Способ периодического сбора цифровых данных в распределительных измерительных системах через низкоскоростные каналы связи с высоким уровнем помех
Владельцы патента RU 2658264:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU)
Акционерное Общество "Электротехнические заводы "Энергомера" (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат – уменьшение времени сбора данных, увеличение количества источников данных для опроса через канал связи, выбор стабильного канала связи из нескольких каналов. Для этого объединяют разнородные данные в виде запросов и ответов в информационные пакеты, группируя их так, чтобы с учетом заранее известного перечня измеряемых величин, данные, по которым нужно собрать в течение заданного периода и прогнозу общего времени выполнения задачи на основании времени успешных сеансов сбора, количество пакетов было минимальным с максимально возможным заполнением передающего буфера модема, подключаемого к каналу связи; запрошенные значения передаются подряд без дополнительной служебной информации в порядке, определенном запросом, где для данных, размер которых не известен, включается механизм дозапроса данных, не вмещенных в пакет, содержащий ответ на предыдущий запрос; перераспределяют опрос различных устройств между узлами сбора информации на основе, в порядке убывания значимости, характеристики работоспособности маршрута за последнее время. 3 ил.
Изобретение относится к способу передачи цифровых данных и может быть использовано для получения разнородной информации в распределенных измерительных системах сбора информации по различным низкоскоростным каналам связи, устанавливаемых на стационарных объектах электроэнергетики.
Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники. Изобретение может быть использовано для построения процессов информационного обмена в распределенных измерительных системах, в том числе, для считывания данных с приборов учета электроэнергии и измерительных устройств, содержащих информацию об электропотреблении, параметрах электрической сети, показателях качества электроэнергии, состоянии самих измерительных приборов учета и устройств с передачей информации по проводным и беспроводным каналам связи с высоким уровнем помех, например, радиоканалы, каналы передачи данных по силовым сетям (Power Line Communication).
Уровень техники
Распределенные измерительные системы применяются во многих областях и в частности в электроэнергетическом секторе как основа автоматизированных систем коммерческого учета электроэнергии и других систем, где использование низкоскоростных каналов связи с высоким уровнем помех (радиоканал, PLC) позволяет организовать связь в пределах одной (реже нескольких соседних) трансформаторных подстанций (ТП) и линий электропередач, либо зданий или сооружений. Скорость передачи данных зависит от топологии сети и шумовой обстановки, от уровня помех, оказывающих влияние на передачу сигнала. При отсутствии прямой связи используются ретрансляторы. Подобные каналы связи широко используются в информационно-измерительных системах, которые существуют самостоятельно как автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии или входят в состав интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью. Кроме того, в мировой электроэнергетике используют большое количество автоматизированных систем, выполняющих функции релейной защиты и противоаварийной автоматики, телемеханики, технического учета электроэнергии, регистрации аварийных ситуаций. Но в используемых низкоскоростных каналах связи в автоматизированных системах ограничена пропускная способность, высокий уровень помех, что не дает возможности обеспечивать надежный периодический сбор данных с устройств.
Известна система сбора данных (патент РФ №2485582), отличающаяся тем, что в памяти заданий модуля сбора данных может храниться несколько (не менее двух) различных заданий на сбор данных, одно из которых выбирается в зависимости от состояния дополнительных внешних сигналов выбора задания.
Недостатком указанного способа является то, что в системе дополнительно необходимо наличие дополнительной линии занятости шины и синхросигнала, а одно из заданий на сбор выбирается в зависимости от состояния дополнительных внешних сигналов выбора задания, что вызывает необходимость наличия внешних сигналов и усложняет систему.
За ближайший аналог принят способ опроса данных на основании заготовок выходных сообщений и список адресов получателей (см. патент РФ на изобретение №2362211).
Способ по указанному выше патенту заключается в том, что формируют выходную информацию по состоянию множества входных сигналов в системах сбора, преобразования, передачи данных и управления, состоящий в том, что производят периодический опрос нетелематических источников входных сигналов и периодически считывают набор текущих значений этих сигналов.
Признаком ближайшего аналога, совпадающим с существенным признаком заявляемого изобретения, является периодическое считывание набора текущих значений этих сигналов.
Причины, препятствующие получению технического результата по вышеуказанному аналогу, который обеспечивается заявляемым изобретением, следующие. Применение данного способа затруднительно в информационно-измерительных системах по причине необходимости задавать в компьютерной памяти массива инструкций, списка заготовок выходных телематических сообщений, списка адресатов получателей, для нетелематических значений порогов абсолютной величины разности между текущим и предыдущим значениями. Способ предполагает использование ручного труда по внесению информации в компьютерную память, что увеличивает расходы при эксплуатации системы, связанные с необходимостью наличия достаточного объема памяти, вручную вносить информацию при первоначальной установке системы и каждый раз при ее модернизации.
Общий недостаток подходов к периодическому сбору цифровых данных, используемых в вышеуказанных патентных источниках, является то, что затруднительна передача разнородной информации в заданные периоды времени по низкоскоростным каналам связи с высоким уровнем помех, а также необходимо задавать в памяти компьютера заранее определенную информацию, что является трудоемким процессом при необходимости сбора разнородной информации. Необходимость использовать дополнительные сигналы и линии приводит к удорожанию распределенных измерительных систем.
Существенными признаками заявляемого изобретения являются алгоритмы, функции и протоколы периодического сбора данных цифровых данных, имеющих разнородную структуру и содержание, по низкоскоростным каналам связи с высоким уровнем помех, динамически группируя эти данные таким образом, чтобы количество пакетов в течение заданного периода времени было минимальным, а заполнение передающего буфера обмена было максимальным, обеспечивая при этом непрерывный мониторинг уровня помех в канале связи для автоматической подстройки параметров передачи данных.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого способа, заключается в уменьшении времени сбора данных, накопленных в течение определенного периода, например одних суток, увеличении количества источников данных, которые могут быть опрошены через канал связи в течении определенного периода, выборе наиболее стабильного канала связи из нескольких возможных, увеличении точности ведения времени источниками данных и ее оценки, что приводит к возможности использования каналов связи, имеющих высокий уровень помех, но в то же время недорогих (радиоканал, PLC и др.), что позволяет снизить затраты на построение и эксплуатацию измерительных систем в электроэнергетическом комплексе.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание и реализация способа уменьшения времени сбора разнородных данных, накопленных в течение определенного периода, увеличении количества источников данных, которые могут быть опрошены в течение определенного заданного периода времени, выборе наиболее стабильного канала связи из нескольких возможных, увеличении точности ведения времени источниками данных и ее оценки.
Краткое описание чертежей
Рассмотрим разнородные данные, накапливаемые устройствами в распределенных измерительных системах, например прибором учета электроэнергии (ПУ) в течение определенного периода времени, например суток. Устройства фиксируют значения электроэнергии нарастающим итогом на конец каждых суток, профили мощности, напряжения и тока, усредненные на заданном интервале (например, 15, 30 или 60 минут), параметры сети, журналы событий и информацию о состоянии устройства и электрической сети и другие виды данных, которые являются разнородными по структуре и формату, величине, способу измерения и хранения.
Отличительной особенностью низкоскоростных каналов связи с высоким уровнем помех является высокая вероятность потерь или искажений передаваемой информации. В коммутируемых каналах связи передаче данных предшествует установка соединения, длительность которой может значительно превышать время непосредственно передачи данных. Кроме того, объем данных, которые могут быть переданы в процессе соединения, ограничен. Поэтому для уменьшения общего времени сбора данных необходимо при каждой установке соединения передавать максимально возможный объем данных.
Для решения задачи необходимо использовать такой протокол передачи данных, который позволяет динамически группировать разнородные передаваемые данные, накопленные устройством за период времени, в одном пакете. Стандартные протоколы обладают той или иной степенью избыточности, поэтому в заявляемом способе предлагается использование специализированного протокола, имеющего двоичный формат и использующий сжатие данных, основанное на статистической информации о передаваемых данных.
Фиг. 1 изображает структуру протокола обмена для передачи разнородных данных.
Запрошенные значения должны передаваться подряд без дополнительной служебной информации в порядке, определенном запросом. Также для данных, размер которых заранее не известен (например, журналы событий), включается механизм дозапроса данных, которые не вместились в пакет, содержащий ответ на первый запрос.
Так как время сбора данных, накопленных источником данных за определенный период, уменьшается, количество источников данных, которые могут быть опрошены за определенный период, увеличивается (1)
где NИД - кол-во источников данных, ТНД - период накопления данных, tСД - время сбора данных одного источника данных.
В случае если по причинам помех в канале связи, какой-либо вид данных, накопленных в течение определенного периода (например, одних суток), не был получен вместе с другими видами данных, либо требуется большая оперативность сбора, чем используемый период сбора данных, такие данные могут быть собраны посредством отдельного запроса. При этом также необходимо в одном ответе получить наибольшее количество данных. Например, если в качестве устройства и измерительной системе используется прибор учета электроэнергии, объем данных в одном ответе для каждой измеряемой величины (энергия активная и реактивная, мощность, напряжение, ток и др.) зависит от количества измеряемых величин, период сбора данных обратно пропорционален количеству измеряемых величин, данные для которых необходимо получить (2)
где ТСД - период сбора данных, ТНД1П - период накопления данных одного вида измерения, помещающихся в 1 ответ, NИВ - кол-во измеряемых величин.
Так как перечень измеряемых величин, данные, по которым необходимо собрать, известен заранее, период сбора данных может быть определен на основании этого перечня.
На основании времени успешных сеансов сбора в процессе выполнения задачи строится прогноз общего времени выполнения задачи (3)
где tВЗ - прогнозируемое время выполнения задачи, tOCi - время сбора данных с i-го счетчика, NСУ - количество счетчиков, с которых успешно собраны данные, NC - общее количество счетчиков.
Фиг. 2 изображает порядок запуска и изменения приоритета задачи периодического сбора данных. Приоритет задач сбора данных выбирается в соответствии с периодом сбора данных. Чем короче период сбора данных, тем выше приоритет у задачи. Если в процессе работы задачи были сбои, производится понижение приоритета задачи для обеспечения работы задач с более низкими приоритетом.
Система периодического сбора цифровых данных производит непрерывный мониторинг уровня помех в канале связи и для автоматической подстройки параметров передачи данных производит расчеты статусов эффективности обмена, эффективной скорости и оценки времени сбора задач. Эффективность обмена по каналу связи может определяться по формуле (4)
где ЭО - эффективность обмена, КО - количество ответов, КЗ - количество запросов.
Эффективная скорость обмена по каналу связи определяется по формуле (5):
где ЭСО - эффективная скорость обмена, РЗ - размер запроса, РО - размер ответа, tобмена - время между окончанием приема ответа и началом отправки запроса.
Канал связи в предлагаемом способе может использовать сеть передачи данных, разные участки которой характеризуются разным соотношением сигнал/шум, соответственно для разных участков сети можно использовать помехоустойчивое кодирование и разной эффективностью и, как следствие, с разной скоростью передачи полезных данных.
В случае если данные одного источника могут быть получены через разные маршруты, соединяющие устройства сети напрямую или через ретрансляторы, то необходимо выбрать маршрут исходя из следующих критериев в порядке убывания значимости:
- характеристика работоспособности маршрута за последнее время;
- статистическая информация о стабильности маршрута за определенный период;
- измеренное качество сигнала на наихудшем участке маршрута;
- количество ретрансляторов.
Фиг. 3 изображает перераспределение опроса различных устройств между несколькими узлами сбора информации на основе многокритериального анализа.
Выбор маршрутов может осуществляться по мере обновления информации о них, при этом для маршрутов с близкими характеристиками необходимо использование порога переключения для каждого исчисляемого параметра.
Так как время передачи данных в коммутируемых канала связи может быть недетерминировано, для функций передачи информации о текущем времени в источник данных и его чтения каналообразующая аппаратура должна обеспечивать передачу длительности передачи информации получателю информации.
При передаче одинаковой информации во все узлы сети используется широковещательная передача с последующим адресным контролем успешности передачи и адресной передачей не переданных широковещательно частей.
Способ сбора цифровых данных в устройствах распределенных измерительных систем через низкоскоростные каналы связи с высоким уровнем помех, заключающийся в том, что периодически считывают эту информацию с устройств, отличающийся тем, что объединяют разнородные данные в виде запросов и ответов в информационные пакеты, динамически группируя их таким образом, чтобы с учетом заранее известного перечня измеряемых величин, данные, по которым нужно собрать в течение заданного периода, и прогнозу общего времени выполнения задачи на основании времени успешных сеансов сбора, количество пакетов было минимальным с максимально возможным заполнением передающего буфера модема, подключаемого к каналу связи, запрошенные значения передаются подряд без дополнительной служебной информации в порядке, определенном запросом, причем для данных, размер которых заранее не известен, включается механизм дозапроса данных, которые не вместились в пакет, содержащий ответ на предыдущий запрос, производят непрерывный мониторинг уровня помех в канале связи для автоматической подстройки параметров передачи данных - скорость, периодичность, размер пакета, применяют протокол обмена, имеющий двоичный формат и использующий сжатие данных, основанное на статистической информации о передаваемых данных, выполняют накопление данных в упакованные сжатые архивы, передаваемые по каналам связи в те моменты, когда уровень помех в канале связи минимальный, перераспределяют опрос различных устройств между несколькими узлами сбора информации на основе, в порядке убывания значимости, характеристики работоспособности маршрута за последнее время, статистической информации о стабильности маршрута за определенный период, измеренного качества сигнала на наихудшем участке маршрута, количестве ретрансляторов, применяют совместно с информационными пакетами дополнительного сервиса, обеспечивающего измерение времени доставки информации, отправляют широковещательно общие сообщения устройствам с последующей индивидуальной проверкой и доставкой недостающих частей информации.
