專利名稱：過程控制系統(tǒng)中的分析通信配置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制大規(guī)模工業(yè)過程的過程控制系統(tǒng)的領域，并且特別地涉及用于運行高電壓和中電壓電網(wǎng)中的變電站的變電站自動化系統(tǒng)。
背景技術：
過程控制或工業(yè)自動化系統(tǒng)廣泛地用來保護、控制和監(jiān)測工業(yè)工廠中的工業(yè)過程，用于例如制造貨物、轉換物質、或生成電力，以及用來監(jiān)測和控制分布式主要系統(tǒng)，例如電力、水或氣體供應系統(tǒng)或電信系統(tǒng)，包含它們相應的分局。工業(yè)自動化系統(tǒng)通常具有大量過程控制器，這些過程控制器分布在工業(yè)工廠中或分布式主要系統(tǒng)上并且經(jīng)由通信系統(tǒng)在通信上互連。高電壓和中電壓電網(wǎng)中的變電站包含主要裝置(例如電纜、線、母線、開關、電力變壓器和儀器變壓器)，其通常用開關場(switch yard)和/或間隔(bay)來安排。這些主要裝置經(jīng)由變電站自動化(Substation Automation, SA)系統(tǒng)來以自動化方式運行。SA系統(tǒng)包括二次裝置，所謂的智能電子裝置(Intelligent Electronic Device, IED),負責保護、控制和監(jiān)測主要裝置。IED可指派給分層等級，即站級、間隔級、以及過程級，后者由所謂的過程接口與間隔級分開。SA系統(tǒng)的站級包含操作員工作站(Operator Work Station,0WS),OWS具有人機接口(HMI)以及到網(wǎng)絡控制中心(Network Control Centre，NCC)的網(wǎng)關。間隔級上的IED，也稱為間隔單元(bay unit),又經(jīng)由主要服務于交換命令和狀態(tài)信息的目的的間隔間或站總線來彼此連接以及連接到站級上的IED。過程級上的IED包括用于電壓(VT)、電流(CT)、以及氣體密度測量的電子傳感器，用于感測開關和變壓器接頭變換器位置的接觸探頭，和/或用于控制開關設備(例如斷路器或切斷開關)的智能致動器(1/0)。示范性的過程級IED(例如非傳統(tǒng)的變流器或變壓器)包括用于采樣模擬信號的模數(shù)(AD)轉換器。過程級IED經(jīng)由過程總線連接到間隔單元，過程總線可以視作過程接口，其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線過程接口。后者經(jīng)由專用銅線將開關場中的傳統(tǒng)的變流器或變壓器連接到間隔級設備，在此情況下由間隔單元來采樣儀器變壓器的模擬信號。國際電子技術聯(lián)盟(IEC)已經(jīng)引入用于變電站的二次裝置之間通信的通信標準作為題為“變電站中的通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)”的標準IEC 61850的一部分。對于非時間關鍵消息，IEC 61850-8-1基于簡化的開放系統(tǒng)互連(OSI)協(xié)議棧而規(guī)定制造消息規(guī)格(麗S，ISO/IEC 9506)協(xié)議，OSI分別具有傳輸層和網(wǎng)絡層中的傳送控制協(xié)議(TCP)和因特網(wǎng)協(xié)議(IP)并且用以太網(wǎng)作為物理媒體。對于時間關鍵的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信棧的以太網(wǎng)鏈路層上規(guī)定面向通用對象的變電站事件(G00SE)。對于過程級上的非常快周期性改變信號(例如所測量的模擬電壓或電流)，IEC 61850-9-2規(guī)定采樣值(SampledValue, SV)服務，其類似于G00SE直接建立在以太網(wǎng)鏈路層上。因此，該標準定義格式來在過程級上發(fā)布基于事件的消息和來自電流或電壓傳感器的數(shù)字化測量數(shù)據(jù)作為工業(yè)以太網(wǎng)上的組播消息。SV和G00SE消息在過程總線上傳送，過程總線可以是特別地以成本效益的介質或低電壓變電站擴展到相鄰間隔，即超過傳感器被指派到的間隔。在后者的情況下，除過程數(shù)據(jù)以外，過程總線還傳送命令和/或經(jīng)由專用站總線(station bus)以其它方式交換的與狀態(tài)相關的消息。在下文中，去除SA系統(tǒng)中的過程和站總線之間的區(qū)別。由標準化配置表示或稱為變電站配置描述(Substation ConfigurationDescription, SCD)的形式系統(tǒng)描述的方式來配置和描述基于IEC61850的SA系統(tǒng)?；谙㈩愋突驍?shù)據(jù)集，即對于每個消息來源、目的地或接收器IED的列表、關于數(shù)據(jù)集定義的消息大小、以及所有周期業(yè)務(例如，G00SE、SV和完整性報告)的消息發(fā)送速率，SCD文件包括IED之間的邏輯數(shù)據(jù)流。SCD文件類似地包括IED之間的關系以及IED代表變電站過程或開關場而執(zhí)行的功能性。對于具有增加的實時關鍵通信需要(由于穿過整個系統(tǒng)并且包含到站級的垂直通信的組播通信)的大型過程控制系統(tǒng)，通信網(wǎng)絡載荷變成關鍵。隨著過程控制系統(tǒng)中的分布式功能的增長的復雜性，實時關鍵數(shù)據(jù)的量將上升，并且其伴隨著消息流的復雜性和流 依賴。這對于具有交換以太網(wǎng)絡的SA系統(tǒng)中的根據(jù)IEC 61850的組播G00SE和SV消息尤其是事實，并且對整個通信系統(tǒng)以及個別消息接收器具有影響。此外，特別地在具有高達500個彼此之間通信的IED的過程控制系統(tǒng)中，不容易驗證或甚至視覺化數(shù)據(jù)流定義的一致性、完整性和/或正確性。類似地，不容易在工程時間已經(jīng)預期，或當控制系統(tǒng)最終運行時診斷在所控制并保護的過程上的工程錯誤或IED失效的結果。以功能圖形式的圖形數(shù)據(jù)流表示已經(jīng)用了許多年。這類呈現(xiàn)還可用在集合功能(而不是單個功能塊)級，其具有對應于完整的IED的集合。表示數(shù)據(jù)流的其它方式包含信號矩陣表示，其中例如列出從上到下的輸入信號以及從左到右的信號連接點或輸出信號，輸入信號在適當?shù)男?列通過交叉與其連接。根據(jù)表示公共對象集之間的關系的另外的其它方式，公共對象沿著矩陣的對角線來安排，并且適當?shù)膶ο笮?列中的字段用來指示在行的對角線中的對象與在列的對角線中的對象之間的關系。所有的已知數(shù)據(jù)流表示描繪了通信對象或IED的集之間的關系，但缺乏到IED所服務的工業(yè)過程或主要系統(tǒng)的具體部分的任何額外的連接。US 2010/039954 Al 涉及過程控制(Process Control，PC)或變電站自動化(SA)系統(tǒng)中的通信配置的分析，通過以無關于與所控制的過程或自動化變電站的運行相關的運行情況(operational aspect)的方式來評價配置為用于跨系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡傳送的每個網(wǎng)絡消息和/或相應消息來源。從邏輯數(shù)據(jù)流描述(其是PC或SA系統(tǒng)的標準化配置表示的一部分并且其以控制塊的形式包含用于每個消息的形式信息)，檢索或確定接收器IED。對于每個檢索的接收器IED，評價或處理預定到或指向這一特定接收器IED的所有網(wǎng)絡消息的總數(shù)，例如鑒于后續(xù)網(wǎng)絡載荷分析、虛擬局域網(wǎng)指派，或數(shù)據(jù)流的圖形顯示。示范性的感興趣的網(wǎng)絡消息包含循環(huán)點到點報告以及關于IEC 61850周期或重復實時組播消息(采樣值SV)以及基于事件的組播消息(面向通用對象的變電站事件G00SE)。在此上下文中，以下發(fā)明的原理和方法絕不限制于在變電站自動化中使用，而是類似地適用于具有形式系統(tǒng)描述的其它過程控制系統(tǒng)。特別地，應注意IEC 61850也是對于水力發(fā)電廠、風電系統(tǒng)、以及分布式能量資源(Distributed Energy Resource,DER)的可接受標準。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是促進具有多個智能電子裝置(IED)的過程控制(PC)或變電站自動化系統(tǒng)(SA)的通信網(wǎng)絡中的通信中斷或故障的分析。這一目標通過根據(jù)獨立權利要求的分析通信配置的方法和工程工具來實現(xiàn)。另外的優(yōu)選實施例由從屬專利權利要求而明顯。根據(jù)本發(fā)明，評價配置用于跨PC或SA系統(tǒng)的基于以太網(wǎng)交換的通信網(wǎng)絡從發(fā)送器到接收器IED的傳送的每個網(wǎng)絡消息，并且生成并顯示所包含的每個IED的與過程相關的運行情況的相應的圖形表示。從作為PC或SA系統(tǒng)的形式配置表示的一部分的邏輯數(shù)據(jù)流描述檢索或確定發(fā)送器和接收器IED。能指派的每個IED，以明確的方式，與所控制的過程或自動化變電站的運行相關的多個運行情況中的單獨一個，這樣特性化的運行情況對于每個IED從形式配置描述類似地檢索。生成系統(tǒng)的圖形表示包含形成具有相同運行情況的IED組。對于每個IED組，以連同(或以其它方式鏈接到)組的標簽或標記的形式來指示或顯示相應的運行情況。因此，用戶可容易地通過查看所生成的圖形表示來分析系統(tǒng)的通信配置并且一眼確定在其它IED上和/或在所控制并保護的過程上的IED失效或工程錯誤的結果。因此，在系統(tǒng)設計或工程階段以及在執(zhí)行系統(tǒng)中都促進通信問題的診斷。 在本發(fā)明的第一優(yōu)選變形中，運行情況包括如在SA系統(tǒng)的IEC 61850-6變電站描述中規(guī)定的分層最低功能級，特別地包括IED所指派的變電站間隔。備選地，可使用對應于區(qū)域或站點的分層最低地理指示或任何其它分層結構。另一方面，數(shù)據(jù)集定義、包括于IEC61850控制塊中的消息類型具體信息、或其它純通信固有的情況(例如，在控制或自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡內的限制組播數(shù)據(jù)流的虛擬局域網(wǎng)的定義)，不限定為與所控制的過程或自動化變電站的運行相關的運行情況。在本發(fā)明的第二優(yōu)選變形中，至少一個IED包含或寄宿有關于IEC 61850的多個邏輯裝置LD，其又包括多個邏輯節(jié)點并且其能指派到明確的運行情況。因此，在圖形表示中，LD描繪成為了通信配置目的的獨立構件塊，盡管事實是若干LD可實際地寄宿在一個和相同的IED或以其它方式共享特定運行情況。以示例的方式，間隔中的保護和控制功能可指派給單個間隔IED的兩個不同LD。在另外的優(yōu)選變形中，與具體數(shù)據(jù)流或IED功能相關的網(wǎng)絡消息包含根據(jù)數(shù)據(jù)集定義的數(shù)據(jù)或有效載荷信息。這一定義類似地是從形式配置表示進行檢索，并且用來在圖形表示中分別編碼消息或對應的數(shù)據(jù)流。例如，這樣的編碼可包含顏色或其它格式，線或連接器的風格或厚度，其表示兩個IED之間的具體數(shù)據(jù)流。類似地，包含所檢索的信息的標記可附加或顯示在線的附近。有利地，線或連接器、或附于其的標記用來訪問數(shù)據(jù)集定義，即實際通信的數(shù)據(jù)對象。本發(fā)明也涉及一種包含計算機程序代碼的計算機程序產(chǎn)品，用于控制工程工具或適應于連接到SA或PC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡并且配置為存儲SA或PC系統(tǒng)的形式配置表示的其它裝置的一個或多個處理器，特別地，計算機程序產(chǎn)品包含將計算機程序代碼包含于其中的計算機可讀介質。


在下文中將參考在附圖中圖示的優(yōu)選示范性實施例來更詳細地解釋本發(fā)明的主題，在附圖中圖I是邏輯數(shù)據(jù)流的示范性圖形表示，以及 圖2是具有IED的形式配置描述的SCL文件的摘錄。
具體實施例方式圖I是示出示范性變電站自動化(SA)系統(tǒng)的智能電子裝置(IED)之間的完整配置通信或邏輯數(shù)據(jù)流的示范性圖形表示。作為圖I中交換數(shù)據(jù)的對象的IED的安排是根據(jù)變電站層次作為具體運行情況而構建。平行地，在圖表的上部中指示分層變電站結構，從頂部的變電站級AAl排列到電壓級Cl并且進一步到具有三個間隔Q01、Q05和Q07的間隔級。這一安排使用戶能一眼看出IED之間的依賴性以及它們與所控制或監(jiān)測的過程的關系。在圖表的頂部，一些結構框示出變電站段層次。它開始于變電站AA1。詳細地，變電站“AA1 ”包括例如380 kV的電壓級“Cl ”，向其又指派了六個IED0 前三個 IED “AA1C1Q01A1”、“AA1C1Q01FP1”、“AA1C1Q01FP2” 服務間隔 Q01,然而IED“AA1C1Q05A1”和“AA1C1Q07A1”指派給間隔Q05和Q07作為相應的間隔控制器。在示出 的示例中，作為每個IED的分層最低功能級的所指派的間隔(Q01、Q05、以及Q07)是已經(jīng)選擇用于圖形表示的具體運行情況。用于母線保護的第六個IED“AA1QBQBBFP1”沒有指派給前述間隔的具體的間隔，然而指派給全保護電壓級。此外，也表示例如OPC服務器“AA10PC1 ”和RTU “AA1TH3”等站級IED，盡管由于變電站級IED也可能必須服務若干變電站而未分配給變電站級IED。最后，IED “AA1E1Q01FP2”是指派給電壓級El的間隔QOl的唯一 IED。圖2列出根據(jù)對應于圖I中所涉及的SA系統(tǒng)的IEC 61850的變電站配置描述S⑶的摘錄。S⑶在每個控制塊的IED段中規(guī)定接收器IED，即至少在IED級(可能低至邏輯節(jié)點級)描述邏輯數(shù)據(jù)流。此外，變電站段包含邏輯節(jié)點與開關場的部件和功能的關系?；谶@一信息，IED或作為虛擬IED的邏輯裝置LD可分配給包括它的所有邏輯節(jié)點的功能級。詳細地，圖2的頂部段落是變電站段的部分并且列出關于IED “AA1C1Q01A1”并且在IED “AA1C1Q01A1”上配置的多個邏輯節(jié)點(LN)，多個邏輯節(jié)點又指派給變電站“AA1”的電壓級“Cl”的間隔“Q01”(為了易讀起見，加上粗體強調)。圖2的剩余段落是IED段的部分并且定義仍然用于IED “AA1C1Q01A1”并且指派給邏輯裝置“LD0”的分布式聯(lián)鎖的數(shù)據(jù)集“InterlockingA”、以及與分布式聯(lián)鎖相關的數(shù)據(jù)流，其具有IED “AA1C1Q01A1”作為相應GOOSE消息的來源(例如“gcb_A”到IED “AA1C1Q07A1”和“AA1C1Q05A1”)。確定具有定義來自其它IED (例如IED “AA1C1Q05A1”)的哪個信號的輸入段的第二邏輯裝置“SES_r’用于這一 ffiD “AA1C1Q01A1”作為接收。圖I描繪沿矩陣的對角線的組來安排的通信對象(IED或邏輯裝置或甚至邏輯節(jié)點)集。數(shù)據(jù)集/控制塊級的數(shù)據(jù)流如箭頭所示，該箭頭橫向地從發(fā)送器IED到接收器IED列，并且接著在列內垂直地到接收器IED。在拐角點可示出數(shù)據(jù)集(定義消息內容)或控制塊(定義發(fā)送方式，包含性能質量)的名稱。取決于數(shù)據(jù)集或控制塊類型，可用不同顏色來畫出箭頭，例如黃色用于無緩沖報告，并且綠色用于GOOSE消息。例如，以粗體顯示間隔Q01、Q05、和Q07中的IED之間的并且與聯(lián)鎖相關的前述數(shù)據(jù)流。此外，在發(fā)送器和接收器之間的示范性拐角點指示用于報告消息到AAlOPC和AA1TH3的數(shù)據(jù)集名稱“StatUrg”。最后，通過點擊特定箭頭或其它相關圖形(超)鏈接，可顯現(xiàn)所交換數(shù)據(jù)集的列表以及消息內容的數(shù)據(jù)集定義。圖形鏈接數(shù)據(jù)集規(guī)格到所表示的數(shù)據(jù)流使用戶能夠容易地顯示或產(chǎn)生數(shù)據(jù)流內容，包含到IED的LD內的LN的連接。所提出的表示是所有進一步評價(例如從應用或通信的角度來分析由IED失效導致的影響或篩選出感興趣的系統(tǒng)部分)的基礎。特別地，用戶可以視覺地識別IED失效對依賴IED以及對相關的過程部分的影響。通過從在線錯誤狀態(tài)或手動地在IED上點擊來突出失效的IED及其數(shù)據(jù)(例如用另一顏色)，可以另外地增強失效跟蹤能力。不作為消息接收或來源的異常IED可暗示成未完成的工程。為了在廣泛的自動化系統(tǒng)中提供更好的概述，用不同的篩選功能例如根據(jù)變電站部分、IED名稱部分、數(shù)據(jù)集(應用)名稱部分，或通信子網(wǎng)絡來增強該表示?！?br> 權利要求
1.一種促進過程控制PC系統(tǒng)的通信配置的分析的方法，所述過程控制系統(tǒng)具有連接到通信網(wǎng)絡的多個智能電子裝置IED用于控制包括多個運行情況的工業(yè)過程，并且特別地是控制電力變電站的變電站自動化SA系統(tǒng)，其中發(fā)送器IED配置為發(fā)送不同的信息到不同的預定接收器IED，所述方法包括 對于所述多個IED中的每個發(fā)送器IED以及對于配置為由所述發(fā)送器IED傳送的每個消息，從所述PC系統(tǒng)的形式配置表示檢索所述信息預定去往的所述接收器IED ； 對于每個發(fā)送器IED以及對于每個接收器IED，從所述PC系統(tǒng)的所述形式配置表示檢索明確的IED具體的運行情況； 生成所述發(fā)送器IED和所述接收器IED以及配置為從所述發(fā)送器IED傳送到所述接收器IED的所述消息的圖形表示，包含根據(jù)所檢索的所述運行情況來分組所述IED并且為每組IED指示相應的運行情況；以及 顯示所述表示用于由用戶分析。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法包括 檢索根據(jù)SA系統(tǒng)的IEC 61850-6變電站描述的分層最低功能級或所述IED所指派的地理指示來作為所述IED的所述運行情況。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括 檢索所指派的間隔(Q01、Q05、Q07)作為所述運行情況的所述IED的所述分層最低功能級。
4.根據(jù)權利要求1-3所述的方法，其中發(fā)送器IED或接收器IED包括根據(jù)IEC61850的多個邏輯節(jié)點LN，其特征在于，所述方法包括 將所述邏輯節(jié)點分組成具有明確的運行情況的邏輯裝置LD ;以及 在所生成的圖形表示中表示所述發(fā)送器IED或所述接收器IED的所述邏輯裝置。
5.根據(jù)權利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述方法包括 對于配置為待傳輸?shù)拿總€消息，從所述PC系統(tǒng)的形式配置表示檢索數(shù)據(jù)集規(guī)格；以及 在所生成的圖形表示中基于所述消息的所檢索的數(shù)據(jù)集規(guī)格來表示關于所述消息的數(shù)據(jù)流。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括 將所述數(shù)據(jù)集規(guī)格在圖形上鏈接到所表示的數(shù)據(jù)流，以便使用戶能夠顯示所述數(shù)據(jù)流內容。
7.根據(jù)權利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述方法包括在生成所述發(fā)送器IED和所述接收器IED的圖形表示之前， 根據(jù)用戶偏好來篩選所述多個IED。
8.一種用于過程控制PC系統(tǒng)的工程工具，所述過程控制系統(tǒng)具有連接到通信網(wǎng)絡的多個智能電子裝置IED用于控制包括多個運行情況的工業(yè)過程，并且特別地用于控制電力變電站的變電站自動化SA系統(tǒng)，其中發(fā)送器IED將不同的信息發(fā)送到不同的預定接收器IED，所述工程工具適用于 對于所述多個IED中的每個發(fā)送器IED以及對于配置為由所述發(fā)送器IED傳送的每個消息，從所述PC系統(tǒng)的形式配置表示檢索所述信息預定去往的所述接收器IED ； 對于每個發(fā)送器IED以及對于每個接收器IED，從所述PC系統(tǒng)的所述形式配置表示檢索明確的IED具體的運行情況； 生成所述發(fā)送器和所述接收器IED以及配置為從所述發(fā)送器IED傳送到所述接收器IED的所述消息的圖形表示，包含根據(jù)所檢索的所述運行情況來分組所述IED并且為每組IED指示相應的運行情況；以及顯示所述表示用于由用戶分析。
9.一種計算機程序，用于執(zhí)行根據(jù)權利要求1-7所述的方法。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，評價配置用于跨PC或SA系統(tǒng)的基于以太網(wǎng)交換的通信網(wǎng)絡從發(fā)送器到接收器IED的傳送的每個網(wǎng)絡消息，并且生成并顯示所涉及的每個IED的過程相關的運行情況的相應圖形表示。從作為PC或SA系統(tǒng)的形式配置表示的一部分的邏輯數(shù)據(jù)流描述，檢索或確定發(fā)送器和接收器IED。類似地，從形式配置描述對于每個IED檢索過程的多個運行情況中的單獨一個。生成系統(tǒng)的圖形表示包含形成具有相同運行情況的IED組。對于每個IED組，以連同或以其它方式鏈接到組的標簽或標記的形式來指示或顯示相應運行情況。因此，用戶可容易地通過查看所生成的圖形表示來分析系統(tǒng)的通信配置并且一眼確定在其它IED上和/或在所控制并保護的過程上的IED失效或工程錯誤的結果。
文檔編號H04L12/24GK102763370SQ201180010765
公開日2012年10月31日 申請日期2011年2月3日 優(yōu)先權日2010年2月23日
發(fā)明者M.奧布里斯特, T.梅達, W.維默爾 申請人:Abb 技術有限公司