CN102132469A - 具有冗余保护的变电站自动化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变电站自动化(SA)中的间隔保护的备选冗余度概念，它防止SA系统的单个故障智能电子装置(IED)损害变电站间隔的操作。形式上指配给电力系统的变电站的本地或主控间隔(20)的保护IED(21)执行对其指配了保护IED的间隔的保护功能(P20)加上其相邻间隔(10)中的至少一个的保护功能(P10)。这样，各间隔能够由两个不同的保护IED来管理，其中冗余度在软件级而不是在硬件级实现，即，无需为每个间隔提供专用冗余保护IED。每当需要这样做的时候，保护IED(21)从适当传感器(12)接收与来自相邻间隔的过程量的状态或值有关的信息，代表相邻间隔来计算或运行例如过电流、过电压或地故障等保护功能性，并且发出针对所述相邻间隔的执行机构的命令。

Description

具有冗余保护的变电站自动化
技术领域
本发明涉及高压和中压电力网中的变电站的冗余变电站自动化系统，该冗余变电站自动化系统防止单个故障智能电子装置损害变电站间隔(bay)的操作。它背离权利要求1的前序部分所述的变电站自动化系统。
背景技术
高压和中压电力网中的变电站包括主要装置，例如电缆、线路、汇流条(bus bar)、开关、电力变换器和仪表变换器，它们一般设置在开关场和/或间隔中。这些主要装置经由变电站自动化(SA)系统以自动化方式来操作。SA系统包括辅助装置，其中智能电子装置(IED)负责主要装置的保护、控制和监测。可将辅助装置指配给分级层(hierarchical level)，即，站层(station level)、间隔层和过程层(process level)，后者通过所谓的过程接口(process interface)与间隔层分离。SA系统的站层包括具有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)以及到网络控制中心(NCC)的网关。间隔层上的IED(在下文中也称作间隔单元或保护IED又相互连接以及经由主要用于交换命令和状态信息的间隔间或站母线连接到站层上的IED。
过程层上的辅助装置包括用于电压(VT)、电流(CT)和气体密度测量的传感器、用于感测开关和变换器抽头转换开关位置(tap changer position)的接触探针和/或用于改变变换器抽头位置或者用于控制例如断路器或隔离开关等开关设备的执行机构(I/O)。例如非常规电流或电压变换器等示范传感器包括用于对模拟信号进行取样的模数(AD)转换器，并且经由能够被认为是取代常规硬连线过程接口的过程接口的专用或间隔内过程母线连接到间隔单元。后者经由专用Cu线将开关场中的常规电流或电压变换器连接到间隔层设备，在这种情况下，仪表变换器的模拟信号由间隔单元来取样。
由国际电工委员会(IEC)作为标准IEC 61850的一部分(标题为“变电站中的通信网络和系统”)引入了变电站的IED之间的通信的通信标准。对于非时间关键消息，IEC 61850-8-1根据简化开放系统互连(OSI)协议栈来规定制造消息规范(MMS，ISO/IEC 9506)协议，所述简化开放系统互连(OSI)协议栈具有分别在传输和网络层中的传输控制协议(TCP)和因特网协议(IP)以及作为物理介质的以太网和/或RS-232C。对于时间关键消息、如脱扣命令(trip command)，IEC 61850-8-1规定通用面向对象变电站事件(GOOSE)直接建立在通信栈的以太网链路层上。对于在过程层的时间非常关键信号、如测量模拟电压或电流，IEC61850-9-2规定也直接建立在以太网链路层上的取样值(SV)协议。因此，标准的第9部分定义作为工业以太网上的多播消息发布来自过程层上的电流或电压传感器的数字化测量数据的格式。这种SV或其它过程数据可通过间隔间过程母线来传送，从而使所传送信息可用于相邻间隔。例如，对于例如在中压或低压变电站中的节省成本设置，间隔间过程母线和站母线能够合并为一个单通信网络。在这种情况下，通信网络能够被认为是间隔间过程母线，它除了传送过程数据之外还传送另外经由专用站母线来交换的命令、状态和报告相关消息。
在变电站自动化的上下文中，冗余保护功能性是实现更高可用性和可靠性的方式。通常，对于传输和子传输变电站，保护功能性的完全冗余度采用每个间隔两个单独安装和连线的智能电子装置(IED)来实现。另一方面，对于中压和低压以及工业客户变电站，单个IED保护间隔，并且因而没有冗余保护功能性是可用的。在后一种情况下，IED表示整个间隔的单个故障点。
已经提出若干方式来处理IED的故障。热-热或热-备用架构(a hot-hot or hot-standby architecture)是用于包括两个IED的间隔的典型方式。在热-热架构中，两个IED并行运行，而对于热-备用架构，在热IED(hot IED)出故障时使备用IED成为活动(taken into active use)。两种方式按常规通过将两个IED的输入和输出硬连线到相应CT/VT(传感器输入)和断路器执行机构(I/O)来实现。
根据专利申请EP 1976177，在变电站自动化系统中，通过远程重新配置和启动更换或备用智能电子装置(IED)来减少修理的平均时间，从而留下更多小时数让维护人员修理不活动或有故障的IED。实际修理所需的时间对于系统可用性是不相关的，只要与IED故障率相比足够短。因此，远程配置的备用IED引起与热-备用配置几乎相同的可用性，但无需使所有基本IED加倍-对于连接到相同站母线和过程母线的每组相同类型的IED仅需要一个备用联机IED。
专利申请WO 2008/040263公开具有三个主要保护IED加上一个备用IED的第一冗余保护系统。主要IED经由专用“本地过程母线”并且备用IED经由“间隔间过程母线”连接到相应受保护对象。母线传送模拟值或数字取样值，其中在本地过程母线上具有比在间隔间母线上可能更高的取样率。WO 2008/040263还公开第二冗余保护系统，其中两个IED又充当两个受保护对象的主要和辅助保护IED。过程值的通信涉及同一个馈电线(feeder)上的两个不同传感器，即，用于主要保护IED的第一传感器和用于辅助保护IED的第二传感器。
发明内容
本发明的一个目的是防止变电站自动化(SA)系统的单个故障智能电子装置(IED)损害变电站间隔的操作，并且提供逐个间隔保护功能性的备选冗余度概念(an alternative redundancy concept for bay-wise protection functionality)。这个目的通过如权利要求1和8所述的变电站自动化(SA)系统及其使用来实现。其它优选实施例通过从属专利权利要求是显而易见的。
根据本发明，形式上(formally)指配给电力系统的变电站的本地或主控间隔并且与对其指配了保护IED的本地间隔的传感器和/或执行机构进行交互(即交换数据和命令)的保护IED执行本地间隔的保护功能加上其相邻间隔中的至少一个的保护功能。这样，各间隔能够由两个不同的保护IED来管理，其中冗余度在软件级而不是在硬件级实现，即，无需为每个间隔提供专用冗余保护IED。每当需要这样做的时候，保护IED接收与来自相邻间隔的过程量的状态或值有关的信息，代表相邻间隔来计算或运行例如过电流、过电压或地故障等保护功能性，并且发出针对所述相邻间隔的执行机构的命令。
本发明的主要要求在于，本地间隔的执行机构和传感器必须是从指配给相邻间隔的保护IED可访问的，其方式与指配给本地间隔的保护IED无关。为此，过程接口连接到本地间隔的传感器和执行机构以及连接到SA通信网络或间隔间母线。过程接口适合通过通信网络向相邻保护IED发送包含由所连接传感器之一所提供的本地间隔的过程量的值(例如按照IEC 61850-9-2指示电流或电压的信号的取样值)的传感器网络消息。同样，过程接口适合从相邻保护IED接收执行机构网络消息，并且包含按照IEC 61850-8-1的针对间隔的执行机构的命令。术语“过程接口”恢复(revert to)一种间隔范围的功能性(a bay-wide functionality)，该功能性可通过各连接到间隔的至少一个传感器或执行机构并且单独连接到通信网络的单个物理过程接口单元或多个物理过程接口单元来实现。
本发明依靠如下事实：不再需要保护IED硬连线到相应传感器以便接收计算特定保护功能所需的必要信息。相反，有可能让保护IED预订(subscribe to)在系统范围SA通信网络上可用的数据流。过程数据由过程接口、即结合模数(AD)转换器功能性并且直接连接到通信网络的传感器装置本身、使其本地测量可用的不同保护IED或者将多个所连接传感器的瞬时信号合并成单个网络消息的合并单元(MU)来发布。
在本发明的一个优选变体中，并且在变电站包括两个以上间隔的情况下，所有IED和所有过程接口均在通信上连接到相同通信网络或间隔间母线。又优选地，除了指示发送接收IED或过程接口的网络源和目的地址之外，通过母线所传送的各种执行机构网络消息还包括目标执行机构或主要装置的标识。
在本发明的一个优选变体中，过程接口包含在保护IED的外壳中，该保护IED硬连线到待保护的所指配本地间隔的传感器和执行机构。但是，过程接口没有与后者共同的所有CPU或FPGA处理部件、电源和网络接口卡，即，所述组件的至少一个在所述保护IED的外壳内重复。因此，在所述保护IED的重复组件之一出故障并且防止后者运行保护功能的情况下，过程接口功能性可继续操作，并且提供对传感器/执行机构的访问。
在一个备选变体中，过程接口是与IED分离并且经由专用Cu线或者经由按照61850-9-2或者任何其它适当协议的专用或间隔内过程母线连接到待保护的本地间隔的传感器的独立装置或合并单元(MU)的一部分。MU适合使来自不同传感器的样本时间同步，最终将其封装成一个传感器消息，并且在SA通信网络上将它们“重新发布”，目的是使过程数据对第一或本地保护IED以及第二或相邻保护IED可用。
在一个有利实施例中，在相邻IED处的冗余保护功能实现为活动或热/热冗余度。另一方面，并且在另外还需要时，例如开关控制、互锁或自动重合闸(autoreclosure)等冗余控制功能性优选地实现为热/备用冗余度，它仅在本地IED出故障的情况下才变成可操作。要检测这种发生(occurrence)，主要控制功能的监测必须是可用的(例如通过心跳信号)。
总之，所提出的容错SA架构实现与通过热-热或热-备用方式所实现的相同等级的可用性，但成本更低，因为每个间隔仅需要一个IED而不是两个。这使它对中压和工业客户变电站的使用成为优选域(a preferred domain)。与当今中压变电站的辅助变电站设备相比，修理的平均时间从数小时缩短到几乎即时，因为冗余功能已经被配置并且准备代表有故障本地IED进行动作。另一个优点在于，能够在间隔仍然通过其相邻IED得到保护的同时来维护(service)IED。
附图说明
下文中将参照附图所示的优选示范实施例更详细地说明本发明的主题，附图示意性地示出：
图1示范协作容错SA架构。
附图中使用的参考标号及其含义在参考标号的列表中以概括形式列示。
具体实施方式
图1示出具有三个间隔10、20、30的变电站的示范协作容错变电站自动化(SA)架构。SA系统包括通信网络1和三个保护智能电子装置(IED)11、21、31，它们的每个代表相应间隔10、20、30来运行保护功能P10、P20、P30。为此，保护IED 11、21、31评估来自相应间隔的传感器的输入，并且操作相应间隔的执行机构。
此外，第一间隔10包括在间隔10的特定位置捕获电流和电压的非常规电流和电压传感器12。传感器12连接到作为示范第一过程接口的独立合并单元(MU)13，它又连接到通信网络1。传感器12与MU13之间的连接可包括传感器处的A/D转换器以及专用间隔内或过程母线。MU 13在网络1发布例如按照IEC 61850-9-2的多播消息。第二间隔20包括常规仪表变换器22，该仪表变换器硬连线到保护IED 21。后者结合示范第二过程接口23的功能性，并且又包括到通信网络1的接口，该接口允许多播来自仪表变换器22的具有过程数据的消息。在间隔30，示范第三过程接口33是断路器IED 34的一部分，并且适合接收例如按照IEC 61850-8-1的事件驱动命令，以及对其进行响应而操作作为开关装置的示范执行机构的驱动35。
如前面所述，不同类型的传感器和执行机构可按照各种方式连接到过程接口，后者又是SA通信网络中的节点。还要理解，过程接口可以是结合模数(A/D)转换器功能性并且直接连接到通信网络的传感器装置本身、使其本地测量可用的不同保护IED或者将多个所连接传感器的瞬时信号合并成单个网络消息的合并单元(MU)的一部分。
如虚线矩形所示，保护IED 21还适合通过评估由MU 13所发布的(IEC 61850-9-2)消息，并且(经由IEC 61850-8-1)操作间隔10的执行机构，代表间隔10来运行保护功能P10，同样，保护IED 31和11分别代表间隔20、30及其对等IED 21、31来提供冗余保护功能性P20、P30。所示的冗余保护的逻辑链(logical chaining)可由副保护IED(deputy protection IED)的任何任意和不完全指配来取代。
假定具有充分处理能力，保护IED之一还可代表一个以上相邻间隔来处理保护功能。如果各IED强大到足以管理n＞2个间隔，则可同时停机(down)的所支持IED的数量达到n-1。
增加SA系统的可用性的备选变体涉及所提出架构与包含主要IED的每个的冗余或备用(热-热或热-备用)IED的典型冗余度方案的组合。每个主要和冗余IED必须实现其自己的间隔的功能加上其相邻间隔之一的功能。在这种情况下，可用性级别因此更高(如果N为变电站中间隔的数量，则最多＝N+1个IED能够停机)，而无需额外成本。主要优点在于，位于同一个间隔中的主要和冗余IED均可同时停机(down)。此外，这个第一扩展允许通过具有来自主要和冗余IED的不同厂商的IED，来增加可用性级别。
根据另一个变体，所提出发明与介绍部分引述的专利申请EP1976177中公开的备用IED的概念进行组合。在这种情况下，任何两个IED、具体来说甚至两个相邻IED可同时停机。在这种变体中，待转移到备用IED的故障IED的配置包括故障IED的本地间隔的保护功能以及代表相邻间隔的冗余保护功能。
最后变体是将所提出架构与冗余架构和上述备用IED进行组合。如果N是间隔的数量，则IED的数量因而等于2N+1，但其中的N+2可停机。
标号列表
1          SA通信网络
10，20，30 间隔
11，21，31 保护IED
12，22     传感器
13，23，33 过程接口
34         断路器IED
35         执行机构

Claims (8)

1.一种变电站自动化SA系统，包括第一和第二保护智能电子装置IED(11，21)，适合与电力系统的变电站的相应第一和第二间隔(10，20)的传感器(12，22)和执行机构进行交互，并且配置成执行相应间隔(10，20)的保护功能(P10，P20)，所述SA系统还包括第一过程接口(13)，适合连接到所述第一间隔(10)的传感器(12)和执行机构，
其特征在于
-所述SA系统包括在通信上连接第一和第二保护IED(11，21)以及所述第一过程接口(13)的SA通信网络(1)，以及
-所述第一过程接口(13)适合通过所述通信网络(1)来传送包含由所述第一间隔(10)的所述传感器(12)所测量的过程量的取样值的传感器网络消息，并且适合通过所述通信网络(1)来接收包含针对所述第一间隔(10)的所述执行机构的命令的执行机构网络消息，以及
-所述第二IED(21)配置成根据所述第一过程接口(13)所传送的以及产生送往所述第一过程接口(13)的执行机构网络消息的传感器网络消息来执行保护功能(P10)。
2.如权利要求1所述的SA系统，包括：第三保护IED(31)，适合与所述变电站的第三间隔(30)的传感器(32)和执行机构进行交互，并且配置成执行所述第三间隔(30)的保护功能(P30)，以及还包括第二过程接口(23)，适合连接到所述第二间隔(20)的传感器(22)和执行机构，其特征在于
-所述第二过程接口(23)和所述第三IED(31)在通信上连接到所述通信网络(1)，以及
-所述第三IED(31)配置成执行涉及所述第二过程接口(23)所传送的以及送往所述第二过程接口(23)的网络消息的保护功能(P20)。
3.如权利要求2所述的SA系统，其特征在于，所述执行机构网络消息包括所述命令所针对的所述执行机构的标识。
4.如权利要求1所述的SA系统，其特征在于，所述第一过程接口(13)最多部分与所述第一保护IED(11)相同。
5.如权利要求1所述的SA系统，其特征在于，所述第一过程接口(13)是通过所述通信网络(1)向两个保护IED(11，21)传送所述传感器网络消息的独立装置。
6.如权利要求1所述的SA系统，其特征在于，所述第二保护IED(21)还配置成通过热/备用冗余度配置代表所述第一间隔(10)来执行控制功能。
7.如权利要求1所述的SA系统，其特征在于，它包括单个备用冗余IED，所述单个备用冗余IED连接到所述通信网络(1)并且适合配置有任何两个间隔的保护功能(P10，P20)。
8.如以上权利要求之一所述的SA系统在中压或工业客户变电站中的使用。
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