CN102246374B - 用于监测供电网络的母线的方法和保护设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监测母线(10)发生短路的方法，其中，母线(10)具有供电(11)和至少两个支路(12a，12b，12c)，在每个支路(12a，12b，12c)上提供了支路保护设备(16a，16b，16c)并且在供电(11)上提供了供电保护设备(13)，并且其中，在支路中的一个(例如12a)中发生短路时，与此支路(例如12a)相关联的支路保护设备(例如16a)在供电保护设备(13)上给出阻断信号，所述阻断信号延迟或阻断了布置在供电(11)上的功率开关(15)的触发。为了给出要求相对小的安装费用的方法，建议，支路保护设备(16a，16b，16c)通过数据传输总线(19)反复地向供电保护设备(13)发送通信报文(Ta，Tb，Tc)，而供电保护设备(13)通过检验逻辑检验通信报文(Ta，Tb，Tc)的接收，并且必要时阻止阻断信号(B)的实施。本发明也涉及相应的供电保护设备。

Description

用于监测供电网络的母线的方法和保护设备

技术领域

本发明涉及一种用于监测母线发生短路的方法，其中母线具有供电和至少两个支路，在每个支路上提供了监测各支路上的短路的支路保护设备，并且在供电上提供了监测母线上的短路的供电保护设备。在支路中的一个中发生短路时，与该支路相关联的支路保护设备向供电保护设备发出阻断信号，所述阻断信号延迟或阻断布置在供电上的功率开关的触发。本发明还涉及一种可以用来执行该方法的相应的保护设备。

背景技术

其中执行前述类型的方法的保护设备由Siemens公司制造和销售，例如名称为“DigitalerSIPROTEC 7SJ600”。

母线在供电网络中用于将电能分配到两个或多个支路上。在此，母线自身通过至少一个供电被提供以电能。在供电网络的运行中，必须监测母线上可能出现的短路。这样的短路可在母线上出现在支路前或出现在支路上。为了监测，通常在供电和每个支路上布置电气保护设备，所述电气保护设备根据电测量值(例如，电流和/或电压测量值)做出是否存在短路的判定。如果存在短路，则短路必须通过断开通常布置在供电上和每个支路上的合适的功率开关清除、即关断。支路保护设备仅能够检测在其支路上出现的短路，而供电保护设备可识别整个母线上的短路，即在单独的支路前或单独的支路上的短路，当然供电保护设备通常不将此二者相互区分。

在母线的支路中发生短路的情况下，为了尽可能有目的地仅将与故障相关联的支路而并不是带有所有支路的整个母线关断，通常在其支路内已发现短路的支路保护设备将所谓的“阻断信号”给出到供电保护设备，以使供电保护设备阻止与母线的供电相关联的功率开关的触发。以此可保证通过与此支路相关联的支路保护设备而不是通过上级的供电保护设备来有目的地关断该支路上的短路。

在母线上支路前出现的短路由供电保护设备识别和关断。此外，供电保护设备用作支路保护设备的备用保护设备，这是针对如下情况而言，即，由于支路保护设备或与有故障的支路相关联的功率开关的故障使得无法实现支路内的短路的关断。为外，供电保护设备可与可能的待处理的阻断信号无关地关断较长时间待处理的短路。

为了将阻断信号从各支路保护设备传输到供电保护设备，迄今为止通常提供所谓的“硬连线”，即，其中每个支路保护设备的信号输出通过分开的电导线直接与供电保护设备的相应的信号输入相连接的通信连接。虽然在此构造中单独的电导线的监测在其功能性上可尽可能简单地执行(例如通过线断开识别)，并且所出现的故障可容易地与特定的导线相关联，但特别地在带有多个支路的母线中，硬连线意味着很高的安装费用和因此的高成本。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于，给出上述类型的方法以及相应的保护设备，使得在具有防止通信故障的可比较的安全性的同时实现更低的安装费用和因此更低的成本。

为了解决该技术问题，建议一种本文开始部分提到类型的方法，其中，支路保护设备通过数据传输总线反复地向供电保护设备发送通信报文，供电保护设备检验通信报文的接收，如果在确定的时间间隔期间从至少另一个支路保护设备接收到通信报文，则供电保护设备将在该相同时间间隔期间没有从其接收到通信报文的支路保护设备归类为具有故障，并且在至少一个被归类为具有故障的支路保护设备时供电保护设备阻止阻断信号的实施。

在此，本发明首先基于如下思想，即，通过数据传输总线替代单独的支路保护设备和供电保护设备之间的费用高的硬连线。为了在该系统中也保证具有防止数据传输总线、供电保护设备或支路保护设备上出现的通信故障的可比较的安全性，建议供电保护设备通过使用监测逻辑监测各支路保护设备的单独的通信报文的接收。根据该监测的结果做出关于实施接收的阻断信号的决定。如果单独的支路保护设备的通信报文消失时识别出该支路保护设备的损坏，则供电保护设备即使在存在另外的支路保护设备的阻断信号时也不阻断，因为必须确保在带有损坏的保护设备的支路内短路时可实现短路的关断。由于在所涉及的支路保护设备内的损坏，该关断仅还能通过供电保护设备进行。

因此，在根据本发明的方法中，一方面实现了通过简单可安装的并且可运行的数据传输总线替代了昂贵的并且复杂的硬连线，另一方面防止损坏和通信故障的安全性在该情况中通过相对简单地监测通过数据传输总线发送的通信报文来保证。

根据本发明的方法的有利实施方式，在短路情况中，在至少一个归类为具有故障的支路保护设备时，仅当经过预先给定的延迟时间后短路仍存在时供电保护设备才将与供电相关联的功率开关触发。由此，可以说为具有故障支路的支路保护设备给出了第一机会，在通过供电保护设备将整个母线切断断电前关断在所述支路上存在的短路。

由此，除了别的之外，要考虑到如下情况，即，归类为具有故障的支路保护设备的损坏不涉及其保护功能本身，而是例如涉及通过其将通信报文输出到数据传输总线上的通信装置。

此外，根据本发明的方法的另外的有利的实施方式，如果在所确定的时间间隔期间未接收到通信报文，则供电保护设备将其与支路保护设备的通信连接归类为具有故障。由此，以有利的方式实现，对于根本不再由供电保护设备接收到通信报文的情况，所述供电保护设备并不将所有支路保护设备归类为损坏，而是认为其自身的与支路保护设备的通信连接具有故障。

在此方面有利的是，在归类为具有故障的通信连接时，供电保护设备阻断与供电相关联的功率开关的触发。因为在该情况中供电保护设备不再能够从支路保护设备接收到阻断信号，所以应首先认为支路保护设备工作正常，使得所述支路保护设备负责在支路中出现的短路的关断。

但为了能够可靠地关断在母线上在支路前出现的短路或能够通过供电保护设备平衡支路保护设备的损坏，在此方面此外建议，在短路情况中在归类为具有故障的通信连接时，如果短路在经过预先给定的等待时间后仍存在，则供电保护设备将与供电相关联的功率开关触发。

根据本发明的方法的另外的有利的实施方式在于，以规则的间隔发送通信报文。通过规则地经由数据传输总线传输通信报文，可特别简单地识别一个、一些或所有支路保护设备的所期待的通信报文的接收是否消失。

根据本发明的方法的另外的有利实施方式，将通信报文作为多播消息通过数据传输总线发送。多播消息由发送器向通信系统的接收器列表内所有记录的接收器发送。因此，不需要通信报文在供电保护设备上的有目的寻址，使得实现了通信报文在更大的接收器范围内的简单和有效的分布。

此外，根据本发明的方法的另外的有利实施方式，通信报文含有关于各支路保护设备的状态的信息。在该情况中，可向供电保护设备、另外的支路保护设备和必要时的数据传输总线的另外的通信参与者(例如，控制器)很简单地通报单独的支路保护设备的各状态。状态信息除了别的之外可例如含有关于支路保护设备的单独部件的运行状态的消息，或含有关于与各支路相关联的功率开关的状态的消息，以及关于违反阈值的测量值或信息。

此外，根据本发明的方法的另外的有利实施方式，如果所涉及的支路保护设备已识别到与其相关联的支路的短路，则支路保护设备的通信报文包括阻断信号。以这种方式可特别有效地传输阻断信号，因为所述阻断信号总是要整合在待发送的通信报文内。在该情况中有利的是，在状态改变时，例如在识别到短路时，自发地、即在必要时存在的规则时钟之外发送包括阻断信号的通信报文。

具体而言，可使用所谓的“GOOSE数据报文”作为通信报文。该根据International Electrotechnical Commission标准IEC 61850的专用GOOSE数据报文(GOOSE-Generic Object oriented Substation Events，面向通用对象的变电站事件)在相应的以太网通信网络中使用在开关设备内，以便特别快速并且有效地交换直接在单独装置之间的状态信息。

以上所述的技术问题也一种通过用于监测供电网络的母线的供电保护设备来解决，所述供电保护设备包括通信装置和数据处理装置，其中，通信装置被设置为接收经由数据传输总线发送的至少两个支路保护设备的通信报文，并且数据处理装置被设置为这样分析通信报文的接收，使得在支路保护设备的仅仅一个或一些的通信报文接收消失时，通过经由通信装置接收的阻断信号阻止对于功率开关触发的阻断。

根据本发明的供电保护设备的另外的有利实施方式，数据处理装置还被设置为这样分析通信报文的接收，使得在所有支路保护设备的通信报文消失时阻断功率开关的触发。

附图说明

在下文中根据实施例更详细地解释本发明。为此，

图1示出了用于监测电气母线的短路的保护系统的示意图，

图2示出了支路保护设备的实施例的示意性方框图，

图3示出了供电保护设备的第一实施例的示意性方框图，和

图4示出了供电保护设备的第二实施例的示意性方框图。

具体实施方式

图1示出了母线10，所述母线10包括供电11以及支路12a、12b和12c。在供电11上，供电保护设备13通过仅示意性图示的测量变换器14记录测量值m_E，所述测量值m_E适合于描述母线的状态并且检查母线上是否存在短路。这样的测量值可以例如是电流测量值或电压测量值。供电11进一步具有功率开关15，所述功率开关15可通过供电保护设备13的触发信号S_E被操纵以便断开开关触点。

支路12a、12b、12c分别具有支路保护设备16a、16b、16c，所述支路保护设备16a、16b、16c通过仅示意性图示的测量变换器17a、17b和17c记录描述了各支路12a、12b、12c的状态的测量值m_{A_a}、m_{A_b}、m_{A_c}，并且根据这些测量值判定在各支路12a、12b、12c上是否存在短路。如果所述支路保护设备16a、16b、16c识别到在其支路12a、12b、12c上的短路，则在与相应的支路12a、12b、12c的一个相关联的功率开关18a、18b、18c上给出各触发信号S_{A_a}、S_{A_b}、S_{A_c}，以便操纵所述功率开关断开其触点，并且因此关断与短路相关联的支路12a、12b、12c。

供电保护设备13和支路保护设备16a、16b、16c通过在图1中仅示例地按照环形结构示出的数据传输总线19连接，并且可以通过该数据传输总线19交换通信报文。因此，单独的支路保护设备16a、16b、16c反复地通过数据传输总线19发送通信报文T_a、T_b和T_c，其中通信报文T_a、T_b和T_c至少指向供电保护设备13。供电保护设备13接收通信报文T_a、T_b和T_c。

通信报文T_a、T_b和T_c可以例如含有单独的支路保护设备16a、16b、16c的状态信息。此外，通信报文T_a、T_b和T_c也可包括阻断信号B。替代地，阻断信号B也可分开地传输。通信报文例如是在标准IEC 61850中专用于开关设备内的通信的所谓的“GOOSE数据报文”。通信报文在此可作为多播消息发送，即同时发送到多个接收器上。

如果在母线10上出现短路，则该短路应尽可能由故障所出现的位置与之直接相关联的保护设备关断。因此，在母线上在支路12a、12b、12c前出现的短路由供电保护设备13通过功率开关15关断。因为在此整个母线断电，所以所有从母线发出的支路12a、12b、12c被该关断影响。反之，在支路上发生的短路应由与支路相关联的各保护设备通过相应的功率开关关断。例如，在支路12a上的短路应由支路保护设备16a通过功率开关18a关断。

供电保护设备13此外用作备用保护设备，这针对如下情况，即，支路保护设备16a、16b、16c无法识别其支路12a、12b、12c上的短路，或由于损坏而不能关断所述短路。

对于支路保护设备16a、16b、16c的一个识别到其支路12a、12b、12c上的短路的情况，所述支路保护设备的一个通过数据传输总线19发送阻断信号B，所述阻断信号B例如可包含在通信报文T_a、T_b和T_c内。该阻断信号B操纵供电保护设备13以阻断其功率开关15的触发，即阻止向功率开关15给出触发信号S_E。所涉及的支路保护设备16a、16b、16c同时通过其各自的功率开关18a、18b、18c关断具有故障的支路12a、12b、12c，并且因此清除短路。不过，如果短路没有被及时清除，例如由于相应的支路保护设备或功率开关的损坏，只要短路在经过特定的时间间隔之后仍待处理，则供电保护设备13可作为备用保护设备也在存在待处理的阻断信号B时触发其功率开关。

在图1中示出的保护系统中，在支路保护设备16a、16b、16c和供电保护设备13之间的有效的通信传输具有高的阈值，因为仅在正确接收阻断信号B条件下才能保证保护系统的无问题的功能性。因此建议，供电保护设备13的数据处理装置执行在数据传输总线19上的正确的通信的监测，这将在下文中根据图2至图4更详细地解释。

图2首先示出了支路保护设备20的一种实施例。支路保护设备20通过测量值采集装置记录相应的支路的测量值m_A，并且将其提供到数据处理装置24。数据处理装置24包括分析装置22，所述分析装置22进行对于测量值m_A的关于该支路上出现的短路的检验。分析装置22为此实施所谓的保护算法，其中例如可以涉及过流保护算法或距离保护算法。这些保护算法对于供电网络方面的技术人员是已知的，并且因此在此不详细解释。仅应理解的是，通过使用各保护算法支路保护设备能够识别到被其监测的支路是否存在短路。

如果支路保护设备20的分析装置22识别到在其相关联支路上的短路，则该分析装置22将触发信号S_A发送到与其所涉及的支路相关联的功率开关，以便操纵该功率开关断开开关触点，并且因此使具有故障的支路断电。同时，分析装置22向通信装置23发送阻断信号B。通信装置23将所述阻断信号B要么作为本身单独的要么作为通信报文T的部分，向相连接的数据传输总线发出。在图2至图4的描述中，仅示例地假设阻断信号B作为通信报文T的组成部分被传输。在此，带有阻断信号B的通信报文的传输可自发进行，即，与通信报文的规则的发送时钟无关地进行或在识别到短路之后直接进行。

此外，支路保护设备20的数据处理装置24还可以通过扩展的分析装置25采集支路保护设备20的另外的状态信息，并且将其作为信息信号I输出到通信装置23。通信装置23也将信息信号I整合在通信报文T内并且将其输出到传输总线。

图3示出了供电保护设备30的第一实施例。供电保护设备30通过测量值采集装置31记录供电上的测量值m_E，并且将其传输到数据处理装置33。数据处理装置33包括短路监测单元34和通信监测单元35。

短路监测单元34的关键组成部分是分析装置32，所述分析装置32通过实施例如过流保护算法或距离保护算法的相应的保护算法将测量值m_E进行分析，以便识别母线上的短路。在此，分析装置32首先可以不区分在已识别的短路的情况下，是涉及母线上支路前的短路还是涉及在支路上的短路。只要分析装置32识别到短路就在输出侧上给出触发信号S_E。

此外，供电保护设备30通过通信装置36接收数据报文T并且将其传递到数据处理装置33的通信监测单元35上。通信监测单元35包括分析装置37，所述分析装置37检测由通信装置36接收的通信报文是否包括阻断信号B，并且必要时将其发送到阻断装置38。

如果阻断装置38接收到阻断信号B，则所述阻断装置38将该阻断信号B输出到抑制装置39，所述抑制装置39又在存在待处理的阻断信号B的情况下抑制触发信号S_E的传送。按照这种方式，在由支路保护设备识别到在其支路上存在短路时，通过阻断信号B保证了阻止供电保护设备触发其自身的功率开关。该短路因此被相应的支路保护设备关断，而不使整个母线断电。

此外，通信监测单元35还包括第一检测装置40，所述第一检测装置40在如下方面检验通信报文T的接收，即，是否由每个支路保护设备规则地接收到期待的通信报文。

如果检测装置40识别到，一个支路保护设备的所期待的通信报文在预先给定的时间间隔上消失而从至少一个另外的支路保护设备接收到期待的通信报文，则检测装置40向阻断装置38给出阻断信号BS，所述阻断信号BS在阻断装置38内防止必要时待处理的阻断信号B的传送。由此，保证对于支路保护设备的一个损坏并且因此不能再向供电保护设备发送通信报文的情况下，在所涉及的支路上出现的短路在任何情况中都被供电保护设备关断。对于支路保护设备的至少一个识别为存在故障的情况，保护系统可以说过渡到安全模式，其中每个短路还仅通过供电保护设备被关断。由另外的支路保护设备发出的阻断信号因此不再能在供电保护设备上施加阻断作用。

最后，图4示出了供电保护设备50的第二实施例，该供电保护设备50在很大部分上与图3中的根据第一实施例的供电保护设备30相符。因此，相应的部件以相同的附图标号指示，并且关于图4不再对其进行详细解释。在下文中仅解释在图4中的根据第二实施例的供电保护设备50中补充的功能性。

在供电保护设备50中，阻断信号BS此外也被传送到分析装置32并且操纵该分析装置32，使得触发信号S_E仅在经过一定的延迟时间之后如果在经过该延迟时间后一直还有短路待处理的情况下才发出。由此保证了，对于如下的情况：由于支路保护设备的消失的通信报文T的而将其识别为具有故障，但是该故障不涉及支路保护设备的保护功能，而是局限于其通信装置；在该情况中，保护设备完全能够清除其支路上的短路，使得通过等待延迟时间由供电保护设备将所涉及的支路保护设备赋予自己清除短路的可能性。由此，可避免整个母线的断电。

此外，根据图4的供电保护设备50具有另外的检验装置51，所述检验装置51检验是否不再由供电保护设备50的通信装置36接收到通信报文T。在这种情况下认为，供电保护设备的通信连接自身例如由于数据传输总线内的损坏的通信开关而被干扰，并且阻止了所有支路保护设备向供电保护设备的通信报文T的传输。在这种情况下，检验装置51向阻断装置38发出激活信号A，所述检验装置51操纵阻断装置38与待处理的阻断信号B无关地将该阻断信号B给出到抑制装置39。由此，阻止了供电上的功率开关的触发，因为在该被干扰的通信连接的情况中，应为起初被假设功能无问题的支路保护设备提供自行将支路上的短路清除的机会。

为提高保护的安全性，检验装置51可选择地也仅给出激活信号A直至一定的等待时间结束，并且然后结束激活信号A的给出，因此对于短路也在经过等待时间后仍被分析装置32识别到的情况，触发信号S_E可给出到供电的功率开关上。由此，一方面对于支路保护设备损坏或其关断不能成功执行的情况实现了供电上的功率开关的安全触发；另一方面对于不是在支路上而在在母线上支路前出现的短路，保证了可将所述短路关断。

如果检验装置40或51确定了通信干扰，则由此触发了警告信息的给出，所述警告信息或者直接在供电保护设备上显示或者被传送到供电保护设备的上级监测装置，例如电网控制中心，以便向供电网络的运营者澄清保护系统的通信功能性方面出现的故障。

虽然根据方框图描述了在图2至图4中的实施例，但保护设备内的相应的功能通常以软件实现，所述软件实施在相应的保护设备的数据处理装置内。因此，根据功能方框图的解释仅用于理解本发明而非限制本发明。

Claims (12)

1.一种用于监测供电网络的母线(10)发生短路的方法，其中，

-所述母线(10)具有供电(11)和至少两个支路(12a，12b，12c)，

-在每个支路(12a，12b，12c)上提供了支路保护设备(16a，16b，16c)，所述支路保护设备(16a，16b，16c)监测各支路(12a，12b，12c)上的短路，和

-在所述供电(11)上提供了供电保护设备(13)，所述供电保护设备(13)监测该供电(11)上的短路，并且其中，

-在所述支路中的一个(12a)中发生短路时，与该支路(12a)相关联的支路保护设备(16a)在所述供电保护设备(13)上给出阻断信号，所述阻断信号延迟或阻断了布置在该供电(11)上的功率开关(15)的触发，

其特征在于，

-所述支路保护设备(16a，16b，16c)通过数据传输总线(19)反复地向所述供电保护设备(13)发送通信报文(T_a，T_b，T_c)，

-该供电保护设备(13)检验通信报文(T_a，T_b，T_c)的接收，

-如果在确定的时间间隔期间从至少另一个支路保护设备(16b)接收到通信报文(T_b，T_c)，则所述供电保护设备(13)将在该相同时间间隔期间没有从其接收到通信报文(T_a)的支路保护设备(16a)归类为具有故障，和

-在至少一个被归类为具有故障的支路保护设备(16a)的条件下，所述供电保护设备(13)阻止阻断信号(B)的实施。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-在短路的情况下，在至少一个归类为具有故障的支路保护设备(16a)时，仅当经过预先给定的延迟时间后该短路仍存在时所述供电保护设备(13)才将与供电相关联的功率开关(15)触发。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-如果在所确定的时间间隔期间未接收到通信报文(T_a，T_b，T_c)，则所述供电保护设备(13)将其与支路保护设备(16a，16b，16c)的通信连接归类为具有故障。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

-在归类为具有故障的通信连接时，所述供电保护设备(13)阻断与供电(11)相关联的功率开关(15)的触发。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

-在短路情况下，在归类为具有故障的通信连接时，如果短路在经过预先给定的等待时间后仍存在，则所述供电保护设备(13)将与供电(11)相关联的功率开关(15)触发。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，

-以规则的时间间隔发送所述通信报文(T_a，T_b，T_c)。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，

-作为多播消息通过所述数据传输总线(19)发送所述通信报文(T_a，T_b，T_c)。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，

-所述通信报文(T_a，T_b，T_c)含有关于各支路保护设备(16a，16b，16c)的状态的信息。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，

-如果所涉及的支路保护设备(16a，16b，16c)已识别到与其相关联的支路(12a，12b，12c)的短路，则该支路保护设备(16a，16b，16c)的通信报文(16a，16b，16c)包括阻断信号(B)。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，

-作为所述通信报文(16a，16b，16c)使用GOOSE数据报文。

11.一种用于监测供电网络的母线(10)的短路的供电保护设备(13)，其中，所述供电保护设备(13)包括通信装置和数据处理装置，

其特征在于，

-所述通信装置被设置为接收通过数据传输总线(19)发送的至少两个支路保护设备(16a，16b，16c)的通信报文(16a，16b，16c)，和

-数据处理装置被设置为如下地分析通信报文(T_a，T_b，T_c)的接收：在支路保护设备的仅仅一个或一些(16a)的通信报文(T_a，T_b，T_c)的接收消失时，通过经由通信装置接收的阻断信号(B)阻止对于功率开关(15)的触发的阻断。

12.根据权利要求11所述的供电保护设备(13)，其特征在于，

-数据处理装置还被设置为如下地分析通信报文(T_a，T_b，T_c)的接收：在所有支路保护设备(16a，16b，16c)的通信报文(T_a，T_b，T_c)消失时阻断功率开关(15)的触发。