专利名称：变电站自动化装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高或中电压输电网的变电站的变电站自动化的领域。
背景技术：
在高和中电压电力网中的变电站包括例如电缆、线路、母线、开关、电力变压器和互感器等一次装置，其一般设置在开关站和/或间隔中。这些一次装置采用自动方式通过变电站自动化(SA)系统操作。该SA系统包括二次装置，其中智能电子装置(IED)负责一次装置的保护、控制和监测。该二次装置可指派到分级等级，即站级、间隔级和过程级，后者由所谓的过程接口与间隔级分开。SA系统的站级上的IED至少在一定程度上共享关于变电站的相同配置和/信息，并且包括i)站PC或监视计算机，在其上执行监控与数据采集(SCADA)软件，并且包括具有用于显示一次设备(开关位置、电流/电压)的状态的本地人机界面(HMI)的操作员工作站(OffS)，ii)用于与网络控制中心(NCC)或其他站通信并且用于转换协议信息的网关；iii)包括操作员工作站的工程PC，其用于修改或更新站PC的(具体地具有HMI 和SCADA系统)配置；iv)防火墙-将站总线与例如公司网络等其他网络分开。上文列举的站级任务、过程或功能在专用装置(网关、防火墙)或在工业PC(本地 HMI、工程PC)上运行。站级IED连接到常规上用于在站级上的IED和间隔级上的间隔单元或保护和/或控制IED之中交换命令和状态信息的目的的站总线。最终，在过程级上的二次装置包括用于电压(VT)、电流(CT)和气体密度测量的传感器、用于感测开关和变压器抽头变换器位置的接触探头和/或用于改变变压器抽头位置、或用于控制像断路器或隔离开关的开关装置的致动器(I/O)。用于变电站的二次装置之间通信的通信标准已经由国际电工委员会(IEC)提出作为名为“变电站中的通信网络和系统”的标准IEC 61850的一部分。对于非时间苛刻的报文，IEC 61850-8-1规定了基于减少的开放式系统互连(OSI)协议栈(建立在分别在传输和网络层中的传输控制协议(TCP)和互联网协议(IP)上和在作为物理介质的以太网和/ 或RS-232C上)的制造报文规范(MMS，IS0/IEC 9506)。对于时间苛刻的基于事件的报文， IEC 61850-8-1直接在通信栈的以太网链路层上规定面向通用对象变电站事件(GOOSE)。 对于在过程级非常快地周期性变化的信号(例如测量的模拟电压或电流)IEC 61850-9-2 规定采样值(SV)服务，其像GOOSE直接建立在以太网链路层上。因此，该标准限定公布的格式，如在工业以太网上的多播报文、基于事件的报文和来自过程级(作为对传统铜连线的代替)上的电流或电压传感器的数字化测量数据。因此，SV或其他过程数据可在间隔间过程总线上传送，使传送的信息对相邻间隔可用。对于例如在中或低电压变电站中等成本有效的设置，间隔间过程总线和站总线可以并入单一通信网络。假定对于执行保护和控制功能性需要的信息通过总线共享，出现“数字变电站”概念打开了新的集中保护&控制可能性。例如，站级上的像PC的装置将不仅充当网关或HMI控制台，而且还将承担(host)间隔IED装置的后备功能性，或执行例如母线保护等站范围的保护方案。专利US6550020要求保护具有至少一个包含中央处理单元(至少包括第一和第二处理核)的集成电路IC的数据处理系统。该处理核中的每个包括由常规的单核CPU读取、 解码和执行指令并且传送信息到例如全局数据存储或共享存储器等数据处理系统的其他部分和从该其他部分传送信息所利用的部件的全集。该IC还包括接收规定要利用处理核中的哪个的控制输入的输入设备，例如当确定第一核无效或损坏时利用第二个核作为虚拟第一处理核。为此，该IC包括配置逻辑，其动态解码该控制输入，并且响应地根据该控制输入选择性地控制输入信号的接收和处理核的一个或多个核的输出信号的传输。在先进计算机技术中，在计算系统的物理硬件和在该硬件上运行的一个或多个客户操作系统之间提供的虚拟层支持不同的执行环境，或虚拟机VM，该客户操作系统被指派给该虚拟机。该客户系统互相独立，即它们不知道其他客户系统的存在。为了该目的，该虚拟层将由客户系统要求的所有物理上可用的硬件资源虚拟化或划分，例如CPU、存储器存储装置、例如网络卡或适配器、打印机、显示器等I/O装置。单个客户操作系统在每个虚拟机上运行或执行，并且一个或多个应用程序进而在该客户操作系统上运行并且表现为好像它们在它们自己的专用实计算机上运行。专利US7^9468公开虚拟机操作系统的自动资源管理，该虚拟机操作系统包括分配有有限数量的例如专有虚拟存储器、实CPU和实I/O等资源的许多虚拟机。该专利解决分配的资源中的每个的时间或应用相关需求。例如，在某些时期，虚拟机可执行要求CPU密集的复杂算法计算的应用，并且在其他时期，虚拟机可执行例如几乎不使用CPU的数据备份应用等应用。因此，如果一个虚拟机需要另外的资源，这一个虚拟机被自动复制。该复制品分配有一份从虚拟机中的其他虚拟机的份额取得的资源，使得分配给这一个虚拟机和复制品的所得份额一起大于在这一个虚拟机被复制之前分配给这一个虚拟机的份额。
发明内容
本发明的目的是简化变电站自动化(SA)系统的结构，减少独立SA装置的数目，并且节省与硬件、工程和维护有关的总体系统成本。这些目的通过根据权利要求1和7的SA 装置和SA系统实现。另外的优选实施例从从属专利权利要求是明显的。根据本发明，常规由大量不同站级装置进行的单独SA系统级功能性或任务由单个SA装置提供，该单个SA装置在单个电路板上包括多个处理单元(PU)作为主要处理硬件。通过虚拟化技术支持该多个PU上的操作系统(OS)的多个实例，形成不同和互相隔离的执行环境。这些执行环境中的每个承担监控与数据采集(SCADA)功能性、网关功能性、工程工作场所功能性和防火墙功能性中的单个功能性。优选地，多个PU是安装在相同电路板上的多个不同中央处理单元(CPU)或物理芯片，或共享相同随机存取存储器(RAM)的单个多核CPU的多个处理核，或其的组合。SA装置包括共享硬件资源或部件，特别地例如RAM等易失性存储器、例如硬盘驱动器HDD等输入/输出(I/O)装置、连接到打印机和显示器的通信接口和连接到SA站总线的网络接口。尽管共享资源，虚拟化技术防止执行环境之间的互相影响从而支持上文提到的站级功能的合并。每个执行环境(也叫做虚拟机(VM))运行客户0S，其进而可支持对称多处理(SMP)，即客户OS可操纵(handle)处理核中的若干个处理核。根据有利实施例，每个执行环境运行与常规上进行单个功能性(正并入SA装置) 的专用站级装置非常相同的客户OS。例如，SCADA在“嵌入Windows”下运行，网关功能性在“VxWorks”下，并且工程任务在“Windows”下。在由SA装置进行合并的功能性之前，不要求对原始应用设置的修改或改编(adaption)。在本发明的优选变化形式中，甚至集中的站范围的方案的或代表个体变电站间隔的保护和/或控制功能性也由执行环境中的一个承担。该设置获得代表专用保护&控制智能电子装置(IED)或间隔单元的后备功能性，而不添加硬件；仅有的前提是测量和控制命令对于SA装置通过站/过程总线是可用的。变电站配置信息在该情况下可以有利地在不同的保护和控制应用之间共享。保护和控制功能性可以作为一个核上的一个过程、作为两个单独的过程，或以每个保护功能分配给专用核的方式在一个或若干专用执行环境内执行。后者对应于在无先例情况下的过程或功能到单独的处理核的分配或隔离粒度水平。在另外的优选变化形式中，SA装置适用于在具有过程和站总线应用的单独通信网络的SA系统中使用。考虑到SCADA、工程和网关应用直接分配给对应的站总线网络接口卡 (NIC)，而保护和控制功能另外利用过程总线NIC以便从过程总线接收报文并且发送报文到过程总线的事实，这可以实现。在本发明的有利实施例中，通过将包括所有共享资源的整个SA装置或关键系统部件复制成两份或甚至复制成三份而获得各种冗余度水平。后者至少包括电源和存储，该复制成两份增加了 SA装置级上的可靠性。在另一方面，从总体站角度，SA装置自身可采用冗余设置安装，假定冗余SA装置之间例如热备(0WS，网关，控制)或热热(保护)等适当的冗余度或切换机制。备选地，可靠性可通过其中功能性中的每个在单独的执行环境中在相同SA装置上实例化若干次的软件冗余度来增加，或通过组合的硬件和软件冗余度增加。另外，例如人机接口(HMI)等现时不具有冗余度的功能性可以不花费另外的成本翻倍。IEC 61850标准的成熟允许变电站自动化中的革新架构概念，并且变电站间隔的安全操作可以用不同的硬件设置获得。为了抵消可靠性由于增加数目的部件和装置引起的可能降低，本文提出将功能性集成进入较少装置，但可能具有选择性的功能性或硬件容许度。
本发明的主旨将在下列正文中参照在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中图1示意地示出现有技术变电站；图2是具有多个处理单元的SA装置的架构，以及图3描绘具有如上文的SA装置的变电站的摘录。在附图中使用的标号和它们的含义采用总结形式列在标号列表中。原理上，在图中相同的部件提供有相同的标号。
具体实施方式
图1从通信基础结构和安装的功能性的角度示出现有技术变电站自动化(SA)设置的摘录。在单独和专用计算装置上承担站级功能性中的每个具有SCADA功能性的监视工作站或站PC和HMI 1、工程PC 2、网关装置3、防火墙4和用于执行保护和控制功能性的可选的站计算机或IED 5。这些装置都通过适当的开关连接到变电站范围的站总线41。这些装置中的大部分运行不同的0S，例如Windows (HMI/工程)、嵌入Windows (站计算机)或 Vxfforks (网关、IED)。图2示出具有安装在单个电路板(主板)上或甚至是单个多核CPU 20的一部分的多个处理单元21、22、23、例如易失性存储器、闪存、硬盘驱动器的一些共享资源30和共享的网络接口卡31的SA装置1的架构。该SA装置包括若干个执行环境或虚拟机11-15， 其由在处理硬件的顶部的虚拟化层10启用和支持。该不同的执行环境通过提供或仿真独立PC的全硬件链来承担要执行的功能和应用。为了该目的，虚拟化层控制对共享硬件资源 (HDD、NIC)和对处理单元21、22、23的访问。该不同的执行环境运行不同的操作系统(OS)， 其进而执行例如SCADA 11、工程12、网关13和可选的控制14和保护15应用等不同站级的功能性。当回复到原始OS时，功能和应用的设置与它们在不同装置上的常规实现相比大致上没有改变，特别地不需要对软件代码进行修改。图3描绘具有承担压缩进入单个系统的所有相关SA功能性的SA装置1的变电站自动化系统的摘录。站总线网络接口 31通过开关30来连接到冗余站总线41、41’以用于与变电站的IED5、5’交换致动器命令、警告和事件。由于SA装置自身也承担(后备)保护功能性15，它装备有通过开关连接到冗余过程总线42、42’的过程总线接口 32。例如CT/VT 传感器等传感器52位于相应间隔中并且例如通过IED5’或合并单元53提供它们的测量或其他操作数据给过程总线42、42’。连接到IED装置和/或过程总线的传感器的其他组合以及保护和控制的其他冗余度方案显然是可能的。标号列表
权利要求
1.一种变电站自动化SA装置(1)，其适用于连接到电力传输或配电系统的变电站的站总线Gl)并且在单个板上具有多个处理单元PW21、22、23)作为主处理硬件，通过虚拟化技术(10)在所述主处理硬件上形成第一和第二执行环境(11-15)，其中包括监控与数据采集SCADA、网关、工程和防火墙功能性的系统级变电站功能性集合中的第一和第二功能性分别指派给所述第一和第二执行环境(11-13)。
2.如权利要求1所述的SA装置，其特征在于，所述多个PW21、22、23)中的每个是个体中央处理单元(CPU)或多核CPU(20)的个体处理核。
3.如权利要求1所述的SA装置，其特征在于，所述不同执行环境(11-15)运行不同的操作系统。
4.如权利要求1所述的SA装置，其特征在于，第三执行环境(15)操纵变电站保护功能性。
5.如权利要求4所述的SA装置，其特征在于，它包括用于连接到所述站总线和过程总线G2)的两个网络接口(31、32)。
6.如权利要求1所述的SA装置，其中所述执行环境(11-15)共享硬件资源(30、31、 32)，其特征在于，将所共享的资源(30、31、3幻中的一些复制成两份。
7.一种用于操作电力传输或配电系统的变电站的变电站自动化SA系统，其包括许多用于保护和控制所述变电站的智能电子装置IED(5、5’ )、如权利要求1至6中的任一个所述的SA装置(1)和将所述IED和所述SA装置互连的变电站范围的站总线Gl)。
8.如权利要求7所述的SA系统，其特征在于，它包括许多用于测量过程值的传感器 (52)、如在权利要求4或5中所述的SA装置(1)和将所述传感器和所述SA装置互连的过程总线(42)。
全文摘要
本发明提出提供常规由大量不同站级装置进行的单独SA系统级功能性或任务，其由包括多个处理单元(PU)的单个SA装置来提供。后者是安装在相同处理器板上的不同中央处理单元(CPU)，或共享相同随机存取存储器(RAM)的单个多核CPU的不同处理核。通过虚拟化技术支持该多个PU上的操作系统(OS)的多个实例，形成不同和互相隔离的执行环境。这些执行环境中的每个承担监控与数据采集(SCADA)功能性、网关功能性、工程工作场所功能性和防火墙功能性中的单个功能性。
文档编号G06F15/167GK102273048SQ200980154324
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年1月7日
发明者J-C·图尼耶, S·A·孔斯曼, T·维尔纳 申请人:Abb研究有限公司