CN102668321B - 扩展的能量自动化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于供电网（11）的能量自动化系统（10），具有现场设备（14），其一方面为了采集测量值与传感器（12）、另一方面与上级设置的通信总线（15）相连；至少一个站控制设备（16），其一方面与所述通信总线（15）相连、另一方面与上级设置的控制中心通信线路相连；和与控制中心通信线路（17）相连的至少一个电网控制中心设备（18a，18b）；其中现场设备（14）、站控制设备（16）和电网控制中心设备（18a，18b）被构造为用于处理管理数据，并且通信总线（15）和控制中心通信线路（17）被构造为用于按照第一通信协议或第一数据传输服务来传输所述管理数据。为了扩展这种能量自动化系统的功能范围，而不会在此影响运行安全性、可用性和可靠性，使得现场设备（14）、站控制设备（16）和电网控制中心设备（18a，18b）还被构造为用于处理电能质量数据，并且通信总线（15）和控制中心通信线路（17）还被构造为用于按照第二通信协议或第二数据传输服务来传输电能质量数据。

Description

扩展的能量自动化系统
技术领域
本发明涉及一种用于操作和观察供电网的能量自动化系统，具有电气现场设备，该现场设备一方面为了采集测量值与在供电网上设置的传感器并且另一方面与上级设置的通信总线相连；至少一个电气站控制设备，该站控制设备一方面与通信总线相连并且另一方面与上级设置的控制中心通信线路相连；和至少一个电网控制中心设备，该电网控制中心设备与控制中心通信线路相连，其中现场设备、至少一个站控制设备和至少一个电网控制中心设备被构造为用于处理为操作和观察供电网所需要的管理数据（Betriebsführungsdaten），并且通信总线和控制中心通信线路被构造为用于按照第一通信协议或特定通信协议的第一数据传输服务来传输管理数据。
背景技术
供电网的常规的能量自动化系统被用于控制、操作、监视和保护供电网的主要组件诸如供电线、变压器、开关、发电机、电动机和变流器，并且传统地也用于管理（Betriebsführung）供电网。为此，在供电网的各个主要组件附近设置所谓的现场设备，传输借助主要组件上的传感器记录的其测量值（例如电流测量值和电压测量值、温度测量值）。替换地或附加地，现场设备也可以将控制指令和命令发送到供电网的主要组件（例如用于打开断路器的控制指令）。在此，现场设备可以包括测量设备、控制设备和/或电气保护设备。这些现场设备例如可以设置在所谓的配电所或变电所。
为了互相以及与分层的上级设置的站控制设备通信，现场设备经由通信总线，例如所谓的站总线相连，经由该通信总线其传输数字的数据报文。经由通信总线，现场设备例如可以传输测量值、消息和命令。
站控制设备用于在配电所层面上观察和操作供电网。站控制设备向开关设备的操作人员显示由现场设备接收的测量值和消息并且接受由操作人员输入的控制指令并将该控制指令经由通信总线传输到现场设备。
在站控制设备上级又设置具有至少一个电网控制中心设备（例如电网控制中心的用于控制和监视供电网的较大片段的数据处理装置）的层级。在站控制设备和电网控制中心设备之间的通信经由控制中心通信线路进行，该控制中心通信线路又可以是数据传输总线或其它通信线路或通信网络，例如内部网、因特网、电信线路或固定布线的点对点线路。
这种常规的能量自动化系统的主要任务在于，记录说明供电网运行状态的测量值，必要时将这些测量值传输到自动处理装置以及将这些测量值传输到上级设置的层级，如站控制设备和电网控制中心设备，从而在那里工作的操作人员具有如下可能：尽可能快速并有效地对供电网的运行状态的改变做出反应并且能够执行为管理所需的处理。概括地，常规的能量自动化系统也用于控制和监视供电网，例如供电网的开关设备。在此，关于主要组件上供电网状态的信息，例如关于所记录的测量值的信息被采集、处理以及将其进一步传输到站控制设备或电网控制中心设备。此外，由站控制中心和/或电网控制中心接受操作人员的指令或者自动产生命令，用来影响供电网的主要组件的状态。因此，在常规的能量自动化系统中焦点在于运行安全性。系统还必须是持久可用的，以便反映供电网的各个当前状态。
为了满足这些要求，因此调整常规的能量自动化系统的所使用的设备或通信架构来确保可靠地运行，即测量数据和消息能尽可能及时地传输到站控制中心或电网控制中心并且将控制指令和自动的命令可靠地进一步传输到有关的主要组件。测量数据、消息、控制指令和命令在下面概括地称为管理数据。通常地，管理数据的特征在于小的数据量（几字节），但必须被及时传输。为了传输管理数据，现场设备、站控制设备和电网控制中心设备的通信软件包括合适的通信协议或特定通信协议的合适的数据传输服务，其分别给出各个设备怎样互相交换管理数据的数据报文。通信协议是用于规定通信机制的广泛规则。通信协议的例子是IEC60860-5-103、IEC60860-5-104或IEC61850，其分别定义了用于将数据传输到电开关设备中的机制。通信协议可以包括不同的数据传输服务，也就是用互相分开的规则来传输数据。
相应于能量自动化系统的运行来调整为传输管理数据所使用的通信协议或所使用的数据传输服务。例如，所记录的测量值立即传输到能量自动化系统的上级设置的层级，或者控制指令和命令同样立即并以高优先级传输到相应的现场设备以用于影响主要组件。在此，在测量值的传输中在可忍受的范围内允许出现损失或错误传输，但要只要确保通知了接收设备关于损失或错误传输并在可接受的时间内补上与之有关的测量值。但另一方面，必须确保将为控制和监视供电网所需的最小数量的测量值正确地传输到上级设置的层级，也就是站控制设备或电网控制中心设备。相反，控制指令和命令必须在每种情况下都被完整地传输。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，扩展能量自动化系统的功能范围，而在此不会影响能量自动化系统的功能，特别是关于运行安全性、可用性和可靠性。
为了解决上述技术问题建议，现场设备、至少一个站控制设备和至少一个电网控制中心设备也被构造为用于处理说明了供电网的电能质量的电能质量数据，并且通信总线和控制中心通信线路也被构造为用于按照与第一通信协议不同的第二通信协议或特定通信协议的与第一数据传输服务不同的第二数据传输服务来传输电能质量数据。
即，按照本发明提供一种具有附加的功能范围的扩展的能量自动化系统，该能量自动化系统除了常规的能量自动化系统的管理功能之外还包括用于采集和传输说明了供电网的电能质量的电能质量数据的附加功能。这些功能在过去始终利用单独的测量和通信传输装置来满足，因为对常规的能量自动化系统和用于监视电能质量的系统具有极其不同的要求。如已经解释的那样，特别是在对常规的能量自动化系统的要求是其运行安全性和可用性时，用于监视电能质量的系统用于采集和分析供电网的电能质量数据，这些数据对于评估其电能质量是合适的（例如电流、电压、频率、功率）。在用于监视电能质量的系统中焦点在于以一个长的持续时间完整地采集数据。在此，关键的是，在记录电能质量数据时不会发生空缺；也就是不允许电能质量数据丢失。与管理不同，在此快速处理电能质量数据不起关键作用。
对管理和用于监视供电网的电能质量的系统的这些极其不同的要求也反映在为此要传输的数据的数据量上：为了管理，测量值和消息必须以10至20字节的数量级传输，而在用于监视电能质量的系统中待传输的数据量位于几兆字节至几千兆字节的范围内，因为必须传输多个测量值并且传输必须以绝对的完整性进行。
为了能够利用唯一的扩展的能量自动化系统满足这些不同的要求，由此按照本发明，描述电能质量的电能质量数据按照与第一通信协议不同的第二通信协议或特定通信协议的与第一数据传输服务不同的第二数据传输服务来传输。即，也可以使用完全不同的通信协议。替换地，还可以使用在同一个通信协议的条件下定义的用于电能质量数据的第二数据传输服务。例如可以设置这种第二通信协议或这种第二数据传输服务，使得记录测量值以用于评估供电网的电能质量的现场设备首先以一个较长的持续时间来记录并中间存储测量值。直到经过了预定的持续时间之后，例如几分钟至几小时，测量值才作为电能质量数据被传输到上级设置的层级。同样可以设置，如果通信总线和/或控制中心通信线路的其它负载相对小，也就是低于所定义的负载阈值，才进行电能质量数据的传输。电能质量数据被传输到站控制设备或电网控制中心设备所具有的延迟在正常情况下不起特殊作用，因为就安全地管理供电网而言这种电能质量数据的分析不被视为关键，并且由此也可以在采集各个电能质量数据之后的时间进行。此外，手动和/或自动地分析大数据量的电能质量数据通常比对管理数据的改变做出反应需要更长的时间。
一方面对于管理数据而另一方面对于电能质量数据，通过使用不同的通信协议或数据传输服务，在扩展的能量自动化系统的各个设备之间几乎经由同一个物理的数据线路定义多个不同的逻辑通信连接，从而在这些不同的通信连接上来严格分开地进行管理数据或电能质量数据的传输。
按照本发明的扩展的能量自动化系统的优选的实施方式在于，管理数据经由通信总线和控制中心通信线路以比电能质量数据更高的优先级传输。
由此，对于每个时间点能够确保，在经由同一个物理的通信线路来传输并且使用其传输带宽的管理数据和电能质量数据同时存在时，管理数据总是先被传输，从而为操作人员提供关于管理数据的改变的即时信息。通过这种方式操作人员可以顺利地对关键的改变做出反应并将相应的控制指令输入到站控制设备或电网控制中心设备中。
按照本发明的扩展的能量自动化系统的另一种优选的实施方式在于，现场设备、至少一个站控制设备和至少一个电网控制中心设备还被构造为用于处理说明供电网中故障的故障记录数据，并且通信总线和控制中心通信线路也被构造为用于按照与第一和第二通信协议不同的第三通信协议或与第一和第二数据传输服务不同的第三数据传输服务来传输故障记录数据。
由此可以说将按照本发明的扩展的能量自动化系统的功能范围再次扩展，通过现在对故障记录数据进行处理并将其传输到上级设置的层位置，该故障记录数据通常是已经记录的在由现场设备识别的故障（例如在供电网中出现的短路）期间的电流测量值和电压测量值的走向。由此，经由同一个物理的通信线路建立第三逻辑通信连接，由此经由该物理的通信线路可以传输管理数据、电能质量数据和故障记录数据。
对故障记录数据的分析以及必要的反应完全可以比对管理数据的反应需要更长的持续时间。但故障记录数据应当尽可能在几分钟之内提供。因此按照本发明的扩展的能量自动化系统的另一种优选的实施方式，管理数据经由通信总线和控制中心通信线路以比故障记录数据更高的优先级传输，而故障记录数据在他那一侧经由通信总线和控制中心通信线路以比电能质量数据更高的优先级传输。
按照本发明的扩展的能量自动化系统的另一种优选的实施方式在于，现场设备被构造为用于采集测量值并且用于由测量值确定电能质量数据，方法是，测量值和/或由测量值导出的值以预定的持续时间连续地储存，并且现场设备被构造为用于经由通信总线逐块地传输测量值和/或导出的值的序列作为电能质量数据。
由此可以确保电能质量数据不会在其采集之后被立即传输，并且由此不会连续地提高在通信总线或控制中心通信线路上的通信负载。
此外，按照本发明的能量自动化系统的另一种优选的实施方式在于，现场设备被构造为将管理数据立即经由通信总线传输和/或将经由通信总线所接收的管理数据立即进一步传输到供电网。由此，通过在每种情况下都立即传输管理数据来确保能量自动化系统的运行安全性。
最后，按照本发明的能量自动化系统的另一种优选的实施方式在于，数据存储装置与通信总线和/或控制中心通信线路相连，该数据存储装置被构造为用于接收和存储电能质量数据。
由此获得如下的可能性：可以将电能质量数据直接传输到存档装置并且这些电能质量数据可以通过数据存储装置准备好用于进一步评估和分析。在此，数据存储装置可以构造为独立的或者构造为站控制设备或电网控制中心设备的部件。
附图说明
下面结合实施例对本发明作进一步说明。附图中：
图1示出了扩展的能量自动化系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了用于操作和观察仅示意性表示的供电网11的扩展的能量自动化系统10（下面为了简单起见也仅称为“能量自动化系统”）。供电网11可以是完整的供电网或者是供电网的一部分，例如配电所。利用传感器12，例如电流互感器或电压互感器，来记录测量值，该测量值对于描述供电网11的状态是合适的。执行机构13，例如供电网11中的电开关的控制器，用于将命令和控制指令传输到供电网11的主要组件。
传感器12和执行机构13与现场设备14相连。现场设备例如可以是用于采集和处理借助传感器记录的测量值的一般测量设备、是用于自动地分析所记录的测量值并用于自动地产生命令的电气保护设备、是用于将控制指令传输到执行机构13的控制设备或者是用于记录对于供电网的电能质量的评估相关的测量值的电能质量记录器。在传感器12和执行机构13和现场设备14之间的连接例如可以通过固定的布线20a或通过传送数字的数据报文的所谓的过程总线20b进行。
现场设备14还与上级设置的通信总线15，例如站总线相连，通信总线用于在现场设备14和至少一个站控制设备16之间传输数据报文。站控制设备16用于在配电所层上控制和监视供电网11，并且由此向操作人员现场显示测量值和消息的走向，并且接受用于管理供电网11的控制指令。
站控制设备16经由控制中心通信线路17与至少一个电网控制中心设备18a相连，该电网控制中心设备用于在电网控制中心层上控制和监视供电网11。电网控制中心设备18a在此例如可以通过电网控制中心（也称为控制中心）的数据处理设备形成。除了电网控制中心设备18a之外附加地还可以形成另一个与控制中心通信线路17相连的数据处理装置18b，例如能够临时地与控制中心通信线路17相连的手提式电脑。
此外，数据存储装置19可以与通信总线15或控制中心通信线路17相连。
在附图中示出的能量自动化系统10同时承担常规的能量自动化系统的管理功能以及用于监视供电网的电能质量的系统的功能。特别是在对供电网11的管理要求是其运行安全性、可靠性和可用性时，对用于监视电能质量的系统的主要要求在于完整地记录和存储对于评估电能质量相关的测量值。
为了利用唯一的能量自动化系统同时达到这些不同的要求，现场设备14、至少一个站控制设备16以及至少一个电网控制中心设备18a或18b构造为一方面用于处理管理数据而另一方面用于处理能量质量数据。管理数据被理解为对于评估供电网11的一般运行状态合适的测量值、由测量值导出的消息（例如关于超过阈值）、以及自动（例如由保护设备）产生的命令或由操作人员为管理供电网而输入的控制指令。在此，对于评估供电网的状态合适的测量值尤其可以认为是利用在供电网的主要组件上的传感器12所记录的电流测量值和电压测量值，但例如也可以认为是在供电网的变压器上记录的温度测量值。在管理供电网的范围内的相关的测量值由现场设备来采集并且必要时向预处理传输。在该预处理的范围内例如可以进行测量值的数字滤波、功率计算或电流和电压向量计算。此外，现场设备已经可以以自动分析所记录的测量值的形式进行处理，从而例如由测量值导出特定消息或可以识别出已经在现场设备层上的不允许的运行状态，并且产生相应的对策，特别是以对于电气断路器的触发命令的形式。最后提到的自动分析功能通常由现场设备以电气保护设备的形式实施。除了这种自动由现场设备产生的命令之外，由站控制设备16或电网控制中心设备18a或18b通过用户输入产生的控制指令也被传输到执行机构13，这些控制指令由执行机构13，例如变压器的隔离开关或步进开关的控制器进一步传输到供电网的主要组件。
对于评估供电网11的电能质量合适的、同样由传感器12记录的测量值可以是电流测量值或电压测量值。在电气现场设备14的预处理的范围内，可以形成由这种电流测量值和电压测量值已经导出的值，诸如有功功率值和无功功率值、频率值、给出关于测量值的谐波振荡（部分地直至超过50次谐波振荡）的值和其它对于评估供电网11的电能质量合适的导出的值。这种对于评估电能质量合适的测量值和导出的值必须进一步传输到数据存储器19和/或站控制设备16或电网控制中心设备18a、18b，从而在那里准备好进一步分析。
在为了管理而必须传输相对少的数据（电流测量值和电压测量值，必要时功率值）并且管理数据因此具有小的数据长度并且必须立即输送到能量自动化系统时，由于大量测量数据和从中导出的值而包含了较大的数据量的电能质量数据的传输也会发生一定的延迟。例如可以逐块地传输电能质量数据，即，首先测量值由现场设备14记录一段时间并且被临时中间存储，直到达到了特定的数据量或者经过了特定的持续时间，并且然后将通过这种方式收集的电能质量数据以一块传输到数据存储器19和/或站控制设备16或电网控制中心设备18a、18b。
为了这些不同的目的，在能量自动化系统10中，管理数据按照第一通信协议或特定通信协议的第一数据传输服务来传输，并且电能质量数据按照与第一通信协议不同的第二通信协议或特定通信协议的与第一数据传输服务不同的第二数据传输服务来传输。通信协议是用于规定通信机制的广泛规则。通信协议可以包括不同的数据传输服务，也就是用互相分开的规则来传输数据。也就是一方面管理数据并且另一方面电能质量数据可以或者按照完全不同的通信协议或者按照特定通信协议的不同数据传输服务，例如通过IEC 61850定义的通信协议来传输。重要的是，对于不同的数据使用不同的通信规则，从而实现两个逻辑的通信路径的分离。
在此，管理数据的通信协议或数据传输服务可以将管理数据在其采集之后并以最高优先级立即经由通信总线15或控制中心通信线路17传输。由于管理数据的小的数据量，第一通信协议或第一数据传输服务可以特别适合于较小的文件大小，第一通信协议或第一数据传输服务的容错可以这样测定，即虽然允许损失并错误传输一定数量的测量值，但这必须被报告并且尽可能快地将其补上。总之，必须确保在最短的可能时间内将为管理供电网所需的最小数量的测量值传输到站控制设备16或电网控制中心设备18a、18b。相反，控制指令和自动产生的命令必须以最高可靠性传输到各个接收器，从而第一通信协议或第一数据传输服务在此例如规定冗余概念，如多次（冗余地）传输控制指令或命令和/或通过各个接收器进行指令确认。
相反，用于传输电能质量数据的第二通信协议或第二数据传输服务应当被这样构造，使得能够以块传输来传输较大的数据量。电能质量数据在此虽然关于通信总线15和控制中心通信线路17具有最低传输优先级，但为此必须绝对完整地传输，从而在传输的测量值序列中不出现空缺。因此通信协议或数据传输服务例如必须为此确保，中断或故障的通信传输被重复或在正确的位置继续。但关于电能质量数据的传输时间起不太重要的作用，因为对这些数据的分析总是一个冗长的过程并且电能质量的改变不要求供电网的操作人员立即做出反应。在就管理数据改变而言的反应的时间范围（Zeitrahmen）位于几秒范围内时，对电能质量数据的分析和对电能质量数据改变的反应可以在几分钟至几小时的范围内做出。
由于不同的通信协议或数据传输服务，必须被严格互相分开的多个逻辑通信连接经由同一个物理的数据线路，也就是通信总线15和控制中心通信线路17建立，以便一方面确保关于管理的可靠性和运行安全性而另一方面使得能够完整地传输电能质量数据。例如只有在通信总线15或控制中心通信线路17的通信负荷相对低时，才将电能质量数据经由通信总线15或控制中心通信线路17传输。
附加地还可以利用现场设备记录所谓的故障记录，即在供电网11中由现场设备自动识别的故障期间的测量值的走向，并且将相应的故障记录数据按照第三通信协议或第三数据传输服务传输到站控制设备15或电网控制中心设备18。这种故障记录通常位于大约10千字节至400兆字节的范围内并且应当以低于管理数据但高于电能质量数据的优先级传输，因为其要求在几分钟之内反应。
因此，利用在附图中示出的能量自动化系统10可以实施管理供电网11的功能、用于监视电能质量的功能和必要时用于分析故障记录的功能，而无需附加的设备安装。通过能够尽可能一起使用必要时已经存在的能量自动化系统的架构，通过这种能量自动化系统对于供电网的操作员不产生附加开销。

Claims (7)

1.一种用于操作和观察供电网(11)的能量自动化系统(10)，具有
-电气现场设备(14)，所述现场设备一方面为了采集测量值与在所述供电网(11)上设置的传感器(12)相连并且另一方面与上级设置的通信总线(15)相连；
-至少一个电气站控制设备(16)，所述站控制设备一方面与所述通信总线(15)相连并且另一方面与上级设置的控制中心通信线路(17)相连；和
-至少一个电网控制中心设备(18a，18b)，所述电网控制中心设备与所述控制中心通信线路(17)相连；其中
-所述现场设备(14)、所述至少一个电气站控制设备(16)和所述至少一个电网控制中心设备(18a，18b)被构造为用于处理为操作和观察所述供电网(11)所需要的管理数据，并且所述通信总线(15)和所述控制中心通信线路(17)被构造为用于按照第一通信协议或第一数据传输服务来传输所述管理数据；
其特征在于，
-所述现场设备(14)、所述至少一个电气站控制设备(16)和所述至少一个电网控制中心设备(18a，18b)还被构造为用于处理说明了供电网(11)的电能质量的电能质量数据，并且
-所述通信总线(15)和所述控制中心通信线路(17)还被构造为用于按照与第一通信协议不同的第二通信协议或与第一数据传输服务不同的第二数据传输服务来传输所述电能质量数据。
2.根据权利要求1所述的能量自动化系统(10)，其特征在于，
-所述管理数据经由所述通信总线(15)和所述控制中心通信线路(17)以比所述电能质量数据更高的优先级传输。
3.根据权利要求1所述的能量自动化系统(10)，其特征在于，
-所述现场设备(14)、所述至少一个电气站控制设备(16)、所述至少一个电网控制中心设备(18a，18b)还被构造为用于处理说明供电网(11)中故障的故障记录数据，并且
-所述通信总线(15)和所述控制中心通信线路(17)也被构造为用于按照与第一和第二通信协议不同的第三通信协议或与第一和第二数据传输服务不同的第三数据传输服务来传输故障记录数据。
4.根据权利要求3所述的能量自动化系统(10)，其特征在于，
-所述管理数据经由所述通信总线(15)和所述控制中心通信线路(17)以比所述故障记录数据更高的优先级传输，并且
-所述故障记录数据经由所述通信总线(15)和所述控制中心通信线路(17)以比所述电能质量数据更高的优先级传输。
5.根据上述权利要求中任一项所述的能量自动化系统(10)，其特征在于，
-所述现场设备(14)被构造为用于采集测量值并且用于传输由所述测量值得出的电能质量数据，其中，将所述测量值和/或由所述测量值导出的值以预定的持续时间连续地储存，并且
-所述现场设备(14)被构造为用于经由所述通信总线(15)逐块地传输所述测量值和/或所述导出的值的序列作为电能质量数据。
6.根据上述权利要求1-4中任一项所述的能量自动化系统(10)，其特征在于，
-所述现场设备(14)被构造为将所述管理数据立即经由所述通信总线(15)传输和/或将经由通信总线所接收的管理数据立即进一步传输到所述供电网(11)。
7.根据上述权利要求1-4中任一项所述的能量自动化系统(10)，其特征在于，
-数据存储装置(19)与所述通信总线(15)和/或所述控制中心通信线路(17)相连，所述数据存储装置被构造为用于接收和存储所述电能质量数据。
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