CN112470487A

CN112470487A - 用于现场设备的远程监测和诊断的方法和装置

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Publication number: CN112470487A
Application number: CN201980050781.6A
Authority: CN
Inventors: D·坦杜尔; A·瓦吉斯; A·英加拉利; S·库马尔
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: WO2020026070A1; CN112470487B; US20210297755A1; EP3831088A1; US12010469B2; EP3831088B1

Abstract

公开了一种用于通过工业无线网络的现场设备的远程诊断和监测的方法。与现场设备相关联的诊断单元使通过现场无线电装置的测量数据到基站的通信优化。诊断单元通信地链接到现场无线电装置。测量数据从现场设备获得，并且通信信道的多个通信参数基于来自现场无线电装置的通信来获得。基于分组大小、数据速率以及所要求的应用响应性，生成包括测量数据的一个或多个分组。所生成的分组基于分组大小和应用响应性以所选时间间隔传递到现场无线电装置，以便传递到基站。

Description

用于现场设备的远程监测和诊断的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及现场设备的状况监测。更特别地，本发明涉及经由工业通信网络的现场设备的远程监测和诊断。

背景技术

针对电功率系统的远程诊断和监测使维护团队能够持续地监督现场设备的状况和性能。为了促进远程状况监测，与电力系统的现场设备相关联的诊断数据（其在下文中被称为测量数据）需要在持续的基础上被传递到远程控制中心。工业无线网络（诸如，低功率广域网（LPWAN））被利用来促进现场设备与远程控制中心之间的前述通信。

在典型的场景中，测量数据被传递到与现场设备相关联的现场无线电装置。现场无线电装置经由长程无线基站（BS）与远程控制中心通信。诊断数据的通信取决于可用于由现场无线电装置的数据的传输速率。一般而言，BS提供随着到现场无线电装置的距离从BS增加而逐渐减小的数据速率/带宽。

典型地，现场无线电装置以针对距BS最远的可能距离适用的设定来操作。因此，现场无线电装置以最低数据速率设定操作并且尽可能频繁地接入无线网络，以便完成测量数据的传输。因此，以最低数据速率传送测量数据不仅未能利用可用于附近现场无线电装置的高数据速率，而且还导致过量的网络接入。

此外，每现场装置的操作成本基于现场无线电装置接入无线网络的次数。在其中数千个现场无线电装置在长程网络中被连接的场景中，与频繁的信道接入通信相关联的操作成本变得相当大。因此，以最低数据速率传送测量数据导致高操作成本。

另外，在子千兆赫兹（subGHz）频谱中操作的工业无线网络（诸如，LPWAN）具有占空比限制。取决于操作频谱，现场无线电装置被预期为处于传送模式达1%至10%的传输时间。在完成传送模式时，现场无线电装置需要安静达与传送模式时间成比例的时段，这进而在传送的测量数据的分组大小长的时候影响应用响应性。因此，以最低数据速率传送测量数据可能影响监测和诊断应用。

因此，期望针对电功率系统的现场设备的远程诊断和监测在现场无线电装置与BS之间具有用于通信的备选方法。

发明内容

本发明提供用于电力系统的现场设备的远程诊断和监测的方法。出于远程诊断的目的，现场设备向能够通过工业无线网络（诸如，低功率广域网（LPWAN））与基站通信的现场无线电装置提供诊断数据（其在下文中被称为测量数据）。基站将测量数据传递到负责执行现场设备的状况监测的远程控制中心。在示例中，基站可以是LPWAN网关，并且远程控制中心可以是包括通过云网络与LPWAN网关通信的物联网（IOT）应用。

方法利用与现场设备相关联的诊断单元来执行。诊断单元可以是智能电子装置（IED）、传感器或被提供有智能断路器的诊断单元。备选地，诊断单元可以是被提供用于获得并且传递与现场设备（诸如，断路器）相关联的数据的专用单元，其中，这样的现场设备不具有通过工业无线网络传递数据的能力。诊断单元从现场设备获得测量数据。诊断单元通信地链接到现场无线电装置。方法包括获得由现场无线电装置用于与基站通信的通信信道的多个参数。多个参数包括分组大小、数据速率、接收信号强度指示符（RSSI）以及占空比。多个参数中的至少第一参数利用多个参数中的至少第二参数来估计。例如，第一参数包括分组大小和数据速率，并且第二参数可以包括RSSI和占空比。

典型地，通信信道的多个参数（诸如，数据速率和分组大小）取决于距基站（BS）的现场无线电装置的距离。例如，位于距BS 300米处的现场装置可以被提供有50kbps的数据速率和250个媒体接入控制（MAC）层单元的分组大小，而相应地位于2千米（km）处的相同的现场装置可以被提供有1-2kbps的数据速率和123个MAC单元的分组大小，并且在10km处被提供有0.25kbps和59个MAC单元。

该方法还包括由诊断单元从现场设备获得测量数据以用于传送到现场无线电装置。测量数据可以包括与现场设备的操作相关联的操作数据、传感器数据以及估计数据。操作数据可以包括事件数据，所述事件数据可以响应于与现场设备的事件关联而生成。在示例中，现场设备是断路器，并且诊断单元与断路器通信地链接，以便获得测量数据。

基于分组大小、数据速率以及针对应用所要求的应用响应性（测量数据），由诊断单元生成一个或多个分组。典型地，测量数据在与诊断单元相关联的存储设备（其在下文中被称为缓冲器）中被缓冲。为了生成一个或多个分组，能够被容纳于一个或多个分组中的每个分组中的测量数据的量根据应用响应性来确定。

典型地，应用响应性依据在现场设备处生成事件（例如警报）的时间到事件被处理的时间来确定，并且事件的严重性在远程控制中心处被诊断。应用响应性可利用诊断单元来使用，并且根据包括事件数据的操作数据作为第一时间段和第二时间段中的一个而被选择。因此，如果操作数据包括与警报事件对应的事件数据，则所要求的应用响应性将是与在操作数据包括除了事件数据之外的数据时相比更短的时段。

此外，基于所获得的占空比，现场无线电装置能够处于传送模式达传输时间的预定义的时间段（TimeOnAir）。例如，现场无线电装置能够处于传送模式达该时间的1%至10%。在传送分组时，现场无线电装置需要处于安静模式达时间段Toff_子带=（Time_onAir/占空比）-Time_OnAir。如果分组大小是大的，则通信信道被阻断达较长的持续时间，由此影响应用响应性。因此，所生成的分组的大小是固定的，以便限制通信信道被阻断的时间，并且维持所要求的应用响应性。

一个或多个分组被传送到现场无线电装置，以便以所选时间间隔传递到基站，其中，时间间隔关于分组大小、数据速率以及应用响应性来选择。所选的时间间隔是可利用现场无线电装置来使用以便在操作数据包括事件数据时传送一个或多个分组的最小时间间隔。例如，如果操作数据包括除了事件数据之外的数据，则时间间隔基于所选分组大小和可应用于所选分组大小的时间间隔来选取。然而，如果操作数据包括事件数据，则测量数据在没有缓冲的情况下就被发送到现场无线电装置，并且选取可用的最小时间间隔，以便传送事件数据。

在生成一个或多个分组期间，一个或多个分组中的至少一个分组包括对于现场无线电装置与基站之间的连接的状况监测的RSSI（和/或其它链路质量参数）。RSSI典型地是使接收方（诸如，控制中心或IOT应用）能够预测或分析解决（troubleshoot）缺失数据状况的无线链路质量指示符。此外，一个或多个分组中的至少一个分组包括测量数据的传输的调度。调度使接收方能够确定来自现场无线电装置的下一分组的到达时间。因此，在所确定的到达时间未接收到下一分组可以指示现场无线电装置的失效或现场无线电装置与基站之间的通信的失效。

根据实施例，诊断单元包括多个模块，其中的每个执行方法的一个或多个步骤。在一个实施例中，诊断单元包括第一输入接口、第二输入接口、分组生成模块、输出接口以及缓冲器。模块利用诊断单元的（一个或多个）处理器来实现。例如，模块可以利用诊断单元（诸如，中压设备的IED，诸如，开关设备（switchgear））来实现。在另一示例中，模块可以在诸如智能断路器之类的装置内实现。

第一输入接口获得由现场无线电装置用于与基站通信的通信信道的多个参数，其中，多个参数包括分组大小、数据速率、接收信号强度指示符（RSSI）以及占空比。在此，第一输入接口可以从现场无线电装置得到一些参数（例如，RSSI、占空比），并且使用所接收的参数来推导一些参数（例如，分组大小、数据速率）。第二输入接口可以获得与现场设备相关联的测量数据以用于传送到现场无线电装置，其中，测量数据包括与现场设备的操作相关联的操作数据、事件数据、传感器数据以及估计数据中的一个或多个。例如，第二输入接口可以从耦合到现场设备的电流传感器、辅助电压传感器和/或温度传感器接收测量数据。测量数据还能够具有所处理的数据，其中，处理由诊断单元执行。

缓冲器存储从第二输入接口单元接收的测量数据（按照要求），并且将测量数据以预定义的速率输出到分组生成模块。在实施例中，缓冲器是诊断单元外部的存储器，并且通信地耦合到第二输入接口和分组生成模块。在另一实施例中，缓冲器被包括在诊断单元内。分组生成模块基于可用于传输的分组大小和数据速率以及针对测量数据所要求的应用响应性来生成用于由现场无线电装置传输的一个或多个分组。对于与事件和警报对应的事件数据，所要求的应用响应性通常更高，由此导致生成与针对不具有事件数据的测量数据所生成的分组大小相比更小的分组大小。输出接口将一个或多个分组传送到现场无线电装置，以便以基于分组大小、数据速率以及应用响应性来选择的所选时间间隔传递到基站。

附图说明

图1是工业无线网络的简化视图，其中能够实践本发明的各种实施例。

图2是根据本发明的实施例的促进现场设备的远程诊断和监测的诊断单元的框图。

图3是根据本发明的实施例的用于现场设备的远程诊断和监测的方法的流程图。

图4A和图4B是图示示例无线工业网络中的通信信道的多个参数的表格。

图5是图示根据本发明的实施例的用于现场设备的远程诊断和监测的一个或多个分组的生成的流程图。

具体实施方式

本发明提供用于利用与现场设备相关联的诊断单元的现场设备的远程诊断和监测的方法。诊断单元可以是智能电子装置（IED）、传感器或被提供有智能断路器的诊断单元。备选地，诊断单元可以是被提供用于获得并且传递与现场设备（诸如，断路器）相关联的数据的专用单元，其中，这样的现场设备不具有通过工业无线网络传递数据的能力。诊断单元通信地链接到能够通过工业无线网络与基站（BS）通信的现场无线电装置。诊断单元获得现场设备的诊断数据（其在下文中被称为测量数据），所述诊断数据需要经由现场无线电装置传递到BS。BS将测量数据传递到配置成基于测量数据来远程地诊断并且监测现场设备的远程服务器（例如，IOT应用）。

所公开的方法基于多个通信信道参数和所要求的应用响应性来生成用于由现场无线电装置传输测量数据的分组。多个通信信道参数包括在距BS存在现场无线电装置的距离处可应用的分组大小、数据速率、接收信号强度指示符（RSSI）以及占空比。应用响应性由诊断单元基于在测量数据内存在事件数据来确定。无论现场无线电装置的位置的任何改变或工业无线网络中的改变如何，所公开的分组传输都改进由现场无线电装置传送数据的效率。

所公开的方法利用与现场设备相关联的诊断单元来实现。诊断单元可以在内部或在外部与现场设备耦合。在实施例中，现场设备是断路器，并且诊断单元与断路器相关联，以便获得测量数据。

本发明的各种实施例能够在诸如图1中所示出的环境100之类的环境中实践。图1中所示出的环境100描绘工业无线网络，所述工业无线网络具有与三个现场无线电装置（104、106、108）通信的基站（BS）（102），所述三个现场无线电装置（104、106、108）通信地链接到与相应的现场设备（110、112、114）相关联的诊断单元（未示出）。尽管本文中的环境100描绘三个现场无线电装置，但理解到，本发明可利用数千个现场无线电装置来操作。备选地，本发明可使用单个现场无线电装置来操作。因此，本发明能够利用一个现场设备、两个现场设备或多个现场设备来实现。

图1示出位于距BS的距离116处的现场无线电装置104、位于距离118处的现场无线电装置106以及位于距BS的距离120处的现场无线电装置108。由于现场无线电装置与现场设备并置（collocate），所以现场设备与BS之间的距离与对应的现场无线电装置与BS之间的距离是相同的。作为示例，在分布网络中，距BS的现场无线电装置的距离将取决于现场无线电装置所连接到的断路器开关或自动开关（recloser）的位置。

一般而言，更靠近BS的现场无线电装置被提供有比距BS更远的现场无线电装置更大的分组大小和更高的数据速率以用于传输。例如，在低功率广域网（LPWAN）中，现场无线电装置104的距离118可以是300米，并且300米处的可用数据速率可以是50kbps，而对于存在于2 km的距离120处的现场装置106，可用数据速率可以是1.7kbps，并且对于存在于10km处的现场装置108，可用数据速率可以是0.25kbps。因此，可用于现场无线电装置104的分组大小是250个媒体接入（MAC）层单元，而可用于现场无线电装置106的分组大小是123个MAC单元，并且可用于现场无线电装置108的分组大小是59个MAC单元。

在现有技术中，每个现场无线电装置（例如，104、106以及108）配置成为了一致性而以最低可能的可用数据速率（即，0.25kbps）工作。然而，这样的传输可能导致对于附近现场无线电装置（即，104和108）的可用数据速率的浪费。因此，与现场设备（例如，104、106或108）相关联的诊断单元（未示出）使可用数据速率和基于从现场设备（例如，104、106或108）所接收的测量数据和对于应用（测量数据）的所要求的应用响应性来生成分组的分组大小的使用优化。诊断单元参考图2来解释。

图2是诊断单元（200）的框图。诊断单元（200）的实例与每个现场设备（110、112以及114）相关联。诊断单元（200）的实例促进现场设备（例如，110、112以及114）的远程诊断和监测，其中，诊断单元（200）的实例通信地链接到与现场设备（110、112以及114）相关联的现场无线电装置（相应地，104、106以及108）。现场无线电装置（104、106、108）能够通过工业无线网络与基站（例如，102）通信。诊断单元（200）包括多个模块，诸如，第一输入接口（202）、第二输入接口（204）、分组生成模块（206）、输出接口（208）以及缓冲器（210）x。诊断单元（200）的多个模块中的每个执行图3中所公开的方法的一个或多个步骤。

图3是图示根据实施例的用于通过工业无线网络（例如，图1中所示出的工业无线网络）利用与现场设备（114）相关联的诊断单元（例如，200）的现场设备（例如，114）的远程诊断和监测的方法的流程图300。诊断单元（200）通信地链接到现场无线电装置（108），所述现场无线电装置（108）能够通过工业无线网络与基站（102）通信。

在步骤302中，由诊断单元（例如，200）获得由现场无线电装置（例如，108）用于与基站通信的通信信道的多个参数。在实施例中，多个参数包括分组大小、数据速率、接收信号强度指示符（RSSI）以及占空比。在实施例中，多个参数中的至少第一参数利用多个参数中的至少第二参数来估计。例如，分组大小根据RSSI和占空比来估计。类似地，数据速率根据RSSI和占空比来估计。

结果，从诊断单元获得在距BS（102）存在现场设备（例如，114）的距离（例如，120）处可用的通信信道参数。例如，在LoRA LPWAN中，如果现场设备位于距BS 10km处，则可用数据速率可以是0.25kbps，并且可用于传输的分组大小可以是59个MAC单元。

在步骤304中，由诊断单元获得与现场设备相关联的测量数据以用于传送到现场无线电装置。测量数据包括与现场设备的操作相关联的操作数据、传感器数据或估计数据。在示例中，传感器数据可以包括与现场设备的操作有关并且由耦合到现场设备的多个传感器（诸如，电流传感器、温度传感器以及辅助电压传感器）检测的多个参数。在另一示例中，操作数据可以包括与诸如涉及现场设备的警报或严重故障之类的事件对应的事件数据。备选地，操作数据可以包括与操作相关联的数据（例如，用于断路器的开关数据）。

从第二输入接口单元所接收的测量数据能够按照要求存储在缓冲器（210）中。缓冲器（210）是能够将预定义的数据的量在将其向分组生成模块（206）提供以便生成用于传输的分组之前存储的存储器存储设备。在示例中，缓冲器是耦合到诊断单元的外部存储设备。

在步骤306中，由诊断单元生成用于由现场无线电装置传输的一个或多个分组。可用于传输的分组大小和数据速率以及针对测量数据所要求的应用响应性确定生成一个或多个分组。

例如，如果每小时从现场设备接收20个MAC单元的测量数据，则所生成的一个或多个分组将基于现场装置处的可用数据速率和分组大小。在其中工业无线网络是LoRA LPWAN的示例中，力图参考如图4A和图4B中所示出的可用信道参数。

图4A是将可用的物理数据速率406映射到LoRA 404的配置的表格400A。此外，每个物理数据速率由符号数据速率402指定。例如，250bps的数据速率406a被映射到0的符号数据速率402a。类似地，440bps的数据速率406b被映射到1的符号数据速率404a。为了确定可用于符号数据速率的分组大小，力图参考表格400B。表格400B图示对于符号数据速率402的可用分组大小410。例如，0的符号数据速率402a具有59个MAC单元的分组大小410a。因此，对于存在于距BS（102）10km处的现场装置（108），可用数据速率是250bps，并且分组大小是59个MAC单元。

此外，对于20个MAC单元的测量数据，分组生成模块（206）可以从缓冲器获得两倍的测量数据，以在59个MAC单元的可用分组大小内容纳40个MAC单元。因此，现场无线电装置每两小时传送一次测量数据。形成对照的是，对于位于300米的距离116处的现场无线电装置，可用数据速率可以是50kbps。对于50Kbps的数据速率，在同时读取表格400A和表格400B时，可用的分组大小是250个MAC单元。在此情况下，分组生成模块（206）能够在单个分组（或单个分组传输）内大约容纳总计为249个单元的来自缓冲器的12个测量值。因此，现场无线电装置可以每12小时传送一次分组。

分组生成模块（206）促进缓冲器（210）内的测量数据的缓冲，直到可用的整个分组大小被占用为止。在其中测量数据的大小超过可用分组大小的示例中，测量数据被拆分成部分，其中，每个部分被容纳于可用于传输的分组内。此外，容纳拆分部分的分组通过在每个分组内包括连续性指示符而依次被标识。在其中测量数据能够被容纳于可用的最大分组大小内的另一示例中，在这样的分组内包括全部的测量数据生成该分组。

分组生成模块（206）可以在分组内添加RSSI或链路质量指示符和传输调度。例如，在其中测量数据的40个MAC单元占用分组的59个MAC单元的情况下，剩余的19个MAC单元可以被利用于指示分组的传输的RSSI和调度。例如，可以在分组的传输的调度内提供传送下一分组的时间实例。调度帮助接收方控制中心或IOT应用获知下一分组被预期为何时从现场无线电装置（例如，104）到达。

在步骤308中，一个或多个分组由输出接口（208）传送到现场无线电装置（例如，108），以便以所选时间间隔传递到基站（BS）。时间间隔关于分组大小、数据速率以及应用响应性来选择。应用响应性依据在现场设备处生成事件（例如警报）的时间到事件被处理的时间来确定，并且事件的严重性在远程控制中心处被诊断。应用响应性可利用诊断单元来使用，并且根据包括事件数据的操作数据作为第一时间段和第二时间段中的一个而被选择。

因此，如果操作数据包括与事件对应的事件数据，则所要求的应用响应性将是与在操作数据包括除了事件数据之外的数据时相比更短的时段。在实施例中，如果操作数据包括与利用现场设备发生的事件对应的事件数据，则选择可用于传输的最小时间间隔，并且包括事件数据的测量数据在没有缓冲的情况下就被传递。

图5图示了图示根据实施例由分组生成模块（206）生成一个或多个分组的流程图500。在502，由分组生成模块（206）接收测量数据和从现场设备接收测量数据（或存储在缓冲器（210）中）的估计时间间隔。在504，利用通信从现场无线电装置获得信道参数，诸如，占空比、RSSI以及数据速率。在506，考虑到所要求的应用响应性和通信成本，生成用于通信的一个或多个分组。在508，所生成的分组示出为包括测量数据、数据速率以及RSSI。

因此，本发明能够用于高效地将与现场设备相关联的测量数据格式化并且分组以用于传输到预期的接收方，诸如，控制中心或远程IOT应用。控制中心或IOT应用可以是通过云网络通信地耦合到基站的远程监测解决方案。此外，由于每现场无线电装置的操作成本基于现场无线电装置接入通信信道以及云枢纽（cloud hub）中的相应处置的次数，所以使将通信信道接入最小化的现场无线电装置的通信优化帮助使总操作成本优化。

Claims

1.一种用于利用与现场设备（110、112、114）相关联的诊断单元（200）的所述现场设备的远程诊断和监测的方法，其中，所述诊断单元通信地链接到能够通过工业无线网络与基站（102）通信的现场无线电装置（104、106、108），所述方法包括：

获得由所述现场无线电装置用于与所述基站通信的通信信道的多个参数，其中，所述多个参数包括分组大小、数据速率、接收信号强度指示符（RSSI）以及占空比，其中，所述多个参数中的至少第一参数利用所述多个参数中的至少第二参数来估计；

获得与所述现场设备相关联的测量数据以用于传送到所述现场无线电装置，其中，所述测量数据包括与所述现场设备的操作相关联的操作数据、传感器数据以及估计数据中的一个或多个；

基于所述分组大小和可用于传输的所述数据速率以及针对所述测量数据所要求的应用响应性来生成用于由所述现场无线电装置传输的一个或多个分组，其中，所述应用响应性基于包括事件数据的所述操作数据来确定；以及

将所述一个或多个分组传送到所述现场无线电装置，以便以所选时间间隔传递到所述基站，其中，所述时间间隔关于所述分组大小、所述数据速率以及所述应用响应性来选择。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分组大小和所述数据速率根据所述RSSI和所述占空比来确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个分组中的至少一个分组包括用于所述现场无线电装置与所述基站之间的连接的状况监测的所述RSSI。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所选择的所述时间间隔是可利用所述现场无线电装置来使用以便在所述操作数据包括所述事件数据时传送所述一个或多个分组的最小时间间隔。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述应用响应性可利用所述诊断单元来使用，并且根据包括所述事件数据的所述操作数据作为第一时间段和第二时间段中的一个而被选择。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述一个或多个分组包括根据所述应用响应性来确定能够被容纳于所述一个或多个分组中的每个分组中的所述测量数据的量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或多个分组中的至少一个分组包括所述测量数据的传输的调度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述现场设备是断路器，并且所述诊断单元与所述断路器通信地链接，以便获得所述测量数据。

9.一种促进现场设备（110、112、114）的远程诊断和监测的诊断单元（200），其中，所述诊断单元通信地链接到能够通过工业无线网络与基站（102）通信的现场无线电装置（104、106、108），其中，所述诊断单元包括：

第一输入接口（202），用于：

第二输入接口（204），用于：

获得与所述现场设备相关联的测量数据以用于传送到所述现场无线电装置，其中，所述测量数据包括与所述现场设备的操作相关联的操作数据、事件数据、传感器数据以及估计数据中的一个或多个；

分组生成模块（206），用于：

输出接口（208），用于：

10.根据权利要求9所述的诊断单元，还包括：

缓冲器（210），所述缓冲器（210）存储从所述第二输入接口单元接收的所述测量数据。