CN105051998B - 工业控制系统中的区域间通信 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用包括经由连接或边界一次装置或元件所连接的若干相邻区域的过程或一次结构的用于工业过程的工业自动化和控制系统(IACS)。IACS包括多个通信上互连的智能电子装置(IED)，其中低级或过程级IED与工业过程的一次装置进行交互并且被指配给工业过程的一次装置，并且若干高级或系统级IED代表若干区域来实现和运行高级功能。IACS包括两个高级IED之间的逻辑通信链路，以用于在通信不可用或者后者的完全故障的情况下绕过连接IED。通信链路实现在高级IED之间传送或交换概括或者预处理过程信息，其包括从区域的第一区域的一个或多个低级IED始发并且对代表另外一些区域的高级功能是相关的数据和信号。这降低在高级功能上和通信网络中的通信负荷，同时保持与完全中央解决方案相当的可用性等级。

Description

工业控制系统中的区域间通信
技术领域
本发明涉及用于控制大规模工业过程的过程控制系统的领域，以及具体来说涉及用于操作高压和中压电力网中的变电站的变电站自动化系统。更具体来说，本发明涉及取决于来自过程控制或变电站自动化系统的区域连接智能电子装置的信息的高级功能。
背景技术
过程控制或者工业自动化系统广泛地用来保护、控制和监测用于例如制造商品、变换物质或者生成电力的工业工厂中的工业过程，以及监测和控制分布式一次系统、例如电力、水或气供应系统或者电信系统(包括其相应变电站)。工业自动化系统一般具有分布在工业工厂中或者遍布于分布式一次系统并且经由通信系统在通信上互连的大量过程控制器或智能电子装置。
高压和中压电力网中的变电站包括一次装置，例如电缆、线路、母线联络（bustie）、开关、电力变压器和仪表变压器，其一般设置在开关场和/或间隔中。这些一次装置经由变电站自动化(SA)系统以自动化方式来操作。SA系统包括负责一次装置的保护、控制和监测的二次装置，即，所谓的智能电子装置(IED)。IED可以以分级方式指配给站、间隔或过程级中的一个。SA系统的站级包括具有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)以及到网络控制中心(NCC)的网关。间隔级上的IED也称作间隔单元，它们又相互连接以及经由间隔间或站总线连接到站级上的IED，主要用于交换命令和状态信息。过程级上的IED包括用于电压(VT)、电流(CT)和气体密度测量的电子传感器、用于感测开关和变压器抽头变换器位置的接触探针和/或用于控制例如电路断路器或隔离开关等开关设备的智能致动器(I/O)。示范过程级IED、例如非常规电流和电压变压器包括用于模拟信号的取样的模数(AD)转换器。过程级IED经由过程总线(其能够被认为是替代常规硬连线点对点连接的过程接口)连接到间隔单元。
由国际电工委员会(IEC)作为标准IEC 61850的一部分(标题为“电力公司中的通信网络和系统”)引入了变电站的二次装置之间的通信的通信标准。该标准定义作为工业以太网上的多播消息来发布作为通用面向对象的变电站事件(GOOSE)的基于时间关键事件的消息以及作为取样值(SV)的来自过程级上的电流或电压传感器的数字化测量数据的格式。GOOSE和SV消息一般通过过程总线(其可延伸到对其指配传感器或源IED的间隔之外的相邻间隔)来传送。
在分布式过程控制系统中，在高级控制器上实现的高级功能依靠提供所需输入数据并且用作对过程的致动器的低级过程控制器。高级功能性可按照区域或段来结构化，其中区域定义工业过程的区域或扇区，即，一组相互关联或者互连的一次装置或元件。高级功能实例按照协调方式(包括按照相同方式)与特定区域中的同一种类或类型的一次装置(例如全部传感器、阀、驱动器或制动器)进行交互。高级功能可经由连接或共享低级过程控制器(其与指配给彼此相邻区域的两个或更多高级控制器进行交互)来链接或互联。
专利申请EP1819022公开一种分布式开关场区域管理，其使负责计算、指配和存储与包括通过线路所互连的开关场元件的高压或中压开关场的开关场区域有关的信息的单个中央智能电子装置(IED)的故障所引起的潜在损坏为最小，并且其中开关场通过包括多个智能电子装置的变电站自动化系统来操作。
来自变电站自动化区域的示范高级功能包括防止一次装置的故障的功能，例如断路器故障保护或母线联络保护，其在单独出故障一次装置的范围之外进行操作。在变电站中，所谓的保护区包括多个开关场元件，其在一次装置的故障的情况下同时被隔离，以及保护区的边界或周边可通过电路断路器和断开隔离开关来限定。两个相邻保护区在开关场中通过所谓的“连接母线段”(其包括至少一个电路断路器和总共两个隔离开关)来分隔。
作为举例，如果通过线路保护功能来跳闸的间隔电路断路器因内部故障而没有断开，则触发所谓的断路器故障保护功能，并且将跳闸信号传播到保护区中与出故障电路断路器相邻的电路断路器。换言之，断路器故障保护的任务是检测断路器出了故障以清除故障，并且使馈入包含故障的(一个或多个)区域的其余断路器跳闸，以便永久地清除故障。同样，母线联络保护的任务是检测母线联络上的任何故障，并且使连接到或者界定受影响母线联络区的断路器跳闸。
在每个母线联络保护区的一个IED上实现的断路器故障保护功能取决于提供模拟数据并且传送电路断路器跳闸信号的过程总线。该功能基于保护区中的所有开关的状态，并且在电路断路器的单个的跳闸故障的情况下使该区域的所有电路断路器跳闸。连接母线段中的断路器由连接母线段两侧的母线联络区来使用或者作为其组成部分，以及指配给连接母线段的连接IED可必须将跳闸命令从第一区域转发到第二相邻区域。但是，在指配给这个母线段的IED出故障的情况下，区域跳闸无法成功，并且由相邻区域之一中的出故障断路器所触发的断路器故障功能必然失败。
解决与断路器故障功能有关的上述问题的常规解决方案包括操控所有区域的中央IED，使得在与连接母线段对应的低级IED的故障的情况下，任何区域级联或者重新定义能够在中央IED中进行。然而，中央保护系统因待处理的高数据量而仍然不太适合于较大变电站，即，中央IED上以及通信网络内部的通信负荷是高级功能性首先按照区域来划分的原因之一。另一个解决方案通过使关键低级IED加倍，即，通过在连接母线段具有第二断路器故障功能相关IED，来引入冗余度。在附加IED的附加成本下的这种解决方案增加工程工作量，并且使系统更为复杂。
发明内容
因此，本发明的一个目的是使工业自动化和控制系统(IACS)中的高级基于区域的功能针对与IACS所控制的工业过程的区域连接一次装置进行交互的低级智能电子装置的故障更为健壮。这个目的通过如独立权利要求所述的IACS和方法来实现。通过从属专利权利要求，优选实施例是显而易见的。
按照本发明，工业自动化和控制系统(IACS)采用包括经由连接或边界一次装置或元件所连接或链接的两个相邻区域的过程或一次结构来控制工业过程。IACS包括多个通信上互连的智能电子装置(IED)或过程控制器，其中低级或过程级IED与工业过程的一次装置进行交互并且被指配给工业过程的一次装置，并且两个高级或系统级IED代表两个区域来实现和运行高级功能，各高级功能基于或涉及指配给区域中的同一种类的一次装置的所有低级IED。两个高级IED与低级连接IED(其与连接一次装置进行交互)进行通信。IACS包括两个高级IED之间的逻辑通信链路，以用于在通信不可用或者后者的完全故障的情况下绕过连接IED。通信链路实现在两个高级IED之间传送或交换过程信息，其包括从两个区域中的第一区域的低级IED始发并且对代表两个区域中的第二区域的高级功能是相关的数据和信号。除了从第二区域始发的过程信息之外，代表第二区域的高级功能还基于或者利用所述所传送过程信息。在本发明的一有利实施例中，IACS包括用于监控连接IED并且在连接IED的通信不可用的检测时激活逻辑通信链路的监控模块的部件。
操作高压或中压电力网中的变电站的变电站自动化(SA)系统表示按照本发明的优选IACS。SA系统的连接IED与连接母线联络段的电路断路器进行交互，以及高级功能是母线联络保护或断路器故障保护功能中的一个。更优选地，逻辑通信链路涉及经由变电站通信网络的过程总线的GOOSE消息和/或SV消息的交换，在这种情况下，附加逻辑通信链路可使用现有物理通信基础设施，而不要求任何附加硬件。备选地，还可提供专门互连高级IED的站总线。
总之，在连接过程控制器或IED的不可用的情况下，在高级协调控制器之间转发高级面向区域的功能的数据、状态或触发消息。这实现将高级功能分布到若干高级IED上，以降低在高级功能上和通信网络中的通信负荷，同时保持与完全中央解决方案相当的可用性等级。本发明允许代表一个区域的若干高级功能和/或代表若干区域的若干功能实例在一个高级IED上的聚合。换言之，一个高级IED可指配给工业过程的若干但不是全部区域。对于极大变电站，促进母线联络保护和断路器故障功能的实现，连同其他高级功能，包括例如母线联络差动、断路器故障和虚拟VT/中央同步检查以及减荷。
本发明还涉及包括用于控制高级IED的一个或多个处理器(其适合连接到按照本发明的工业自动化和控制系统IACS)的计算机程序代码的计算机程序产品，具体来说是包括其中包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品。
附图说明
下文中将参照附图示出的优选示范实施例更详细地说明本发明主题，附图包括：
图1示意示出变电站开关场的电气单线图；图2示出图1的母线联络的一部分以及对应过程控制器。
具体实施方式
图1示出具有示范双重母线联络拓扑的输电网中的变电站的开关场的电气单线图。该图包括表示诸如母线联络1、电路断路器2、隔离开关3、线路馈入或输出导体4、结点5和负载或发电机6之类的各种一次装置的项或图标。同一种装置经由连续十进制数字来区分，即，5.1和5.2表示两个不同结点。一般来说，表示断开开关(隔离开关和断路器)的图标以轮廓示出，而处于闭合状态的开关表示为实心图标，例如，闭合/断开隔离开关通过黑/白菱形示出。显然，带有或没有旁路母线的其他拓扑是可设想的，并且拓扑可包括诸如电力变压器、发电机、接地隔离器和仪表变压器之类的其他一次装置，而没有限制本发明的适用性。
详细来说，所示的拓扑包括分隔两个母线联络1.1、1.2的两个耦合电路断路器2.1、2.2，母线联络1.1、1.2又通过段电路断路器2.3、2.4分为两个段。示出三个间隔，各包括经由导体4.5、4.6、4.7连接到远程负载6.5、6.6或发电机6.7的间隔电路断路器2.5、2.6、2.7。间隔电路断路器各经由两个隔离开关3.1、3.2、3.3、3.4和3.5、3.6可连接到两个母线联络。如先前所述，保护区是开关场的电连接部分，它们一般由断开隔离开关以及断开或闭合电路断路器来界定。如图1所示的隔离开关的状态产生本发明的意义上的四个保护区I、II、III、IV，它们通过紧邻黑体单线图的段的不同图案的折线来表示。
图2在底部示出图1的母线联络1.1的一部分，其中包括段电路断路器2.3和相邻保护区II、III。除了图1所示的一次装置之外，变电站还包括辅助设备或智能电子装置(IED)，例如低级IED LL1至LL5以及经由过程总线7.1和站总线7.2所互连的高级IED HL1、HL2。在如闪电所表示的母线联络1.1的区域II中的母线联络故障的示范情况下，界定保护区II的电路断路器2.1、2.5、2.6和2.3必须跳闸或断开。对应跳闸消息通过变电站通信网络传播到指配给并且控制相应电路断路器的IED LL1、LL2、LL3和LL4。类似状况在断路器2.1的示范断路器故障的情况下发生，以及随后的断路器故障保护消息定向到区域II中的断路器2.5、2.6和2.3以及保护区I中的断路器2.4。
这时，在低级IED LL4不可用的情况下，为了母线联络保护或断路器保护的连接电路断路器2.3也是这样，并且区域跳闸无法按常规方式从一个区域转发到另一区域。按照本发明，如图2中的水平双箭头所示的附加逻辑通信链路连同高级的适当功能扩展使跳闸消息能够经由高级IED HL2从高级IED HL1转发到低级IED LL5(其又控制电路断路器2.2的操作)。附加逻辑通信链路的提供具体来说包括在高级IED HL2上例示并且实现高级母线联络或断路器故障保护功能的IEC 61850逻辑结点的通信段的高级IED的适当配置。
按照本发明的旁路转发可由在接收IED LL5所实现的某个种类的触发永久地激活和补充，以考虑连接断路器2.3或者所指配连接IED LL4的实际故障，仅在这种情况下，所转发消息必须没有被忽略。但是，由于在跳闸消息的接收时的连接断路器或IED不可用性的对应确认可能使IED LL5对区域跳闸的执行延迟，所以看来优选的是在区域边界对所确立故障专门激活转发旁路。
母线联络保护的具体示例包括母线联络差动功能，其评估要跳闸的母线联络电流的非零和。在LL4因不可用连接IED LL4而缺失来自连接母线段的结点电流信息的情况下，缺失值可通过来自相应的相邻区域的电流的总和来替代。相应地，高级IED HL1、HL2均从对应区域II、III的已知数据来计算总和数据，其随后被提供给相应对等高级IED HL2、HL1。换言之，所交换的过程信息可包括从多个低级IED始发的概括或者预处理数据。
虽然在附图和以上描述中详细描述了本发明，但是这种描述被认为是说明性或示范性而不是限制性的。通过研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的变更是本领域的技术人员能够理解和实施的，并且实施要求保护的本发明。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”、“一个”并不排除多个。在不同权利要求中引述某些元件或步骤的唯一事实并不表示这些元件或步骤的组合不能有利地使用、具体来说作为对实际权利要求相关性的补充，任何其他有意义的权利要求组合将理解为被公开。

Claims (5)

1.一种采用包括经由连接一次装置(2.3)所连接的两个区域(II，III)的过程结构来控制工业过程的工业自动化和控制系统IACS，所述IACS包括多个通信上互连的智能电子装置IED，其中低级IED (LL1至LL5)与所述工业过程的一次装置(2.1至2.7；3.1至3.6)进行交互，并且其中两个高级IED (HL1，HL2)各自分别代表所述两个区域中的一个来实现高级功能，
其特征在于，所述IACS包括所述两个高级IED之间的逻辑通信链路，以在与所述连接一次装置进行交互的连接IED (LL4)的不可用性的情况下传送从所述两个区域中的第一区域始发并且对代表所述两个区域中的第二区域的高级功能是相关的过程信息，所述IACS还包括用于监控所述连接IED并且用于激活所述逻辑通信链路的部件。
2.如权利要求1所述的IACS，其中，所述IACS是操作高压或中压电力网中的变电站的变电站自动化SA系统，并且所述高级功能是母线联络保护或断路器故障保护功能中的一个。
3.如权利要求2所述的IACS，其中，所述逻辑通信链路包括经由过程总线(7.1)或者经由变电站通信网络的站总线(7.2)在所述两个高级IED (HL)之间的GOOSE或SV消息的交换。
4.一种操作采用包括经由连接一次装置(2.3)所连接的两个区域(II，III)的过程结构来控制工业过程的工业自动化和控制系统IACS的方法，所述IACS包括多个通信上互连的智能电子装置IED，其中低级IED (LL1至LL5)与所述工业过程的一次装置(2.1至2.7；3.1至3.6)进行交互，并且其中两个高级IED (HL1，HL2)各自分别代表所述两个区域中的一个来实现高级功能，所述方法包括：
- 建立所述两个高级IED之间的逻辑通信链路，以在与所述连接一次装置进行交互的连接IED (LL4)的不可用性的情况下传送从所述两个区域中的第一区域始发并且对代表所述两个区域中的第二区域的高级功能是相关的过程信息；
- 在已检测到所述连接IED的故障后激活所述逻辑通信链路。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述IACS是操作高压或中压电力网中的变电站的变电站自动化SA系统，并且所述高级功能是母线联络保护或断路器故障保护功能中的一个。
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