CN102237718B - 具有改进的数据传送协议的运行风力电场动力电网的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种运行风力电场电网***的方法，尤其是在电场管理***，即电场主站，与各风力涡轮，即WKA，之间通过一中心网络进行联网的方法，其中，该中心网络用于进行双向数据传送并可以实施为环形网，其中，根据OSI分层模型(42至48)，数据从第一层，数据物理层，即硬件层(42)至第二层，即以太网或Isonet控制器(43)传送，其特征在于：IP层，即OSI模型的第三层以及UDP/TCP层，即OSI模型的第四层，以及RPC层，即OSI模型的第五层通过一WPP实时驱动(49)进行桥接，并且该WPP实时驱动(49)在第二层，即以太网或Isonet控制器(43)与第七层，即WPP应用(48)之间生成一直接的连接。

Description

具有改进的数据传送协议的运行风力电场动力电网的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种运行风力电厂电网***的方法与装置，具体的讲，涉及一种在电场管理***(也称为电场主站)与风力电场的各风力涡轮(WKA)间通过一中心网络进行联网的方法，其中。该中心网络用于双向数据传输且通常以环形网的形式出现。 
背景技术
·在世界范围内的可再生能源成功推广的道路上，尤其是对风能的大量使用的过程中，在风力电场的通信上对动力供应公司(EVU)的需求在逐渐增加。 
·风力电场可以由几百个风力涡轮(＝从站)组成，其中，由一电厂主站对风力电场进行监测及控制。电场主站因此有如下功能，即按特定时间间隔(周期)向各风力涡轮的从站(即可编程控制)提供数据。 
·例如实时以太网等标准协议或其他基于以太网的场总线协议不能满足这些递增的需求(例如在一毫秒的周期内运行500个风力涡轮(根据风力电场管理***的不同通常需要5至20毫秒)并因此双向交换100个字节以上的有用数据)。 
常见的风力电场组电网***的结构是一计算单元(电场主站)通过信号路径以及交换机连接于一电场网络。风力电场的部件可以包括子网络，每个子网络都包括多至50个风力涡轮单元，这些风力涡轮单元又通过一上级网络相互通信。每个风力电场组都将每个风力涡轮产生的数据从子网络经由一数据耦合模块(交换机)送至电场网络中，这样就可将多个子网络连接于电场网络，其中，每个子网络都由多至50个独立的风力涡轮组成。然而，风力电场组电网***也可以由500个风力涡轮组成而不包括子网络。 
在此，测试表明迄今尚无针对上述数量结构和拓扑的允许的高速通信的数据传输协议。 
具有TCP/IP协议的经典的以太网并非为这种大数据量应用而设计，也不具有实时特性。 
即，需要考虑的是每个风力涡轮都在每个周期接收并传送一个例如为100至300字节的数据流。因此，优选的周期时间为20毫秒或更低。对于该周期时间超出或不足仅为忽略不计(实时特性)。 
已知的实时以太网协议都不适合处理这样的在特定周期时间内的大量的数据以及大量的用户。另外，这些协议也没有例如加密及验证等安全机制，因此，实时的以太网协议也被排除。 
实验证明，标准网络协议并非充分确定的，这是由于TCP/IP协议的多层模型包括七层，并从而造成了数据传输的明显延迟，该延迟在前述的情况中就不能满足数据传输的需求了。TCP/IP协议还具有数据分组不能按优先级排序的问题。其因此不能对某一实时数据进行优选的处理。 
国际标准化组织(OSI)的分层模型被称为OSI分层模型(或OSI参考模型、开放***互连参考模型)。其被开发作为通信协议的设计基础。 
通信的功能在这里被分为七层，各层逐级设置。对于每一层都有对于该层的任务的描述。这些需要都必须由通信协议来实现。协议的具体实施并没有被限定，因此可以存在区别。这样，对于每一层都存在着多种类型的协议。 
对于OSI模型，七层别具有固定的需求。在每层上，需求由一范例实施。发射器端以及接收器端的各范例必须按照固定的规则运行，这样他们就商定了如何对数据进行处理。协议中描述了这些规则的建立方法并且形成了同一层的两范例间的逻辑水平连接。 
每个范例都提供其所在层的上一层能够直接使用的服务。为了提供服务，一个范例自身也使用直接为其下层的范例的服务。这就形成垂直的数据流。当在发射器或接收器端交换范例时，一层上的范例可被精确交换。 
OSI分层模型的七层(现有技术)
从第七层至第一层，其功能的抽象级别逐层降低。 
第七层，应用层 
应用层(或称处理层)是七层中的最高层。其为应用提供的对网络的接入(例如，针对数据传输、电子邮件，虚拟终端，远程登录等)。而实际的应用处理位于该层之上并不受OSI模型的控制。 
本层上的硬件、软件：网关、协议转换器、传真到电子邮件服务。 
协议和标准：X.400，X.500，ISO 8571(FTAM)，ISO 9040/9041(VT)，ISO 9506(MMS)，MHS，VTP，FTP，NFS，Telnet，SMTP，HTTP，LDAP，JTM，SSH. 
第六层，表示层 
表示层(或称数据表示层、数据提供平面)将依赖于***的数据表达(例如ASC II、EBCDIC)转换为独立的形式并从而实现数据在不同***间以正确的句法进行交换。其他功能诸如数据压缩以及数据加密都由第六层完成。表示层确保由一***应用层传来的数据可被另一***的应用层读取。如有必要，表示层作为不同的数据格式间的译码器，其使用两个***都能明白的ASN.1(抽象句法标记1)这一数据格式。 
协议与标准：ISO 8822/X.216(表示服务)，ISO 8823/X.226(面向连接的表示协议)，ISO9576(无连接表示协议).
第五层，会话层 
第五层(会话层、逻辑连接的控制)确保两个***间的通信处理。在此，找到RPC(远程过程调用)协议，为了消除会话故障以及类似的问题，会话层为一有组织的同步的数据交换提供服务。为此，引入了复位点，即检查点；当失去传送连接后，在复位点可以对会话再次进行同步而无须重新启动传输。 
协议及标准：ISO 8306/X.215(会话服务)，ISO 8327/X.225(面向连接的会话协议)，ISO9548(无连接会话协议)，RPC(远程过程调用) 
第四层传输层 
传输层(或称端对端控制层，传输控制层)的功能包括对数据分组进行分割以及避免拥塞。传输层为面向应用的第5至7层提供一致的接入以至于这些层无需考虑通信网络的 各种属性。在该第四层定义有五种具有不同服务质量的服务类，且从最简单的到最复杂的服务，这些服务类可被上级的层通过复用机制、错误控制以及我查矫正方法使用。 
协议以及标准：ISO 8073/X.224，ISO 8602，TCP，UDP，SCTP 
第三层网络层 
网络层(或称分组层)通过面向线的服务确保对连接的交换，以及通过面向分组的服务来确保对数据分组的转发。两种情况中的数据传送都在整个通信网络之上并包括网络节点间的路由。由于发送方于目标间的直接通信并不总是可能的，分组必须通过路径上的节点进行转发。经转发的分组并不到达更高的层，而是被提供给一新的中间目标并发送给下一个节点。 
网络层的最重要的功能包括建立并更新路由表以及对数据分组的分割。除了互联网协议(IP)外，NSAP地址也属于该层。由于一通信网络可由多个具有不同传送介质以及传送协议的分网络组成，所以在本层中还有实施功能，该实施功能是分网络间的转发所必须的。 
该层的硬件：路由器、第三层交换机(桥接路由器) 
协议及标准：X.25，ISO 8208，ISO 8473(CLNP)，ISO 9542(ESIS)，IP，IPsec，ICMP 
第二层，数据链路层
数据链路层(或称段安全层、数据安全层、连接安全层、连接平面、过程平面)的任务是确保可靠的传送，即基本上无错误的传送，以及对传送介质的访问的约束。为此，该层对比特数据流分割为块，为这些块顺序编号并校验和。可通过确认以及再现机制重新请求失效的，有错误的或丢失的块。这些块也被称为帧。 
“数据流控制”使得接收器可以对对方发送块的速度动态的进行控制。国际电工及电子工程师协会，即IEEE看到了针对局域网的传输介质的冲突解决的管理的必要性，而这在OSI模型中并未提供。 
根据IEEE，第二层分为两个子层，即LLC(逻辑链路控制)以及MAC(媒体访问看控制) 
该层的硬件：桥接器、交换机(多端口桥接器) 
以太网协议对第一层以及第二层进行了描述，其中，CSMA/CD被用作访问控制。 
基于第二层的协议以及标准的协议以及标准：HDLC，SDLC，DDCMP，IEEE 802.2(LLC)，ARP，RARP，STP 
直接基于第一层的协议和标准：IEEE 802.11(WLAN)，IEEE 802.4(令牌总线)，IEEE802.5(令牌环)，FDDI 
第一层，物理层
物理层是最底层。该层提供各种机械的、电气的以及其他功能性辅助以建立或断开物理连接、对物理连接进行保持以及通过物理连接传送比特。物理连接例如可以是，电气信号，光学信号(光纤光学、激光)、电磁波(无线网络)或声音。对他们的使用被称为传送进程。分配给物理层的设备及网络组件例如可以包括，天线以及放大器、用于网络缆线的插头和插座、收发器、集线器、中继器、T形连接器以及端接器。 
在物理层上，对数字比特的传送在一基于有线的传送段或基于无线的传送段上进行。对于传送介质的一般应用可以在本层通过静态复用或动态复用发生。除了针对某些传送介质(例如铜线缆、光学波导器、主电源)的规范以及对插接件的定义外，还需要其他元件。另外，在此平面上，还需要确定究竟如何对比特进行传送。 
可以这样定义：在当今的计算机***中，信息通常是通过比特序列的形式被传送的。当然，0和1是不可被传送的物理类型本身认知的，例如，如果是电气传送，就用电压脉冲在铜线中传送，如果是无线电传送，就用不同频率和幅度的电磁波传送。因此，需要为每种介质都找到对应的编码方式，例如，具有特定周期的具有特定电平的电压脉冲或具有特定频率的无线电波。这对特定的网络，这些方面必须被精确定义。而这些都是借助在网络的物理层上的描述完成的。 
该层的硬件：调制解调器、集线器、中继器 
协议以及标准：V.24，V.28，X.21，RS 232，RS 422，RS 423，RS 499 
根据OSI参考模型开发的网络协议都与TCP/IP协议族的共同点是他们都是层级模型。然而，他们还有微小的概念上的区别：OSI精确地建立服务，每层都为其上层提供服务。TCP/IP协议并不像OSI那样具有严格的分层概念。每个层功能都不是精确建立的，服务也不是精确建立的。其允许处于低层级的层绕过中间层直接被高层级的层使用。TCP/IP协议因此比OSI协议更高效。而TCP/IP协议的缺点在于，针对很多小型或微型服务存在不同的网络协议。相反，OSI为其协议都建立了很大范围的服务(并具有很多选择)。并不是所有的商业上可用的OSI软件都具有所有的服务。因此，OSI配置文件被定义为，每种仅包含一组特定的选择。当实施了共同的配置文件后，来自不同的制造商的OSI软件就能协同工作了。 
然而，OSI的层级模型并非TCP/IP协议不适于实时传输的唯一理由。TCP/IP仅使用下部的四层。事实上所有的网络栈，无论它们是TCP/IP还是实时以太网协议，对于本申请中的通信来说都需要占用大量CPU的资源，且不具有充分的实时特性。TCP/IP协议缺乏实时特性的另一原因是，其缺少对数据分组(VLAN标签)及与其关联的慢速、高速混合通信进行优先级排列的能力。 
发明内容
初始情形以及目的 
起因/初始情况 
每个风力电场都需要某种形式的电场管控。迄今为止，每个制造商都开发了自己的通信方式。而这些通信方式均为应用型(作为风力涡轮的运行管理程序的组成部分的接口通信)。这种类型的通信有其自身的局限性。为了满足当今的大型风力电场的需求，需要一种针对高速数据通信的深嵌于***软件中的新的数据传送方式。 
目的 
本发明的目的在于提供一种M2M(机对机)通信的通信协议，该协议能够达到当今对电场管控的需求。通信以特定大小的数据分组的形式在电场主站与从站(风力塔)之间双向发生。至对应用的配置以及链路应当保持尽可能的简单。 在电场主站端需要一驱动作为主站，在风力塔内需要一驱动作为从站。一控制器必须同时即能够作为主站又能够作为从站。 
发明的需求 
对于标准协议Profinet(简称RT，一种广泛使用的实时以太网协议)的大量研究显示出尽管Profinet RT在理论上是合适的，但在大规模的电场中(超过50个订户)，电场服务器上的CPU的负荷也会超过可容忍的极限。其他基于以太网的现场总线协议也不能满足要求。根据本发明的电场管理的特征在于： 
·面向分组的，双向100字节以上的有用数据； 
·从站(风力涡轮)的数量，多达500个订户。 
·如果可以传送广播，则可用交换机以及网络分段将风力电场扩张至多个子网； 
·周期时间为毫秒级 
·除了实时通信外还可进行常规TCP/IP通信 
·启动简单(基本不需要配置) 
·所有的订户都必须在线连接或断开 
·可选的认证及加密等安全机制 
·通过IEEE802.1Q VLAN对风力电场的部分进行分割以形成独立的网络(虚拟局域网) 
·必须具有可选的网络传送冗余 
·必须能够使用已经商业化的网络组件(交换机、布线等)和以太网技术(终端的以太网控制器) 
产品实现 
根据本发明的风力电场协议需能够实施于每个装备有适宜的控制以及可服务的网络的风力电场中。首先，用100至1000兆比特的传送线以及固定的通过网络连接的组件作为基础。 
本发明的目的是提供一种协议，该协议用于将多个风力塔组(子网)通过一电场主站经由一中心电场网络进行联网，以至于这些量结构，例如，多至500个风力涡轮(WKA)，可通过一电场管理***在几毫秒的周期内管控。 
为了达到该目的，本发明提供了具有权利要求1所教导的技术特征的方案。 
本发明的本质特征包括下述特征： 
通信 
为了满足实时的需求，通信需要在数据链路层上直接实现。而连接设置以及非周期性的通信可以经由TCP/IP进行。[3001] 
注意：上述位于方括号内四位数指代本说明书末尾的表格。 
风力电场协议(缩写为WPP) 
根据本发明的数据通信协议在本说明书中均用术语风力电场协议指代。 
·本发明使得满足如下需求成为可能 
·面向分组的每周期多于100个字节的可用数据的双向传送 
·从站的数量多至500个订户 
·如果可以对广播进行传送，则可将风力电场延至多个交换机以及逻辑或物理网络段 
·所有订户的周期时间为几毫秒 
·除了实时通信外还有常规TCP/IP通信 
·简单的启动(很少的配置或根本无需配置) 
·对认证及加密等安全机制的使用 
·经由IEEE802.1Q VLAN技术将一风力电场的多个部分分割为独立的网络(虚拟局域网) 
·使用商业化的网络组件(交换机、布线等)和以太网技术(终端的以太网控制器) 
·以往的协议都是面向对象的或者面向应用的，其分组长度都很冗长。而此种类型的风力电场协议在数据长度上都较“苗条”并且是建立在ISO/OSI七层模型的第二层上的， 
·本发明还要求以下特点也作为本发明的实质特征： 
·经由以太网的无IP(互联网协议)通信 
·经由子网络的对通信订户(风力塔组)的级联 
·通过该协议的对主站与从站的同步 
·块传输形式的现场总线通信(标准现场总线总是使用一对象参考) 
·对订户的自动搜索 
·主站以及订户的在线连接和在线断开 
·更大的量结构的自动接管 
·所有带冗余联网的网络上的主动通信的冗余 
以下描述为根据本发明的连接设置的示例： 
连接设置 
可能的从站状态 
在连接设置过程中，主站进行如下步骤： 
1.通过名称或IP地址以及MAC地址发现从站 
→自己的协议 
2.交换并验证配置数据[3015][4011] 
周期时间、数据长度、同步、超时...... 
(如果是重新连接可跳过该步骤) 
→自己的协议 
3.启动同步 
→或同步分组 
4.设置从站至RUN状态 
→周期性数据交换 
寻址(”ARP”) 
经由一可配置的从站名称或直接经由IP地址对从站进行寻址。而地址解析是通过一以太网广播[3010]完成的。 
在连接建立过程中，主站为每个从站都分配一个独特的从站ID，该从站ID后续用来对该从站进行寻址。这针对级联来说尤其必要。 
从站搜索的可能性 
1.主站向各从站发送一个所有从站都会响应的广播(广播同步分组可用于该目的) 
·主站还从各从站接收(并非必要)响应，而这些响应是无足轻重的(由于有对SegmentcCode的限制，这应该不成为问题) 
·此外，搜索可以局限于一种从站的状态(例如就绪READY或下线OFFLINE) 
·从站可直接对主站进行寻址 
这种方法在初始化时适用并在从站都未知时是必要的。 
2.主站发送的广播带有从站的地址 
·如果有很多从站都是下线的则有些可能需要发送多个广播 
·在一个广播内可包含多个从站，例如，从站名称有20个字符，则可包括38个从站(1400B/36B) 
·从站可直接对主站进行寻址 
这种方法在初始化时以及当一应用向运行期间内增加从站时适用(首次搜索) 
3.主站发送单播 
·没有使用中的广播 
·从站的MAC必须是已知的 
·没有识别出设备替换 
该种方法适于很快修正短暂连接崩溃。主站在每个周期中另外发送一重新连接分组(或数据分组)。网络利用率因此与活动运行的级别相当。 
同步 
对所有的订户的同步必须是选择性可能的。理想的是，可从下面两种机制中进行选择：[2002][3006] 
PTP(IEEE1588) 
PTP从站管理时钟资源并因此向PTP主站提供所有应用的时钟 
·很高的精度 
·通过使用无冗余时钟功能的标准的交换机，PTP分组的运行时间随网络利用率而波动。如果运行时间的波动大于±50微秒，则发生针对同步的短暂的崩溃。 
同步分组(广播) 
主站向从站周期性的发送广播 
·足够的精度 
·针对同步分组的失效，必须给出失效机制(本地定时器) 
·有可能需要连续发送多个同步分组以弥补分组丢失的情况。 
与应用无关，WPP直到下一个协议周期或向应用提供输入数据时才发送输出数据。 
为了保证数据的一致性，所有的输入和输出数据都双份保存。 
在接收到一个分组后，其都被复制到一个备份缓冲器中并直到下一个周期才对其进行评估。缓冲器的变化发生于周期的开始。 
在传送中，将分组从备份缓冲器发出，同时应用向当前的缓冲器写入新的值。缓冲器的变化在周期开始时发生。 
根据本发明的以太网通信的属性： 
·无TCP/IP栈(无接口) 
·简单且独立(只有一个传输层) 
·整个广播域中的通信(无子网络) 
·并不绝对需要登陆以及用户管理 
·可选择性的提供安全机制(登陆、验证，以及SSL加密) 
·关于TCP/IP的对实时分组的优先级排序。 
·无需影响实时特性的同时进行的标准TCP/IP通信 
·可进行组播寻址 
·可使用标准网络技术(交换机、布线)以及标准的终端(主站、从站)以太网控制器。 
附图说明
下面将以实施例的形式对本发明做进一步说明 
这些说明进一步解释了本发明的优点和特征。 
图1示出了一通过一环路连接多个风力塔组的数据传输网络 
图2是本发明的数据模型 
图3是在主站中的同步运行的流程图 
图4是具有多周期的主站中同步运行的流程图 
图5是从站的异步运行的流程图 
图6具有不同周期时间的异步运行的从站的流程图 
图7是以一个从站为例说明主站的周期性数据交换时序的事件模型 
图8是以一个从站为例说明主站中的周期性应用程序(PLC)时序的事件模型 
图9是其中带有同步运行的从应用被一事件机制触发的事件程序 
图10是本发明的栈层模型(左侧)与现有技术中的OSI层模型(右侧)的对比图 
图11是根据本发明的一种以太网帧的结构图 
图12示出了VLAN标签 
图13示出了带有级联的主站、从站原理 
图14示出了带有级联的以太网帧中的从范例 
图15示出了主站从站原理，其中，每个主站可以与带有级联的另一主站相通信 
图16同步运行的风力电场协议主站中的时序 
图17异步运行的风力电场协议从站中的时序 
图18是具有TCP/IP数据流量的主站中的时序 
具体实施方式
图1示出了一电场主站30，还可以与该电场主站并联连接可选的其他电场主站31等。现有的CPU由各种模块组成，这些模块将在后面作为电网控制，电场SCADA以及电场服务。电场主站30通过双向的信号路径以及数据路径与各耦合模块32相连，这些耦合模块生成与中心环路40的连接。在环路中提供有与连接的风力电场单元33至37的数量相等的耦合模块32。每个风力电场组(单元)33至37都具有自己的中心电场环路39，并在每个中心电场环路上都分别通过耦合单元(未示出)连接有风力涡轮38。重要的是，由根据本发明的风力电场协议(WPP 50)以及新的WPP实时驱动49进行中心环路40上的以及电场环路39上的数据传输以及风力涡轮38和电场环路39间的数据传输。 
图2示出了根据本发明的数据模型。主站应用23设置于电场主站内。各从站应用37分别设置于各风力涡轮38内。为主站应用23分配有WPP数据缓存(主)28，而为个从站应用27分配有WPP数据缓存(从)29。 
步骤1：主站应用23向WPP数据缓存28中写入输出数据； 
步骤2：在下一周期中，WPP28将该输出数据发送至从WPP29中； 
步骤3：从站应用27从WPP数据缓存29中读出该输入数据； 
步骤4：从站应用27向WPP数据缓存29中写入该输出数据； 
步骤5：在下一周期中，WPP29向主WPP29发送该输出数据； 
步骤6：主站应用23从WPP数据缓存28中读出该输入数据。 
图2还示出了多个从站应用27a至27n，且这些从应用并行设置。在这些从应用27a至27n中也有数据传输发生。 
从站应用27，27a至27n运行于两种不同的运行模式。 
从站应用27：同步运行 
基于图3，应用27，27a至27n都画于纵坐标上，并位于协议PROT之下。应用27，27a至27n根据块1生成数据，同时协议用其服务发送数据，其中，在2处向所有的风塔发送一启动命令(同步信号)，在3处向一风塔发送一数据分组，并在4处向另一风塔发送另一数据分组。 
同时，在5处，由其中一个塔发来一输入数据分组并且随后在6处由另一风塔发送另一输入数据。如图3所示，由应用生成的数据在下一个周期经由箭头方向7被接管，作为输出数据。风塔继而接收由应用在块1中汇编的数据。这些数据继而再以数据分组的形式依次分配给各风塔，其中，例如，一风塔得到数据分组3，而另一风塔得到数据分组4。 
类似的，再依次执行针对其他风塔的接收输入数据以及数据分组5、6。 
作为输入收到的内容(图3中左侧的部分所示)经由方向箭头8给予应用，该应用对这些数据进行处理并保存于块9中，即为了按照图3左侧的所述的方式进行发送。 
这样，块9的传输周期就与块1的周期相对应了。 
图4包括与图3同样的解释，可看出的区别在于当多个应用生成数据分组1，1a时，类似的会发生针对这些数据的按照箭头方向7a、7b的传输，且相反的，会发生关于输入数据5、6，一对应的沿方向箭头8a、8b的二等分传输。 
从站应用27：异步运行 
图5示出了当该应用生成块1时，其与协议层异步运行，此后在下一个可能的周期，数据分别按照箭头方向7、8所示被传递、 
图6示出了一种极端情况，此情况中，在一周期开始时，一应用就生成一数据块，在此种情况下必须避免数据块冲突。因此，图6中有必要对缓冲器中的内容进行复制，原因在于同步信号2位于一数据块1a的中部，且因此该数据块中的内容作为A被抛弃并被推迟到另一个周期时间。 
主站应用23： 
图7示出了由一单从站应用27、27a至27n的示例交换的周期数据的时序。WPP50发送并接收所有由内部缓存28、29所存放的从站数据。 
图8通过一单从站应用的例子示出了主站应用中的一周期应用程序(PLC)的时序。WPP50在一内部缓存中保存应用数据。 
IO-SYNC(控制CPU中的周期性中断)触发该应用以及WPP50.。这样可以确保一个周期内的应用和WPP的抖动不会累加。根据优先级，执行相应的“程序”。 
从站应用27： 
在同步运行的情况下，从站应用27、27a至27n由一事件机制基于来自主应用23的同步分组触发。IO-SYNC是不可能的，因其会被调整。 
在收到输入数据后，会直接发送输出数据。 
图7示出了每个模块的，即在同步模块IO-SYNC中，在应用模块APP中，在协议模块WPP50中，在以太网控制器41中，在中断模块中以及事件模块ENV中，的时序关联，其触发以对其他事件进行同步。 
在每种情况中，各模块下方的时间轴是纵轴，且在第一条线10对同步分组进行传输且随之触发协议模块WPP50。此时通过以太网控制器41发送一命令“发送同步”(send sync)且控制器在WPP50上响应一对应的信号，继而由信号11触发向以太网控制器41发送一信号12。其中该数据沿信号12的箭头所指的方向传输。 
当以太网控制器41完成后，其发送一信号13，根据该信号，数据传输断开或终止。 
在风力电场协议WPP50中，由信号路径14对接收到的数据进行评估，当评估15结束后，生成一信号16以评估对事件模块ENV的周期终止。 
周期继而结束，即在线17处结束，且，如有必要的话，一个新的周期开始。 
图8现在示出了应用层(应用模块APP)的时序路径。继而，经由发自同步单元IO-SYNC的信号10，应用模块APP被触发并通过命令18(接收数据)(GetData)从WPP协议50接收数据，继而从块21移除该数据并将该数据通过信号路径19读入数据块21。 
应用APP的一控制周期(控制周期22)包含于数据块21中，且数据块21中的数据据此由应用APP的动作而处理。 
数据经由信号路径24作为一数据分组50传送至WPP协议50，成功存储后，经由信号26发送给APP。 
图7、8示出了根据本发明的分层模型的两种不同的层或时序。 
图9示出了与图7中的针对一从应用的时序相同的时序，其中为相同的时序分配了相同的编号。 
因此，上述描述也适用。 
在这种情况下，在线10上由风塔通过模块生成一信号，继而通知中断模块，通知中断模块后再将数据送至WPP50的数据块21中。 
据此，数据被送入从站单元，继而在控制周期22中，从站单元在应用模块中对数据块21中的数据进行处理，并继而在下一周期中将结果数据作为数据片段送回WPP模块50。 
图10示出了根据本发明的分层模型，其中，可见的是，层组件42至48示于左侧。而现有技术示于分割线51的右侧。硬件层42(OSI模型的第一层)上连有作为OSI模型的第二层的太网控制层43(isonet的控制器)。在其上连接有IP层45(OSI模型的第三层)IP层上连有作为OSI模型第四层的UDP/TCP层46、其上连有作为OSI第五层的RPC层47、其上连有作为主站应用23或从站应用27的WPP应用层48。 
根据本发明，(图10的左侧)，至少层45、46、47三层(即OSI模型的第三、四、五层)被放弃了且根据本发明的WPP实时驱动49对OSI模型的第三、四、五层进行桥接。根据本发明的WPP50据此仅包括四层，即层43、43、49以及48，即OSI模型的第一、二两层以及由WPP实时驱动49桥接的第三、四、五层。 
根据本发明，根据本发明的WPP协议因此与已知的以太网协议的不同之处在于OSI模型中的RPC、UDP/TCP以及IP层是不连续的。 
这也是本发明的优点所在之处，原因在于通过不连续的三层45、46、47，根据本发明的WPP协议50动作快的多，且具备了实时能力以及确定性并能够服务于更多的订户。另外，还使得使用网络安全机制以及标准网络组件(交换机、布线等)成为可能。 
这是迄今为止的现有技术所未知的。 
图11示出了一根据本发明的分组的结构，其中，灰色部分或有阴影的部分属于传统的以太网协议，无阴影的部分是根据本发明的新的WPP协议的部分。 
此处，重要的点在于通过前述的不连续的三层(见图10)，现在产生的报文包括一协议以及一个或多个数据块，从现有技术中是不可能推导出这样简单的报文的。 
以太网帧 
由于级联(以及从站搜索)，每个报文需要几个数据分组。如果一个报文不能容纳所有的分组，则需要连续传送多个报文。这在图11中有所表示。 
如图12所示，以太网帧中包含一个VLAN标签用于对实时分组进行优先级排序。 
该风力协议可以针对周期性的实时通信以及非周期性的控制命令使用不同的优先级。为了避免异质分组(foreign packets)的错误，使用了单独的WPP协议类型。 
协议头中包含了一般性协议规范的信息 
·协议版本 
·标记位(调用/答复、后续帧、冗余、网关、诊断等) 
·格式(加密、endlan) 
·数据分组的数量 
·分组或分段码 
·验证码(flavor+Len)，开始总是0 
块首包括从站指定的信息 
·从站ID(0或1多所有进行寻址，例如，同步分组) 
·交易ID(周期计数器、答复调用的分配) 
·命令(连接、周期化、读取、写入、同步、搜索等) 
·从站状态(运行、停止、错误) 
·标记位(块有效/块空、后续帧) 
·时间戳(应用指定数据的时间，PTP时钟) 
·数据块的长度 
·片断复位，开始总是为0 
块首后是数据 
·数据→对齐 
在该版本的WPP中，一从范例限制在1400字节的数据之内。片断复位(fragment offset)(在块首中)对从站的数据分段作为未来的扩展。 
借助附加的命令(在块首中)，可轻易的实现非周期性通信。自变量、数据以及错误代码都包含在了数据区域内。未来还据此可实现不同的设备配置文件。 
MTU(最大传送单元)在以太网II内固定为1518字节。在千兆级以太网中，为了最小化协议开销以及CPU负载，最好使用所谓的巨型帧(＞1518字节)。然而，由于对于此类分组没有标准，必须对所有的网络组件是否都能运行巨型帧进行测试。理论上讲，大至64k(IPv4的极限)都是可以的，而实际上，12000字节的尺寸是令人满意的，这是因为针对大于该尺寸的分组，CRC计算就不再高效了。 
巨型帧对于级联尤其有用。因此在WPP中也要把它考虑了进去。 
本发明的核心在于，根据图10，以太网协议的某些层被省略了，而取而代之的是剩余层间的直接传输。在此点上本发明比较已知的其它网络是突出的，原因在于其它网络，例如Profinet，Powerlink，所提供的根据WPP协议的层都是复杂的而不是经省略的，从而造成层间数据通信非常复杂，从而无法实现本发明中的新的WPP的优点。 
图13 
级联中的从站/主站原理 
主站2连接于从站3至5(53)。此外，主站2提供一与主站1通信的从站。应用(52)主站与从站间的链路，并需要复制所有数据并评估状态变迁。 
！所有的数据都合并于一从站范例54中。该从站范例必须被装入一以太网帧中。 
图14时出了该以太网帧的配置 
·主站1(55)现在仅看到一个从站！ 
·通过附加的应用(在主站2上)，达到目标设备的所有分组都延迟一个周期。 
→经由固定的延迟进行Poss.耦合(延迟应用) 
→或在应用结束后立即发送数据(在周期内) 
·主站1不能直接访问从站3至5 
·在整个网络确保同步。 
由分段代码进行一个网络中的两个主站的区分 
图15示出了级联中的主站/主站原理 
每个主站都能直接与另一个主站通信，例如，主站1可以连接至主站2中的从站3至5。地址参数(IP、名称)由从站接管。 
·主站1必须计算以太网帧中可能的从站数量 
·主站2必须首先建立与从站3至5的连接。只有在此完成后才提供地址参数。 
·级联反应所有的从站，即一个从站的两个范例被应用。这对于相互通信来讲是必要的。转而，应用需要对所有数据进行拷贝并需要对状态变迁进行评估。附加的功能GetGetwaySlave()提供了对一“反射的”从站的处理(在左侧用红色标记)。或者，现有的功能GetSlave()具有特殊的地址参数(例如“gateway Myslave”) 
·可选的，也可对状态信息以及数据直接转发 
·在整个网络上确保同步。 
必须将主站2中的从站分配给主站1的段 
下面的功能针对主站以及从站应用！ 
至应用的连接是基于分组的。仅该应用知道其内容。对数据的交换是通过一复制过程进行的(无指针传输)[2004] 
下面将对前述各模块进行描述。 
图16示出了同步运行的主站风力电场协议的时序。 
在图16中，时间轴t(APP)以及t(PROT)水平显示，其中一个用于应用软件(APP)，而另一个用于风力电场协议(PROT)。在主站中用n和n+1标记出了两个周期，周期的起始是一条垂直线。通过同步运行，应用以及协议同时运行。 
应用程序，用PLC指代(标记1或9)计算所有的输出数据并将其在计算后传输至协议层用于转发至所有的从站。这在图中用箭头7从PLC向下指向S(标记2)表示。 
在风力电场协议中(PROT轴)，所有在时间轴t(PROT)上方的都是传送出的，而在时间轴t(PROT)下方的都是接收到的。在一个周期开始时，由主站通过多播或广播向所有的从站发送一特殊的同步分组，即在图16中，用S标记的块。该同步分组被各从站同时原封不动的收到。此后，再顺序向每个从站传送输出数据，即在图16中，针对三个订户的带有Out1、Out2、Out3指示的块(标记3、4、和4a)。同时，在收到同步分组后，每个从站立即向主站发送输入数据，即图16中带有In1、In2、In3指示的块(标记5、6、和6a)。输入数据可以以任何顺序到达。一旦接收到所有的输入数据，这些数据就可被应用软件提取。这发生在周期n+1起始的一刻，该时刻由箭头8从6(In2)向上指向9(PLC)表示。 
在如下的周期中，都重复前述的整个过程。 
图17示出了异步运行的从站风力电场协议的时序。 
在图17中，水平设置的有两条时间轴t(APP)以及t(BCP-S3)，其中一条用于应用软件(APP)而另一条用于风力电场协议(BCP从站3)。图中指明了具有指示n和n+1的两个周期，每个周期的起始都是一条垂直线。在异步运行中，应用以及协议都不同时开始，两个时序都具有自己的非同步的周期定时器(BCP周期以及PLC周期) 
从站中的应用程序，指示为PLC(标记1、1a、1b以及1c)对从站的输出数据进行计算并在计算结束时将输出数据传输至协议层用于转发至主站。协议层仅在下一个BCP周期才将这些数据转发至主站。该从站输出数据一直是被覆盖的直至下一BCP周期的开始。这由从PLC至S的虚线箭头7、7a以及7b指代。 
在风力电场协议(BCP从站3轴)中，所有在时间轴t(BCP-S3)上方的都是传送的，而在时间轴t(BCP-S3)下方的则都是接收的。周期在从主站接收到同步分组S(标记2)时开始。此后，从站将输出数据发送至主站，即在图17中带有指示Out(标记3)的块。最后一个经传输的数据被传送，这由从PLC(标记1)指向S(标记2)的实线箭头7b表示。 
主站收到输入数据后，即图17中标有In3(标记6a)的块所示的数据，该数据可由应用程序在下一PLC周期中提取。所有的后续PLC周期都接收相同的数据直至风力电场协议有新数据。这由指向PLC(标记9、9a)的虚线箭头8、8a、8b表示。 
在如下的周期中，都重复前述的整个过程。 
图18示出了带有TCP/IP数据通信的主站中的时序； 
在图18中，主站的同步运行时序与图17所示的情况相同。然而，图18中每个从站有两个订户而且图18中还示出了TCP/IP数据通信。TCP/IP数据通信除了能够进行实时数据通信外还能进行文件交换或其他低级别的通信。该TCP/IP数据通信(块TCP Out，即标记4b、4c以及TCP In，即标记6b、6c、6d)可在所有实时分组传送接收完成后就占据风力电场协议中剩余的所有内容。 
当传送一以太网分组时，这一过程是不能被打断的。首先必须完成对一个数据分组的传送(发送或接收)。对于100兆比特的以太网来说，最大的分组运行周期是125微秒。因此，在极端情况下，每个网络连接有可能发生高至125微秒的双向抖动(主站至交换机、交换机至交换机、或交换机至从站分别为一个连接)。 
执行者(见图1) 
电场服务器 
风力塔 
电网控制 
电场SCADA 
  执行者   功能
  应用   对电场进行可视化(操作以及观察)
    数据获取/存储
    可选的：为第三方提供数据(运营者、股东、服务中心)
网络 
***描述 
软件界面 
应用软件的界面应该简单明了。应用程序可以在C/C++，优选IEC61131-3下编成。应用写入向外发出的数据块的内容并读出接收到的数据块的内容。通过功能将应用耦合于风力电场协议的驱动。这里的要点在于双向观察数据的一致性。如果应用在读取或改变数据内容，则同时可不必进行通信。 
在主站中的对从站的分配必须要简单而且要可重现，无论是否有启动操作。 
前述针对应用中的直接操作的解决方案。作为进一步的目的，需要提供这样的可能性，即在每次配置时对连接***进行设置但并不改变或重新汇编风力涡轮的应用。为此，根据本发明提出了一种概念。 
·集中在电场主站通过图形界面对连接进行配置(带目标以及变量浏览) 
·基本框架条件的可用性和一致性已经基于该配置(例如，每个风力塔的数据量x风力塔的数量到底是否与周期时间相匹配) 
·用统一的数据界面对单个风力涡轮或风力涡轮组进行配置 
·将通信配置传送至所有订户(风力涡轮) 
·所有订户都采纳该通信配置而无需重新启动风力涡轮。 
·初始化电场主控器后将周期通信并入(测量时间、初始化、同步、启动) 
下面的表逐步骤地记录了主站与从站的通信。 
主站以及从站功能的时序 
附图标记 
1    块                30  电场主站 
2    开始命令          31  电场主站 
3    数据分组36        32  耦合模块 
4    数据分组              交换机 
5    输入数据分组      33  风力电场单元 
6    输入数据分组      34  |，，””” 
7    方向箭头(7a，7b)  35  ，，””” 
8    方向箭头(8a，8b)  36  ，，””” 
9    块42              37  ，，””” 
10   线                38  WKA 
11   信号              39  电场环路 
12   信号              40  环路 
13   信号              41  以太网控制器 
14   信号              42  第一层 
15   评估48            43  第二层 
16   信号              44 
17   线                45  第三层 
18   命令              46  第四层 
19   信号              47  第五层 
20  块              48  第七层 
21  数据块54        49  WPP实时 
22  控制周期            驱动 
23  主站应用        50  WPP(风力电场协 
                        议) 
24  信号路径 
25  数据分组        51  分割线 
26  信号            52  分割1 
27  从站应用        53  分割2 
28  WPP数据缓存     54  从范例 
    (主站) 
                    55  主站1 
29  WPP数据缓存 
    (从站) 

Claims (13)

1.一种运行风力电场电网***的方法，包括在电场主站与各风力涡轮（WKA）之间通过一中心网络进行联网，用于进行双向数据传送，其中，该***具有数据传输协议，包括根据OSI模型的物理层、Isonet控制器层、IP层、UDP/TCP层、RPC层以及风力电场协议（WPP）应用层，该方法包括：
为了实现实时数据通信，
将数据从物理层传送至Isonet控制器层；
将IP层、UDP/TCP层，以及RPC层，通过一风力电场协议（WPP）实时驱动器进行桥接; 将数据从Isonet控制器层传输至风力电场协议（WPP）实时驱动器；以及 将数据从风力电场协议（WPP）实时驱动器传输至风力电场协议（WPP）应用层； 在实时数据通信之外,为文件交换或其他低等级通信还进行标准TCP/IP通信。
2.根据前述权利要求1的方法，其特征在于为文件交换和其他低等级通信，在所有实时数据包发送与接收之后，标准TCP/IP通信占据风力电场协议中的所有剩下的通信。
3.根据前述权利要求1或2的方法，其特征在于提供有通过一个中心电场网络将多个风塔组与电场主站联网的协议，使得数量结构多达500台的风力涡轮能够通过电场管理***以毫秒级的时间周期被管理调节。
4.根据前述权利要求1或2的方法，其特征在于为了满足实时要求，直接在数据链路层进行通信，而建立连接则通过标准TCP/IP通信进行非周期通信。
5.根据前述权利要求1或2的方法，其特征在于相比于标准TCP/IP数据包，实时数据包具有优先级。
6.根据前述权利要求1或2的方法，其特征在于同时进行标准TCP/IP通信，不影响实时通信。
7.一种运行风力电场电网***的***，包括在电场主站与多个风力涡轮（WICA）之间进行联网，该***包括：
为了进行实时数据通信，
一个中心OSI网络构造成在电场主站与风力涡轮之间提供双向数据传输；
中心网络具有物理层、Isonet控制器层、IP层、UDP/TCP层、RPC层，以及风力电场协议(WPP)应用层（49）， 以及一个风力电场协议（WPP）实时驱动器构成为桥接IP层、UDP/TCP层，以及RPC层，并且直接提供在Isonet控制器层和风力电场协议（WPP）应用层之间通信，
从而，在实时通信之外还进行标准TCP/IP通信。
8.根据前述权利要求7的***，其特征在于：中心网络构成为环形线路；
各风力涡轮耦接在多个电场环形线路的选定的组中；
风力电场协议（WPP）应用层通过风力电场协议（WPP）实时驱动器在该中心网络线路和在该电场环形线路上进行数据传输，从而实现各风力涡轮与电场环形线路之间的数据传输。
9.根据前述权利要求7的***，其特征在于：为文件交换和其他低等级通信，在所有实时数据包发送与接收之后，标准TCP/IP通信占据风力电场协议中的所有剩下的通信。
10.根据前述权利要求7或9的***，其特征在于提供有通过一个中心电场网络将多个风塔组与电场主站联网的协议，使得数量结构多达500台的风力涡轮能够通过电场管理***以毫秒级的时间周期被管理调节。
11.根据前述权利要求7或9的***，其特征在于为了满足实时要求，直接在数据链路层进行通信，而建立连接则通过标准TCP/IP通信进行非周期通信。
12.根据前述权利要求7或9的***，其特征在于相比于标准TCP/IP数据包，实时数据包具有优先级。
13.根据前述权利要求7或9的***，其特征在于同时进行标准TCP/IP通信，不影响实时通信。
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