CN102077151A - 电过程接口设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电过程接口设备，用于在变电站自动化或者配电自动化系统的低控制和保护层级中提供。设备(16)包括过程接口单元(26)，用于在低控制和保护层级与电过程接口连接，该单元具有多个并行数据连接，在其上可以传送与更高控制和保护层级上的控制和保护设备相关的I/O数据。该设备(16)还包括连接到这些数据连接的信号转换单元(24)，该单元根据在至少一个更高控制和保护层级上的控制和保护设备所使用的通信标准对数据连接的数据进行打包，以便允许所述数据在低控制和保护层级上的电接口设备(16)与更高控制和保护层级上的其他设备之间直接传送。

Description

电过程接口设备

技术领域

本发明一般性地涉及变电站自动化或者配电自动化系统的领域，并且更具体地涉及一种用于在变电站自动化或者配电自动化系统的低控制和保护层级中提供的电过程接口设备。

背景技术

为了实现变电站自动化或者配电自动化系统中各设备之间的通信，已经开发了允许在不同设备供应商的不同设备之间进行通信的标准。该标准为IEC 61850。根据该标准，设备的软件组件以多个层级中分级地组织，所述多个层级包括逻辑设备层级，逻辑节点层级，数据对象层级以及数据属性层级。此处，逻辑设备通常对应于这样的系统中的设备，而逻辑节点对应于设备的功能，数据对象和数据属性涉及这样的功能的数据。此处，逻辑设备中可以有若干逻辑节点用于多种不同功能。

这样的系统中使用的一种类型的设备是智能电子设备(IED)，其用于监视和/或控制这样的系统中的本地过程设备，例如像是断路器和变压器的设备。为了执行该监视和控制，在IED上提供了通向这样的设备的I/O(输入/输出)连接。这些本地过程设备是过程接口设备，因为它们是到变电站自动化或者配电自动化系统所控制的电过程的接口。电过程可以是发电过程，输电或供电过程。从而，这样的IED使用直接点对点连接或者本地通信网络直接与这些过程接口设备通信。

IED和更高层级上的设备确实使用IEC 61850通信标准来相互通信。这样的例子为ABB销售的保护和控制产品系列IED670中的设备。

然而，当今过程接口设备确实通常不具有与除了它们所连接的IED之外系统中更高层级上的其他设备进行通信的能力。

因此，如果这些设备能够与更高控制和保护层级上的其他设备通信将是有利的，这将使得能够提供例如更灵活的控制和保护结构。

CN101035099描述了用于将103协议转换到IEC 61850标准的通用网关设计方法。

WO 2005/055538描述了一种过程接口设备，其可以是温度传感器，该温度传感器使用串行RS 232-接口与媒介转换器通信。媒介转换器是串行/以太网转换器，其将来自设备的数据转换成第一格式x。接着，具有第一格式x的数据消息被传送到数据总线上的网关，该网关接着将其转换成根据第二格式的数据消息，该第二格式是IEC 61850格式。此后IEC 61850消息被传送到IEC 61850设备。

因此，所关心的是提供变电站自动化或者配电自动化系统中的改进的过程接口设备，其允许与若干更高层级上的设备通信。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种改进的电过程接口设备，用于提供在变电站自动化或者配电自动化系统的低控制和保护层级中，并能够与若干更高控制和保护层级上的设备通信。

根据本发明的第一方面，该目的通过一种电过程接口设备而实现，该电过程接口设备用于提供在变电站自动化或者配电自动化系统的低控制和保护层级中，并且包括：

过程接口单元，用于在所述低控制和保护层级与电过程接口连接，并具有多个并行数据连接，在其上可以传送与至少一个更高控制和保护层级上的控制和保护设备相关的I/O数据，以及

信号转换单元，该信号转换单元连接到所述数据连接，并被布置为根据由所述至少一个更高控制和保护层级上的控制和保护设备所使用的通信标准对数据连接的数据进行打包，以便允许所述数据在所述低控制和保护层级上的电接口设备与更高控制和保护层级上的至少一个其他设备之间直接传送。

本发明具有多个优点。其提供一种可以经由计算机通信网络与任何其他设备直接通信的电过程接口设备。从而可以在低控制和保护层级上的电接口设备和更高控制和保护层级上的其他设备之间直接传送数据。这使得能够以更灵活的方式在电过程接口设备和更高层级上的控制和保护设备之间提供数据，诸如状态和控制数据，并且不需要中间信号转换。

附图说明

下文将参考附图描述本发明，附图中：

图1示意性地示出了变电站自动化系统，其包括处于各种分级控制和保护层级的多个设备，其中一个设备是本发明的电过程接口设备，

图2示出根据本发明的电过程接口设备的方框示意图，

图3示出图2的电过程接口设备中的通信模块的方框示意图，以及

图4示意性示出根据IEC 68150的软件组件的分级结构。

具体实施方式

下文中，将给出根据本发明的设备的优选实施方式的详细描述。

本发明可以在变电站自动化或者配电自动化系统中提供。一个这样的系统10在图1中示意性地示出。在图1中，有多个设备连接到计算机通信网络12。此处有第一设备14，其是智能电子设备(IED)；第二设备16，其是根据本发明的电过程接口设备；第三设备18，其可以是HMI(人机接口)；以及第四设备20，其可以是变电站控制器。这些设备都使用IEC 68150通信协议经由计算机通信网络12通信。第一设备14此外连接到第一本地设备22。该本地设备22是传统电过程接口设备，该传统电过程接口设备是到由IED 14控制或者监视的过程的接口。该过程通常为电过程，像发电或者输电过程或者供电过程。关于这一点，该本地设备22可以是断路器或者变压器。此处该本地设备22具有到IED 14的直接点到点连接。因此，对于该设备22而言，没有在计算机通信网络12上的通信。另一方面，根据本发明的电过程接口设备16连接到计算机通信网络12，该电过程接口设备16也与该电过程接口连接并且也可以包括断路器或者变压器或者某种其他类型的元件。这意味着其可以与IED14通信，并且还可以与连接到计算机通信网络12的其他设备18和20通信。此处设备14、18和20是控制和保护设备。

此处该本地设备22和电过程接口设备16提供在低分级控制和保护层级上，该层级在此处还是第一最低分级控制和保护层级，而此处第一设备14提供在更高分级控制和保护层级上，此处是在第二控制和保护层级上，而第三和第四设备18和20提供在还要高的分级控制和保护层级上，其在此处为第三并且最高控制和保护层级。此处，电过程接口设备16可以与计算机通信网络12上的所有其他设备通信。

图2示出根据本发明的电过程接口设备16的方框示意图。设备16包括是模块化单元的信号转换单元24。其之所以是模块化的原因在于，其包括多个硬件模块28、30、32、34、36和38以用于提供设备16的各种功能性。这些硬件模块是可替换的并且可机械分离的。这意味着有可能改变信号转换单元24中的硬件模块的数量和类型。此处有第一硬件模块28，其是电源模块PSM，并连接到电源以为整个信号转换单元24接收电力并用于向该单元24中的其他模块供给电力。电力此处可以从系统中被控制的过程接收。第二模块30连接到该第一模块28，第二模块30是通信模块CM。该通信模块30被提供用于与计算机通信网络上的其他设备通信，此处该通信为串行以太网IEC 61850通信。第二模块30又连接到第三模块32，第三模块是第一I/O模块IO1，该第一I/O模块IO1可以是第一类型的输入模块，例如用于处理模拟输入值的输入模块。后面跟随的是第四模块34，其在此处可以是第二I/O模块IO2，该第二I/O模块IO2可以是第二类型的输入模块，例如用于处理数字输入值的输入模块。此处该第四模块34之后可以跟随第五模块36，其在此处是第三I/O模块IO3，该第三I/O模块IO3可以是第一类型的输出模块，例如用于处理模拟输出值的输出模块。最后是第六模块38，其在此处是第四I/O模块IO4，该第四I/O模块IO4可以是第二类型的输出模块，例如处理数字输出值的输出模块。提供I/O模块32、34、36和38用于与过程接口单元26直接通信，该过程接口单元26也提供在电过程接口设备中。

除了电源模块26外的各种模块还通过模块间数据总线40(此处示出为虚线)互连。由于各种模块是可替换的，所以它们可以被提供在信号转换单元24中的任意位置。也可以有更多或更少的模块。此处通常总是有电源模块和通信模块。然后有用于处理到过程接口单元26的各种I/O连接所需要的那么多的I/O模块。

过程接口模块26是一件传统的本地系统设备，例如断路器或者变压器。该单元可以发出并接收多个数据信号，其既可以具有数字性质也可以具有模拟性质。为此，该单元具有多个并行数据连接，其中一个连接通向第一I/O模块32，一个连接通向第二I/O模块34，一个连接通向第三I/O模块36，并且一个连接通向第四I/O模块38。从而，此处信号转换单元24的I/O模块32、34、36和38具有与过程接口单元26的直接并行点到点连接，以便从过程接口单元26接收数据以及向其提供数据。通常每个I/O模块有固定数量的这样的连接。此处，这些连接被示出为每个I/O模块一个。然而应当理解，该数量可以改变并且该改变还可以因I/O模块类型不同而不同。

电过程接口设备的信号转换单元中的通信模块30在图3中提供的方框示意图中更详细地示出。通信模块30包括提供功能性的控制实体42，该功能性用于控制经由通信接口44的与计算机通信网络12的通信，以及用于经由总线接口46通过模块间总线40的与其他模块的通信。

图2中的电过程接口设备16具有根据IEC 61850通信标准的其自身功能性的构造，并且还根据该标准通过计算机通信网络通信。此外，该构造由信号转换单元24提供，并且更具体地由信号转换单元24的通信模块30提供。图4示意性示出该标准所使用的分级结构的一部分，其可用于图2中的电过程接口设备16。根据该标准，该结构包括分级地相互链接的一系列元件。此处有：多个第一底层元件DA1，DA2，DA3，DA4，DA5和DA6，其中每个均是在第一最低层级L0上提供并被标记为数据属性DA的数据提供元件，与相应的数据属性DA关联的第二更高数据提供元件DO1，DO2，DO3，DO4，DO5以及DO6在第二更高层级L1上提供并且标记为数据对象DO，与相应的数据对象关联的在第三更高层级L2上的第三元件称为逻辑节点LN1，LN2和LN3。此处有在第四更高层级L3上的第四元件LD，该第四元件称为逻辑设备，并且与每个逻辑节点LN1，LN2和LN3关联或链接，而每个逻辑节点与一个或多个对应的数据对象DO1，DO2，DO3，DO4，DO5以及DO6关联或链接，其中每个数据对象DO又连接或者链接到一个或多个对应的数据属性DA1，DA2，DA3，DA4，DA5和DA6。此处，逻辑设备LD是设备相关元件，原因在于其与电过程接口设备16提供的一组功能相关，而逻辑节点是功能元件，原因在于其与电过程接口设备的功能相关。以这种方式，图4中的结构提供连接到三个逻辑节点LN1，LN2和LN3的一个逻辑设备LD，其中每个逻辑节点连接到一个或多个数据对象DO1，DO2，DO3，DO4，DO5以及DO6，其中每个数据对象又连接到数据属性DA1，DA2，DA3，DA4，DA5和DA6。

现在将是结合图2中的模块对图4的结构的示例性描述。第一逻辑节点LN1，第一对应的数据对象DO1以及第一对应的数据属性DA1此处都与通信模块30提供的第一公共功能关联。该节点LN1可以是逻辑节点LLN0，其是指定电过程接口设备16的特性的节点。第二逻辑节点LN2，第二对应的数据对象DO2以及第二对应的数据属性DA2此处都与由通信模块30提供的第二公共功能关联。该节点LN2可以是逻辑节点LPHD(物理设备的逻辑节点)，其描述了电过程接口设备16的公共属性。还提供与所有I/O模块32，34，36和38提供的功能相关联的第三逻辑节点LN3。该节点LN3可以是逻辑节点XCBR，其是与断路器相关联的逻辑节点。第三数据对象DO3和第三对应的数据属性DA3关联到该第三逻辑节点LN3。此处，这两个元件DO3和DA3可以与第一I/O模块32提供的数据相关。第四数据对象DO4和第四对应的数据属性DA4也关联到该第三逻辑节点LN3。此处，这两个元件DO4和DA4可以与第二I/O模块34提供的数据相关。此外，第五数据对象DO5和第五对应的数据属性DA5关联到该第三逻辑节点LN3。此处，这两个元件DO5和DA5可以与第三I/O模块36提供的数据相关。最后，第六数据对象DO6和第六对应的数据属性DA6关联到该第三逻辑节点LN3。此处，这两个元件DO6和DA6可以与第四I/O模块38提供的数据相关。

此处应当理解，图4中的结构被极大地简化了。因此，可以有更多逻辑节点，可以有更多或更少与逻辑节点关联的数据对象以及超过一个与数据对象关联的数据属性。此外，数据对象和数据属性元件允许嵌套的元件，这意味着一个层级上的元件可以包括同一层级上的一个或多个其他元件。

可以将更多的元件添加到图4中的结构。可以有另外的在第五更高层级上的、被称为服务器的元件，在第六更高层级上的、被称为接入点的元件，以及在第七更高层级上的、被称为IED的元件。因此，本发明的电过程接口设备在IEC 61850的场合下，可以被其他设备视为IED。然而在实际中其并不是这样的设备，因为其不包括通常与IED关联的控制和保护功能。此处，逻辑设备LD可以被视为设备本身或者对应于设备中的各种功能的集合，逻辑节点LN对应于该逻辑设备的一个特定功能，而数据对象DO对应于与该功能关联的数据，且数据属性DA对应于这样的数据的属性。此处，属性可以是比如模拟或数字数据的指示、数据时控制数据还是状态数据的指示、以及数据值范围这样的多种属性。此外，属性可以指示与数据对象的其他关系，比如是否应当提供时戳。

根据本发明的原理，硬件模块实施与标准的功能相关元件即逻辑节点相关的功能性。为此，逻辑设备元件LD作为信号转换单元24的通信模块30中并于是作为在此通信模块30的控制实体42中的软件提供。实施公共功能的逻辑节点LN1和LN2以及对应的数据对象DO1和DO2以及数据属性DA1和DA2此处也作为通信模块30中的控制实体42中的软件提供，用于所有I/O模块的逻辑节点也是如此。此处，只有一个这样的节点LN3。此处还有I/O模块32，34，36和38的数据对象DO3，DO4，DO5以及DO6也作为通信模块30的控制实体42中的软件提供。然而，对应的数据属性DA3，DA4，DA5和DA6可以在相应的I/O模块32，34，36和38中提供。如果提供与电源模块28关联的逻辑节点，此处其也可在通信模块30中提供。

此处布置通信模块28的控制实体42以便在设备加电时，即当电源模块28首先向其他模块供给电力时，经由模块间总线将I/O模块32，34，36和38的数据属性DA3，DA4，DA5和DA6与逻辑节点LN3关联。

通过这种提供电过程接口设备的方式，通信模块是用于处理根据通信标准的元件的主模块，其他模块将依赖于该主模块来通信。因而，通信模块将包括设备所需的所有逻辑节点。从而，该模块的控制实体可以包括为I/O模块提供的逻辑节点的数据对象到对应的属性之间的关联，该属性可以作为I/O模块自身中的软件提供。控制实体中的逻辑节点和关联的数据对象和数据属性此外也是可替换的，原因在于它们中的一些或者全部均可以被删除，并且可以添加其他的。

此处布置信号转换单元的通信模块，以便根据更高控制和保护层级上的控制和保护设备所使用的上述通信标准，对经由I/O模块向过程接口单元发送以及从过程接口单元接收的数据连接的数据进行打包。以这种方式，在计算机通信网络上提供可以根据该标准处理的数据。该数据接着被直接在更高层级设备和电过程接口设备之间发送。

以这种方式，提供一种电过程接口设备，其可以经由计算机通信网络与任何其他设备直接通信。因而可以在第一低控制和保护层级上的电接口设备和更高控制和保护层级上的其他设备之间直接传送数据。这使得能够以更灵活的方式在电过程接口设备和更高层级上的控制和保护设备之间提供状态和控制数据，并且不需要中间信号转换。

通过提供模块化的硬件，还可以将若干不同类型的本地过程设备制作到具有上述通信能力的电过程接口设备中。这意味着可以使用上述硬件模块的不同组合为不同类型的过程接口单元提供很大数量的各种信号转换单元。因而，可以以这种方式以成本有效的方式使已有的本地过程设备适用于根据比如IEC 61850的通信标准来通信，因为可以将各种模块组合用于若干类型的多件本地过程设备。

通信模块的控制实体可以以具有对应的程序存储器的处理器的形式来提供，该程序存储器包括用于执行控制实体的功能性的计算机程序代码。用于处理I/O模块中的属性的功能性也可以以这种方式提供。作为替代，该功能性也可以通过使用逻辑电路来提供。

除了已经提到的之外，还可以对本发明做出多种可能的变化。例如除了数据属性，I/O模块可以包括对应的数据对象。除了已经描述的那些以外，电过程接口设备中也可以有更多的逻辑节点。

从前面的讨论很明显的是，可以以多种方式来改变本发明。因此应当认识到，本发明仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种电过程接口设备(16)，用于在变电站自动化或者配电自动化系统(10)的低控制和保护层级中提供，并且包括：

过程接口单元(26)，用于在所述低控制和保护层级与电过程接口连接，并具有多个并行数据连接，在其上可传送与在至少一个更高控制和保护层级上的控制和保护设备(14，20，22)相关的I/O数据，以及

信号转换单元(24)，该信号转换单元连接到所述数据连接，并被布置为根据所述至少一个更高控制和保护层级上的控制和保护设备所使用的通信标准对数据连接的数据进行打包，以便允许所述数据在所述低控制和保护层级上的电接口设备(16)与更高控制和保护层级上的至少一个其他设备(14，18，20)之间直接传送。

2.根据权利要求1的设备(16)，其中所述信号转换单元(24)提供根据所述通信标准的设备功能性的构造，该标准提供一系列元件(LD，LN1，LN2，LN3，DO1，DO2，DO3，DO4，DO5，DO6，DA1，DA2，DA3，DA4，DA5，DA6)，所述一系列元件分级地相互链接，并包括设备相关元件(LD)、链接到所述设备相关元件(LN)的多个功能元件(LN 1，LN2，LN3)、以及链接到所述功能元件的多个数据提供元件(DO1，DO2，DO3，DO4，DO5，DO6，DA1，DA2，DA3，DA4，DA5，DA6)。

3.根据权利要求2的设备(16)，其中所述信号转换单元(24)作为经由模块间总线(40)互连的模块(28，30，32，34，36，38)而被提供，所述模块实施与所述标准的功能相关元件(LN1，LN2，LN3)相关的功能性，并且包括通信模块(30)，用于经由计算机通信网络(12)和连接到至少一个所述数据连接的至少一个I/O模块(32，34，36，38)与系统(10)的其他设备(14，18，20)通信。

4.根据权利要求3的设备(16)，其中所述通信模块(30)包括控制实体(42)，其提供用于所述设备的通信标准的设备相关元件(LN)、该设备的公共功能元件(LN1，LN2)、以及与由所有I/O模块(32，34，36，38)所提供的功能相关的至少一个功能元件(LN3)。

5.根据权利要求4的设备(16)，其中提供数据相关功能的所有I/O模块(32，34，36，38)包括根据所述标准的数据提供元件(DA3，DA4，DA5，DA6)，并且与所述通信模块(28)中的对应的功能元件(LN3)相关联。

6.根据权利要求5的设备(16)，其中所述I/O模块在提供由对应的更高层级数据提供元件(DO3，DO4，DO5，DO6)定义的数据属性的所链接的元件的最低分级层级，提供数据相关元件，其中所述更高层级数据提供元件和对应的功能相关元件(LN3)由所述通信模块(30)提供。

7.根据权利要求5或6的设备(16)，其中所述通信模块(30)布置为在设备加电时将I/O模块(32，34，36，38)的数据提供元件(DA3，DA4，DA5，DA6)与所述通信模块(28)中与I/O模块的功能相关的对应元件(LN3)关联。

8.根据权利要求3-7中任一权利要求的设备(16)，还包括电源模块(28)，其向所述设备的其他模块提供电力。

9.根据权利要求3-8中任一权利要求的设备(16)，其中所述模块是机械可分离、可替换的硬件模块。

10.根据任一前述权利要求的设备(16)，其中所述通信标准是IEC 61850。

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