CN101185293B - 通用测量或保护设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量或保护设备(230)，其带有用于建立与至少一个测量换能器(250)连接的一个接口(350)和用于连接到上级数据总线(220)的另一个接口(420)。为了实现使测量或保护设备可以特别通用地使用并且实现特别地廉价的复杂的保护系统结构，根据本发明在测量或保护设备(230)中存在与两个接口(350，420)连接的通信单元(300)，该通信单元通过一个接口(320)可直接与测量换能器(250)连接而通过另一个接口(420)可与上级数据总线(220)连接，以及形成报文(T)并且将报文(T)传送到上级数据总线(220)。

Description

通用测量或保护设备
技术领域
本发明涉及带有适合于建立与至少一个测量换能器的连接的接口和适合于连接到上级数据总线的另一个接口的测量或保护设备。
背景技术
此类测量或保护设备在电气保护技术领域中已知。已知的测量或保护设备并非直接地而是通过所谓的“合并单元(merging unit)”和开关(例如以太网开关)连接到测量换能器。“合并单元”的作用是处理测量换能器的与相线相关的采样值并且以此形成数据报文，该数据报文可由各测量或保护设备进一步处理。与相线相关的采样值(如其名称所指示的那样)涉及在电气网络的分配到各测量换能器的相线中的电流和/或电压。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以特别通用地使用的且特别廉价地实现复杂保护系统结构的测量或保护设备。
根据本发明，该技术问题通过带有根据权利要求1的特征的测量或保护设备解决。根据本发明的测量或保护设备的有利的结构在从属权利要求中给出。
据此，根据本发明，在测量或保护设备中存在与两个接口连接的通信单元，该通信单元可以通过一个接口直接与测量换能器连接而通过另一个接口直接与上级数据总线可连接，并且利用与相线相关的换能器的采样值形成与采样时刻相关的报文，以及将报文传送到上级数据总线并由此向进一步的接收器提供。
根据本发明的测量或保护设备的基本优点在于，它允许到上级数据总线以及一个或多个采样值换能器的直接连接。测量或保护设备的直接连接是通过根据本发明的通信单元实现的，该通信单元能直接处理测量换能器的与相线相关的采样值并且以此形成与采样时刻相关的报文。换言之，在根据本发明的测量或保护设备中，将与结合已知的现有技术所提及的结构上分离的“合并单元”和“开关”的功能设置在通信单元内，使得根据本发明的测量或保护设备与现有技术不同而允许至测量换能器的直接连接。
根据测量或保护设备的一个有利的结构，两个接口形成了数据总线-接口；例如一个接口适合于连接到处理总线而另一个接口适合于连接到站总线(Stationsbus)。
被认为特别有利的是，测量或保护设备具有两个三端口网络连接，每个三端口网络连接带有两个外部端口和一个内部端口，其中，一个三端口网络连接的两个外部端口形成了一个接口，而另一个三端口网络连接的两个外部端口形成了另一个接口，并且其中，两个三端口网络连接的两个内部端口与通信单元连接。三端口网络连接由于两个外部端口而实现了数据总线的全双工运行，从而达到了特别高的故障保护。例如在德国专利申请公开文献DE 102 60 806 A1中描述了合适的三端口网络连接。优选地，一个网络连接的两个外部端口适合于直接连接到处理总线，且另一个网络连接的两个外部端口适合于直接连接到站总线。
如果将通信单元和两个网络连接集成在自由可编程的门阵列，例如以单片电路集成，则可以特别地有利地制造测量或保护设备。
通信单元优选地被构造为，使得它利用施加到一个网络连接的内部端口的与相线相关的采样值形成与采样时刻相关的报文，且将报文输出到另一个网络连接的内部端口。
优选地，通信单元降低了施加到一个网络连接的内部端口的与相线相关的采样值的采样率。例如，为了形成与采样时刻相关的报文，通信单元利用带有降低的采样率的与相线相关的采样值；作为替换，在报文形成后或期间进行数据降低。
优选地，通信单元被构造为，使得它通过仅使用每第n个采样值而不考虑所有剩余的采样值来降低施加到一个网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值的采样率，其中n大于2。
作为替换，通信单元也被构造为，使得它利用施加到一个网络连接的内部端口的与相线相关的采样值形成指针值，并且利用此指针值形成与采样时刻相关的指针报文。
另外，如果通信单元使得施加到一个网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值经受一个再次采样过程，则被考虑为是有利的。
这样的“再次”采样过程可以例如如下地进行：通信单元利用施加到一个网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值重建被采样的电信号(各相线的电流或电压)在时间上的变化，按照与原来的采样率不同的第二采样率将重建的信号再次采样，利用这样的形成的新采样值形成报文并且将报文输出到另一个网络连接的内部端口。
为了形成新的采样值，通信单元优选地具有至少一个数字信号处理器。
为了传送数据，测量或保护设备的两个接口优选地根据IEC 61850标准工作；采样时刻的同步根据IEEE 1588标准进行。通信单元优选地根据IEC 61850标准的规则考虑到涉及采样值的信息进行报文形成。考虑到所有剩余的信息、即除涉及采样值的信息外所有的信息，通信单元根据IEC61850-8-1标准进行报文形成。
处理总线和站总线优选地根据实时以太网标准(Real-Time-Ethernet-Standard)工作(对比专利权(Schutzrechte)或者专利权申请CN 1476702、DE 10058524、EP 1388238、JP 2004515122；US 2002064157；WO 200243336；DE 10147422；EP 1430628；US 2004249982；WO 2003028259)；据此，两个网络连接优选地分别适合于连接到实时以太网环路。
此外，本发明涉及带有测量或保护设备、测量换能器和上级控制系统的保护系统。
本发明关于这样的保护系统的技术问题在于，实现特别廉价的可实现性。
根据本发明，该技术问题通过一种带有测量或保护设备、测量换能器和上级数据总线的保护系统解决，其中，测量或保护设备利用其一个三端口网络连接的两个外部端口通过处理总线连接到测量换能器，并且利用其另一个三端口网络连接的两个外部端口通过站总线连接到上级控制系统。
关于根据本发明的保护系统的优点，结合根据本发明的测量或保护系统参考以上的实施例。
附图说明
下面根据实施例对本发明进行说明；其中附图：
图1示出了带有两个根据现有技术的测量设备的保护系统；和
图2示出了根据本发明的保护系统的实施例，该系统带有根据本发明的测量和/或保护设备的实施例。
具体实施方式
图1中示出了根据现有技术的保护系统。图中可见与上级数据总线30连接的保护设备10。保护设备10通过数据线20连接到以太网开关(以太网报文分配器)25，该以太网开关此外通过另外的数据线40和50与“合并单元”60和70连接。概念“合并单元”在以下被理解为将输入侧施加的数据(在此为电流和电压采样值U和I)结合并且在输出侧作为数据报文传送的装置。
两个“合并单元”60和70分别与六个测量换能器连接，即分别与三个电流换能器以及分别与三个电压换能器连接。测量换能器在图1中总体上通过方框100示出。
根据图1的保护系统如下工作：
“合并单元”60从测量换能器100接收与相线相关的采样值U1和I1并且将它们处理为数据报文T1，“合并单元”60将数据报文T1通过数据线40传送到以太网开关25；以太网开关25然后将数据报文T1传递到保护设备10。在此“合并单元”60的任务是进行一种“数据结合”，以便形成数据报文T1。按照该方式形成的数据报文T1被传送到保护设备10并且在那里被评估。保护设备10然后将数据报文T1传输到上级数据总线30并且由此被传输到其它的接收器。
为实现使得两个“合并单元”60和70相互同步地产生其数据报文T1以及T2，两个“合并单元’’60和70分别利用同步脉冲fi来同步，为此需要在图1中未示出的附加装置。
总之，在根据图1的保护系统中，因为在保护设备和测量换能器之间总是必须在中间连接至少一个“合并单元”和以太网开关，所以不可能将保护设备10直接连接到测量换能器100。
在图2中图示了根据本发明的保护系统200的实施例。保护系统200具有上级控制系统210，该控制系统通过上级数据总线220(以下称为站总线)与测量和/或保护设备230连接。在根据图2的图示中，为了清楚起见仅仅示出了单一的这样的测量和/或保护设备230，当然在站总线220上也可以连接多个接收且评估站总线220上的报文的测量和/或保护设备230。
此外，测量和/或保护设备230还与另一条(以下被称为处理总线的)数据总线240连接，该数据总线实现了测量和/或保护设备230与一个或多个测量换能器250的连接。测量换能器250连接到在图2中未示出的带有50Hz或60Hz的网络频率的电气网络的相线上。
另外，图2示出了测量和/或保护设备230的内部结构。可以看出，通信单元300与结构上包含在测量和/或保护设备内的两个能全双工的三端口网络连接310和320连接。三端口网络连接310和320例如可以是在德国专利申请公开文献DE 102 60 806A1中描述的三端口网络连接。
两个三端口网络连接的一个310具有两个外部端口330和340，它们允许了用于将测量和/或保护设备230连接到处理总线240的接口350。概念“端口”应理解为电气总线连接以及总线接口。一个三端口网络连接310的内部端口360与通信单元300的处理总线侧连接A300a连接。
另一个三端口网络连接320同样具有两个外部端口400和410；该外部端口400和410形成了用于将测量和/或保护设备230连接到站总线220的接口420。三端口网络连接320的内部端口430与通信单元300的站总线侧连接A300b连接。
两个三端口网络连接310和320以及通信单元300在图2中作为包含在测量和/或保护设备230内的分开的元件示出。优选地，两个三端口网络连接310和320以及通信单元300通过单一的结构元件，优选地通过自由可编程门阵列形成，例如通过单片集成阵列形成。
根据图2的保护系统200如下工作：
测量换能器250产生与相线相关的采样值U和I，通过处理总线240将采样值传送到测量和/或保护设备230。与相线相关的采样值U和I的传送在处理总线240上根据实时以太网方法(对比专利权以及专利权申请CN1476702、DE 10058524、EP 1388238、JP 2004515122；US 2002064157；WO 200243336；DE 10147422；EP 1430628；US 2004249982；WO2003028259)以及根据IEC 61850标准进行。具体地，采样值U和I按照根据标准IEC 61850的规则形成的报文Tp的形式传送。另外，关于不是采样值的其它数据，报文的形成根据标准IEC 61850-8-1实现。
站总线220的工作与处理总线240的工作相同，即，同样根据实时以太网方法以及根据IEC 61850标准工作。两个数据总线220和240分别按照全双工运行来被运行；这点是可以的，因为两个三端口网络连接310和320的每个分别具有两个用于连接到各数据总线的输出侧端口。
采样值报文Tp的形成基于时钟进行，时钟的时间精度为一微秒。
在通过处理总线240传送采样值U和I时，为每个采样值分别添加时间标志(例如“采样计数器”值)。该“采样计数器值”指出了在哪个使得同步时钟第二跳变的时隙形成各与相线相关的采样值。因为总线时钟被精确地设定为一微秒，所以对于每个传送的测量值可以将各采样时刻确定为一微秒的精确度。
多个与相线相关的采样值U和I到达测量和/或保护设备230，该采样值U和I在不同的时刻被确定并且因此含有不同的“采样计数器值”。测量和/或保护设备230将与相线相关的采样值U和I根据其各自的时隙以及根据其各自的“采样计数器值”分类，并且按照这些采样值产生数据报文Ts，数据报文Ts分别涉及相同的采样时刻以及涉及相同的“采样计数器值”。相应地形成的报文Ts通过另一个三端口网络连接320在站总线220的方向上被传送。
在对测量换能器250的与相线相关的采样值U和I的处理中，测量和/或保护设备230优选地进行“减采样(downsampling)”。这意味着，在向站总线220传递之前通过例如去除十个采样值中的九个且仅保留各一个单独的采样值将由测量换能器250提供的采样值的数量降低。如果在测量换能器250中的采样率的值例如为10kHz或20kHz，则在站总线上按照报文Ts的形式仅传送1kHz或2kHz的采样率。尽管采样率降低，但仍保留了从上级控制系统210观察时测量值的“透明”，因为尽管从站总线220仅仅传送每第十个采样值，但仍有充分表征每个测量换能器250处的测量值情况的、足够的测量值可供使用。作为结果的透明在图2中通过参考符号V示意性地指示。
作为已描述的其中仅使用每第n个(例如n＝10)采样值的采样值降低的替代，数据降低也可以通过将采样值转化为复杂的测量值指针进行。在该变形中，测量和/或保护设备230从接收到的测量换能器250的与相线相关的采样值U和I中确定复杂的测量值指针，该测量值指针给出了分配的相线上的电流以及电压的幅值和相位。
在这样的通过“指针变换”的数据降低中可以明显降低数据率，使得例如50Hz的传送率足以表征电流换能器250的测量值。
此外，在测量和/或保护设备230中以及在测量和/或保护设备230的通信单元300中，可以通过从测量换能器250的与时间相关和与相线相关的采样值U和I中来首先重建各采样的电气“网络”信号的在时间上的变化而进行频率跟踪。然后，对这样重建的在时间上的变化再次采样、即“重采样”。通过这样的“重采样”(即重复采样)，可以引入另外的时间标准，使得采样值涉及新的采样时钟、即重采样过程的采样时钟。
这样的新的时间标准实现了频率跟踪，并且例如在通过站总线220的采样值传送应取决于各网络频率的相关性的条件下是有意义的：例如网络的网络频率从50Hz改变为60Hz，则在固定采样时钟时采样值应相对于测量信号的在时间上的变化而移动。如果现在应实现适合于各测量信号的网络频率的采样值的分配，则通信单元300将每周期预先给定数量的测量值在被测量的测量信号的各周期时间内分配，并且由此使采样值的分配适合于各网络频率。如果站总线220要求频率跟踪的采样值并且如果处理总线仅仅提供时间上固定的采样值，则例如可以要求频率跟踪。
如已提及的那样，两个数据总线220和240优选地利用一个总线时钟驱动，该总线时钟远高于待表征的测量信号的基频以及远高于电气网络的网络频率。例如，在设置为一微秒的时间精度的总线时钟中实现了很好的采样值形成。
为避免在两个数据总线220和240的环状结构中断时可能出现的数据损失，两个数据总线220和240如以提及的那样优选地以全双工运行工作。
总之，可陈述为：根据图2的保护系统200由于所描述的测量和/或保护设备230的结构实现了在处理总线240和站总线220之间的准透明的数据通行(Durchreichen)，其中，仍然通过通信单元300保证了对在两个数据总线之间的采样值的解耦；通信单元300通过将由测量换能器250提供的与相线相关的和与时间相关的采样值U和I进一步处理并且由此产生用于传送到站总线220的与采样时刻相关的报文Ts而如所解释地在此进行了“合并功能”。为了“合并处理”，通信单元300优选地装配有一个或多个数字信号处理器；一个这样的数字信号处理器在图2中例如以参考标记500指示。
总之，根据图2的保护系统200由此满足了如下标准：
-根据使用标准IEEE 1588实现了将测量换能器250的与相线相关的和与时间相关的采样值在微秒范围内的同步；
-通过所描述的实时以太网传送方法按照根据IEEE 1588的时间同步实现了确定性的传送行为；
-由于两个数据总线220和240的全双工运行存在环状冗余，由此提高了故障保险性能；
-实现了在两个通信环状结构220和240之间的解耦，即关于测量换能器250的数字转换器数据至上级控制系统210的解耦的传送；
-两个数据总线220和240具有集成的开关功能，例如以太网开关功能。
由于所述的特征，保护系统200实现了在处理总线水平以及在站总线水平上的对于每个采样时刻测量换能器250的采样值的同步的传送。采样值的同步在站总线水平上跨越所有现场进行，而在处理总线水平上在现场内分别通过所有测量点以及测量换能器进行。在此，通过将两个数据线220和240连接的测量和/或保护设备230的通信单元330保证了在站总线220和各处理总线240之间的同步。
参考标记列表
10        测量和/或保护设备
20        数据线
25        以太网开关
30        上级数据总线
40        数据线
50        数据线
60        合并单元
70        合并单元
100       测量换能器
200       保护系统
210       上级控制系统
220       站总线
230        测量和/或保护设备
240        处理总线
250        测量换能器
300        通信单元
310        三端口网络连接
320        另外的三端口网络连接
330、340   三端口网络连接的外部端口
350        接口
360        三端口网络连接的内部端口
400、410   另外的三端口网络连接的外部端口
420        另外的接口
430        另外的三端口网络连接的内部端口
500        信号处理器
U、I       电流和电压采样值
fi         同步脉冲
Ts、Tp     报文

Claims (14)

1.一种测量或保护设备(230)，
-带有用于建立与至少一个测量换能器(250)连接的一个接口(350)并且带有用于连接到上级数据总线(220)的另一个接口(420)，其特征在于：
-在所述测量或保护设备(230)中存在与两个接口(350，420)连接的通信单元(300)，该通信单元通过一个接口(350)能够直接与测量换能器(250)连接用于接收含有与相线相关的采样值U和I的采样值报文Tp并通过另一个接口(420)能够与上级数据总线(220)连接用于传送与采样时刻相关的报文Ts，并且该通信单元利用测量换能器(250)的与相线相关的采样值U和I形成与采样时刻相关的报文Ts并将该报文传送到上级数据总线(220)，
-其中，两个接口形成了数据总线接口，
-所述测量或保护设备具有两个分别带有两个外部端口和一个内部端口的三端口网络连接(310，320)，
-其中，一个三端口网络连接(310)的两个外部端口(330，340)形成一个接口(350)，而另一个三端口网络连接(320)的两个外部端口(400，410)形成另一个接口(420)，
-其中，两个三端口网络连接的两个内部端口(360，430)与所述通信单元(300)连接，并且
-其中，所述通信单元被构造为，利用施加到一个三端口网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值形成与采样时刻相关的报文并且将该报文输出到另一个三端口网络连接的内部端口上。
2.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：一个三端口网络连接(310)的两个外部端口(330，340)适合于连接到处理总线(240)，而另一个三端口网络连接(320)的两个外部端口(400，410)适合于连接到上级数据总线(220)。
3.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元和两个三端口网络连接被集成在自由可编程的门阵列内。
4.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，降低施加到一个三端口网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值U和I的采样率。
5.根据权利要求4所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，通过仅仅使用每第n个采样值而不考虑所有剩余的采样值来降低施加到一个三端口网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值U和I的采样率，其中，n大于2。
6.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，利用施加到一个三端口网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值U和I形成指针值，并且利用该指针值形成与采样时刻相关的报文Ts。
7.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，使施加到一个三端口网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值U和I经受一个再次采样过程。
8.根据权利要求7所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，利用施加到一个三端口网络连接的内部端口上的与相线相关的采样值重建由所述测量换能器(250)采样的电信号在时间上的变化，利用与原来的采样率不同的第二采样率将重建的信号再次采样，利用这样的形成的新采样值形成报文并且将该报文Ts输出到另一个网络连接的内部端口。
9.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元具有数字信号处理器(500)，用于形成与采样时刻相关的报文Ts。
10.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：一个和/或另一个接口与实时以太网标准、与IEC 61850标准和/或与IEEE 1588标准兼容地工作。
11.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，根据IEC 61850标准的规则考虑到涉及采样值的信息进行报文Ts的形成。
12.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：所述通信单元被构造为，考虑到除涉及采样值的信息外的所有剩余的信息根据IEC61850-8-1标准进行报文Ts的形成。
13.根据权利要求1所述的测量或保护设备，其特征在于：两个三端口网络连接适合于连接到实时以太网环路。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测量或保护设备(230)，其特征在于：
-所述测量或保护设备(230)设置在一个带有测量换能器(250)和上级数据总线(220)的保护系统(200)中。
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