專利名稱：分析ied的通信性能的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有標準化配置表示的過程控制系統領域，并且具體地說，涉及變電 站自動化系統。
背景技術：
高壓和中壓電力網中的變電站包含基本裝置諸如電纜、電線、母線、開關、電力變 換器和儀表變換器，它們一般布置在開關場和/或機架(bays)中。這些基本裝置經變電 站自動化(SA)系統以自動方式操作。SA系統包括輔助裝置，在其中智能電子裝置(IED) 負責保護、控制和監視基本裝置。輔助裝置可被分級指配給SA系統的站級或機架級(bay level)。站級通常包含其中包括具有人機接口(HMI)的操作員工作站(OWS)并運行站級監 控控制和數據采集(SCADA)軟件的監控計算機，以及向網絡控制中心(NCC)傳遞變電站狀 態并從它那接收命令的網關。還稱為機架單元的機架級上的IED又彼此連接，以及經主要 服務于交換命令和狀態信息目的的機架間或站間總線連接到站級上的IED。SA系統的過程級上的輔助裝置包括用于電壓(變壓器VT)和電流(變流器CT)測 量的常規儀表變換器(IT)、氣體密度或壓力傳感器以及用于感測開關和變換器抽頭轉換器 位置(tap changer positions)的接觸探針。而且，示范性智能傳感器諸如用于電流或電 壓的非常規電子或光學傳感器包括用于對模擬信號進行采樣的模數(A/D)轉換器，并經專 用總線連接到機架單元，或公共通信系統上的專用通信服務，作為智能過程接口的一部分。 后者代替了經專用銅線和連接臺(junction board)將開關場中的常規儀表變換器連接到 單獨對來自IT的模擬信號進行采樣的不同機架單元的常規硬連線過程接口。國際電工委員會(IEC)已經介紹了用于變電站輔助裝置之間通信的通信標 準，作為題為“變電站中的通信網絡和系統(communication networksand systems in substations”的標準IEC 61850的一部分。對于非時間關鍵報告消息，章節IEC 61850-8-1 規定了基于在傳輸層和網絡層中分別具有傳輸控制協議(TCP)和因特網協議(IP)的縮 減的開放系統互連(OSI)協議棧的制造消息規范(MMS、IS0/IEC 9506)協議，以及以太網 和/或RS-232C作為物理介質。對于時間關鍵的基于事件的消息，諸如跳閘命令(trip command), IEC 61850-8-1規定直接在通信棧的以太網鏈路層上的通用面向對象的變電站 事件(G00SE)。對于在過程級非常快速周期性改變的信號，諸如所測量的模擬電壓或電流， 章節IEC 61850-9-2規定采樣值(SV)服務，其類似于G00SE直接構建在以太網鏈路層上。 因此，該標準的部分9定義了作為對傳統銅線的替代的過程級上作為工業以太網上的多播 消息發布來自電流或電壓傳感器的數字化測量數據的格式。基于IEC 61850的SA系統通過標準化配置表示或稱為變電站配置描述(S⑶)的 形式系統描述來配置。SCD文件包括以“每個消息”為基礎(即，對于每個消息源)的IED 之間的邏輯數據流、目標或接收器IED列表、按照數據集定義的消息大小、以及所有周期性 業務、如報告、G00SE和SV的消息發送速率。如所提到的，IEC 61850介紹變電站自動化應用的不同通信服務，其中可預測和確定性的通信時間至少對于這些應用中間的實時安全性和保護相關功能是必需的。然而， 對于具有高達500個IED在彼此之間通信并具有提高的實時臨界通信需要(real-time critical communicationneeds)的大過程控制系統，由于穿過整個系統的多播通信，通信 負荷變成臨界了。這對于根據IEC 61850的多播GOOSE和SV消息尤其是如此，并且對整個 通信系統，即基于開關的以太網的行為，以及單獨的消息發送器和接收器具有影響。雖然收 發器的通信棧的性能主要取決于實現軟件的CPU性能和質量，但是如共享CPU的應用任務 或經隊列或共享存儲器到應用的連接等其它原因可能也對通信棧處理時間具有影響。一般而言，如果任務關鍵應用(mission-critical application)取決于所保 證的實時性能，則選擇是可預先計算通信行為的確定性協議。典型的示例是例如在IEC 61375 (多功能車輛總線MVB)或WorldFIP實時現場總線中所定義的周期性總線。根據這 些，永久傳送最大可能量的數據，使得固定通信時間總是根據可能的最大負荷。然而，后者 不適用于由IEC61850采用的基于以太網的非周期性總線。在此，開關用于去除碰撞效應； 并且在高通信負荷的情況下，可以預計開關中的排隊效應。另一方面，在容量lOOMB/s乃至 lGB/s的以太網中，對于大多數當前的SA應用，瓶頸在于終端裝置(IED)，而不在于基于開 關的以太網系統。在EP 1610495中，在通信應用運行期間，執行用于分析通信網絡上性能故障原因 的故障分析。為這個目的，捕獲消息或分組，并且記錄正在進行的消息傳送和總線上消息出 現的時間，特別是在高負荷情況期間或當強制某些請求/響應計劃時。基于記錄的時間，確 定往返行程時間和消息吞吐量。這種方法的缺點是，它只對于所研究的情形有效，并且從它 們僅可得出其它情形的有限結論。此外，服務質量分析被局限于通信級，并且未考慮在應用 級或功能級的事件效應。以下發明的原理和方法決不局限于用在變電站自動化中，而是同樣可應用于具有 標準化配置描述的其它過程控制系統中。具體地說，必須注意，IEC 61850也是水力發電廠、 風力系統和分布式能源資源(DER)的所接受標準。
發明內容
因此，本發明的目的是預測具有多個通信智能電子裝置(IED)的變電站自動化 (SA)系統的通信網絡的實時或可操作通信性能。這個目的是通過分別根據權利要求1和6 所述的分析單個IED通信棧性能的方法和分析工具來實現的。根據從屬權利要求，另外的 優選實施例是顯然的。根據本發明，分析適合于處理用特定可配置變電站自動化通信服務傳送的或屬于 它的網絡消息的IED的通信棧性能。這包括運行與諸如由故障事件觸發的高通信負荷對應 的多個實際應用級情形。在該情形期間捕獲或截取的所有網絡消息中間，識別送往IED以 及由IED響應而發送的網絡消息。確定所識別消息數、與服務特定屬性相關的數據項數或 者特定通信協議元素數以及指示SA事件的所改變的協議元素數，其數據項的值相比先前 消息中的同一數據項的值已經改變。基于計算服務特定處理時間或通信模型的哪些參數 值，同樣地確定所識別消息的IED固有處理時間。在優選變型中，共同分析和模型化多個SA通信服務。每個SA通信服務可獨立包 含相應協議元素的處理時間模型參數，直至粒度或細節的期望程度。
在另外的有利實施例中，在測試或試運行特定SA系統配置期間，通過生成送往測 試中的IED的對應網絡消息的專用合成器仿真SA情形。合成器可等同于分析器。備選地， 可以通過模擬在過程級的故障事件觸發對應于該情形的消息突發。換句話說，IED的通信 棧性能的分析在實際變電站中故障事件實際發生之前很久就執行。然而，后者可通過鑒于 在SA系統操作期間驗證或微調模型參數而記錄對應的網絡消息來開發。總之，本發明提出在多個不同高負荷情況下捕獲消息并估計總線上的消息注冊時 間(message registration times)。通過使用IEC 61850標準的所有數據和通信消息的定 義的應用級描述，并應用細粒度通信模型，計算一些特性棧和通信模型相關圖。評估IED通 信棧性能的所提出方法將IED視為黑盒子，并基于基礎IEC 61850協議的屬性以半探試性 方式分析其性能。總是對于特定項目相關SA配置確定有用的參數。所得到的模型然后允 許按照應用級負荷制定的其它負荷情形的性能計算。本發明還涉及包含用于控制IED的一個或多個處理器的計算機程序代碼的計算 機程序產品，或適合于連接到SA系統的通信網絡并配置成存儲SA系統的標準化配置表示 的分析工具或其它裝置，特別是包含其中含有計算機程序代碼的計算機可讀介質的計算機
程序產品。
下文將參照在附圖中例證的優選示范實施例更詳細地說明本發明的主題，附圖 中圖1描繪了變電站和對應的變電站自動化系統的摘選；圖2描繪了通過SA通信網絡交換的消息序列；以及圖3是描繪分析IED通信性能的步驟的流程圖。在名稱列表中以概括形式列出了附圖中所用的附圖標記以及它們的意義。原則 上，所有附圖中相同的部分提供有相同的附圖標記。
具體實施例方式圖1示出了示范變電站或開關場的部分或片段連同某一變電站自動化(SA)或 輔助設備的單線圖。變電站包括具有兩個母線10的雙母線配置，它們中的每個經分離器 (disconnectors) QB1、QB2饋送兩個機架11、11'。每個機架包括斷路器QAl、分離器QCl和 接地開關QE1。SA系統的對應摘選用粗線描繪了連接到兩個智能電子裝置(IED)21、22的 通信網絡20，其中二者都托管類CSWI (開關控制)的邏輯節點。每個邏輯節點被分配給上 面提到的斷路器QAl之一，如點畫線所指示的。分析器23連接到網絡20，并適合于截取來 自和去往IED 21的所有網絡消息或分組。這個網絡業務可從實際SA過程發出，或由專用 合成器模擬。具體地說，如果包括SA系統的變電站配置描述(SCD)的變電站特定SCL文件 23被輸入到分析器23中，則后者本身可生成網絡消息并將其發送到測試中的IED 21。圖2描繪了突發，即，從分析器23發送到IED 21的消息30的示范序列，其中時間 從上到下進行，并且其中每個斜線表示單個消息，并且其中不同劃線樣式根據不同SA通信 服務來區分消息。IED 21又發送若干響應消息31，其中分析器23確定由IED接收的第一 消息與由IED發送的最后消息之間經過的時間tp。為這個目的，分析器還可將總線上的純傳輸時間考慮進去，如根據消息長度和以太網比特率所知道的。圖3是根據本發明例證分析IED通信性能的過程的流程圖。在步驟101，運行第一 通信情形h = 1。在步驟102，識別與SA通信服務相關并由IED處理的Ii1 (h)個網絡消息。 在步驟103，確定Ii1個所識別網絡消息內的ri2 (h)個特定通信協議元素。在步驟104，確定 n2個特定通信協議元素內具有改變的數據值的ri3 (h)個元素。在步驟105，確定在IED的所 識別網絡消息的處理時間tp(h)。這之后，運行下一情形h = h+l。最后，在步驟106，對于 多個SA情形中的每個SA情形，基于數量ηι、η2、η3和處理時間tp，計算包含特定協議元素的 處理時間模型的SA通信服務特定參數kp k2、k3。通信棧處理時間取決于SA通信服務或消息協議類型，諸如用于報告的匪S (制造 消息規范)、GOOSE(通用面向對象變電站事件)和SV(采樣值)以及要處理的不同協議元 素或實體。在IEC 61850內，并對于提供數據的自發發送的SA通信服務，這些協議元素包 括處理1)完整消息、2)個體消息內的數據項和3)事件，即，具有改變值的數據項。這些元 素對于不同的通信服務是不同的，例如其中對于報告和主要對于SV，事件數等于數據項數， 然而對于GOOSE通常不是，并且在單個服務內，相關處理時間一般彼此獨立。在下面的實施例中為了簡化而忽視的三個示范但絕非詳盡的處理時間模型改進 基于如下觀察(i)事件的處理時間可取決于值的數據類型；(ii)可區分由/在IED的消息 發送和接收處理時間；(iii)可不同地處理具有不同優先級的服務；因此，另外將優先級組 差別考慮成通信服務類型差別將允許更細粒度處理時間估計。線性處理時間模型規定，對于涉及特定消息協議類型消息的特定SA通信服務j， 用于消息突發的對應處理時間V為tpJ = Σ i= k1J*msgnoJ+k2J*datanoJ+k3J*eventnoJ具有如下解釋-tpJ 用于處理對于服務j特定的協議類型消息的時間_msgno ( = η/)突發中所述協議類型的消息數_datano( = n2J)所述消息中的數據項數(一般與n 無關，即，每個消息的數據 項數可在消息類型內改變)_eventno ( = n3J)所述數據項中的改變的數據值數為了計算通信服務特定常數k ，對于特定IED，連接到與IED相同的SA通信網絡 的分析器觀察來自和去往IED的網絡業務，包含多播消息以及明確尋址到IED的消息。它 確定由IED接收的突發的第一消息與該突發中由IED發送的最后消息之間經過的時間tp。 一般而言，突發中存在各種各樣的服務，并且假設時隙tp的長度包含來自每個服務的貢獻， 即％ = [ λΛ由于不同消息的串行處理，一個消息類型的優勢或消息的順序無關緊要。另 一方面，為了不過高估計服務特定常數kA通信棧應該連續處理消息，需要用于適當排隊要 處理的消息的構件。分析器還確定所捕獲的每個消息的類型，對每個類型的消息數Ii1計數，檢查每個 消息以確定每個類型的數據項數η2和事件數η3。在這個上下文中，分析器可驗證在分析器 與IED之間沒有消息丟失。這通過還估計來自對丟失的輸入消息計數的IED的接收器監控 消息，或對每個IEC 61850服務類型的消息序列計數，以便識別由IED發送但未到達分析器 的消息來進行。另一方面，準確處理在應用級的事件丟失例如對于GOOSE和SV將要求特殊IED應用返回任何接收的數據改變(事件)。由母線跳閘(busbar-trip)激發的典型消息突發持續大約100ms，并且包含監控 警告、跳閘保護、開關位置改變和測量改變。每個機架，在12ms內，并且除了用于機架中兩 個VT中的每個的4000msg/s周期性SV業務之外，這可導致5到10個報告消息和6到12 個GOOSE消息。突發情形可由分析器通過確定從特定事件/消息開始的突發和從IOms或 更多的連續靜默結束起的突發而開發。備選地，可以估計連續消息之間具有幾毫秒可配置 最大延遲并由通信棧連續處理的任何消息序列。通過在高負荷時隙期間提供獨立測量(例如具有數量η (h) (h = 1. . . 9)的九個 不同的突發情形形成各具有三個服務和三個常數的處理時間模型的最大秩的可逆矩陣)， 可以計算適當的常數V。因為在此不研究應用相關反應時間，所以獨立于應用級或功能級 假設所計算的值，因此所得到的處理時間模型隨后可用于同一 SA系統配置中的其它負荷 情形，并具體地說，預先估計IED上的負荷效應。上面測量的應用相關數量又可用于定義或驗證所假設的應用相關情形，如正常負 荷和某些最壞實際情況。具體地說，知道應用級數據形式的正常或穩定狀態負荷改變，其可 由于關于它們如何通信的形式描述而變換為數據集和服務情形，可基于處理時間模型計算 穩定狀態負荷。假設msgiKKdatano和eventno作為每秒的平均，對所得到的總處理時間是 否超過1秒的直接檢查指示IED是否運行穩定。最后，如果對于整個SA系統執行以上分析，則所得到的詳細模型可用作基礎來計 算對不同IED的IEC 61850模型的不同級的不同全局測量，諸如_每個接入點的消息速率，每個接入點的事件速率(如果按IED實現多個邏輯節點 的話)-改變的數據項與發送的數據項(特別對于GOOSE和SV感興趣的)以及與發送的 消息的關系-每個接入點和每個通信服務類型的事件速率-每個數據類型的處理時間(IEC61850公共數據類)-每個數據項的事件速率名稱列表10 母線11 機架20通信網絡21第一智能電子裝置(IED)22 第二 IED23分析器24SCL 文件
權利要求
一種分析適合于處理用變電站自動化(SA)通信服務傳送的網絡消息的智能電子裝置IED(21)的通信性能的方法，包括在多個SA情形中的每個SA情形期間， 由分析器(23)識別與所述SA通信服務相關并由所述IED處理的數量n1個網絡消息， 在所述數量n1個識別的網絡消息內確定數量n2個特定通信協議元素， 在所述數量n2個特定通信協議元素內確定具有改變的數據值的數量n3個元素， 確定在所述IED的所識別網絡消息的處理時間tp，還包括基于對于所述多個SA情形中的每個SA情形的所述數量n1、n2、n3和所述處理時間tp， 計算包含所述特定協議元素的處理時間模型的SA通信服務特定參數k1、k2、k3。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述IED(21)適合于處理與多個不同的SA通信服務 (MMS、GOOSE、SV)相關的網絡消息，其特征在于，它包括-對于每一個所述SA通信服務，識別與所述SA通信服務相關并由所述IED處理的總數 n/個網絡消息，-對于每一個所述SA通信服務并在所述相應數量η .個所識別的網絡消息內，確定數 量個特定通信協議元素，-對于每一個所述SA通信服務并在所述相應數量個協議元素內，確定具有改變的 數據值的數量V個元素，-基于對于所述多個SA情形中每個SA情形確定的數量。和所述總處理時間tp，計算 所述IED(21)的處理時間模型的參數值k 。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括-通過由合成器(23)生成所述對應的網絡消息或通過模擬在所述處理級的故障來仿 真SA情形。
4.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括-在實際SA事件期間記錄所述網絡消息，并基于此來驗證之前計算的處理時間模型參 數值。
5.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，它包括-基于所述處理時間模型，預測在未對于計算所述模型參數考慮的SA應用級負荷情形 期間所述IED(21)的性能。
6.一種用于分析適合于處理用變電站自動化SA通信服務傳送的網絡消息的智能電子 裝置IED (21)的通信性能的分析工具，適合于執行如權利要求1或2所述的方法的步驟。
全文摘要
本發明的名稱為分析IED的通信性能，涉及變電站自動化(SA)系統的通信網絡中智能電子裝置(IED)的通信棧性能的分析。IED處理用特定可配置SA通信服務傳送或屬于它的網絡消息。運行與高通信負荷對應的多個應用級情形。在該情形期間捕獲或截取的所有網絡消息中間，識別送往IED以及由IED響應而發送的網絡消息。確定所識別的消息數、與服務特定屬性相關的特定通信協議元素或數據項數以及指示SA事件的改變的協議元素數，其中數據項的值相比先前消息中的同一數據項的值已經改變。基于計算了服務特定處理時間模型的哪些參數值，類似地確定所識別消息的IED固有處理時間。
文檔編號H02J13/00GK101997717SQ20101026705
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月18日 優先權日2009年8月18日
發明者G·希爾珀特, M·奧布里斯特, W·維默爾 申請人:Abb技術有限公司