выполнения приложений защиты от перегрузки в цепи и управления прерывателем цепи на основе данных, обработанных сетевыми ядрами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сетевое ядро выполнено с возможностью выполнения последующей обработки сетевых сообщений.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью выделения сетевого сообщения для одного из множества сетевых ядер на основе адреса источника сетевого сообщения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит один сетевой интерфейс, выполненный с возможностью его подключения к сети передачи данных подстанции и выполненный с возможностью выделения сетевого сообщения в одно из множества сетевых ядер.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит множество сетевых интерфейсов, выполненных с возможностью перенаправления сетевого сообщения в заданное одно из множества сетевых ядер, и выполненное с возможностью подключения к переключателю сети передачи данных подстанции, который, в свою очередь, выполнен с возможностью назначения сетевых сообщений одному из сетевых интерфейсов.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно представляет собой станции персональных компьютеров (PC) с первым ядром обработки, подготовленным для выполнения, на основе принятых сетевых сообщений, функции защиты шинопровода или функций защиты, связанных с резервным копированием информации для множества коммутационных панелей.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, IED содержит количество сетевых ядер требуемое для обработки количества сетевых сообщений, принимаемых IED за секунду, при этом указанное количество ядер вычисляют путем сопоставления верхнего предела, определенного для каждого сетевого ядра с учетом сообщений, которые сетевое ядро может обрабатывать в секунду, с количеством раз передачи источников сетевого сообщения автоматизации подстанции SA, частоты на источник.

8. Способ разработки управления системой SA с интеллектуальным электронным устройством IED по одному из предыдущих пунктов, содержащий
- назначают на основе размера системы SA и/или оценки количества сетевого графика, принимаемого IED, множество сетевых ядер для IED, и
- определяют конфигурацию выделения сетевых сообщений для множества сетевых ядер.