专利名称：用于控制主动配电网的扩展的通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在能量自动化设备中运行的通信设备，具有第一通信端口、至少两个另外的通信端口、通信转换装置(Kommunikations-umschalteinrichtung)和计算单元，其中，第一通信端口被构造为用于在所述通信设备和外部数据处理装置之间传输数据分组，至少两个另外的通信端口被构造为用于在通信网络内部传输数据分组，通信转换装置被构造为用于在所述第一通信端口和至少一个另外的通信端口之间传输数据分组，计算单元被构造为用于控制所述通信转换装置。
背景技术：
这样的通信设备通常例如以“路由器”或“交换机”的名称被公知，并且在通信网络中用于数据传输。
现有的供电网的持续提升的满载和将分散的电能馈入供电网的电能发生器的数量的增加导致在过去加强努力实现更智能和更有效的网络控制。在综合概念“智能电网(Smart Grid)”或“智能电网应用”下还归纳了用于执行这种智能的网络控制的设备和措施。
智能控制的主要目的之一在于例如避免所谓的负载尖峰，S卩如下时间:在该时间内从供电网中需求超过平均水平的大量的电能,并且由此供电网的各个组件的负载极高。为了供应尖峰负载，迄今为止由于仅有极其有限的电能存储可能性，在供电网中必须准备好用于产生电能的附加的高成本的装置(“尖峰负载发电站”)，或者向其它供电网的运营商买入昂贵的电能。因此，在智能控制的供电网的情况下的可能的方案在于，如下地影响电能的终端用户的消耗特性，使该终端用户优选在已知的尖峰负载时间之外运行其电力设备。例如为此将洗衣机的接通时间点延迟到低负载时间段或者在瞬时尖峰负载期间暂时关断冰箱。
在另一方面，供电网运营商也感兴趣的是，能够尽可能良好地预测并控制从分散的馈入点向供电网馈入电能。特别是在近期，通过分散的能量发生器提供的电功率的份额急速增加，从而供电网运营商极其感兴趣的是，能够识别并且必要时也能够影响该分散地馈入的瞬时状态。
最后电网运营商极其感兴趣的是，根据瞬时测量值(例如电流、电压)识别供电网从高压层至低压层的瞬时状态，并且由此能够做出关于电网的稳定性和满载的结论，并且能够实施对未来网络状态的改善的预测和规划。
因此，为了运行这样的智能供电网，以下措施是具有优点的，如果电网运营商能够在一定范围内影响供电网中的终端设备或者能够从该终端设备中调用信息。这样的终端设备例如可以是消耗能量的终端设备(其例如位于家庭、办公室或小到中等的贸易和工业企业)、产生能量的终端设备(例如对于风力发电机光电设备的控制)以及在低压层上安装的测量换能器、传感器和测量设备。这样的影响的方式和范围在于，在电网运营商和其各自的顾客之间例如在协商费率条件范围内，确定由供电网供应电能和/或向供电网馈入电能。
为了实现技术上的可能性，即为了对终端设备的运行施加影响，向终端设备传输控制信号并且调用终端设备的信息，必须能够在所考察的终端设备和电网运营商的控制装置(例如能量管理系统(EMS)或 SCADA 系统(SCADA = Supervisory Control and DataAcquisition，管理控制和数据采集))之间进行数据交换。但是，该提升的控制要求需要在直至供电网的低压层上安装多个合适的控制设备，并且为了与电网运营商的控制装置进行数据传输，需要将这些控制设备与通信系统连接。
一般为此可能的是，利用目前可用的来自用于供电网的中压层和高压层的能量自动化范围的保护和控制设备，也为构成智能电网特别重要的供电网的低压范围提供自动化解决方案。这样的保护和控制设备例如是由申请人销售的SIPR0TEC保护设备或SICAM主控设备。
但这种极其有效的保护和/或控制设备的应用对于在低压层上的应用范围出于经济的原因是不具有优势的，因为所考察的设备由于其复杂的结构及其高的性能对于在此需要的应用情况明显超出规模。此外，智能控制的主动供电网的低压层经受持续的变化(例如在连接其它分散的能量馈入设备时通过连续地扩建)并且相对于中压配电网要更动态的多。在使用相应简单且低成本的自动化设备的条件下，其又要求一方面低成本并且另一方面可灵活扩展的自动化系统。发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种在供电网低压层上使用的自动化设备，一方面可以低成本地提供该自动化设备并且另一方面允许自动化系统与供电网的结构变化动态匹配。
为了解决上述技术问题，建议一种用于在开头提到的类型的能量自动化设备中运行的通信设备，其中，所述通信设备具有至少一个设备接口，该设备接口被构造为用于将通信设备与能量自动化设备的电力设备相连接，所述通信设备具有数据存储区，在该数据存储区中可以这样安装任意的自动化程序，使得其在运行时通过计算单元产生能量自动化设备的自动化功能；并且通信转换装置具有程序接口，该程序接口被构造为用于建立在通信转换装置和至少一个在存储区中安装的自动化程序之间的连接。
本发明基于如下思路:为了提供需要的自动化设备，应用相对低成本但被广泛使用的并配备有计算单元的通信设备(如其例如在通信网络中作为路由器或交换机使用)，其附加地具有对于供电网的自动化所需的功能，并且由此几乎实现这样的通信设备的双倍使用。由此，针对用于主动配电网的成本优化的自动化设备的结构，建议使用商业上惯用的IP通信组件(路由器、交换机或家用范围的设备，如DSL路由器)的架构方案。该解决方案的特别的优点在于，为通信所需的硬件(包括“网络管理系统(匪S)”)已经作为可执行的、商业上惯用的输出平台可以被低成本地供应，并且可以被安装在供电网的必要位置上。经由各个可用的外部通信网(以太网、DSL、PDH, SDH、PLC等)通过外部数据处理装置(例如电网运营商的SCADA系统的控制设备)可以到达这样的通信设备。按照本发明，所述通信设备具有程序接口(例如所谓的“API” = “Application Program Interface”,应用程序界面),从而在任何时候，例如借助通过本地操作或外部数据处理装置实施的网络管理系统(匪S)的功能，都可以开始一个或多个自动化程序的下载和安装。
此时，这样扩展的通信设备除了其通信功能(用于数据报文的路由器、交换机)之外同时也作为自动化设备起作用(保护、控制、调节、功率品质等)。
根据按照本发明的通信设备的优选的构造，在所述通信设备中提供服务器装置，该服务器装置被构造为用于存储至少一个自动化程序的结果数据，并且提供结果数据用于外部数据处理装置的调用。
在该情况下，由通信设备提供服务器装置，该服务器装置一方面使外部数据处理装置可获得运行自动化程序得到的结果，并且另一方面可以将命令和控制数据由外部数据处理装置传输到自动化程序。在该情况下，各个自动化程序在一定程度上代表了经由服务器装置、指向上级的管理或控制系统的第二功能层。
在此具体可见，为了提供结果数据，按照通信协议IEC61850构造所述服务器装置。
因为通常在现代能量自动化系统中，按照根据“国际电工委员会(InternationalElectrotechnical Commission)”的国际标准“IEC61850”的数据和通信协议与供电网的电网运营商进行数据交换。国际标准IEC61850尤其适合在供电网的自动化设备中的通信，并且对此提供相应的数据对象和对象描述。在IEC61850的范围内的部分范围“IEC61850部分 7-420(Logical Nodes Communications Systems for Distributed Energy Resources(DER)，用于分散能源的逻辑节点通信系统)”特别是对于分散的能量控制系统做出了解释。
按照本发明的通信设备的另一种优选的实施方式在于，所述通信设备具有固定数量的接口，并且此外包括配置文件，在该配置文件中规定了哪些接口是通信端口以及哪些接口是设备接口。
由此，进一步提高了按照本发明的通信设备的灵活性，因为不是一开始就规定了固定数量的通信端口和设备接口(即用于连接单独的外部单元或终端设备的本地接口)，而是使物理上被构造为例如以太网接口的现有接口能够单独地被设定为通信端口或设备接口。例如为此在通信设备的设备启动期间扫描所有现有的接口，并且按照在配置文件中规定的分配将其设定为通信端口或设备接口。然后，部分接口作为设备接口被配备给自动化程序的应用层。该设备接口例如用于耦合外部I/o单元或测量数据采集单元(例如电流或电压换能器)。
此外，按照本发明的通信设备的另一种优选的实施方式在于，至少一个自动化程序包括设备参数，该设备参数包含用于各自与至少一个自动化程序相关联的设备接口的通信设置。
按照该实施方式，可在通信设备中安装的自动化程序因此还包含用于需要的设备接口的通信设置(例如Protocolstacks,协议栈)。例如可以通过服务器装置借助匪S或Web浏览器来匹配该设置或相对于默认值改变该设置。
此外，按照另一种优选的实施方式，至少一个自动化程序用于形成与在外部计算装置上运行的另外的自动化程序的数据连接。
在实施本发明时，在通信设备上安装的本地自动化程序本身可以说仅经由尽可能高效率的数据传输通道建立与外部计算装置(例如能量自动化服务器，其位于因特网中任意位置)的接口。由此，由在外部计算装置上运行的另外的自动化程序执行原本的自动化功能。该实施方式特别是适合用于执行以下的自动化功能(例如高成本的保护功能):该自动化功能必须由尽可能高效率的计算装置执行，并且由此不能由该通信设备的计算单元执行，或者仅能够以有限的方式执行。在该情况下，在现场的通信设备中的自动化程序与外部计算装置之间仅交换具有重要信息的数据分组，主要的计算工作由外部计算装置完成。
按照本发明的通信设备的另一种优选的实施方式在于，至少一个自动化程序用于实施对能量自动化装置的设备的保护功能或控制功能。
在此，可以通过自动化程序实现例如光电设备的控制软件或过电流时间保护功倉泛。
最后，按照本发明的通信设备的另一种优选的实施方式在于，所述通信设备是电能计量器的部件。
在该情况下，所述通信设备例如可以集成到所谓的“智能电表”中。
下面根据实施例对本发明作进一步的说明。
图1示出了通信设备的示意图。
具体实施方式
为了在供电网的运营商的智能电网方案的范围内控制电力终端设备，该电力终端设备例如涉及消耗电能的或产生电能的设备，但也可以是测量设备、转换器和传感器，在低压层上需要尽可能低成本的控制和监视设备，该控制和监视设备将控制数据从电网运营商传输到终端设备，或者从这样的终端设备接收状态消息、测量值和其它信息。这例如可以在“请求-响应管理(Demand-Response-Management)”或“分散-能量-资源管理(Decentralized-Energy-Resources-Management)”的范围内得到应用，其中，在请求-响应管理中，相应于瞬时提供的电能，可以接通或关断在供电网中的终端设备；在分散-能量-资源管理中，将分散的能量发生器的瞬时状态传输到电网运营商，并且必要时能够通过电网运营商控制分散的能量发生器。
相应于下面进一步说明的通信设备实施控制和监视设备。为此，附图以示意性的描述示出了通信设备10，该通信设备10具有通信转换装置11，例如交换机或路由器，通信设备10的第一通信端口 12以及通信设备10的四个另外的通信端口 13a、13b、13c和13d与该通信转换装置11相连。该通信转换装置11具有(在附图中未示出的)计算装置，例如CPU，该计算装置产生对通信转换装置11以下的的控制，即可以在第一通信端口 12和至少一个另外的通信端口 13a-13d之间传输数据分组。通信设备10所提到的组件(具有计算装置、通信端口 12、13a-13d的转换装置11)合起来形成在通信或数据网络技术中常用的交换机或路由器。经由通信转换装置11，可以将连接到通信端口 13a-13d的任意网络设备(例如PC、多媒体设备等)彼此相连和/或与外部网络(例如因特网)相连，从而该通信设备10可以代替正常的路由器或交换机(例如用于家用因特网连接的DSL路由器)的任务。通过附图中的虚线框架强调通信设备10的通信部分C。
为了如下地加强通信设备10，进行用于控制和监视供电网中的终端设备的自动化功能，通信设备10除了通信部分C之外还具有通过另一个虚线框架强调的应用部分A。该应用部分A包括与通信转换装置11耦合的程序接口 16，该程序接口 16可以被构造为所谓的“API”(Application Program Interface,应用程序界面)。此外,通信设备10的应用部分A还具有(在附图中没有明确示出的)存储区，在该存储区中可以加载任意的自动化程序17a、17b。这些自动化程序在安装过程中与程序接口 16逻辑关联。此外，程序接口 16还经由相应的接口控制器18与设备接口 19a、19b、19c、19d相连，从而自动化程序17a、17b可以经由程序接口 16访问设备接口 19a至19d。
此外，通信设备10还具有服务器装置20，该服务器装置20与通信转换装置11相连，并且在该服务器装置20上存储了例如由自动化程序17a、17b的计算和/或分析得出的结果数据，并且可以经由外部通信媒介14提供给外部数据处理装置15。在此，服务器装置20例如可以实现相应于标准IEC61850的数据结构和通信方式。
利用通信设备10的也属于通信部分C的计算装置来运行应用部分A的组件，即特别是程序接口 16和自动化程序17a、17b，从而不会由于附加的计算装置(例如第二 CPU)的产生其它开销。
这种关于应用部分A扩展的通信设备10可以如下面解释的那样用于控制供电网的终端设备:
第一通信端口 13经由外部通信媒介14(例如外部以太网、DSL连接(DSL = DigitalSubscriber Line,数字用户线路)、PDH 连接(PDH = Plesiochronous Digital Hierarchy,准同步数字系列)、SDH连接(SDH = Synchronous Digital Hierarchy,同步数字系列)、PLC连接(PLC = Power Line Communication,电力线通信)或任意其它的通信连接)与外部数据处理装置15相连，该外部数据处理装置15例如可以是供电网的运营商的SCADA系统的控制装置。在此，“外部”意味着，所考察的部件(外部通信媒介，外部数据处理单元)位于通过通信设备10连接到通信端口 13a-13d的可能的网络设备和连接到设备接口 19a-19d的可能的终端设备所形成的“内部”网络连接之外。
在附图中未示出的终端设备与供电网电连接,例如通过相应的配电站和相应的私人住宅的家用安装导线，或者通过例如风力设备的电耦合。在此，所述终端设备可以是消耗能量的终端设备，诸如洗衣机、冰箱、冰柜、空调、电暖气或电灶；或者是产生能量的终端设备，诸如风力设备、热电厂的发电机模块或光电太阳能设备；但也可以是测量设备，诸如测量换能器和传感器。
此外，所述终端设备还与通信设备10的设备接口 19a_19d相连，从而使该终端设备可以与自动化程序17a、17b交换数据和信号。在此，该终端设备能够经由任意的通信连接，即例如任意的无线连接(例如WLAN、ZigBee、蓝牙、网状网络和EnOcean)或有线连接(例如 LAN、PowerLAN, Homeplug 和点对点连接如 RS232、RS422 和 RS485)与设备接口 19a_19d相连。
为了控制和/或监视终端设备，在通信设备10上安装相应的自动化程序17a、17b。自动化程序17a、17b尤其可以是对于终端设备的控制程序(例如光电设备的控制)、用于监视终端设备的状态的保护和监视程序或用于触发测量模块、测量换能器和传感器的测量值采集程序。在该自动化程序中，对于设备接口 19a-19d已经包括了适合于各自连接的终端设备的、特定于设备的设置和配置。替换地或附加地，这样的配置也可以经由网络管理系统(或者经由直接在通信设备上的近程控制，或者由与其相连的数据处理装置，例如外部数据处理装置15)进行。
自动化程序17a、17b这样与外部数据处理装置15共同作用，使得可以控制和监视所连接的终端设备。例如为了能够通过所连接的终端设备从供电网瞬时提取电能、通过所连接的终端设备将电能瞬时馈入供电网或者采集终端设备的状态，外部数据处理装置15与通信设备10的第一通信端口 12相连，并且可以经由该第一通信端口与自动化程序17a、17b交换数据报文。另外，借助通信转换装置11直接或者经由服务器装置20向程序接口16传输数据报文，例如命令或配置数据，该程序接口 16进行对有关的自动化程序17a、17b的分配。相应地，可以借助程序接口 16和通信转换装置11在服务器装置20上存储由自动化程序17a、17b得出的数据报文(例如由计算和分析得出的结果数据、测量值或采样值或者消息)，并且然后为外部数据处理装置15的查询做好准备或者直接传输到外部数据处理装置15。将具有自动化程序17a、17b的应用部分A结合到通信设备10实现了通信设备10与新添加或改变的终端设备的动态匹配。例如如果改变或更新了分散的能量馈入装置(例如光电装置)，则为此可以将作为新的自动化程序17a、17b的控制加载到通信设备10。可以本地或者通过与通信端口 12、13a至13b相连的装置开始该加载过程。替换地，新的分散的能量馈入装置也可以经由外部通信媒介14以唯一的识别信号在(例如可以在外部数据处理装置15上提供的)外部的下载服务器上登记。然后，通过该服务器将新的自动化程序加载到通信设备10并且在那里安装。该自动化程序可以购买也可以通过出租模式(Leasing-Modell)租借。可以固定地预定或者通过配置文件可变地调节通信端口 13a_13d和设备接口19a-19d的分配，该配置文件例如可以暂存在服务器装置20上。在该情况下，通信设备10的接口可以被任意地分配到通信端口和设备接口。自动化程序17a、17b的另一种实施在于，其仅代理一个接口的功能，并且将由终端设备记录的数据经由高效的通信连接传输到能量自动化服务器，该能量自动化服务器例如被构造在外部数据处理装置15上或者也可以在任意位置，例如在因特网中提供。在该情况下，在该能量自动化服务器上运行原本的自动化程序，例如复杂的监视或保护程序，并且仅将为控制和/或监视终端设备所需的数据与在通信设备10上运行的自动化程序17a、17b交换。在该情况下特别地，关于在能量自动化服务器上运行的自动化程序的出租模式是吸引人的。在另一个实施例中，出于多模式原因，部分自动化程序(优选标准应用，例如过电流时间保护)可以作为程序接口 16的扩展，基于硬件(例如作为FPGA功能)被实施。所描述的通信设备10的特别的优点在于，提供特别是对于所谓的“智能电网应用”低成本的自动化组件。如果将商业常用的通信单元(例如日趋完善的路由器、交换机)作为平台用于通信设备10，则可以从这种通信单元的通信技术的通常快速稳步的进展中获利。可以简单地借助通常的浏览器或者作为网络管理系统的组成部分实现设置和配置。所描述的通信设备可以单独地以关于应用部分A扩展的路由器或交换机的形式构成，或者例如集成在能量计量器中，例如智能电表中。
权利要求
1.一种用于在能量自动化设备中运行的通信设备(10)，具有: -第一通信端口( 12)，其被构造为用于在所述通信设备(10)和外部数据处理装置(15)之间传输数据分组； -至少两个另外的通信端口(13a-13d)，其被构造为用于在通信网络内部传输数据分组； -通信转换装置(11 )，其被构造为用于在第一通信端口( 12)和至少一个另外的通信端口(13a-13d)之间传输数据分组；和 -计算单元，其被构造为用于控制所述通信转换装置(11)， 其特征在于， -所述通信设备(10)具有至少一个设备接口( 19a-19d)，其被构造为用于将所述通信设备(10)与能量自动化设备的电力设备相连； -所述接通信设备(10)具有数据存储区，在该数据存储区中能够这样安装任意的自动化程序(17a，17b)，使得其在运行时通过所述计算单元产生能量自动化设备的自动化功能；并且 -所述通信转换装置(11)具有程序接口( 16)，其被构造为用于建立在所述通信转换装置(11)和至少一个在存储区中所安装的自动化程序(17a，17b)之间的连接。
2.根据权利要求1所述的通信设备(10)，其特征在于， -在所述通信设备(10 )中提供服务器装置(20 )，后者被构造为用于存储至少一个自动化程序(17a，17b)的结果数据，并且用于提供所述结果数据，以便由所述外部数据处理装置(15)调用。
3.根据权利要求2所述的通信设备(10)，其特征在于， -所述服务器装置(20)被构造为用于提供按照标准IEC61850的结果数据。
4.根据上述权利要求中任一项所述的通信设备(10)，其特征在于， -所述通信设备(10)具有固定数量的接口 ；并且 -所述通信设备(10)包括配置文件，在该配置文件中规定了哪些接口是通信端口(13a-13d)以及哪些接口是设备接口( 19a-19d)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的通信设备(10)，其特征在于， -至少一个自动化程序(17a，17b)包括设备参数，后者包含了对于各自与至少一个自动化程序(17a，17b)相关联的设备接口(19a-19d)的通信设置。
6.根据上述权利要求中任一项所述的通信设备(10)，其特征在于， -至少一个自动化程序(17a，17b)用于形成与在外部计算装置上运行的另外的自动化程序的数据连接。
7.根据上述权利要求中任一项所述的通信设备(10)，其特征在于， -至少一个自动化程序(17a，17b)用于实施对能量自动化装置的设备的保护功能或控制功能。
8.根据上述权利要求中任一项所述的通信设备(10)，其特征在于， -所述通信设备(10)是电能计量器的部件。
全文摘要
本发明涉及一种用于在能量自动化设备中运行的通信设备(10)，具有第一通信端口(12)、至少两个另外的通信端口(13a-13d)和由计算单元控制的通信转换装置(11)，所述通信转换装置(11)被构造为用于在第一通信端口(12)和至少一个另外的通信端口(13a-13d)之间传输数据分组。为了提供一种在供电网低压层上使用的自动化设备，一方面可以低成本地提供该自动化设备，并且另一方面能够使自动化系统与供电网的结构变化动态匹配，建议通信设备(10)具有至少一个设备接口(19a-19d)，该设备接口(19a-19d)被构造为用于将通信设备(10)与能量自动化设备的电力设备相连，并且接通信设备(10)具有数据存储区，在该数据存储区中可以这样安装任意的自动化程序(17a，17b)，使得其在运行时通过计算单元产生能量自动化设备的自动化功能。
文档编号H04L12/10GK103109438SQ201080068887
公开日2013年5月15日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者K.埃格, C.格迪斯, C.霍加, G.兰 申请人:西门子公司