专利名称：Scada系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分散式控制与数据记录系统(SCADA系统)所述系统 安装在分散式的能源(DER)中，特别是风力涡轮机组(Windturbineneinheit) 中，和/或在分散式的能源(DER)处，特别是风力涡轮机组处分散地使用， 所述系统包括控制分散式的能源(DER)的控制单元，特别是涡轮控制单元； 存储操作数据和/或操作参数的数据库；以及与外部单元通过外部网络交换数 据和/或操作命令的网络通信接口 。
背景技术：
所述的SCADA系统通常与不同的分散式的能源(DER) —起使用。使 用这种SCADA系统的DER通常是太阳能设备、生物发电站或风能设备。
分散式的能源，特别是风力涡轮设备，始终作为能源供应系统中较重要 且较经济的能源。因此，分散式的能源遍布全世界。在DER企业中， 一般 分为DER用户与DER的股东(Anteilsinhaber) 。 DER的股东主要是指工程 设计事务所，制造商和维护公司。
在上述的各方之间需要涉及DER运行的技术数据交换通信。所述的控 制和数据记录系统能够满足此目的。在盎格鲁撒克逊语中縮写语SCADA就 是指监观!j控制与数据采集(supervisory control and data aquisition)。上述各 方因利益使然，经常需要调用(abrufen)风力涡轮的操作数据，并对这些操 作数据以特殊的方式进行进一步的处理。例如，电力供应商调用风能设备实 际供应的电量进行费用的结算。工程设计事务所经常需要的则是与设备维护 相关的数据，例如运行持续的时间、运行的过程，或实时的运行参数。同时， 他还期望通过下达操作命令，从外部施加影响，来控制DER。由于上述各方 一般情况下并非居住在分散式的能源地，因此，可能需要远程数据查询或双 向数据交换。为了确保这种远程数据交换，所述的SCADA系统提供了网络 通信接口。例如，美国专利文献US 7，013，202 B2公开了一种与风能设备相关的 SCADA系统。在该专利说明书中，公开了风电场(Windpark)中的每个单 独的风力涡轮都装有本地的涡轮控制装置、数据库以及涡轮控制与数据采集 单元，即所谓的TCS。每个风力涡轮通过TCS与风电场网络连接，其中风电 场网络使单独的风力涡轮与所谓的SCADA主系统连接。风电场网络为本地 网络。最终，通过SCADA主系统的网络接口实现与外部网络的连接。因此， 通过SCADA主系统最终可实现基于风力涡轮的公知SCADA系统与上述各 方之间的通讯。所以，采用与公知的SCADA系统相关的数据通信模块为主 从结构。该技术的缺陷在于 一旦SCADA主系统发生故障，就不能再与所 有的与其连接的从系统，即所有的与其连接的、基于风力涡轮的SCADA系 统进行连接。其次，SCADA主系统成本昂贵，其占风能设备购置成本的大 部分。再者，在多种风电场的情况下，当不同的风力涡轮机组平行操作时， 需要更多的、不同的SCADA数据库，由操作人员进行评估。因此，难以整 合操作人员的数据库与维护公司的数据库。另外，在此公开的SCADA系统 的实施方式中，SCADA供货商的数据库涉及风能设备的利益各方。因此， 灵活地适应风能设备各方的数据结构的变化几乎是不可能的。
现有技术中另一种公知的分散式SCADA系统为可编程逻辑控制器 (PLC)形式的存储器可编程控制器(SPS)。通过所述PLC，使不同的利 益相关者的人机接口与DER，特别是风能设备之间的直接通信成为可能。就 这点而言，如果上述的基于PLC的SCADA系统形成基于主从模块的架构， 则就不存在主系统的转接了。但是，基于PLC的直接通信的缺陷在于PLC 只有采用厂商定制的协议，以及适配的、同样是厂商定制的设备才能实现。 因此，只有通过上述SCADA系统的、基于PLC的参数调整，才可能形成 DER相关利益者与SCADA系统之间非常窄的、厂商定制的对接。由此产生 的问题是不可能灵活地适应客户需求和DER利益相关者的系统变化等。 以这种具有缺陷的方式很难满足利益相关者的要求，或需要很长地时间才能辆足。
总之，人们己注意到目前对现在的设备厂商的DER，特别是在风电场领 域的DER不断增多的多样性要求。另外，按照每一个DER的利益相关者明 显地区分自身对所述的SCADA系统的功能性的要求。利益相关者在较短的时间内自身商业模式的改变，要求SCADA系统能够快速灵活地适应这种变 化。同时，利益相关者对于DER数据的数据处理和数据管理的需求也在不 断增多。此外，将DER数据与利益相关者的业务流程整合在一起需求也在 不断增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的SCADA系统，它能更好地与利益相 关者的业务流程结合，能够灵活地适应不同的系统，不断变化的客户需求和 硬件。此外，它应该减少与所述类型的SCADA系统进行数据交换时的误差 偏向，并降低DER设备的投资成本。
根据本发明上述SCADA系统的任务将通过这样的方式实现该SCADA 系统具有控制和/或管理控制单元的SCADA操作系统内核(kernel)，数据 库和通信单元。借此就可以取消设置单独的SCADA主系统的必要性了。这 样做的优点是既不需要SCADA协议，也不需要SCADA数据库。更重要 的是，借助分散地设置在SCADA单元中的操作系统内核，使DER的利益相 关者与SCADA系统之间的直接通信成为可能。在此，DER的利益相关者不 受SCADA供货商的数据库的制约。这样做的优点是例如，可通过标准化 的数据服务(Dienst)实现对利益相关者的数据架构进行直接支持。在DER 上设置操作系统内核，使SCADA组件灵活地组装和加壳(verschalen)成为 可能，从而满足DER的利益相关者的商业模式的短期变化。借助本发明的 SCADA系统，利益相关者可以通过DER直接从SCADA系统调用所需的数 据，完成设计，完成维护计划，以及其它的事情。本发明的SCADA系统适 合与诸如太阳能发电站、生物发电站或风能设备等这样的DER相关联。多 个DER互连形成的所谓的虚拟发电站也可以作为本发明的DER。例如，虚 拟发电站可以是风能设备、太阳能设备以及生物发电站的虚拟互连。
根据本发明，还可对SCADA系统进行进一步的改进，使操作系统内核 具有可通过网络通信接口公开访问的数据区域。该公开访问的数据区域可以 由利益相关者通过外部网络访问，调用有关DER的不同的数据。例如，如 果DER为风能设备，则可以调用某些有关风力涡轮的数据。
为了防止本发明的SCADA系统中的直接数据通信可能导致对于某些数据和/或控制装置的不适当访问，操作系统内核具有不能通过网络通信接口公 开访问的受保护的数据区域。
在本发明的优选实施例中，数据库位于受保护的数据区域中。例如，当
DER的操作和控制的参数设置在本地的数据库中时，就可以确保阻止通过外
部网络的未授权访问。
为了确保本发明的SCADA系统的自主运行，在本发明的优选设计中设 置用于长期地存储数据，特别是用于长期变化趋势数据分析处理判读的数据 库。与本发明不同的是在一些公知的SCADA系统中仅设有适用于少量数 据包短期中间存储的数据库。此种数据库始终是在与附加的外部数据库连接 的情况下运行，因此，的它是不可能如本发明一样自主地运行。
本发明另一改进的设计是在受保护的数据区域中设置本地通信单元，以 在操作系统与DER之间进行通信。例如，DER可以有各种不同的测量变压 器，所述测量变压器给出有关DER的运行情况。只有在受保护的数据区域 中记录数据，才可能有针对性地开放数据，或者保留个别的数据。同样，本 地通信单元用于将操作系统内核的控制参数转移到DER相应的执行机构 (Stellorgan)。在这种条件下的优点是具有阻止通过外部网络进行未授权访 问的功能。
本发明的另一改进设计是设置公开访问数据区域，以执行一个或多个基 于软件的服务。这种方式能够使本发明的SCADA系统具有按照所谓的"面 向服务的架构"运行的优点，其中基于软件的服务是来自外部的使用或调用。
对于风能设备的不同利益相关者特别有用的是基于软件的服务包括转 移DER的实时数据。以该方式，本发明的SCADA系统可以实现直接地实时 访问DER的数据，无需与SCADA主系统互连。
本发明基于软件的服务可选择性地或附加地包括转移与所述分散式能 源(DER)相关的数据分析处理判读，特别是生产数据、功效数据、时间序 列以及差错追踪。
为了使外部的利益相关者能够找到由操作系统内核提供的基于软件的 服务，并能够管理这些服务，本发明的另一优选设计是操作系统内核具有检 索基于软件的服务的索引和/或机构(服务数据库)。由此确保操作者也可以 找到这些服务。在可自动注册或注销服务的、动态的面向服务的架构(dienstorientierteArchitektur)中，此类索引十分有用。本发明的SCADA系 统另一改进是具有人机接口 (HMI)，特别是可视的人机接口。例如，可以 现场显示重要运行数据，使在风力涡轮处的维护人员可以直接读取现场的运 行数据，而无需通过SCAD主系统等进行中继。根据本发明，接口还可以设 置键盘等，使得维护人员可以立即在DER处更改运行参数，或由此调用应 该显示的特殊数据。
为了使SCADA系统能够通过互联网进行数据通信，本发明设计有专门 的、通过TCP/IP通信协议与外部网络进行通信的网络通信接口 。
本发明其它有效的特别设计是基于软件的服务可通过SOAP通信协议调 用。进一步设置SOAP协议的目的，是确保本发明的SCADA系统具有最广 泛的应用性。
同样，为了使本发明的SCADA系统通信标准化，本发明的另一优选设 计是设置通过WSDL、 UDDI、 WSInspection协议中的至少一个协议迸行通 信的索引和/或机构(服务数据库)。其中，WSDL是指Web服务描述语言 (Web Service Description Language) ， UDDI是指统一描述、发现和集成 (Universal Description, Discovery and Integration) ， WS表示Web月艮务检查 (Webservice Inspection)。
縮写SOAP是指简单对象访问协议(Simple Object Access Protocol)。
以下将结合附图和优选的实施例对本发明进行进一步说明。其中， 一些 改进的细节在附图的图例中没有示出。
功能相同的部件使用相同的附图标记表示。
附图详细说明
图1为现有技术两种形式的风能涡轮为示例的通信架构示意图； 图2为本发明的SCADA系统通信结构示意图； 图3为本发明的SCADA单元的操作系统内核的内部结构示意图； 图4为本发明的SCADA系统从外部调用基于软件的服务的通信过程流 程图5为本发明的SCADA系统调用分析数据的通信过程流程图；图6为本发明的SCADA系统的另一特殊通信结构示意图。
具体实施例方式
为了更好地理解本发明的优点，划分与现有技术的界限，在图l中首先 示出了以风力涡轮为示例的目前现有技术中两种常见的通信架构。图l示例 性地给出了三个仅为示意性的人机接口 1。另外，在图1的下部还示意性地
示出了两个控制-数据记录系统(即SCADA系统)2。两个SCADA系统2 始终设置在风力涡轮系统本地。这在示意性视图中没有给出。在附图的左下 侧示出的SCADA系统2为SCADA从系统形式的风力涡轮控制单元3。 SCADA系统2的从系统形式的风力涡轮控制单元3通过本地网络5与上一 级的SCADA主站6连接。SCADA主站6设置在风力涡轮单元外部，特别 是设置在SCADA系统2的外部。人机接口 1通过外部网络7，例如通过互 联网，与SCADA主站6连接。图1左侧通信支路所示的这种架构，与美国 专利文献7,013,203 B2的工作原理一致。在人机接口 1与SCADA系统2中 的风力涡轮控制单元3之间无法实现直接通信，而是始终需要借助人机接口 1与SCADA主站6之间的通信。如果SCADA主站6发生故障，就无法实 现人机接口 1与SCADA系统2中的风力涡轮控制单元3之间的通信。
图1右下方示出的SCADA系统2设有存储器可编程控制单元4。存储 器可编程控制单元4通过本地网络5与SCADA主站6连接。在该通道中一 方面如上述通过SCADA主站6的中继实现人机接口 1与SCADA系统2中 的存储器可编程控制单元4之间的通信。但是，在SCADA系统2具有存储 器可编程控制单元4的情况下，可附加地通过数据连线8实现人机接口 1与 SCADA系统2之间的直接通信。通过数据连线8的直接通信的缺陷在于， 仅能通过特殊的、与存储器可编程控制单元4匹配的协议和设备实现。此外， 特殊的设备必须与人机接口 1相关地设置，所述人机接口 1与SCADA系统 2中的存储器可编程控制单元4通信。因此几乎不可能实现通信的灵活性和 适应性。
图2示意性地给出了与之相反的、外部设备与本发明的SCADA系统2 之间的通信的架构，并举例性地用风能设备中的通信进行说明。但是，根据 本发明的SCADA系统可以同样在分散式的能源(如太阳能发电站或生物发电站或各种其他的DER)中使用。根据本发明优选实施例，基于风力涡轮的
SCADA系统2具有设置在涡轮内部的、作为中心功能单元的分散式内核9 (以下称为涡轮内核)。数据库IO、涡轮控制单元ll以及内部人机接口 12 与本发明的SCADA系统2的内部涡轮内核9连接。内部人机接口 12可以为 具有键盘和显示屏的电脑终端等。涡轮内核9可以本地组合至风力涡轮机组 中或者设置在微处理器上。涡轮内核9还可以选择为软件，部分或全部地嵌 入在涡轮控制单元11中。
如图2所示，在SCADA系统2上连接着网络接口 13。网络接口 13通 过外部网络7使本发明的SCADA系统2中的、组合在风力涡轮机组中的涡 轮内核9与外部设备连接。外部网络7同样可以为互联网、广域网(WAN) 或LAN (局域网)。作为优选实施例，远程的数据设备14以及警报服务 (Alarmmeldedienst) 15通过外部网络7与涡轮内核9连接。
图3示出了涡轮内核9的内部结构。根据本发明，所述涡轮内核9设置 在组合于SCADA系统2中的风力涡轮机组中。尽管是基于风能设备对优选 实施例进行了描述，并由此涉及到涡轮内核，但本发明同时还可在太阳能发 电站、生物发电站和其它分散式能源中应用SCADA系统。在此，本发明的 内核与待控制的DER无关。如图3示意性示出的，在涡轮内核9中设置公 开访问数据区域16、受保护的数据区域17以及服务数据库(Service repository) 18。在公开访问数据区域16中使用不同的基于软件的服务19、 20，也就是说基于软件的数据分析服务19以及实时数据转移服务20。根据 该具体实施例，数据分析服务必须包括用于转移生产数据、功效曲线、时间 序列以及后期差错追踪(Fehlernachverfolgungen)的服务。
在受保护的数据区域17中设置数据库10。此外，受保护的数据区域17 内设有本地通信单元21，所述本地通信单元用于涡轮内核9与风力涡轮设备 之间的通信。在图3中分别由箭头示意性地示出通向外部人机接口 1、数据 终端设备14和/或警报服务15的通信连接。
图4以流程图的形式示出了通信连接结构的构架，其用于调用在内核9 中公开访问数据区域16内部使用的数据服务19、 20。如图4所示，在DER 的利益相关者的第一步骤21中，在开放的连接服务21之后形成与内核9的 会话(Sitzung) 22。在形成会话22之后，通过内核9进行通道判断服务(Zugangsberechtigungsdienst) 23，从而校验利益相关者的通道判断。只要 服务23的通道判断在进行，在DER的利益相关者与组合至DER中本地的 SCADA系统2之间借助内核9形成直接的数据连接。随后，在内核9中起 动通信循环24。在通信循环24中操作者可以使用DER的控制服务25以及 实时数据转移服务20。此外，在于本地内核9中进行的通信循环24中操作 者使用用户注销服务26，从而结束通信循环24。在图4示出的运行模型中， 实时数据转移服务20的标准数据路径位于本地的内核9中。
在执行用户注销服务26之后，本地内核9使用者的数据停止活动并且 使注销步骤27中的用户会话自动结束。所述通信通过外部网络(例如互联 网)与在DER内根据本发明的SCADA系统2通过本地内核9的中继直接实 现。特别地，并非如现有技术的情况通过SCADA系统上级的SCADA主站 进行通信。
图5示出了 DER的外部用户(如风能装置的使用者)与本发明的SCADA 系统2之间的数据通信过程的另一示例。外部用户与SCADA系统2之间连 接的建立，是借助本地内核9，按照图4描述的类似程序，通过开放的连接 服务21进行，所述连接服务21开启会话22，随后通道判断服务23验证通 向本地内核9的通道判断。
与图4描述的程序不同的是，在图5中在形成通信循环24之后起动在 分散的内核9的公开访问的数据区域16中设置的数据分析服务19 。与图4 描述的情况相似，要进行注销过程，但在图5中不再赘述。
最后，图6示出了本发明的SCADA系统2的另一优选应用的可能性。 如图所示，外部人机接口 1通过互联网7与本发明的SCADA系统2直接连 接，并且以另一以上详细描述的方式进行DER的数据分析服务19、实时数 据转移服务20、通道判断服务23和/或控制服务25。另外，如图所示，警报 服务15同样通过互联网7与在分散的内核9内设置的所述服务19、 20、 23、 25通信。警报服务15通过警报分布网络28与人机接口 1并且与使用者的数 据库29通信。
以此方式本发明提供一种上述类型的本地控制与数据记录系统(SCADA 系统)，所述系统安装在分散式的能源(DER)中，特别是风力涡轮机组中， 和/或在分散式的能源(DER)处，特别是风力涡轮机组处分散地应用，所述系统具有控制分散式能源(DER)，特别是涡轮控制单元的控制单元，存储 操作数据和/或操作参数的数据库，以及与外部单元通过外部网络交换数据和
/或控制命令的网络通信接口，基于本地内核9的中继实现了与所述系统的直 接数据通信，而用于这种通信的SCADA系统无需前置中心的SCADA主系 统。因此， 一方面节约SCADA主系统的购买和运行成本，另一方面通过标 准化的通信协议和标准化的通信硬件的应用实现灵活的适应性。附图标记列表
1外部人机接口
2组合至风力涡轮组件中的SCADA系统
3风力涡轮控制装置(SCADA从系统)
4存储器可编程控制单元
5本地网络
6 SCADA主站
7互联网
8直接数据连接
9本地内核
10数据库
11涡轮控制单元
12内部人机接口
13网络接口
14数据设备
16公开访问数据区域 17受保护数据区域 18服务数据库 19数据分析服务 20实时数据转移服务 21开放的连接服务 22会话
23通道判断服务
24通信循环
25涡轮控制服务
26用户注销服务
27注销步骤
28警报分布网络
29数据库(使用者方面)
权利要求
1.一种分散式控制与数据记录系统(SCADA系统)(2)，所述系统安装在分散式的能源(DER)中，特别是风力涡轮机组中，和/或在分散式的能源(DER)处，特别是风力涡轮机组处分散地使用，所述系统具有控制所述分散式的能源(DER)，特别是涡轮控制单元(11)的控制单元；存储操作数据和/或操作参数的数据库，以及与外部单元(1，14，15，29)通过外部网络(7)交换数据和/或操作命令的网络通信接口(13)，其特征在于，所述系统具有控制和/或管理所述控制单元(11)、数据库(10)和通信单元(13)的SCADA操作系统内核(9)。
2. 如权利要求1所述的SCADA系统(2)，其特征在于，所述操作系 统内核(9)设有通过网络通信接口 (13)公开访问的数据区域(16)。
3. 如权利要求1或2所述的SCADA系统(2)，其特征在于，所述操 作系统内核(9)设有不能通过网络通信接口 (13)公开访问的受保护的数 据区域(17)。
4. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 所述数据库(10)设置在所述受保护的数据区域(17)中。
5. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA单元(2)，其特征在于， 所述数据库(10)用于长期地存储数据，特别是用于长期变化趋势数据的分 析处理判读。
6. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 在所述受保护的数据区域(17)中设置本地通信单元(21)，以在所述操作 系统(9)与所述分散式的能源(DER)之间进行通信。
7. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2),其特征在于， 所述公开访问数据区域(16)用于执行一个或多个基于软件的服务(19， 20， 23， 25)。
8. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 所述基于软件的服务(20)包括转移所述分散式的能源(DER)的实时数据。
9. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2),其特征在于， 所述基于软件的服务(19)包括转移与所述分散式的能源(DER)相关的数据分析，特别是生产数据、功效数据、时间序列以及差错追踪。
10.如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 所述操作系统内核(9)具有检索基于软件服务(19， 20， 23， 25)的索引 和/或机构(服务数据库)(18)。
11. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 该系统具有人机接口 (HMI)，特别是可视的人机接口。
12. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 所述网络通信接口 (13)通过TCP/IP通信协议与所述外部网络进行通信。
13. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 所述的基于软件的服务(19， 20， 23， 25)通过SOAP通信协议调用。
14. 如前述权利要求中任一项所述的SCADA系统(2)，其特征在于， 所述的索引和/或机构(服务数据库)C18)通过WSDL、 UDDI、 WSInspection 协议中的至少一个协议进行通信。
全文摘要
本发明涉及一种分散式控制与数据记录系统(2)(SCADA系统)，所述系统安装在分散式的能源(DER)中，特别是风力涡轮机组中，和/或在分散式的能源(DER)处，特别是风力涡轮机组处分散地使用，所述系统包括控制所述分散式的能源(DER)，特别是控制涡轮单元(11)的控制单元；存储操作数据和/或操作参数的数据库以及与外部单元(1，14，15，29)通过外部网络(7)交换数据和/或操作命令的网络通信接口(13)，为了使该系统能更好地与使用者的业务流程结合，并且能够灵活地适应不同的系统，不断变化的客户需求和硬件，本发明提供了更好的控制和/或管理控制涡轮单元的控制单元，数据库和通讯单元的SCADA操作系统内核。
文档编号F03D7/04GK101611359SQ200780049285
公开日2009年12月23日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年1月4日
发明者弗兰克·塞姆克斯 申请人:德风公司