基于以太网的电源装置的通信错误监控系统及其方法

摘要

本发明公开了一种基于以太网的电源装置的通信错误监控系统及其方法。在本公开中，主下层装置、至少一个或多个从属下层装置和上层监控单元是经由以太网相互连接的，其中上层监控单元从主下层装置接收被确定为具有通信错误的下层装置的信息，以通过以太网向除了具有通信错误的下层装置以外的从属下层装置请求和收集必要的数据。并且因此，消除了整个电源系统的不必要的通信延迟并且改善了系统的实时响应和稳定性。

说明书

技术领域

本公开涉及一种基于以太网的电源监控系统，尤其涉及在使用以太网在多个下层装置和上层监控单元之间进行通信的情形下能够迅速并且准确地诊断通信错误的基于以太网的电源装置的通信错误监控系统及其方法。

背景技术

在诸如安装在配电站中的保护继电器和PLC(可编程逻辑控制器)等电源系统中的通信逐渐从串行线变成以太网的转换环境下，当发生通信错误时，因为综合地涉及到开关、光变流器、电缆以及其他设备，因此难以找到错误的原因。

保护继电器是用于保护网络免于诸如过电流、短路和接地故障等线路的各种事故的装置，并且因为其定期地向上层监控单元报告现场的线路状态和测量数据，因此与上层监控单元通信的可靠性是必需的。诸如保护继电器或者开关等下层设备经由以太网收发用于网络和测量的重要数据。但是，考虑到不存在用于响应于通信错误而执行调试的I/O装置，因此额外地需要用于高价装备和网络故障确定的检验技术。并且，在发生通信错误的情形下，需要花费数个小时来分析错误的原因以及使整个系统恢复正常状态。这意味着监测控制系统具有由于通信导致的致命缺陷。

图1是表示根据现有技术的基于以太网电源系统的图，所述电源系统包括上层监控单元10、网络集线器30和多个保护继电器50a-50n。

安装在变压器中的每种保护继电器50a-50n通过以太网和网络集线器30与诸如HMI设备的上层监控单元10通信。

当上层监控单元10经由以太网向第一保护继电器50a请求特定的数据时，第一保护继电器50a将请求的数据发送给上层监控单元10。此时，其他保护继电器50b-50n依照内部运算、保护算法等工作。

此外，在与第一保护继电器50a通信之后，上层监控单元10向等候中的第二保护继电器50b请求特定的数据，第二保护继电器50b将请求的数据发送给上层监控单元10。

如上所述，上层监控单元10通过以第一保护继电器-＞第二保护继电器-＞...-＞第n保护继电器-＞第一保护继电器-＞...这样的顺序连续地重复该过程来进行通信。

即，上层监控单元10向保护继电器请求用户预定义的数据(二进制数据、模拟数据、事件数据等)，每个保护继电器起到发送请求的数据的作用。

此时，当由于各种原因在通信线路或者装置上发生错误时，如图2所示，接下来不可能接收到由特定的保护继电器请求的数据。

例如，在第二保护继电器50b具有通信错误的情形下，上层监控单元10未能接收到第二保护继电器50b请求的数据。并且，当发生错误时，在故障校正之后，上层监控单元10继续向下一个保护继电器请求数据。在使用最后的指令向直至第n个保护继电器50n请求数据并且接收到所有的对应数据之后，上层监控单元10起到向出错的第二保护继电器50b重复地请求数据的作用。

这里，上层监控单元10可以立即向未能对数据请求做出响应的保护继电器再次做出请求，或者在下一轮中再次请求数据。

如上所述，上层监控单元在与特定的保护继电器发生通信故障时向相应的保护继电器再次发送，并在发生重复的通信故障时推断地确定保护继电器的正常/异常状态。

根据保护继电器的通信状态的这种错误诊断需要大量的时间来确定错误状态，并且错误校验过程使得难以实时地监测以及控制系统。

通常，在与保护继电器发生通信错误时或者在由于通信线路中断、保护继电器故障而发生通信故障时，上层监控单元不断地发送数据请求。这里，因为即使是在数据之间的冲突不会造成错误的情形下与保护继电器的通信错误会持续，因此保护继电器的持续数据请求可能妨碍系统的有效运行。

而且，更加智能的上层监控单元可以配置为不向通信故障的保护继电器执行数据请求，但是难以实时地反映保护继电器的状态，而且构建这样的系统不容易。特别地，在保护继电器的组件复杂而且数量众多的情形下，难以实时地反映保护继电器的状态。

在通过以太网的数据通信中，在正常情况下上层监控单元和保护继电器之间的数据发送/接收需要大约4兆秒到50兆秒之间的时间长度，但是在异常情形下需要1秒和5秒之间的时间以及在上层监控单元处等待数据的延迟时间。因此，随着保护继电器进一步增多，在整个系统中发生的延迟时间以等差级数增加。

因此，使用能够确定整个系统中多个装置的通信正常/异常状态的基准数据，上层系统能够基于结果做出智能发送/接收，使得能够向正常状态的装置请求数据并且相反地不向异常状态的装置请求数据，从而改变目前低效率系统的运行方法。

发明内容

本公开涉及基于以太网的电源装置的通信错误监控系统及其方法。

本公开的特征可以在于所述系统包括至少一个或多个从属(slave)下层装置，其用于对从主(master)下层装置接收的状态校验帧发送响应帧；主下层装置，其用于向从属下层装置发送状态校验帧，用于根据从从属下层装置接收到的响应帧来确定通信错误，并且用于将被确定为具有通信错误的下层装置的信息发送给上层监控单元；以及上层监控单元，其用于从主下层装置接收具有通信错误的下层装置的信息，用于通过以太网请求和收集除了具有通信错误的下层装置以外的从属下层装置的必要数据，其中主下层装置、从属下层装置和上层监控单元相互之间是经由以太网连接的。并且因此，本公开提供了在使用以太网在多个下层设备和上层监控单元之间进行通信的情形下能够迅速并且准确地诊断通信错误的基于以太网的电源装置的通信错误监控系统及其方法。

本公开实时地检测具有电源系统中的下层装置之间的相互通信中发生的通信错误的特定的下层装置并且将关于发生错误的下层装置的信息报告给上层监控单元。并且因此，本公开的目的是提供可以消除整个电源系统的不必要的通信延迟并且改善系统的实时响应的基于以太网的电源装置的通信错误监控系统及其方法。

为了达到上述目的，本公开的通信错误系统的特征在于，该系统包括：至少一个或多个从属下层装置，其用于对从主下层装置接收到的状态校验帧发送响应帧；主下层装置，其用于向从属下层装置发送状态校验帧，用于根据从所述从属下层装置接收到的响应帧来确定通信错误，并且用于将被确定为具有通信错误的下层装置的信息发送给上层监控单元；以及上层监控单元，其用于从主下层装置接收具有通信错误的下层装置的信息，用于通过以太网请求和收集除了具有通信错误的下层装置以外的从属下层装置的必要数据，其中主下层装置、从属下层装置和上层监控单元相互之间是经由以太网连接的。

特别地，主下层装置的特征在于，向未从其接收到响应帧的从属下层装置重复地发送状态校验帧，并且在未能成功接收响应帧的次数超过关于重复发送的状态校验帧的预先定义的基准次数的情形下将所述从属下层装置确定为具有通信错误。

并且，主下层装置的特征在于，向被确定为具有通信错误的下层装置重复地发送状态校验帧，并且在从下层装置接收到响应帧的情形下通知上层监控单元通信错误被纠正。

为了达到上述目的，本公开的通信错误监控方法包括：由主下层装置生成状态校验帧并且根据预设的周期向经由以太网互相连接的从属下层装置发送所述状态校验帧；确定是否从所述从属下层装置接收到响应帧；当没有从所述从属下层装置接收到响应帧时，增加从属下层装置的响应故障次数；重复向从属下层装置发送状态校验帧，确定累计的响应故障次数是否超过预设的基准次数并且在超过基准次数的情形下将所述从属下层装置确定为具有通信错误；以及将被确定为具有通信错误的下层装置的信息实时地发送给上层监控单元。

并且，在确定接收到响应帧之后，所述方法的特征在于进一步包括，在从所述从属下层装置接收到响应帧的情形下将状态校验帧发送给通过以太网连接的其他从属下层装置，并且确定是否接收到了来自所述其他从属下层装置的响应帧。

而且，所述方法的特征在于，在确定累计的响应故障次数是否超过预设的基准次数之后，作为确定的结果，在未超过的情形下，主下层装置在一定时间之后再次将状态校验帧发送给从属下层装置，并且确定是否接收到了响应帧。

本公开的通信错误监控方法的特征在于进一步包括，上层监控单元不向具有通信错误的下层装置请求数据传输。

附图说明

图1和图2是表示根据现有技术的基于以太网的电源系统的图；

图3是表示根据本公开的基于以太网的电源系统的图；

图4是表示应用到本公开的保护继电器的详细构造的图；

图5是示出以描述根据图3的电源系统的通信错误校验方法的图；以及

图6是表示根据本公开的示例性实施例的通信错误校验程序的流程图。

附图的主要部件的附图标记：

10：上层监控单元

100a-100n：下层装置(保护继电器)

100a：第一下层装置

100b-100n：第二下层装置

具体实施方式

下文中，将参照附图详细解释本公开的优选实施例。附图的相同组件在出现时以可能相同的标记标出。并且，当被认为可能不必要地使本公开的本质不清楚时，已知功能和构造的详细说明被省略。

图3是表示依据本公开的基于以太网的电源系统的图，其中构成部分包括上层监控单元10、网络集线器30和多个保护继电器100a-100n。

注意为了描述的简要性，在使用例如保护继电器的情况下对本公开的实施例的下层装置进行描述，但是不限于此。下层装置可以选自保护继电器、PLC(可编程逻辑控制器)、测量器械，以及电源监控装置中的任意一个，并且保护继电器被称为IED(智能电子装置)。

上层监控单元10经由网络集线器30和以太网连接到多个保护继电器100a-100n，上层监控单元10可以包括诸如HMI(人机交互)等主机，所述主机以特定的周期向各个保护继电器100a-100n重复地请求必要的数据并且便于管理地存储从保护继电器接收到的响应消息。

上层监控单元10向其请求特定数据的保护继电器100a-100n，提取出请求的数据并经由以太网发送给上层监控单元10。

这里，保护继电器100a-100n被分成主站(master)和至少一个从站(slave)，主站通过与每个从站通信来校验每个从站的通信状态。在实施例中，为了方便起见，假定第一保护继电器100a是主站，而剩余的保护继电器100b-100n是从站。

从属保护继电器100b-100n响应于从主保护继电器100a请求的状态校验帧而发送响应帧。并且，主保护继电器100a将状态校验帧发送给经由以太网连接的特定从属保护继电器。主保护继电器100a根据是否从每个从属保护继电器接收到响应帧来确定通信错误的发生，并将具有通信错误的保护继电器的信息发送给上层监控单元10。

上层监控单元10通常起到请求和收集通过以太网连接的多个保护继电器的必要数据的作用。并且，在从主保护继电器100a接收到具有通信错误的保护继电器的信息时，上层监控单元10排除了相应的保护继电器并仅向剩余的保护继电器请求数据。

图4在这里指示了特定保护继电器100a的详细构造。

如图所示，保护继电器100a包括电压/电流检测单元110、键盘输入单元120、显示单元130、存储装置140、存储器150、以太网通信单元160和控制单元170。

电压/电流检测单元110包括以特定的比率将线路上的高压转换成低压的变压器(PT)以及以特定的比率将线路上流动的高电流转换成低电流的变流器(CT)。

键盘输入单元120接收诸如保护继电器100a的每一种测量和运行模式或者备用时间段等用户设定命令。

显示单元130包括显示通过电压/电流检测单元110检测到的各种电源状态并将通过键盘输入单元120输入的每个设定命令显示为字符或者图形的LCD。

存储装置140包括在控制单元170的控制下按项存储通过电压/电流检测单元110和键盘输入单元120输入的事件数据、事故数据、波形数据、需求数据和键盘操作数据的硬盘(HDD)或者非易失性存储器。

存储器150存储与经由以太网连接的其他保护继电器100b-100n的通信状态和错误的信息。

以太网通信单元160负责经由以太网与上层监控单元10和其他保护继电器100b-100n连接的数据发送/接收。

控制单元170控制所述每个部件的运行，其中控制单元170将来自电压/电流检测单元110的测量数据存储在存储装置140中，分析由上层监控单元10发送的请求帧，生成帧并且通过以太网通信单元160将所生成的帧发送给上层监控单元10。这里，所述测量数据包括事件数据、事故数据、波形数据、需求数据和键盘操作数据等。

此外，控制单元170在预设的周期将状态校验帧发送给通过以太网连接的其他保护继电器100b-100n并且请求其响应，并且基于来自各个保护继电器100b-100n的响应而管理通信错误状态并将其存储在存储器150中。

图5是为解释根据图3的电源系统的通信错误校验方法示出的图。如图5所图示的，根据本公开，通过以太网相互连接的多个保护继电器100a-100c中的任意一个保护继电器100a被设定为主站，而剩余的保护继电器100b、100c被设定为从站。这里，保护继电器100a-100c具有同等的内部关系，但是为了方便起见将其分成主站和从站。

主保护继电器100a向从属保护继电器100b和100c周期性地发送状态校验帧，从属保护继电器100b和100c生成响应帧并做出响应将所述响应帧发送给主保护继电器100a。当然，响应帧不会发送自具有通信错误的从属保护继电器100c。

主保护继电器100a向从属保护继电器100b、100c周期性地发送状态校验帧并根据响应来校验通信错误，并且在通信错误的情形下，将具有通信错误的保护继电器的信息实时地发送给上层监控单元10。

利用由主保护继电器100a发送的信息，上层监控单元10不会从处于异常状态中的保护继电器100c请求数据传送。

也即是说，将全部下层装置的状态信息发送给上层监控单元10的主保护继电器100a以数兆秒的时间间隔向其他的从属保护继电器100b-100n发送状态校验帧，接收到状态校验帧的保护继电器100b-100n向主保护继电器100a发送响应帧。此时，推定与上层监控单元10的通信是TCP/IP型，可以在保护继电器100a-100n之间通信而不影响通信量。

因为各个保护继电器100a-100n可以独立地具有用于与上层监控单元10通信的TCP/IP套接字和使用一个以太网在保护继电器100a-100n之间实时通信的套接字，主保护继电器100a可以在处理来自上层监控单元10的命令的同时做出响应。

在与特定保护继电器的通信的持续故障时，主保护继电器100a将具有通信错误的保护继电器的信息发送给上层监控单元10，上层监控单元10不向具有通信错误的保护继电器请求数据。因此，因为不存在等待来自具有通信错误的保护继电器的响应的延迟时间，可以改善整个监控系统的实时性能。

此时，即使是在具有通信错误的保护继电器中，主保护继电器100a也实时地周期性地校验其恢复到正常状态的情况，并且在正常恢复时通知上层监控单元10其被正常地恢复。

由于广播方式，这种通信与上层监控单元10没有关系，对于整个系统的通信量没有影响。

图6是示出根据本公开的基于以太网的电源系统的实时通信错误监控方法的流程图。

首先，当通信校验点到达预先设定的周期时(S1)，被设定为主站的保护继电器100a生成状态校验帧并将所述状态校验帧发送给被指定为从站的特定保护继电器100b(S2)。这里，主保护继电器100a和至少一个或多个从属保护继电器100b-100n是经由以太网相互连接的。

接着，主保护继电器100a确定是否从已经接收到状态校验帧的从属保护继电器100b接收到响应帧(S3)。

这里，当接收到来自从属保护继电器100b的响应帧时，主保护继电器100a确定是否还存在要校验通信状态的保护继电器(S4)。如果完成了与所有从保护继电器100b-100n的通信校验，主保护继电器100a在下一个通信校验周期之前待命。

但是，在还存在待校验的从属保护继电器100c-100n的情形下，主保护继电器100a将状态校验帧发送给下一个保护继电器100c(S5)，并确定是否接收到来自所述保护继电器100c的响应帧(S3)。

当没有接收到来自从保护继电器100c的响应帧时，主保护继电器100a增加从属保护继电器100c的响应故障次数(S6)。

连续地，当主保护继电器100a确定保护继电器100c的响应故障的累计次数是否超过设定到存储器150中的基准次数时(S7)，并且在超过基准次数的情形下，主保护继电器100a将相应的保护装置100c确定为具有通信错误的保护继电器100c并将保护继电器100c的信息实时地发送给上层监控单元10(S8)。

上层监控单元10可以被设置为不向具有通信错误的处于异常状态中的保护继电器100c请求数据。

接着，主保护继电器100a确定是否仍然存在更多待校验通信状态的保护继电器100n并随后将状态校验帧发送给下一个保护继电器100n，并且确定是否传送了来自已接收到状态校验帧的保护继电器100n的响应帧(S3)。

并且，在累计的响应故障次数未超过基准次数的情形下，主保护继电器100a在一定时间后再次将状态校验帧发送给具有响应故障的相应保护继电器100c以校验响应(S11)。

如上所述，在通过保护继电器100a-100n之间的通信发生通信错误的情形下，本公开能够迅速并且准确地识别通信错误。

在电源系统中，出于多种原因具有下层装置的通信装备可以持续地或者瞬时地停留在通信故障中。若无法获知这一通信状态，上层监控单元10被构造为类似于如图6所示的预先定义的流程图执行下层装置之间的通信。

也即是说，本公开被构造为实时地监控整个系统的通信的正常/异常状态并通过执行下层装置之间的通信将结果传送给上层监控单元10。并且，上层监控单元10能够暂停与当前通信状态差的保护继电器的数据通信，从而消除试图与不能通信的保护继电器的通信的不必要行为。

本公开的主保护继电器能够以各种方法以不同的方式发送状态校验帧，例如设备可以每隔数毫秒顺序地传送或者以一定的时间间隔成批地发送给全部下层装置，或者以轮询的方式1∶1地进行帧请求和帧响应。基于现场，可以使用更加适当的方法。

虽然上文集中在优选实施例中详细地描述了本公开，但是本领域技术人员能够在本公开的实质技术范围内实现与本公开的详细描述不同的其他形式的实施例。