CN1921527A - 工业通信网络的监视 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业通信网络并且特别是变电站自动化系统的故障通信网络部件的识别。这是通过监控构成通信网络的所有通信路径中的受限数量的通信路径来实现的，其中每个被监控路径包括一组不同网络部件并且由两个端设备来定界。每个通信路径的故障状态或工作状态被确定和报告。作为工作路径的部分的任何网络部件自身被看作是工作的，即无故障的，而所有其它网络部件被认为是非工作的或潜在出故障的。如果存在一个以上的非工作部件，则评估附加的合适通信路径，直到单独一个故障网络部件被识别并且随后被报告为需要维修或更换。本发明特别适用于一些网络部件，即通信路径的线路或一些节点是自身不能报告工作状态的无源部件或非智能设备的情况。

Description

工业通信网络的监视

技术领域

本发明涉及用于控制工业过程的分布式控制系统的领域，并且具体涉及用于高压或中压变电站的变电站自动化。其特别涉及监视工业通信网络的方法，该通信网络包括用于连接到该通信网络的每对端设备(end device)的单个、明确的端到端通信链路。

背景技术

在分布式控制系统的工业通信网络中，可靠性和可用性是关键问题，因为出故障的通信网络通常招致控制过程的中断，该中断可能导致所控制的工业过程的停止。因此对工业通信网络的出故障的或不可操作的部件的快速识别是重要的。这对于变电站自动化(SA)领域是特别有效的，因为SA系统的可靠性对整个电力网的可靠性有即时影响。

用于高压和中压电力网中的电力分配的变电站包括一次或现场设备，如电缆、线路、母线、开关、断路器、电力变压器和仪表变压器等。这些一次设备通过负责控制、保护和监视变电站的变电站自动化(SA)系统、以自动化方式来操作。SA系统包括可编程的二次设备，即所谓的智能电子设备(IED)，互连在SA通信网络中，并且通过过程接口与一次设备交互。IED通常被指定为三个层次层之一，即站控层(station level)，具有包括人机界面(HMI)的操作者位置以及到网络控制中心(NCC)的网关，间隔层(bay level)，具有其用于保护和控制的间隔单元(BU)，以及过程层。过程层单元包括例如用于电压、电流和气体密度测量以及用于开关和变压器抽头变换器位置的电子传感器，或控制断路器或隔离器的致动器或驱动的断路器-IED。智能致动器或断路器IED可以集成在相应的智能一次设备中，并且通过串联链路或光学过程总线连接到间隔单元。BU通过间隔间或站总线在站控层上彼此连接并连接到IED。

可靠的SA系统典型地需要即使在部件出故障时仍继续可操作，即导致变电站变得不可操作的单点故障是不可接受的。由于例如用于光纤链路的故障二极管所导致的通信端口的丢失而造成的SA通信网络部件的故障，可导致到整个变电站、单独一个间隔或仅一个IED的入口的丢失。尽管单独IED的电子组成部分的故障率已经很低，冗余是增加SA系统可靠性的一种方式。冗余可以通过将部件加倍或通过从环型通信链路的固有冗余中受益来实现。即使在这样的冗余的SA通信网络中，检测错误或出故障的部件以便维修或更换该部件和重新建立必不可少的冗余也是重要的。因此，对于SA通信网络的所有部件，包括IED、以太网交换机、以太网线路、光纤线路、集线器和光电星形耦合器，知道其可用性是重要的，换句话说，必须尽可能快地定位和诊断部件的故障以便安排维修或更换。

在基于新标准IEC 61850的SA通信网络中，光纤和交换机的使用克服了以太网的一些局限，如冲突以及允许的长度延伸。但是，专门在物理层针对电光转换而工作的光电星型耦合器，专门针对电连接而工作的以太网集线器，以及所有互连物理线路是失去任何智能或可编程性的无源部件。

在具有智能或有源设备如路由器或以太网交换机的工业通信网络中，这些设备自身可以识别为发生故障或需要维护。诸如自诊断的结果然后借助专用协议如简单网络管理协议(SNMP)发送到监视设备以便评估。SNMP是被开发以便管理IP网络上的节点(服务器、工作站、路由器和交换机等)的因特网标准协议。对于保证管理注意力的任何状况，该协议可以支持对智能网附带设备的监视。但是所发送的特定数据常常是特定于设备并且仅能够由通信专家正确解释。另外，除非为监视无源或非智能部件提供了补充的智能，后者的故障不能以此方式来识别。

发明内容

因此本发明的一个目的是识别工业通信网络的故障部件而无需回到专用通信协议。本发明的另一目的是识别故障无源元件，而不需要监控后者的附加设备。这些目的是通过分别如权利要求1、7和8中所要求保护的用于监视工业通信网络的方法以及计算机程序和系统来实现的。另外的优选实施例从从属专利权利要求来看是明显的。

根据本发明，构成通信网络的所有通信路径中的受限数量的通信路径得到监控，其中每个被监控的路径包括一组不同的网络部件并且由两个端设备来定界。每个通信路径的故障状态或工作状态被确定和报告。作为工作路径的部分的任何网络部件自身被看作是工作的，即无故障的，而所有其它网络部件被认为是非工作的或潜在出故障的。如果存在一个以上的非工作部件，则评估附加的合适通信路径，除非单独一个故障网络部件被识别并且随后被报告为需要维修或更换。本发明特别适用于如下情形，其中一些网络部件，即通信路径的线路或一些节点是自身不能报告工作状态的无源部件或非智能设备。

在本发明的第一实施例中，每个路径的两个端设备之一是监控智能电子设备(IED)，其负责确定路径的工作状态。为了避免污染网络或特定协议的实施，为此目的而例如通过如下来评估常规网络数据通信量：只要监控IED接收到来自该路径的被监控端的消息就认为该路径在工作中。

监控IED将所监控的路径的工作状态报告到其自身可以是监控IED的监视IED。有利地，监控IED通过排除了任何上面提到的互连网络部件的备份或旁路通信通道与监视IED通信。单独的通信通道仅在监控和监视IED之间需要，并且可以是直接的串联连接，以比例如所有IED之间的上述以太网通信路径低得多的比特率工作的便宜网络，或另一个已经存在的站控层网络。

在另一实施例中，提供通信网络中的冗余，即一些其部件或甚至是整个网络被复制。通信路径的非工作状态随后通过冗余部件来报告。这防止了位于路径远端的端设备被隔离和不能传送其观察结果，即关于在那里终结的通信路径的状态的信息。这种类型的信息恰好是监视IED完成其对网络的观察并且识别损坏部件所需要的。

本发明最有益地应用到变电站自动化系统的通信网络，因为后者依赖于高可用性并且因此依赖于没有操作冗余的最小化的时间。另外，用于SA系统的新通信网络可以包括专门在物理层针对电光转换而工作的星型光耦合器，以及集线器，它们是失去任何智能或可编程性的无源部件。在此情况下，监控IED通常被指定为站控层，而在通信路径的另一端的被监控端设备被指定为层次较低的层。但是，如果存在第二、冗余的通信网络，则监控IED优选地被指定为过程层，而来自站控层的IED充当监视IED。

本发明适用于可以明确地表示为端设备或应用层IED之间的多个端到端通信路径的叠加或分解成上述多个路径的任何通信网络或其部分。换句话说，仅一个路径必须存在于任何两个端设备之间，例如对于星型或树型网络就是这样，而与例如环型拓扑相反。尽管应用层LED可以通过第二物理端口连接到第二通信网络，上面的考虑专门适用于一个网络，并且第二通信网络至多为了所提到的冗余或备份目的而被包括。另外的局限涉及如下事实，即具有仅两个线路的通信节点的故障显然不能与该两个线路之一的故障区分开。同样，如果通信节点发生故障，在该节点处终结的任何线路的故障不能与该节点的故障区分开。在此情形中，根据节点是最可能的错误源的经验，将故障归因于该节点而不是该线路。

附图说明

在下面的文本中将参照在附图中说明的优选示范实施例更详细地说明本发明的主题，在附图中：

图1示出通信网络，以及

图2描述用于图1的网络的通信表。

附图中使用的参考符号以及它们的含义以汇总的形式在参考符号列表中列出。原则上，相同的部分在图中提供有相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出具有五个智能电子设备(IED)D1-D5、三个节点N1-N3和两个线路L1、L3作为其构成部件的通信网络。通过将其部件的一些或全部加倍，可以使所述网络成为部分冗余的。多个通信路径限定在用作端设备的IED D1-D5中的相应两个之间。对于所限定的每个通信路径，端设备之一被指定为用于监视路径状态的监控IED的角色，而另一个端设备是被监控IED。所述网络中的端设备完全可以是更复杂的网络的节点，该更复杂的网络又可被看作许多较小网络的叠加，并且其拓扑本身可能并不受到根据本发明的通信路径的端到端监视。

在变电站自动化(SA)系统的示范情形中，IED D1-D3是用于在间隔层的保护和控制的间隔单元(BU)，而IED D4、D5是站控层IED，如人机界面(HM)或到网络控制中心的网关(GW)。此情形中的节点N1-N3是以太网交换机或集线器。同样，IED D4、D5可以是间隔保护单元和间隔控制单元，而IED D1-D3是作为根据IEC 61850的电流和/或电压源的合并单元(MU)、将断路器表示为一次设备的断路器IED或任何其它过程层IED之一。

如上面指出的，本发明适用于可以明确地表示为两个IED之间的多个端到端通信路径的叠加或分解成上述多个路径的任何通信网络或其部分。换句话说，仅一个路径必须存在于任何两个端设备之间，例如对于星型或树型网络就是这样。但是通常没有对端设备与将所述端设备连接到最近节点的网络的线路或部分进行区分，即仅可针对由端设备和对应的端线路构成的对来诊断故障。

关于路径状态的信息被报告给监视中心，该监视中心知道该通信网络的结构并且能够评估工作/非工作状态的总体(totality)。两种可能的评估方式在下面详述。

在第一实施例中，根据图1的通信网络的拓扑以图2中所述的表的形式存储。两个端设备之间的每个端到端路径被分配了该表的一行，而每个部件被分配了一列。作为特定路径的一部分的每个部件相应地标记在其列与所述路径的行的交叉处的字段中，如图2中的灰背景色所示。在所示的实例中，仅包括了节点N1-N3和线路L1、L3，即省略了上述由端设备和对应的端线路构成的对。例如，路径D1-D4和路径D2-D5覆盖所有的节点和两个线路。

对于所监视的每个路径，监控IED将健康状态报告到监视或评估IED，即路径OK与否。所述表中对应行的所有标记字段，对于健康路径，以“+”符号来标记，而对于故障路径，以“-”符号来标记。各个部件的健康状态根据对于所述列的“OR”函数来计算，即具有至少一个“+”标记的任何部件本身被认为是健康的。在图2的实例中，线路L1实际上识别为故障部件。由于图1中的网络拓扑的对称，为了在故障时识别节点N2，采取了一些附加的逻辑考虑以及仅一个部件已经出故障的假设。必须根据具体的拓扑来选择所述表中待监视和报告的路径的数量，例如在图2的表中，路径D1-D5和D2-D4实际不提供任何附加信息并且可以省略。

具有所识别的故障部件的指示的结果信息最终发送到维护中心和/或在通信网络的示意表示上描述给操作者。同样，通过将沿健康路径本身的所有部件标记为健康而不涉及表，可以在这样的表示上或在屏幕上直接跟踪来自监控IED的信息。

标号列表

D1-D5智能电子设备

N1-N3节点

L1、L3线路。

Claims (8)

1.一种监视工业通信网络的方法，所述网络包括互连的端设备(D1-D5)和互连网络部件(N1-N3，L1，L3)，其中在每对端设备(D1，D4；D2，D5)的两个端设备之间可以限定包括至少一个网络部件(N1；N2，L3，N3)的恰好一个通信路径(D1-D4，D2-D5)，特征在于所述方法包括：

a)确定互连两个端设备的一组不同通信路径中的每个通信路径工作或不工作，

b)将所述组的通信路径的至少一个工作通信路径中未包括的网络部件看作不工作的网络部件，

c)通过增加另外的通信路径来扩大不同通信路径的组，并且重复步骤a)和b)，直到单个不工作网络部件被识别。

2.如权利要求1的方法，特征在于步骤a)还包括：

将每对端设备的两个端设备之一限定为相应通信路径的监控端设备，并且由所述监控端设备通过评估常规数据通信量来确定所述相应通信路径的工作状态。

3.如权利要求2的方法，其中所述通信网络包括备份通信通道，其将监控端设备连接到监视端设备，特征在于步骤a)还包括

由所述监控端设备将所述工作状态报告到所述监视端设备，以便执行步骤b)和识别所述单个不工作网络部件。

4.如权利要求1的方法，其中所述通信网络包括冗余部件，特征在于步骤a)还包括

由其端设备之一通过所述冗余网络部件来报告通信路径的工作状态。

5.如权利要求1到4之一的方法，特征在于所述通信网络是变电站自动化系统的部分。

6.如权利要求1到5之一的方法，特征在于所述网络部件(N1-N3，L1，L3)包括无源设备。

7.一种用于监视工业通信网络的计算机程序，其可加载在数据处理单元中并且可在其上执行，并且当一个或多个通信数据处理单元执行该计算机程序时，该计算机程序执行根据前面的权利要求之一的方法。

8.一种用于监视工业通信网络的系统，所述网络包括互连的端设备(D1-D5)和互连网络部件(N1-N3，L1，L3)，其中在每对端设备(D1，D4；D2，D5)的两个端设备之间可以限定包括至少一个网络部件(N1；N2，L3，N3)的恰好一个通信路径(D1-D4，D2-D5)，特征在于所述系统包括：

a)监控端设备，用于确定将监控端设备互连到被监控端设备的一组不同通信路径中的每个通信路径工作或不工作，

b)监视端设备，用于将未包括在所述组的通信路径的至少一个工作通信路径中的网络部件看作不工作的网络部件，并且用于识别其中的单个不工作网络部件。

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