СПОСОБ И СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Российский патент 2014 года по МПК H04B3/54 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области передачи данных в энергосистеме и, в частности, к передаче операционных данных в режиме реального времени между удаленными местами и предприятием электростанции общего пользования. Оно было разработано на основе способа передачи данных, как описано во вводной части п.1 формулы изобретения.

Уровень техники

Операторам энергосистемы общего пользования или системы электропередачи принадлежат сети передачи электроэнергии, которыми они управляют, и которые взаимно соединяют места такие, как источники энергии и подстанции, которые, несмотря на то, что они находятся далеко друг от друга на расстоянии приблизительно 100 км или больше, должны быть скоординированы одним или другим способом. В таких коммунальных системах передачи данных передают различные сообщения на дальние расстояния по каналам передачи данных между удаленными местами энергосистемы для безопасной передачи и распределения электроэнергии. Для некоторых из этих сообщений и, в частности, для команд дистанционной защиты, задержка передачи сигналов между передатчиком и приемником является критичной и не должна превышать несколько миллисекунд, вплоть до не более чем порядка 10 мс.

Специализированные удаленные отключающие устройства или устройства передачи сигналов защиты, также известные как устройства дистанционной защиты, обычно используют для передачи команд защиты или команд переключения на расстоянии, работающие в разных схемах защиты в электрических сетях и системах высокого напряжения и среднего напряжения. Команды защиты приводят, например, к тому, что прерыватель цепи будет разомкнут прямо или опосредованно и вследствие электрического разъединения выбранной части сети или системы. И, наоборот, другие команды защиты приводят к размыканию прерывателя цепи на удаленной станции, аварийная ситуация на которой предотвращается или блокируется. Для передачи команды защиты из одной точки передачи энергии или распределительной сети в другую, передатчик в удаленном устройстве отключения формирует сигналы в соответствии с командами защиты, которые передают через физический канал передачи сигнала. Приемник в другом удаленном месте отключения детектирует переданные сигналы и определяет соответствующее количество и свойства команд защиты. Канал физической передачи сигнала может быть основан на радиоволнах или на волоконной оптике, но предпочтительно, сигналы защиты передают по пилотным проводам, аналоговым арендуемым линиям, голосовым каналам аналоговых или цифровых систем передачи данных или даже по линиям электропередач высокого напряжения, последняя известна, как передача данных по линии электропередач (PLC).

В US 2003/081634 А1 описана обычная дистанционная защита на основе звукового тона через специализированный канал передачи данных между двумя подстанциями, и включает в себя фреймы, мультиплексированные с разделением времени, передаваемые непрерывно из передатчика в приемник детерминированным способом. У отправителя специальную структуру фрейма (предварительно выбранную структуру из 8 битов) вставляют в последний временной интервал каждого фрейма, уменьшая, таким образом, доступную полосу пропускания, для операционных данных. Если известная структура фреймов не будет многократно детектирована в приемнике, сигналы, перезаписывающие информацию, вставляют в поток данных, полученных из фреймов, для предотвращения формирования шумового сигнала и состояния ложного выхода.

Для передачи сообщений на дальние расстояния из одного места в другое, коммунальная служба может основываться на общественных или находящихся в частной собственности сетях передачи данных с недетерминированным поведением. В этом контексте Глобальная вычислительная сеть (WAN) назначает сеть передачи данных с коммутацией пакетов, взаимно соединяющую два места энергосистемы, и содержащую множество IP-сетей со специфичными сетевыми элементами, такими как маршрутизаторы, коммутаторы, повторители и, возможно, среды передачи оптических данных на физическом уровне. WAN обычно являются очень надежной, однако, упомянутые сетевые элементы могут привести к нерегулярным задержкам в сети, случайным ошибкам битов и присущим каналу недостаткам, и все они способствуют недетерминистическому поведению сети. В сетях с коммутацией пакетов с индивидуальными адресами назначения доставки пакетов данных, значительная нагрузка на канал передачи данных или определенный сетевой элемент может привести к увеличенной задержке или потере пакета, в то время как отказ канала передачи данных может привести к задержкам из-за изменения конфигурации маршрутизаторов.

Для критичных по времени приложений увеличенная задержка или потеря пакета могут привести к неисправности системы. Для коммунальной службы электроснабжения, в наихудшем случае, могут возникнуть существенные повреждения на подстанции, если сигнал отключения будет задержан. WAN также могут быть целью маловероятных, но потенциально вредоносных действий, связанных с внешним вмешательством, содержащих, например, ввод преднамеренно неправильных команд в один из маршрутизаторов. Как следствие, любой канал передачи данных, входящий в состав WAN, можно одновременно рассматривать, как недетерминистичный или несинхронный и ненадежный. Использование недетерминистической передачи данных для команды и управления означает, что нельзя гарантировать доставку и невозможно определить фактический канал передачи данных, по которому передают пакет. В частности, использование Интернет повышает риск отказов при передаче данных в системе критического управления, поскольку атаки, направленные против других объектов, могут в существенной степени влиять на любые передачи данных управления, в которых используется этот канал передачи или который совместно использует ресурсы, связанные с Интернет.

Обычно специализированные системы дистанционной защиты отслеживают состояние и задержку системы передачи данных посредством специализированных сообщений при испытаниях по цепи обратной связи, которые работают следующим образом: две станции, А и В, связываются друг с другом через канал передачи данных. Станция А передает специальное сообщение в станцию В, которая принимает его и немедленно отправляет обратно "эхо-сигнал", в станцию А. Когда станция А принимает этот "эхо-сигнал", она знает, что канал передачи данных работает, и она также может измерить задержку при передаче сигналов (половину времени, которое требуется для передачи сообщения при испытаниях по цепи обратной связи, из пункта А в пункт В и обратно в пункт А). Сообщения при испытаниях по цепи обратной связи типично передают один раз каждые несколько часов, соответственно изменение задержки на передачу сигналов в режиме реального времени невозможно детектировать.

В качестве альтернативы, способ измерения задержки, установленный в IEEE 1588 (Стандарт IEEE 1588-2002, IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems, aka Precision Time Protocol PTP) можно использовать для отслеживания состояния и/или доступности системы передачи данных. Стандартные протоколы синхронизации времени распространения туда и обратно, такие как IEEE 1588, определяют способы для синхронизации устройств через сеть передачи данных, такую как локальная вычислительная сеть (LAN), для обеспечения высокой точности (лучше, чем одна микросекунда).

В области передачи голоса по IP (VoIP) голосовые вызовы могут быть направлены через сеть, работающую с Протоколом Интернет (IP), и при этом важный параметр представляет собой качество обслуживания (QoS) между провайдером услуги и конечным пользователем. В этом контексте, и в более общем случае, с целью передачи данных в режиме реального времени, протокол режима реального времени (RTP) в модели ссылки на уровне ISO-OSI предписывает инкапсуляцию, например, кодированных голосовых данных в пакеты RTP. Последние передают на уровень транспортирования и далее на уровень сети протокола Интернет (IP). На уровне транспортирования системы передачи данных могут использовать любой надежный протокол (такой как протокол управления передачей (TCP)) или ненадежный протокол (такой как протокол датаграммы пользователя (UDP)). Первый обеспечивает то, что все пакеты поступят в приемник, но требуют более широкой полосы пропускания для передачи служебных данных протокола, и вводят большую задержку. Протоколы надежного транспортирования обычно измеряют задержку при передаче туда и обратно, для вывода на этой основе момента, когда сообщения должны быть повторены. С другой стороны, ненадежные протоколы являются легковесными и достаточно быстрыми, хотя в потоках данных могут происходить потери пакетов.

В патентной заявке US 2007/0230361 А1 предусмотрен способ для мониторинга сети с коммутацией пакетной, через которую передают данные VoIP в режиме реального времени. Пакеты данных, содержащие данные в режиме реального времени, проверяют для отслеживания параметра QoS. Параметр QoS содержит одну из задержки на выходе, задержки на входе, случайные искажения, задержку при отправке туда и обратно, потерю пакетов, пропускную способность, мгновенные потери сигнала и накопленную потерю содержания. В другой патентной заявке US 2002/105909, относящейся к VoIP, до тех пор, пока алгоритм сглаживания, который регулирует переходные эффекты при оценке данных потери пакета, позволяет получать приемлемые значения, вызовы продолжают направлять через сеть IP. Если, с другой стороны, значение превысит пороговое значение, монитор QoS блокирует маршрутизацию через сеть IP и направляет вызов через альтернативную сеть, такую как сеть с коммутацией каналов (SCN).

Сущность изобретения

Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить для энергосистемы, в частности для службы снабжения электроэнергией, возможность более эффективного использования недетерминированных каналов передачи данных, для обмена операционными данными в режиме реального времени между удаленными местами и электростанцией. Такая цель достигается с помощью способа передачи данных и системы передачи данных в соответствии с пунктами 1 и 10 формулы изобретения. Кроме того, предпочтительные варианты воплощения будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения.

В соответствии с изобретением, недетерминированный канал передачи данных, содержащий глобальную вычислительную сеть (WAN) с передачей данных с коммутацией пакетов, такую как сеть на основе протокола Интернет (IP), отслеживают на основе регулярного сетевого графика, то есть путем оценки постоянно передаваемых пакетов данных, несущих операционные данные в режиме реального времени, как полезную нагрузку. Следовательно, при этом не требуется постоянно занимать полосу пропускания в детерминистическом канале передачи данных, и не требуется передавать какой-либо дополнительный сетевой график служебных данных в форме тестовых сообщений или дубликатов сообщений, генерируемых по недетерминистическому каналу, и достигается минимальное использование или минимальные взаимные помехи с каналом передачи данных. Постоянное определение и мониторинг качества канала, включающий в себя соответствующую систему предупреждений, в случае, когда качество канала определяют, как недостаточное, основаны на оценке, в приемном узле, пакетов данных, постоянно передаваемых передающим узлом. Такие постоянные или повторно передаваемые пакеты данных могут содержать, в качестве операционных данных, идентичное полезное содержание, отражающее текущее состояние, а не изменения состояния. В конечном итоге повышается надежность передачи данных через недетерминированный канал без подтверждения сообщениями.

Способ передачи данных, наиболее предпочтительно, используется в системах снабжения электроэнергией, где пакеты данных содержат защитные команды, для защиты линии электропередач между двумя местами в системе электропередач, и где место представляет собой источник энергии, потребитель энергии или подстанцию. Защита линии электропередач может представлять собой дистанционную или дифференциальную схему защиты и может приводить, например, к блокированию, разблокированию или разрешительному состоянию устройства переключения в удаленном месте. Многократно передаваемые пакеты данных могут рассматриваться, как замена обычного сигнала защиты в обычных каналах дистанционной защиты.

В предпочтительном варианте приемный узел определяет доступность канала, как двоичную величину, и быстро обновляет результат измерения качества канала. С этой целью приемный узел проверяет, принимают ли фактические пакеты данных с ожидаемым типом полезного содержания, и находится ли задержка между последовательно принимаемыми пакетами данных в пределах ожидаемого диапазона. Если время, прошедшее между последовательными пакетами данных, превышает определенное пороговое значение, доступность канала, по меньшей мере, временно, рассматривают, как недостаточную. Соответствующие меры затем принимают в приемном узле, такие как генерирование сигнала тревоги, переход в автономный режим или островной режим работы, или в случае, когда сигнал считается потерянным, устройство переключения во втором месте разблокируют.

В предпочтительном варианте осуществления предложенный протокол для передачи полезного содержания и надзора за каналом содержит, включая в пакетах данных, номер последовательности передачи. Номера последовательности передачи являются предпочтительными по сравнению с временными штампами из-за возможных нерегулярностей в источнике времени у отправителя, из-за, например, синхронизации часов, установки времени вручную или при переходе на летнее и зимнее время. При надлежащем отслеживании номеров последовательностей несколько типов ошибок канала могут быть детектированы и зарегистрированы, такие как потеря пакета, дублирование пакета и прием пакетов в неправильном порядке, то есть не в порядке, в котором они были отправлены. Все эти ошибки указывают на деградацию канала в WAN.

В дополнительном варианте пакет данных содержит флаг запроса ответа. Если последний установлен, ответное сообщение подготавливают в узле назначения оригинального пакета данных и немедленно возвращают в источник или в узел происхождения. Ответное сообщение содержит принятый "номер последовательности передачи". Путем измерения времени, прошедшего между передачей ответного пакета и приемом ответного сообщения, которое идентифицируют по тому же номеру последовательности передачи, узел источника может выполнять оценку задержки при передаче туда и обратно или время в канале передачи данных. Если при таком постоянном измерении времени, отклика затем детектируют задержку, которая превышает конфигурируемое пороговое значение, генерируют сигнал тревоги, информирующий пользователя о том, что качество недетерминистического канала передачи данных больше не гарантируется, и что следует выбрать другой канал передачи данных, или что содержание сообщения следует временно игнорировать.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления узел передачи соединен с реле в первом месте или подстанции, и постоянно передает состояния, принятые из последней. В случае изменения состояния или подачи сигнала в узел, и для как можно более быстрой передачи новой информации, по меньшей мере, временно увеличивают частоту повторений или частоту передачи пакетов данных, несущих новое состояние. Например, N=16 повторов при повышенной скорости одного сообщения генерируют каждые 2 мс, перед возвратом к стандартной частоте одного сообщения технического обслуживания через каждые 5 мс.

В конечном итоге, аспекты электронной безопасности предложенной передачи по незащищенным каналам передачи данных учитываются только с использованием случайных данных или профиля сообщения, которое передают как часть пакета данных и рассчитывают на основе полей заголовка и полезной нагрузки. Случайные данные позволяют проверить аутентичность пакета данных и, таким образом, обеспечивают, если необходимо, в комбинации с последовательностью номеров и адресом узла, основную защиту от различных угроз безопасности.

Предпочтительно, предложенный протокол воплощен на основе передачи между равнозначными узлами для обоих узлов передачи данных, таким образом, что каждый узел может независимо измерять качество канала и формировать сигналы тревоги.

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:

на фиг.1 схематично представлена сеть передачи данных коммунальной службы, на фиг.2 показана выборка примерного пакета данных и на фиг.3 схематично представлена последовательность пакетов технического обслуживания и одного ответного пакета.

Символы ссылочных позиций, используемые на чертежах, и их значения представлены в сведенной форме, в списке символов ссылочных позиций. В принципе, идентичные части обозначены на чертежах одинаковыми символами ссылочных позиций.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена сеть передачи данных энергосистемы с первым узлом или терминалом 11, вторым узлом или терминалом 21 и глобальной вычислительной сетью (WAN) 30, как частью недетерминистического канала передачи данных, работающего, например, на основе протокола датаграмм пользователя (UDP) с передачей без подтверждения между двумя узлами. Эти два узла 11, 21 представляют собой специализированные устройства дистанционной защиты, расположенные в первой подстанции 10 и второй подстанции 20, соответственно, и аппаратно соединенные с множеством защитных реле 12, 22 или другим вторичным оборудованием соответствующей подстанции. Эти два узла 11, 21 могут быть взаимно соединены через другие каналы передачи данных, такие как канал передачи данных по линии электропередач (PLC) для воздушной линии 40 электропередач между двумя подстанциями 10, 20. Реле 12, 22, в свою очередь, соединены с первичным оборудованием подстанции и обеспечивают сигналы или состояние, которое должно быть передано, например, сигнал размыкания или команду, относящуюся к дистанционной защитной функции линии 40 электропередач.

На фиг.2 показана выборка примерного пакета 50 данных, предназначенного для передачи первым узлом 11 через недетерминированный канал 30 передачи данных во второй узел 21. Пакет данных содержит заголовок, полезное содержание и концевую часть, как часть уровня приложения дистанционной защиты. Заголовок включает в себя, помимо других полей, специальные поля заголовка с флагом 51 запроса ответа, адресом 52 узла дистанционной защиты и номером 53 последовательности передачи. Поле 54 полезного содержания содержит один или больше сигналов или команд защиты в форме относительно короткой последовательности битов. После нее следует первое поле части окончания с профилем сообщения или случайными данными 55, рассчитанными на основе заголовка и полей полезной нагрузки. Случайные данные обеспечивают основную защиту против, и обеспечивают, в случае необходимости, в комбинации с номером 53 последовательности и адресом 52 узла, детектирование различных угроз безопасности, например, несанкционированных (поддельных) сообщений, неправильной структуры, активного вмешательства в соединение или повторную передачу сообщения. Другие поля окончания могут следовать после них, такие как величина 56 подсчета повторных передач, которая последовательно увеличивается в случае повторной передачи с увеличенной частотой повторения и после определенного события, в остальном неизмененных пакетов данных с идентичным номером последовательности и случайными данными. Данные уровня приложения внедрены в заголовки и оконечные участки в соответствии с уровнями транспортирования OSI (UDP) сети (IP) и физическими уровнями (Ethernet) (не показаны на фиг.2).

На фиг.3 показана примерная последовательность сообщений 50, 50', 50'', обмениваемых между узлами 11 и 21, где время продолжается сверху вниз, и где каждая диагональ представляет одиночное сообщение. Первый узел 11 постоянно передает пакеты данных через регулярные интервалы, разделенные периодами ожидания, без выполнения действий по передаче данных, например, каждые 5 мс. Пакеты данных принимают во втором узле 21 и, пока принимают сообщения по порядку и/или в пределах ожидаемых задержек AT между сообщениями, предполагается, что канал 30 является доступным, и полезное содержание, передаваемое сообщениями, может быть оценено на конце приема. В случае необходимости, устанавливают флаг 54 запроса ответа в пакете 50'' данных, после чего второй узел отвечает соответствующим сообщением 60. Прием последнего в первом узле и, в частности, время задержки при отправке сообщения туда и обратно, содержащее накопленные время передачи или задержки, при передаче пакета 50'' данных, запрашивающего ответ и ответное сообщение 60, в свою очередь, можно оценивать с учетом качества канала. Запросы на ответ передают периодически, но с гораздо меньшей частотой (например, от каждых 100 мс до 10 секунд), чем пакеты данных без запроса на ответ.

Список номеров ссылочных позиций

10, 20 подстанция

11, 21 узел

12, 22 реле

30 WAN

40 линия электропередач

50 пакет данных

51 флаг запроса ответа

52 адрес узла

53 номер последовательности

54 полезная нагрузка

55 случайные данные

56 сумма подсчета передач

60 ответное сообщение

Изобретение относится к области передачи данных в энергосистеме и предназначено для более эффективного использования недетерминированных каналов передачи данных, для обмена операционными данными в режиме реального времени между удаленными местами и электростанцией. Канал передачи данных отслеживают на основе регулярного графика сети, то есть с помощью сообщений оценки или пакетов данных, которые переносят операционные данные в режиме реального времени, как полезное содержание. Постоянное определение качества канала, включая в себя выработку соответствующего сигнала тревоги, в случае, когда качество канала будет определено как недостаточное, основано на оценке в приемном узле пакетов данных, постоянно передаваемых приемным узлом. Такие постоянно или повторно передаваемые пакеты данных могут содержать идентичные полезные нагрузки, отражающие текущее состояние, вместо изменения состояния в качестве операционных данных. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ передачи данных между первым узлом (11) передачи данных в первом месте (10) и вторым узлом (21) передачи данных во втором месте (20), содержащий
- передают с помощью первого узла (11) сообщение, содержащее операционные данные (54), через канал (30) передачи данных во второй узел (21) и отслеживают качество для канала (30) передачи данных на основе этого сообщения,
отличающийся тем, что способ содержит
- постоянно передают в первом узле (11) пакеты (50, 50', 50") данных, содержащие операционные данные (54), через недетерминированный канал (30) передачи данных, содержащий сеть с коммутацией пакетов, во второй узел (21),
- проверяют с помощью второго узла (21) принимают ли пакеты (50, 50', 50") данных с ожидаемым типом полезного содержания, и
- определяют качество канала с помощью второго узла (21) и на основе упомянутых пакетов (50, 50', 50") данных.

2. Способ по п.1, в котором два места (10, 20) соединены через линию (40) электропередач в сети электропередач, отличающийся тем, что способ содержит
- постоянную передачу пакетов (50, 50', 50") данных, содержащих операционные данные, в форме команд защиты для линии (40) электропередач.

3. Способ по п.1 или 2, в котором первый узел (11) выполнен с возможностью принимать команду защиты, как входной сигнал из реле (12), соединенного с первым узлом (11), отличающийся тем, что способ содержит
- увеличивают, как только происходит изменение входного сигнала из реле, частоту повторений постоянно передаваемых пакетов (50, 50', 50") данных.

4. Способ по п.1 или 2, содержащий
- определяют с помощью второго узла (21) доступность канала на основе ожидаемой и наблюдаемой частоты повторений пакетов (50, 50', 50") данных.

5. Способ по п.4, содержащий
- определяют доступность канала на основе времени задержки AT между сообщениями между двумя последовательно переданными пакетами (50, 50') данных.

6. Способ по п.4, в котором пакеты (50, 50', 50") данных содержат номер (53) последовательности передачи, отличающийся тем, что способ содержит
- определяют доступность канала на основе переданных номеров (53) последовательности принимаемых пакетов данных.

7. Способ по п.1 или 2, в котором пакеты (50) данных содержат флаг (51) запроса на ответ, отличающийся тем, что способ содержит
- отвечают с помощью второго узла (21) и, если флаг (51) запроса на отклик принятого пакета (50") данных установлен, ответным сообщением (60), и
- определяют с помощью первого узла (11) качество канала на основе ответного сообщения (60).

8. Способ по п.7, содержащий
- определяют качество канала на основе времени задержки при распространении туда и обратно пакета данных с установленным флагом (51) запроса на ответ, и по ответному сообщению (60).

9. Способ по п.1 или 2, в котором пакеты (50) данных содержат случайные данные (55), отличающийся тем, что способ содержит
- определяют с помощью второго узла (21) и на основе случайных данных (55), является ли пакет (50) данных аутенитичным.

10. Система передачи данных с первым узлом (11), вторым узлом (21) и недетерминированным каналом (30) передачи данных, выполненная с возможностью выполнения способа передачи данных в соответствии с одним из предшествующих пунктов формулы изобретения.