CN101291060A - 用于变电站或配电自动化系统的智能电子设备 - Google Patents

用于变电站或配电自动化系统的智能电子设备 Download PDF

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维贾伊·沙赫
伯恩哈德·德克
保罗·鲁道夫
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Abstract

根据本发明，用于变电站或配电自动化的智能电子设备(IED，10)如数字继电器或保护设备以模块化方式来构思，其包括专用于不同任务的不同模块，并且有专用的外壳或罩壳，这些模块被机械地布置在公共的支架上，并且在任何时间从IED的外侧都可视并可访问。用于信号输入(包括多个输入端子21的过程接口模块20)和信号处理(用于鉴于自动保护功能来评测信号或作为通信网关的过程数据处理模块30)的模块定义了模块化布置的基础，其不受任何预制外罩或机柜的限制，并且在模块数量方面有近乎不受限制的灵活性，并且易于更换或扩充单独模块。

Description

用于变电站或配电自动化系统的智能电子设备
技术领域
本发明涉及自动化的输电和配电系统的领域，其不同于如权利要求1的前序部分中所述的用于变电站自动化(SA)或配电自动化(DA)系统的数字设备。
背景技术
电力系统包括互联地理上分离的区域的输电和/或配电网络，以及该电网的节点上的多个变电站。变电站包括用于转换电压以及切换电网的独立线路之间的连接的设备。它们包括一次设备比如通常设置在开关场和/或舱中的电缆、线路、母线、开关(断路器或隔离开关)、电力变压器和仪表变压器。这些一次设备通过负责对变电站的控制、保护、测量和监测的变电站自动化(SA)或配电自动化(DA)系统自动运行。该自动化系统包括SA通信网络中相互连接并通过过程接口与一次设备交互的二次设备。
在自动化的输电和配电中，二次设备包括能发送控制信号给开关设备比如断路器和隔离开关的基于微处理器的可编程电子设备或数字继电器。目前使用的大多数数字继电器将保护、控制、监测、通信、电力质量监测和计量能力结合在一起。数字继电器所支持的保护功能可以包括针对相元素和接地元素的延时和瞬时过电流功能、序方向过电流功能、重合闸功能、过频率和欠频率保护功能、以及过电压和欠电压保护功能。数字继电器还支持各种计量功能；电压骤降、突升和中断的监测；故障定位算法以及示波记录存储，并且数字继电器还配置成本地使用保护设备的前面板或远程使用设置软件工具。在许多情况下，所需要的保护功能预载在设备中，随后用连接到该保护设备的工具激活并进行参数设置。但是，如果没有该工具或其它人机接口，使用者就不能辨别该设备实际上已编程或激活的功能。
简而言之，这些保护设备的基本功能是通过对断路器跳闸和中断电力线来保护电子设备。当线路中所测得的电流超过标称或设置值预设时间段时，数字继电器通常产生跳闸信号。
上述的保护设备依据其预期的应用可以有不同类型的接口。这些接口是二进制输入、二进制输出、模拟输入、模拟输出、通信接口、电源、跳闸指示器、人机接口以及软件功能。模拟输入通常连接到设置在电力线上的不同类型的传感器和主要转换器装置，比如变流器(CT)和变压器(VT)，或如Rogowski线圈，Hall传感器和分压器之类的非传统的转换器装置。
自动化输电和配电系统领域中的标准数字保护设备被设计成半模块化，并且使用单个电绝缘外罩或机柜装入所有的模块。但是，使用给定尺寸的外罩从根本上限制了模块的数量，约束了它们的相互布置，并且使各个模块的更换或扩充复杂化。
过程自动化工业使用所谓的模块化远程输入/输出(I/O)系统来控制工业过程。为了实现远程信号处理，Moeller GmbH公司(www.moeller.net)在其目录“Automation Product Overview”(2005，65-69页)中，提供了一系列数字和模拟I/O和技术模块。典型地，模拟I/O模块的电流信号被限制在4到20mA之间，电压信号被限制在-10到+10VDC之间。这些模块安装在作为机械支架的倒置帽式导轨上。这些模块经由内部模块总线相互连接，并经由网关连接到不同的现场总线系统和中央操作工作站。馈电模块将高达230V的额定电压供给I/O模块，因此在模拟输入处承受500V的电绝缘就足够了。然而这些系统是为了工业应用中过程自动化的需要而开发并适于该需要，并且它们在变电站中用于以超过1kV的电压电平进行电力分配以及严格的环境要求(湿度、灰尘、低温)未被设想。
变电站自动化系统需要所有变电站设备之间独立于其制造商来进行互操作。为此，以IEC 61850“communication networks and systems insubstations”的名义引入了国际公认的用于变电站中二次设备间通信的通信标准。IEC 61850为兼容的变电站定义了抽象对象模型以及如何在网络上访问这些对象的方法。该抽象对象模型表示了按照逻辑设备内逻辑节点的功能，所述逻辑设备又分配给作为物理设备的保护设备。设备间的实际通信对于非时间关键性消息通过建立在OSI/TCP/IP/以太网上的MMS通信栈来处理，而对于时间关键性消息通过直接建立在通信栈的以太网链路层上的、所谓的面向通用对象的变电站事件(GOOSE)来处理。包括但不限于前面介绍的数字继电器的、所有连接到SA通信网络的符合IEC 61850的二次设备都称为智能电子设备(IED)。
IEC 61850变电站配置语言(SCL)提供了一次设备、二次设备及其保护、控制和监测(PCM)功能、通信系统逻辑结构以及一次设备与二次设备之间的关系的标准化描述，包括与特定设备相关的实例所携带的数据属性，例如配置属性值和设置参数值。对于特定的变电站，SCL语言的变电站配置描述(SCD)文件描述了一次对象，按照逻辑节点在每个保护设备中所实现的功能，以及通信连接。通过给一次设备元素分配或附属逻辑节点，用SCL语言对电力过程和SA系统之间的关系进行描述。典型地，开关控制逻辑节点附属于开关设备，而测量逻辑节点被分配给仪表变压器。
发明内容
本发明的目的是创建灵活、易于扩展和维护的用于变电站自动化(SA)或配电自动化(DA)的二次设备。该目的分别通过根据权利要求1和8的智能电子设备(IED)和输入模块来实现。另外的优选实施例根据从属权利要求是显然的。
根据本发明，用于变电站或配电自动化的智能电子设备(IED)，比如数字继电器或保护设备以模块化方式来构思，其包括专用于不同任务并具有专用外壳或罩壳的不同模块，这些模块被机械地布置在一个公共的支架上，并且在任何时候从IED的外侧都可见并可访问。用于信号输入的模块(过程接口模块)和信号处理(过程数据处理模块)定义了模块化布置的基础，其不受限于任何预制外罩或机柜，并且允许近乎无限数量的模块，易于单独模块的更换或扩充。
基本输入功能由二进制或模拟输入模块提供，其包括多个输入端子和一些用于对输入信号进行转换、存储或印时戳的信号调节装置。基本处理功能由鉴于自动保护功能而评测信号的保护模块提供，或者由把信号传送给变电站总线的通信网关提供。在后一种情况中，IED表示智能分布过程接口，其包括可任意扩展数量的I/O模块和与中央计算机相连用于执行保护功能的网关。
除了提到的基本模块，IED还可以包括任意数量的其它模块，每个模块具有专用功能，比如用于代表激励器产生触发信号的模拟输出、二进制输出、电源、跳闸指示器、或人机接口。这些模块可以以任意顺序安置在机械支架上，并且模块的总和决定了IED的功能。
在第一优选实施例中，考虑到根据定义在变电站或配电自动化的预期应用中所涉及的电压电平高于1kV的事实，信号输入端子，即用于来自传感器的线的螺旋或夹钳连接器，要保证两个端子之间和/或端子与保护接地(PE)之间至少2kV的电压绝缘。因而，模块的PCB板上的内部电路被有利地设置成为了防止表面泄露电流，考虑横向间隔至少4mm。
IED的不同模块通过模块间总线相连以便进行模块间通信。在第二优选实施例中，作为物理通信介质，后者涉及分段的后面板(backplane)，其通过将单独的模块彼此邻接放置，并在被并入不同的单独模块内的后面板各部件或各段之间建立电接触而现场创建。这样避免了需要额外的制造步骤，该步骤包括将非分段后面板，比如波导或光纤安装在机械支架上或安装在被安装模块的顶侧、前侧或底侧，从而进一步增加灵活性。
在第三优选实施例中，所有或某些模块以下述方式构造：电子部件或电子子模块不用移除该模块的布线或者线缆安装就可以交换。为此，一个模块的所有线缆端子被组合成直接安装在机械支架上的基部或者基本子模块，而电子部件被限制在自身被插到基部的专用外壳中。由于通常电子部件与机械部件相比具有较短的平均故障间隔时间(MTBF)，因此在电子部件的维护操作期间基部可以保持在原位。在本文中，I/O模块的电子部件或智能部件包括信号调节装置，即连接到仪表变压器、或气体密度或其它传感器或激励器的用于模拟I/O的A/D或D/A转换器、或者用于二进制I/O的时戳和数据存储装置，其连续监测或提供/输出二进制信号、记录变化以及指示质量状态。另一方面，分配给基部的处理模块端子例如是到HMI的接口或者用于功能编码或者激活键的插座，下面将详细描述。
在本发明的有利变形中，包括CPU的处理模块还适于容纳功能编码或激活键。后者可插入或者以其它方式耦合到处理模块，具体地与基本子模块中的专用插座协同工作，其通过从所述键传递激活代码后，激活预载功能或者通过以可执行软件代码注入功能，来启用一个或者一组保护功能。同时，所述键作为访问IED的用户的可视指示器，一看就知道已启用了哪些功能。具体地，通过使用不同颜色、优选在黑暗中也发光以使其可见的键，或者通过使用与所启用的功能相关的IEC 61850逻辑节点标志或图形符号，可以建立这种编码。
按照IEC 61850，逻辑节点(LN)是自身分配给IED的逻辑设备的一部分。换句话说，传统地，IED的处理模块的主CPU可以被认为是驻留带所有LN的逻辑设备。相反地，在另一有利变形中，表示特定模块的功能的逻辑节点(LN)被分配给作为物理子设备的相应模块，即特定模块的电子部件驻留或表示LN。在这种情况下，模块本身作为服务器，并能够被例如处理模块通过模块间总线来轮询该LN的属性。作为示例，下面的XML摘录表示变压器(VTR)的数据采集逻辑节点(TVTR)的实例，带有四个属性或数据对象(DO)。
<LNodeType id＝″TVTRa″InClass＝″TVTR″>
<DO name＝″Mod″type＝″myMod″/>
<DO name＝″Health″type＝″myHealth″/>
<DO name＝″Beh″type＝″myBeh″/>
<DO name＝″Vol″type＝″mySAV″/>
</LNodeType>
带有与IEC 61850兼容的输入模块的IED能够与作为远程智能I/O的通信模块组合使用，优选使用IEC 61850中定义的GOOSE通信方法。
附图说明
参考以附图说明的优选示例性实施例，在下文中对本发明的主题内容进行详细解释，其中：
图1示出了具有三个模块的智能电子设备(IED)；以及
图2描述了带有附属于IED的处理模块的功能键的IED。
附图中的参考符号及其含义以汇总的形式列在参考符号列表中。原则上，同样的部分在图中具有同样的参考符号。
具体实施方式
图1示出了带I/O模块20、处理模块30和电源模块40的智能电子设备(IED)10。每个模块包括扁平的外壳，其侧面大，前面和顶面小。当安装在机械支架11上时，这些模块彼此邻接布置并通过各自的侧面相接触。侧面中适当的开口和接触部使得模块间的后面板12得以安置。模块的外壳构成了IED的罩壳，也就是说没有另外的封装这些模块的外罩。I/O模块20包括连线到传感器设备的输入端子21。I/O模块20由包括输入端子21的基部22(底部)、以及可与基部22分离的电子部件23(顶部)构成。电源模块40连接到辅助电源41。这里未描述、但在真实的IED中可能出现的其它模块包括冗余电源模块、作为网关用于将信号传送给变电站总线的通信模块、以及二进制或模拟I/O模块。
图2描述了带有功能编码或激活键34的IED 10，该键34嵌入到处理模块30的基部32。键34在其外部包括通过该键启用的功能的可视代码。通过与被启用的功能相关的IEC 61850逻辑节点标志、图形符号或者颜色可以建立这种编码。
模块间后面板12提供模块间的通信。利用标准串行通信如USB、CAN、LIN、RS485、ASI、I2C、One-Wire、SPI或者类似技术通过后面板可以实现模块间的电通信。也可以采用基于合适波导的光通信或无线通信。模块间的通信还可以通过将通信信号调制到电力线上，通过电力线通信来实现。
只要标称电流流经附着有传统变流器(CT)的电力线，则该传统变流器产生1A的信号。该信号通过匹配变换器进一步变换，该匹配变换器通常是输入模块的一部分。然而，庞大的匹配变换器对于平滑和统一的模块化是个障碍，即，它们限制了小型化，因此可以从输入模块移出并集成到CT中。可替换地，传统的CT可被非传统的电流传感器完全代替。
有利地，在一种“热插入”操作中，附加模块在IED活动和运行时被添加到该IED。附加模块放在机械支架上并连接到电源模块，而分段的后面板自动被扩展。所插入的附加模块向模块间总线的控制器宣告其存在，或者被模块间总线的控制器检测到，并且在适当的寻址之后，其模块功能就可用于该IED。
附图标记列表
10    智能电子设备(IED)
11    机械支架
12    后面板
20    I/O模块
21    输入端子
22    基部
23    电子部件
30    处理模块
32    基部
34    功能激活键
40    电源模块
41    辅助电源

Claims (8)

1.一种用于变电站自动化(SA)或配电自动化(DA)系统的智能电子设备(IED)，包括输入模块(20)和处理模块(30)，所述输入模块(20)用于接收指示高压或中压电力线状况的信号，所述处理模块(30)用于对所述信号进行数字处理，
其特征在于，所述输入模块(20)和所述处理模块(30)可单独安装在机械支架(11)上；以及，所述输入模块(20)和所述处理模块(30)包括专用的外壳，当所述模块被安装在机械支架上时，所述外壳一起构成所述IED(10)的外壳。
2.根据权利要求1所述的IED，其特征在于，所述IED包括输入模块(20)，在信号输入端子和保护接地(PE)之间具有超过2kV的电压隔离。
3.根据权利要求1所述的IED，其特征在于，所述IED包括用于模块间通信的分段后面板(12)。
4.根据权利要求1所述的IED，其特征在于，模块由可安装在所述机械支架(11)上的基部(22，32)以及可与所述基部(22)分离的电子部件(23)组成。
5.根据权利要求1所述的IED，其特征在于，所述处理模块的功能借助于编码键(34)来启用。
6.根据权利要求5所述的IED，其特征在于，借助于颜色代码或指示被启用功能的图形符号或逻辑节点，所述键(34)被编码以供可视检查。
7.根据权利要求1所述的IED，其特征在于，IEC 61850逻辑节点(LN)被分配给所述特定模块(20，30)，所述IEC 61850逻辑节点(LN)指示由所述IED的特定模块(20，30)所执行的功能。
8.一种在用于变电站自动化(SA)或配电自动化(DA)系统的模块化智能电子设备(IBD)中使用的输入模块(20)，在信号输入端子和保护接地(PE)之间具有超过2kV的电压隔离。
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