Un método de análisis del rendimiento de la comunicación de un Dispositivo Electrónico Inteligente IED (21) adaptado para procesar los mensajes de red transferidos con un servicio de comunicación de Automatización de Subestación (SA),

comprendiendo, durante cada de uno de la pluralidad de escenarios de SA,

- identificar, mediante un analizador (23), un número n1 de mensajes de red relacionados con el servicio de comunicación de SA y procesados por el IED,

- determinar, en el número n1 de mensajes de red identificados, un número n2 de elementos de protocolo de comunicación específicos,

- determinar, en el número n2 de elementos de protocolo de comunicación específicos, un número n3 de elementos con un valor de datos cambiado,

- determinar un tiempo de procesamiento tp de los mensajes de red identificados en el IED, comprendiendo además,

- calcular, basado en los números n1, n2, n3 y en el tiempo de procesamiento tp para cada uno de la pluralidad de escenarios de SA, los parámetros específicos de servicio de comunicaciones de SA, k1, k2, k3 de un modelo de tiempo de procesamiento que incluye el elemento de protocolo específico.

Análisis del rendimiento de la comunicación de un dispositivo electrónico inteligente (IED) .

Campo de la invención La invención se refiere al campo de los sistemas de Control de Procesos, y en particular a los sistemas de Automatización de Subestación, con una representación de configuración estandarizada.

Antecedentes de la invención

Las subestaciones en las redes eléctricas de alta y media tensión incluyen dispositivos primarios tales como cables eléctricos, líneas, barras, interruptores, transformadores de potencia y transformadores de medida, que se disponen generalmente en los parques y/o posiciones de maniobra. Estos dispositivos primarios se operan de forma automatizada a través de un sistema de Automatización de Subestación (SA) . El sistema de SA comprende dispositivos secundarios, entre los que los dispositivos electrónicos inteligentes (IED) son los responsables de la protección, el control y la monitorización de los dispositivos primarios. Los dispositivos secundarios pueden asignarse jerárquicamente a un nivel de estación o a un nivel de posición del sistema de SA. El nivel de estación a menudo incluye un ordenador de supervisión que comprende una estación de trabajo de operador (OWS) con una interfaz hombre-máquina (HMI) que ejecuta un software de Control de Supervisión a nivel de estación y de Adquisición de Datos (SCADA) , así como, una pasarela que comunica el estado de la subestación a un Centro de Control de Red (NCC) y recibe las órdenes de éste. Los IED en el nivel de posición, también llamados unidades de posición, se conectan a su vez entre sí así como a los IED en el nivel de estación a través de un bus entre posiciones o de estación, que sirve principalmente al propósito de intercambiar las órdenes y la información de estado.

Los dispositivos secundarios en un nivel de proceso del sistema de SA comprenden, transformadores de medida (IT) convencionales para las mediciones de tensión (Transformadores de Tensión VT) y de corriente (Transformadores de Corriente TC) , sensores de densidad del gas o de presión, así como sondas de contacto para la detección de las posiciones de los interruptores y del cambiador de tomas del transformador. Además, sensores inteligentes de ejemplo, tales como, los sensores electrónicos no convencionales u ópticos de corriente o tensión que comprenden un convertidor analógico a digital (A/D) para el muestreo de señales analógicas, y que se conectan a las unidades de una posición a través de un bus dedicado, o de un servicio de comunicación dedicado en un sistema de comunicación común, como parte de una interfaz de procesos inteligente. Este último remplaza a la interfaz de proceso cableada convencional que conecta a los Transformadores de Medida convencionales en el parque de maniobras, a través de cables de cobre y cajas de conexión dedicados, a las diferentes unidades de posición que, individualmente, muestran las señales analógicas de los IT.

Se ha introducido una norma de comunicación para la comunicación entre los dispositivos secundarios de una subestación por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) , como parte de la norma IEC 61850 titulada "communication networks and systems in substations". Para mensajes de informe no críticos en tiempo, la sección IEC 61850-8-1 especifica el protocolo de Especificación del Mensaje de Fabricación (MMS, ISO / IEC 9506) , basado en la pila de protocolos de la Interconexión de los Sistemas Abiertos (OSI) reducida, con el Protocolo de Control de Transmisión (TCP) y el Protocolo de Internet (IP) en la capa de transporte y de red, respectivamente, y Ethernet y/o RS-232C como los medios físicos. Para los mensajes basados en eventos en los que el tiempo es crítico, tales como las órdenes de disparo, la sección IEC 61850-8-1 especifica directamente los Eventos de Subestación Orientados a Objetos Genéricos (GOOSE) en la capa de enlace con Ethernet de la pila de comunicación. Para las señales que cambian periódicamente muy rápido a nivel de proceso, tales como las mediciones analógicas de tensiones o de corrientes, la sección IEC 61850-9-2 especifica el servicio de Valor de Muestreo (SV) , que al igual que GOOSE se construye directamente en la capa de enlace de Ethernet. Por lo tanto, la parte 9 de la norma define un formato para publicar, como mensajes de multidifusión en una Ethernet industrial, los datos de medición digitalizados de los sensores de corriente o de tensión en el nivel de proceso como un sustituto del cableado de cobre tradicional.

Los sistemas de SA basados en la norma IEC 61850 se configuran por medio de una representación de la configuración estandarizada o de descripción del sistema formal llamada Descripción de la Configuración de la Subestación (SCD) . Un archivo SCD comprende el flujo de los datos lógicos entre los IED en un modo "por mensaje", es decir, para cada origen del mensaje, una lista de los IED de destino o de recepción, el tamaño del mensaje en términos de definiciones de conjuntos de datos, así como las tasas de envío de mensajes para todos los informes en modo de tráfico, el GOOSE y el SV.

Como se ha mencionado, la norma IEC 61850 presenta diferentes servicios de comunicación para las aplicaciones de Automatización de Subestación, en las que un tiempo de comunicación predecible y determinista es esencial para al menos las funciones en tiempo real relacionadas con la seguridad y la protección entre estas aplicaciones. Sin embargo, para grandes sistemas de control de proceso de hasta 500 IED que se comunican entre sí y con el aumento de las necesidades de comunicación crítica en tiempo real, debido a la comunicación multidifusión que atraviesa todo el sistema, la carga de comunicación llega a ser crítica. Esto es especialmente cierto para la multidifusión GOOSE y los mensajes SV de acuerdo con la norma IEC 61850, y tiene un impacto en todo el sistema de comunicación, es decir, en el comportamiento de una Ethernet basada en conmutadores, así como en los transmisores y receptores de mensajes individuales. Mientras que el rendimiento de una pila de comunicación de un transceptor depende principalmente del rendimiento de la CPU y de la calidad del software de implementación, otras causas como las tareas de aplicación que comparten la CPU, o una conexión a la aplicación a través de las colas o la memoria compartida, podría tener, además, un impacto asimismo en el tiempo de procesamiento de la pila de comunicación.

Generalmente, si una aplicación de misión crítica depende del rendimiento en tiempo real garantizado, la elección es un protocolo determinista donde se puede calcular de antemano el comportamiento de la comunicación. Son ejemplos típicos, los buses periódicos como se definen, por ejemplo, en la norma IEC 61375 (Bus de Vehículo Multifunción MVB) o el bus de campo en tiempo real WorldFIP. De acuerdo con éstos, se transfiere permanentemente una cantidad máxima posible de datos, de modo que el tiempo de comunicación fijo está siempre de acuerdo con la carga máxima posible. Sin embargo, esto último no se aplica a la red Ethernet basada en el bus no periódico adoptado por la norma IEC 61850. Aquí, los conmutadores se utilizan para eliminar el efecto de las colisiones, y se podrían esperar efectos de situación en cola de los conmutadores en caso de una alta carga de comunicación. Por otro lado, en una red Ethernet con una capacidad de 100 MB/s o incluso de 1 GB/s los cuellos de botella, para la mayoría de las aplicaciones actuales de SA, residen en los dispositivos finales (IED) y no en el sistema Ethernet basado en conmutadores.

En el documento de patente EP 1610495, el análisis de fallos para analizar una causa de un fallo en el rendimiento de una red de comunicación se realiza durante la ejecución de una aplicación de comunicación. Para este propósito, se capturan los mensajes o los paquetes y se registran las transferencias de los mensajes en curso y los tiempos de aparición del mensaje en el bus, en particular durante las situaciones de alta carga, o cuando se fuerzan ciertos esquemas de petición / respuesta. Basado en los tiempos registrados, se determinan los tiempos de ida y vuelta y de transferencia de mensajes. El inconveniente de este enfoque es que sólo es válido para los escenarios investigados, y sólo se pueden extraer de ellos conclusiones limitadas para otros escenarios. Además, el análisis de calidad de servicio se restringe al nivel de comunicación y no considera el efecto de un evento en un nivel de aplicación o de función. El documento de patente EP 1850142 es otro ejemplo de análisis de los sistemas de SA de acuerdo con la norma IEC 61850.... [Seguir leyendo]

1. Un método de análisis del rendimiento de la comunicación de un Dispositivo Electrónico Inteligente IED (21) adaptado para procesar los mensajes de red transferidos con un servicio de comunicación de Automatización de Subestación (SA) , comprendiendo, durante cada de uno de la pluralidad de escenarios de SA,

- identificar, mediante un analizador (23) , un número n1 de mensajes de red relacionados con el servicio de comunicación de SA y procesados por el IED,

- determinar, en el número n1 de mensajes de red identificados, un número n2 de elementos de protocolo de comunicación específicos,

- determinar, en el número n2 de elementos de protocolo de comunicación específicos, un número n3 de elementos con un valor de datos cambiado,

- determinar un tiempo de procesamiento tp de los mensajes de red identificados en el IED, comprendiendo además,

- calcular, basado en los números n1, n2, n3 y en el tiempo de procesamiento tp para cada uno de la pluralidad de escenarios de SA, los parámetros específicos de servicio de comunicaciones de SA, k1, k2, k3 de un modelo de tiempo de procesamiento que incluye el elemento de protocolo específico.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el IED (21) se adapta para procesar los mensajes de red relacionados con una pluralidad de distintos servicios de comunicación de SA (MMS, GOOSE, SV) , caracterizado por que comprende

- identificar, para cada uno de los servicios de comunicación de SA, un número total n1j de mensajes de red relacionados con el servicio de comunicación de SA y procesados por el IED,

- determinar, para cada uno de los servicios de comunicación de SA y en el número respectivo n1j de mensajes de red identificados, un número n2j de elementos de protocolo de comunicación específicos,

- determinar, para cada uno de los servicios de comunicación de SA y en el número respectivo n2j de elementos de protocolo, un número n3j de elementos con un valor de datos cambiado,

- calcular, basado en los números nij y en el tiempo de procesamiento total tp determinado para cada uno de la pluralidad de escenarios de SA, los valores de los parámetros kij de un modelo de tiempo de procesamiento para el IED (21) .

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que comprende

- emular un escenario de SA mediante la generación de los mensajes de red correspondientes por un sintetizador (23) , o mediante la simulación de un fallo a nivel de proceso.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que comprende

- registrar los mensajes de red durante un evento real de SA, y verificar los valores de los parámetros del modelo de tiempo de procesamiento calculados previamente, basado en ellos.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que comprende

- predecir, basado en el modelo de tiempo de procesamiento, el rendimiento del IED (21) durante los escenarios de carga a nivel de aplicación de SA que no se han considerado para el cálculo de los parámetros del modelo.

6. Una herramienta de análisis para analizar el rendimiento de la comunicación de un Dispositivo Electrónico Inteligente IED (21) adaptada para procesar los mensajes de red transferidos con un servicio de comunicación de la Automatización de Subestación SA, adaptado para realizar los pasos de acuerdo con el método como se reivindica en la reivindicación 1 ó 2.