Оптимизация использования каналов передачи данных векторных измерений

Одна из основных функций системы мониторинга переходных режимов (СМПР) – передача данных в реальном времени и с высокой плотностью в диспетчерские центры ОАО «СО ЕЭС». Качество данных, предоставляемых СМПР, зависит от многих параметров и технических характеристик системы, в том числе и от надежности и пропускной способности каналов передачи данных.

От того, насколько система способна своевременно и надежно доставлять данные синхронизированных векторных измерений по назначению, напрямую зависит повышение качества оперативно-диспетчерского управления. Как показала практика, именно каналы передачи данных чаще всего становятся узким местом при построении СМПР с требуемыми характеристиками. Зачастую, именно технические характеристики каналов передачи данных не позволяют достичь требуемых показателей системы и вынуждают занижать целевые параметры всей СМПР в целом. Благодаря целому ряду предпринимаемых мер, таких как расширение функционала концентратора векторных данных (КВД, PDC), избавление от избыточных данных в трафике на этапе проектирования и т.д., пока удается снимать остроту вопроса в той или иной степени, но своей актуальности в целом, он не теряет, особенно в аспекте развития СМПР.

Самым очевидным и полным, с технической точки зрения, решением рассматриваемого вопроса является модернизация, с учетом требований со стороны СМПР, существующих каналов передачи данных. Однако, анализ всего комплекса вопросов, связанных с передачей данных СМПР, показал, что это решение связано с чрезмерно большими финансовыми, организационными и временными издержками, и поэтому необходимо проведение дополнительных исследований по поиску альтернативных решений, приемлемых с точки зрения сложности реализации.

В результате исследований, проведенных по инициативе ОАО «СО ЕЭС», предлагается решение, которое заключаться в дополнительной оптимизации использования уже существующих каналов передачи данных.

Для оптимизации трафика, предлагаемое решение ставит своей целью разработку нового протокола передачи синхронизированных векторных данных, который позволит снизить накладные транспортные расходы. В настоящее время для передачи синхронизированных векторных данных между устройствами синхронизированных векторных измерений (УСВИ, PMU) и КВД, а также между КВД разного уровня используется протокол стандарта IEEE С37.118.2. К достоинствам этого протокола можно отнести то, что он является открытым и стандартизированным, а также то, что он является специализированным и изначально разрабатывался с целью передачи синхронизированных векторных данных. В тоже время, в результате эксплуатации этого протокола в реально-действующей системе, выявились такие его недостатки как негибкость и избыточность, что ставит под вопрос целесообразность его использования для решения текущих и перспективных задач.

Предлагаемый протокол передачи синхронизированных векторных данных  разрабатывался как с учетом всех достоинств используемого протокола IEEE С37.118, так и с учетом актуальных требований, предъявляемых к нему со стороны существующей СМПР.

Критерий оценки эффективности

Для оценки эффективности предлагаемого протокола необходимо введение некоторого количественного коэффициента, по величине которого, можно было бы судить об эффективности предлагаемого решения.

Критерием для оценки эффективности предлагаемого протокола выбран коэффициент эффективности Кэфф, который вычисляется по формуле:

Кэфф = Vc/Vs (1)

где Vc – объем данных согласно спецификации стандарта IEEE С37.118, байт;
Vs – объем данных согласно предлагаемой спецификации, байт;

Vc и Vs Vc и Vs рассчитываются для одного и того же состава передаваемых параметров и за период времени – одна секунда.

Целесообразность введения в качестве критерия оценки эффективности коэффициента Кэфф определяется тем, что именно пропускная способность каналов передачи данных – определяющая техническая характеристика при решении актуальных в настоящее время задач мониторинга.

Как следует из формулы (1), для расчета Кэфф необходимо рассчитать величину Vc, которая определяется спецификацией протокола IEEE С37.118 и составом передаваемых данных, поэтому необходим количественный анализ этого протокола с точки зрения затрат на передачу данных.

Спецификация протокола стандарта IEEE С37.118

Протокол стандарта IEEE С37.118.2 – это специализированный протокол, который предназначен для передачи синхронизированных векторных измерений в режиме реального времени.

Спецификацией протокола IEEE С37.118.2 определено, что транспортом для него служат протоколы UDP или TCP, которые используются для передачи сообщений (кадров, frames) между PMU и PDC. Всего спецификацией протокола IEEE С37.118 определено четыре типа кадров.

  1. Кадр управления (Command frame). Единственный тип сообщения от клиента к серверу. Содержит 18 обязательных байт, включая 2 байта на идентификатор команды, а так же может содержать до 65518 байт дополнительной не регламентированной информации. Стандартом 2011 года определены 6 основных типов команд:
  • включить передачу данных;
  • выключить передачу данных;
  • запрос описания устройства;
  • запрос конфигурации типа 1;
  • запрос конфигурации типа 2;
  • запрос конфигурации типа 3.
  1. Кадр описания (Header frame). Содержит описание устройства, заложенное производителем или обслуживающим персоналом объекта. Содержит обязательных 16 байт, а так же байты текстового описания устройства.
  2. Кадр конфигурации устройства (Configuration frame). Может быть 1-го, 2-го или 3-го типа. Содержит описание объекта, на котором расположено устройство, описание PMU (или в PDC, описание нескольких PMU), включая описание фазоров, аналоговых и дискретных сигналов (телеизмерений и телесигналов), а так же форматов данных.
    Кадр конфигурации 3-го типа больше ориентирован на PDC,  и имеет следующие отличительные особенности:
  • предусмотрена возможность разбить конфигурацию на несколько кадров;
  • добавлен глобальный идентификатор PMU;
  • название объекта и данных (фазоров, аналоговых и дискретных каналов) ограничивается 256 символов вместо 16;
  • указание географического местоположения;
  • указание класса M или P;
  • указание окна вычислений фазоров;
  • указание групповой задержки фазоров.
  1. Кадр данных (Data frame). Содержит набор значений фазоров, аналоговых и дискретных сигналов (телесигналов и телеизмерений) с меткой времени, а так же дополнительную информацию о достоверности данных и метки времени.

Содержание кадра данных представляет собой структуру, которая приведена в таблице 1.

Таблица 1. Структура кадра данных

Элемент данных Размер
Заголовок данных – содержит в себе версию, размер кадра данных, идентификатор конфигурации, также метку времени и атрибуты качества измерения 14 байт
Блок данных по PMU (или каждому PMU – если конфигурация в режиме PDC) Размер этого блока данных определяется по конфигурационному фрейму. Для каждого PMU присутствует информация о состоянии устройства и качестве синхронизации измерений, частоте и скорости изменения частоты в сети, а также данные по векторным и аналоговым измерениям
Контрольная сумма 2 байта

Состав блока данных по каждому PMU представляет собой структуру, которая приведена в таблице 2.

Таблица 2. Структура блока данных кадра данных

Элемент данных Размер
Наборов битовых флагов с указанием на состояние устройства и качества синхронизации измерений 2 байта
Частота сети 4 байт (для float)/2 байт (для  integer)
Скорость изменения частоты сети 4 байт (для float)/2 байт (для  integer)
Вектора измерений 8 байт (для float)/4 байт (для integer) на каждый вектор (угол + значение или Re + Im)
Аналоговое значение 4 байт (для float)/2 байт (для integer) на каждый аналог
Дискретное значение 2 байта на каждые 16 дискретных каналов.

Расчет количественной оценки Vc основан на обобщенных значениях реальных параметров передачи данных существующей СМПР, которые приведены в таблице 3.

Таблица 3. Значения параметров для расчета Vc

Параметр Значение
Частота передачи данных 50 кадров/с
Количество PMU 1
Количество векторов в составе данных одного PMU 6
Количество аналоговых значений в составе данных одного PMU 2
Формат передачи векторных измерений integer (2 байта)
Размер одного векторного измерения 4 байта (для integer)
Размер служебной информации UDP 42 байт
Размер служебной информации TCP 58 байт

В общем трафике, затратами на передачу кадров управления, конфигурации и описания можно пренебречь, поскольку по сравнению с кадрами данных, они посылаются крайне редко и практически не участвуют в формировании общего трафика.

Таким образом, для принятых условий Vc = 4100 байт без учета служебной информации транспортных протоколов.

Спецификация предлагаемого протокола

Спецификацией предлагаемого протокола предусмотрен ряд мер направленных на увеличение эффективности передачи данных, которые можно использовать и по отдельности, но максимальный эффект достигается именно при совестном применении.

Переход на двухбайтовый формат передачи данных

Спецификацией протокола IEEE С37.118 предусмотрена двухбайтовая передача значений векторов. Масштабные коэффициенты передают в кадре конфигурации. Можно использовать этот механизм, но важно учесть потерю точности при таком типе передачи данных. Для этого проведена оценка потери точности при переходе на двухбайтовый формат передачи данных и анализ технических требований к ПТК СМПР по точности. Существующие требования к ПТК СМПР по точности приведены в таблице 4.

Таблица 4. Требования по точности к параметрам ПТК СМПР

Параметр Требование по точности измерения
Частота ± 1 мГц
Фаза вектора тока или напряжения ± 0.1º
Действующее значение напряжения 0,2 %
Действующее значение тока 0,4 %
Значение активной мощности 0,5 %
Значение реактивной мощности 1,0 %
Значение тока возбуждения 0,5 %
Значение напряжения возбуждения 0,5 %

Для того чтобы оценить потерю точности при переходе на двухбайтовый формат передачи данных необходимо определить верхнюю и нижнюю границу значений измеряемого параметра. Для каждого измеряемого параметра эти границы разные и приведены в таблице 5.

Таблица 5. Верхние и нижние границы значений измеряемых параметров

Параметр Нижняя граница значений Верхняя граница значений
Частота 45 55
Фаза вектора тока или напряжения -180 180
Действующее значение напряжения 0 200
Действующее значение тока 0 10
Значение активной мощности 0 2000
Значение реактивной мощности 0 2000
Значение тока возбуждения 0 150
Значение напряжения возбуждения 0 1250

Верхние и нижние границы значений, приведенные в таблице 5, выбирались на основании требований к ПТК СМПР. Коэффициенты трансформации можно учесть в масштабных коэффициентах, предусмотренных для двухбайтовой передачи данных, поэтому границы значений приведены во вторичных величинах.
В случае абсолютной погрешности, погрешность Δ по каждому параметру рассчитывается по формуле:

Δ = (Gmax – Gmin)/65535 (2)

где Δ – абсолютная погрешность приведения параметра к двухбайтовому формату;
Gmax – верхняя граница значений параметра;
Gmin – нижняя граница значений параметра.

В случае относительной погрешности, погрешность ε по каждому параметру оценивалась по величине приведенной относительной погрешности выраженной через номинальное значения параметра:

ε =  Δ/Gпот×100 (3)

где ε – относительная погрешность приведения параметра к двухбайтовому формату;
Δ – абсолютная погрешность приведения параметра к двухбайтовому формату;
Gnom – номинальное значение параметра.

Таким образом, для рассматриваемых параметров получаются погрешности, приведенные в таблице 6.

Таблица 6. Абсолютные и относительные погрешности значений измеряемых параметров

Параметр Погрешность приведения Требуемая погрешность
Частота 0,15 мГц ± 1 мГц
Фаза вектора тока или напряжения 0,005 º ± 0,1º
Действующее значение напряжения 0,03 % 0,2 %
Действующее значение тока 0,03 % 0,4 %
Значение активной мощности 0,06 % 0,5 %
Значение реактивной мощности 0,06 % 1,0 %
Значение тока возбуждения 0,03 % 0,5 %
Значение напряжения возбуждения 0,03 % 0,5 %

Значения погрешностей из таблицы 6 говорят о том, что при передаче векторных данных можно перейти на двухбайтовую передачу, не потеряв при этом в точности измерений, которая предъявляется к данным ПТК СМПР.

Значение Кэфф при переходе на двухбайтовую передачу данных составит:

Кэфф  = 4100/2500 = 1,64.

То есть, при переходе на двухбайтовую передачу данных можно уменьшить объем передаваемых данных в 1,64 раза, при том же самом составе передаваемых параметров.

Объединение данных нескольких кадров в один

Другая мера, предложенная в рамках разрабатываемой спецификации – объединение данных нескольких кадров в один, более крупный кадр. Сами данные при этом не теряются, задерживается только их передача. Расчеты эффективности предлагаемой меры, исходят из того, что данные накапливаются в течение секунды и затем передаются одним кадром. Данная мера позволит сэкономить на служебной информации транспортных протоколов и служебной информации протокола IEEE С37.118. Расчеты эффективности данной меры приведены ниже.

Размер одного пакета с учетом служебной информации транспортных протоколов составляет:

  • 128 байт, для UDP;
  • 140 байт для TCP.

Объединяя данные кадров за секунду в один (50 кадров), достигается экономия на служебной информации этих протоколов.

Совокупный коэффициент эффективности Кэфф  от перехода на двухбайтовую передачу данных и объединения составит:

  • Кэфф  = 6200/2542 = 2,44, для UDP.
  • Кэфф  = 7000/2558 = 2,74, для TCP.

Архивирование данных в режиме реального времени

В дополнение к предыдущим двум мерам спецификация разрабатываемого протокола предусматривает архивирование данных в режиме реального времени.

Данная мера, особенно эффективна при объединении с предыдущим механизмом объединения данных нескольких кадров в один.

В качестве архиватора был выбран gzip, как компромиссный вариант между скоростью сжатия и коэффициентом сжатия. Проведенные предварительные исследования показали, что использование данного архиватора позволяет сократить объем передаваемых данных в среднем в 1,5 раза. Коэффициент сжатия при этом, зависит от содержимого кадра и не является постоянной величиной.

Таким образом, совокупный эффект от применения всех трех предложенных мер составляет в среднем:

Кэфф  = 4,11.

Заключение

Достоинством предложенного протокола передачи векторных данных является то, что он позволяет в 4,11 раза сократить объем передачи данных при том же самом составе передаваемых параметров. К недостаткам предложенного протокола необходимо отнести то, что при передаче данных с помощью этого протокола они задерживаются на некоторое время, а также то, что объем передаваемых данных неодинаков в единицу времени.

Литература

  1. IEEE Std C37.118.2-2011. IEEE Standard for Synchrophasor. Data Transfer for Power Systems.

Релейщик

(close)

 

Релейщик

(close)

Имя пользователя должно состоять по меньшей мере из 4 символов

Внимательно проверьте адрес электронной почты

Пароль должен состоять по меньшей мере из 6 символов