CN102714123B - 用于电力管理的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供用于厂电气网络的电力管理的方法和系统。通过全厂范围的通信网络的电力管理系统包括使用多个控制器的分级级别和分布式级别电力管理两个概念。该电力管理系统中的至少一个控制器被配置用于厂电气网络内的第一本地过程区域中的电力管理并且能够与至少第二控制器通信，该第二控制器被配置用于通过通信网络在厂电气网络内的第二本地过程区域中的电力管理。

Description

用于电力管理的方法和系统
技术领域
本发明大体上涉及电力管理系统领域，并且更具体地涉及加工工业中的电力管理。
背景技术
典型地，电或电力变电站牵涉电传输和配电系统，其中使用变压器使电压从高变换到低或相反。电力可流过发电厂和消耗者或负载之间的若干变电站，并且电压可采用若干步阶变换。
工业设置牵涉高度的能量消耗并且包括一个或多个专用变电站，其包括连接到主电源（电网或内部发电机）的上游变电站和用于将电力分配到分布在工业的各种部分上的不同负载中心的下游变电站两者。另外，工业可具有其自身的发电系统来满足其能量需求并且还具有电力管理系统用于对于其用途有效地操纵电力。
电力管理功能性包括负载切除、电力和电压控制、电力恢复、电源同步等，其取决于用于有效处理各种设备和过程的电力需求、电力波动、设备限制等的类似电压、电流、电力和其他电力质量参数的测量。在类似加工工业（例如炼油厂）和电力公用事业的工业设置内发现这些种类的电力管理需要正变得普遍。然而，这样的设置还能适用于其他加工工业，例如水泥、纸浆造纸、石油化工厂、化肥、钢铁、矿业和金属、水和废水处理厂等。
变电站（上游和下游两者）一般包括若干电力变压器和配电变压器、电缆连接、开关、无功功率和接地设备。需要保护这些设备免于类似电力浪涌、电力系统故障等电力系统异常的影响。该目标由提供不同的全面保护和监测功能的智能电子装置（IED）实现。除了保护和监测功能外，IED还提供计量和控制功能。IED是基于微处理器的装置，其与例如断路器、发电机、变压器、电力线、电力电缆、电抗器（reactor）、马达、电容器组等电力系统设备关联。典型地，IED从传感器接收类似电压和电流的一次电力系统信息来进行各种保护和监测功能。常见的IED类型包括继电保护装置、负载分接开关控制器、断路器控制器、重合器控制器、电压调节器、类似负载切除等的二次功能，其中在IED中实现负载切除功能性并且这样的功能性所需要的过程数据交换由直接与电力系统设备、控制器等对接的一次IED实行。从而，IED根据其用途进行若干电力系统功能。
变电站自动化形成使用目前发展水平的技术解决电力系统功能任务的重要且复杂的方面。这样做，变电站自动化还提供附加价值特征以进行基于电力系统状况/事件的自动控制、设备维护、变电站信息传送到更高级别的控制系统（类似电网控制中心）等。通过变电站自动化，提供手动和自动控制命令功能，类似开关设备（断路器和切断器）的闭合和断开，或提升/降低电压水平以便维持期望的电压水平。对于变电站自动化存在多个通信协议，其包括具有自定义通信链路的许多专有协议。然而，实现的简单性和变电站自动化装置的使用非常期望来自不同厂商的装置的互通。
来自国际电工委员会（IEC）的IEC61850标准提倡来自各种制造商的使用公共工程模型（例如，使用逻辑节点的IEC61850公共工程模型）、数据格式和通信协议的智能电子装置（IED）之中的互通性。近来的IED因此设计成支持变电站自动化的IEC61850标准，其提供互通性和先进的通信能力，类似GOOSE（面向通用对象的变电站事件）和MMS（制造消息系统）通信概要。
电力管理功能性（类似负载切除）目前实现为类似炼油厂、石油化工厂、钢铁厂、水泥、纸浆造纸等加工工业的变电站自动化系统中的集中式功能。本文所指的负载切除或负载的切除一般意味着当电力需求变得大于电力供应时切断某些线路/负载上的电力。这一般在出现电力系统故障或出现将影响可用于向电气网络中的过程馈电的事件时发生。
通常在单个过程控制器IED中实现并且在上游变电站中布置的上面的功能的集中实现具有若干缺点。例如，集中功能实现由于其中需要布置负载切除的完整电力系统网络的所有功能的集中而引起高加载。因为将需要从下游IED收集用于执行集中功能的必需数据，它还导致过程控制器IED中的高且持续水平的通信负载。这导致过程控制器IED对于其他活动的较低的可利用性。因为下游IED直接连接到中央过程控制器，其直接面临变电站配置和连接性的复杂性。
此外，因为仅特定数量的岛可由集中式控制器操纵，在变电站中具有大量的岛状网络（由于网络中的故障而与上游变电站隔离的电力网络）的情况下存在覆盖范围的限制。未被探测的岛从而在没有集中式负载切除功能的“覆盖”情况下易受系统干扰影响。
同样，下游变压器中的过载情形无法容易地在集中实现中探测并且因此一般不存在用于下游变电站慢负载切除的设施来减少变压器上的过载。通常由于在下游变电站中缺乏任何智能负载切除动作而手动关闭负载。这导致缺乏负载的分散隔离，由此监视系统可利用性。
因此，需要发展实现改进的和分布式电力管理的电力管理系统和技术作为针对目前可利用的中央电力管理系统和方法的备选和高效技术方案。
发明内容
根据一个方面，提供用于厂电气网络的电力管理系统。该电力管理系统包括在全厂范围的通信网络中使用多个控制器的分级级别和分布式级别电力管理两个概念。在一个实施例中，配置电力管理系统中的至少一个控制器用于厂电气网络内的第一本地过程区域中的电力管理并且能够与至少第二控制器通信，配置该第二控制器用于通过通信网络在厂电气网络内的第二本地过程区域中的电力管理。控制器可分布在一个或多个分级级别中。
在另一个实施例中，电力管理系统包括至少一个控制器，其配置为中央控制器，用于结合来自多个控制器（在它们相应本地过程区域中）的至少一个控制器（称为本地控制器）进行电力管理功能，其中，中央控制器将一个或多个电力管理命令传送到至少一个本地控制器。
在再另一个实施例中，电力管理系统包括至少一个本地控制器，其在其本地过程区域中采用完全自主的模式操作用于电力管理，其中对于与其本地过程区域关联的电气网络的部分进行电力平衡计算和电力管理功能。
在再另一个实施例中，电力管理系统包括至少一个本地控制器，其在其本地过程区域中采用部分自主的模式操作用于电力管理，其中对于其本地过程区域中的电气网络的至少一部分（例如岛状或隔离的网络）采用自主模式进行电力平衡计算和电力管理功能并且对于其本地过程区域中的电气网络的其他部分结合中央控制器而管理（远程控制模式）。
在再另一个实施例中，电力管理系统包括控制器（例如中央控制器），其被配置用于其本地过程区域中的直接控制以及与至少一个另一个控制器（本地控制器）关联的本地过程区域中的间接控制。
在再另一个实施例中，电力管理系统包括对于负载切除的一个或多个电力管理功能性，该负载切除包括慢负载切除、手动负载切除、电力平衡计算和实施电力系统管理的优先级问题。
根据另一个方面，提供用于厂电气网络中的电力管理的示范性方法作为使用经由全厂范围的通信网络而连接的至少两个控制器的一个实施例。该方法包括用于对来自该至少两个控制器的至少一个控制器决定操作模式作为（a）远程控制模式或（b）完全自主模式或（c）部分自主模式的步骤。该决定可以是初始配置的结果或是需要至少一个控制器的操作模式变化的厂电气网络中的意外事故的结果。该方法进一步包括：用于根据至少一个控制器的操作模式由该至少两个控制器对相应的本地过程区域进行电力平衡计算的步骤；以及最后用于在与该至少两个控制器关联的相应本地过程区域中进行电力管理的步骤。
在另一个实施例中，操作模式在意外事故期间的变化是对于本地控制器的，该本地控制器根据该意外事故的性质将其模式从远程控制模式变成完全自主模式或部分自主模式。
在再另一个实施例中，用于电力管理的方法基于与本地过程区域关联的优先级或本地过程区域中的负载的优先级。
根据再另一个方面，提供用于厂电气网络中的电力管理的控制器或装置。该控制器适用于并且被配置用于该厂电气网络内的第一本地过程区域中的电力管理并且能够通过厂通信网络与第二控制器或装置通信，该第二控制器或装置被配置用于第二本地过程区域中的厂电气网络中的电力管理。
附图说明
当下列详细说明参照附图阅读时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是描绘与相应变电站关联的不同的过程区域的示范性电气单线图；
图2a和图2b是作为示范性实施例的电力管理系统的框图表示；
图3是根据本发明的一个方面的用于电力管理系统的方法的示范性步骤的流程图表示；以及
图4-图6是作为另外的示范性实施例的电力管理系统的框图表示。
具体实施方式
本文描述的系统和技术提供独特的电力管理技术方案。负载切除已经作为示范性电力管理功能性在本文描述，然而相同的概念可以扩展到工业设置中的其他功能，类似电力控制、负载恢复、有序起动等。相似地，加工工业已经在本文中用作可以应用这样的电力管理技术方案的情况的非限制性示例。
本文描述的系统和技术包括根据需要对本地电力管理提供额外的过程控制器（本地控制器），以采用分级方式与对于整个厂级电力管理指定的过程控制器一起运行。对于整个厂级电力管理的指定过程控制器在本文中称为中央控制器。此外，本文描述的系统和技术还能适用于分布式电力管理环境，其中不存在像这样的指定的中央控制器，由本地控制器在本地级进行电力管理并且本地控制器对于任何需要的电力平衡情形互相通信。本技术基于开放式通信标准（OCS），类似IEC61850-MMS和IEC61850-GOOSE。
关于负载切除，全厂负载切除与厂电气网络关联，该厂电气网络可以由在地理上集中或分布的一个或多个上游和下游变电站组成。也就是说，如本文中所指的厂级负载切除功能性涉及通过中央控制器的直接控制以及通过与一个或多个额外的过程控制器（本地控制器）的适当配合用于变电站中的本地负载切除而被操纵的变电站中的负载切除。厂电气网络还包括配电设备（例如变压器、断路器等）、电力致动器（例如，用于中断断路器中的操作的驱动器等）和变电站自动化产品（例如过程控制器、IED、网络通信配件等）。用于电力管理应用的电力致动器可操作以切除或连接负载以及本地发电机。
如本文中所指的本地负载切除是本地过程区域中的负载切除。最常见地，负载在加工厂下的下游变电站中切除。如本文中所指的本地过程区域包括电源（到电网的变压器连接或上游变电站或其他被通电的网络）、本地发电系统和本地负载并且负载在电力管理装置或控制器的控制下在本地过程区域中切除或连接。此外，本地过程区域可与变电站的一部分关联（在大型变电站的情况下）或与一个变电站完全关联（中等大小的变电站）或与多个变电站关联（小型变电站）。
本地负载可包括不同的过程设备，类似用于工业马达的变速驱动器、压缩机、泵、熔炉等。这些负载的通电/断电将通过断路器由IED控制。
如本文描述的本地岛网络限定为厂电气网络的一部分并且可作为与电力电气网络的剩余部分电隔离的本地过程区域而存在并且因此在整个加工厂的电力平衡中没有贡献。
如本文描述的电力平衡和电力平衡原理指来自发电机和变压器（连接到上游变电站/电网）侧的供电平衡和来自加工厂中的电力的负载侧的需求平衡。如本文使用的电力平衡计算在下文中指对于电气网络和部件的已知计算以实现电力平衡。
现在转向图，图1是描绘示范性厂电气网络中的三个本地过程区域的电气单线图100。这些本地过程区域中的一个（例如第一本地过程区域110）与上游变电站关联并且其他两个本地过程区域（第二本地过程区域120和第三本地过程区域130）与下游变电站关联。该示范性描绘也用于描述与本发明有关的系统和技术。图1还描绘过程区域中的主要部件，例如发电机140、变压器连接150、断路器或开关160和电气负载170。必须理解，为了便于解释，在本文中示出三个过程区域，但系统可具有多个这样的过程区域。
图2a和2b描述负载切除系统的示范性实现作为电力管理系统特定功能性（其包括本地负载切除方面连同集中式负载切除）的示例。参照图2a，负载切除系统200包括超出一个控制器（210a、210b、210c），用于控制厂电气网络。在具体实施例中，至少一个控制器（210a）配置为厂级电力管理的中央控制器（CC）。负载切除系统200还包括用于厂过程可视化的厂级过程可视化界面（PVI）220a，其连接到中央控制器210a。这里可注意，这里的中央控制器210a在示范性实现中与第一本地过程区域110关联，该第一本地过程区域110与上游变电站（本地过程区域还描绘关联的变电站并且因此对变电站未使用独立的标号）和公用电网连接性关联，该上游变电站与主发电源连接。本地过程区域与控制器的关联和本地过程区域的范围可作为控制器配置中的限定而明确地实施或基于在控制器的控制下的变电站设备从控制器的配置文件推导。图2b描绘负载切除系统的另一个示范性实现来图示为本地过程区域110a（其包括上游变电站和下游变电站）配置的中央控制器。要注意，本地过程区域可限定或配置成包括多个变电站，并且备选地，变电站可包括多个本地过程区域。
负载切除系统200还包括用于本地过程可视化的若干其他控制器（本地控制器）（LC），例如第二控制器210b、第三控制器210c和关联的本地PVI220b、220c。可再次注意，每个本地控制器被配置用于控制下游变电站中的本地过程区域（120、130）。使用用于电力管理功能的适合的工程和配置工具配置中央和本地控制器210a、210b、210c。
过程可视化界面220a、220b、220c是人机界面（HMI），其允许操作者/用户在加工厂处查看关键功能、监测、控制和配置变电站活动。如在上文描述的与CC（即PVI220a）关联的HMI显示全工厂范围的负载切除功能和个体下游变电站负载切除功能的概况。由于本地HMI（可以是基于web的）模块（即PVI（220b、220c））连同相应的LC的存在，用户可以从变电站自身监测下游变电站负载切除功能并且使其参数化，并且如果需要的话，发起行动来抑制或阻断对于个体负载的负载切除。
本地过程区域120、130中的下游变电站连接（通过变压器或联络线电气地连接）到上游变电站，该上游变电站与典型地处于更高的电压水平的第一本地过程区域110关联。发电设备、变压器和负载分布在下游变电站级以及以更高的电压水平分布在上游变电站级两者。到下游变电站的连接还可以是来自相邻的变电站或外部电网连接。再次参照图2a，负载切除系统200还描绘通过采用适合的方式连接各种变电站自动化装置（例如230a、230b、230c）的全厂范围的通信网络230（LAN）的网络连接性。控制器210b描绘为采用与控制器210c的LAN连接相比不同的方式连接到LAN230a和230b，来图示结构化分布式控制系统的实践中的多样性。图2a因此仅被视为本发明的示范性图示。此外，负载切除系统200还包括下游变电站IED组240和一个或多个服务器250，用于支持工程、通信连接性以及用于提供与电力管理系统连接的各种厂级服务。如本领域内技术人员将理解的，本地过程区域120、130处的下游变电站还可包括发电单元、外部电网连接性、到其他电力网络的连接性、岛状的电气网络和由IED240控制的本地负载。
厂级负载切除功能信息由中央控制器210a处理并且在过程可视化界面220a上可利用，该厂级负载切除功能信息包括例如但不限于，跨不同的下游变电站的累积负载信息、关于上游到下游变电站的电气和通信连接性的连接性信息、来自下游和上游变电站的累加可用电力信息等。
相似地，由本地控制器210b、210c处理的本地负载切除功能信息在过程可视化界面220b和220c上显示，该本地负载切除功能信息包括涉及下游变电站的本地负载切除信息、网络配置信息、来自电源（连接到上游变电站/电网的发电机和变压器等）的可用电力以及每优先级的负载电力消耗信息。
如在上文所指的优先级信息是对于电力管理功能的过程优先级信息。例如，对于负载切除功能性，该优先级称为负载优先级或负载切除优先级；对于电力控制，称为发电机的优选模式；对于电力恢复，称为负载的重新连接优先级等。
如本文使用的负载切除优先级指用于基于与上游和下游变电站关联的不同的负载的电力消耗、功能关键性等切除它们的优先级。同样，对于在系统干扰或故障（意外事故）期间被切除/跳闸的负载或馈线限定负载切除优先级。
在示范性实施例中，优先级限定根据负载的重要性作为数字实行（1…20或1…50等），例如，“1”分配给最低优先级负载/馈线并且“20”或“50”分配给厂内最重要的负载/馈线。这里可注意，相同的负载切除优先级可以分配给变电站中的一个或多个负载/馈线。同样，可以存在分配给LC的一个或多个变电站。因此，跨不同的变电站也可以存在相同的优先级数字。然而，对于处于下游变电站级的LC或处于厂级的CC的负载切除功能性，这表现为每优先级的单个综合数据（负载的电力消耗）。这意味着存在有对于从1至20或50的每个优先级的在LC（处于下游变电站级）或CC（处于俯视许多下游变电站的厂级）计算的综合的电力值。因此，所有等同的优先级负载数据被累加并且作为来自LC的对于CC的单个“集总/综合”优先级数据而呈现。
在更具体的示例中，处于厂级的PVI显示下列信息：
-对于负载切除的全厂范围的电气网络概况
-全厂范围的负载切除状态
-CC和LC之间的通信状态
-上游电源和输出馈线（到下游变电站）的数据
-下游变电站电气连接性状态
-下游变电站数据，其包括变电站身份和电气网络状态数据（断路器状态、发电机电力信息等）。针对每个优先级的跨各种下游变电站的负载的累加数据。
相似地，在更具体的示例中，在处于本地过程区域的PVI上显示的数据包括：
-对于负载切除的下游变电站电气网络概况
-针对每个优先级的负载的下游变电站累加数据
-下游变电站电源和输出馈线负载切除数据
-不参与负载切除的下游变电站
-下游变电站网络断路器状态连同网络身份
-下游变电站负载切除状态
-下游变电站到上游变电站的电力连接性
-下游变电站身份
-下游变电站LC与CC的通信状态。
对于具有LC、CC和其他保护和控制IED的厂级PVI的通信支持和数据建模（使用IEC61850逻辑节点数据建模限定）使用IEC61850MMS概要实行。LC和CC使用IEC61850GOOSE概要通信。下游变电站中的LC和保护和控制IED使用IEC61850GOOSE概要通信。该通信和数据建模确保所有的过程数据（信息）使用IEC61850通信概要，而不需要通信的任何专有模式（厂商特定/非标准协议）。
根据本技术的方面，LC从连接到下游变电站中的不同负载的IED收集关于其下游变电站的负载切除信息。它吸收该信息并且然后准备要发送到CC的综合本地负载切除信息。
在数据的初始状态，CC接收下游变电站信息。从LC到CC的典型的数据：
下游变电站标识
“LC/CC”控制中的下游变电站负载切除功能性
不参与负载切除的下游变电站馈线
下游变电站负载切除功能性状态
下游变电站电气网络信息，其包括电力输送能力信息、实际电力输送、断路器信息、负载数据连同优先级。
CC处理来自上游和下游变电站两者的信息并且对于LC分发负载切除行动或优先级（通过IEC61850通信状态以及上游/下游变电站之间的连接性）。
在初始状态，下列是从CC到LC的数据通信的示例：
需要发生负载切除的地方的下游变电站号
对于连接到CC的所有下游变电站（LC）的负载切除优先级命令
上游和下游变电站之间的电气连接性状态
LC的操作状态（采用完全自主模式或部分自主模式或完全远程控制模式操作）。
在稳定状态下，当连接LC和CC（连接上游和下游变电站或通过IEC61850在全厂范围的LAN上连接通信网络LC和CC）时，下游变电站在负载切除功能性方面与厂电气网络的剩余部分“统一”。这里，下游变电站负载切除功能性采用由CC（LC结合CC操作）控制的远程控制模式。
CC保持下游变电站（其“连接”到上游变电站）的标签并且从相应的LC接收下游变电站的负载切除功能性信息。CC基于接收的信息实行全厂范围的负载切除计算。全厂范围的电力平衡计算基于：
[来自上游电源的电力+来自所有下游变电站电源的电力]-[来自所有下游变电站负载的负载消耗+来自上游变电站的负载消耗+上游变电站中的LS不可用的负载+下游变电站中的LS不可用的负载]。
在稳定状态下，当电气断连上游和下游变电站或LC和CC是在通信方面断连时，在负载切除功能性方面，下游变电站从厂电气网络的剩余部分“断连”。这里，下游变电站的负载切除功能性采用由LC控制的本地控制模式（自主模式）。
如果本地控制模式是由于电力断连造成的，下游变电站中的断连的岛停止参与全厂范围的负载切除功能性。CC对除下游变电站中的断连的岛以外（因为它没有看到任何电力流进隔离的下游变电站）的网络的剩余部分实行全厂范围的电力平衡计算。LC实行下游变电站负载切除计算，即，下游变电站负载切除电力平衡计算基于：
[来自下游变电站的电源的电力]-[来自下游变电站负载的负载消耗+下游变电站中的LS不可用的负载]。
如果本地控制模式是由于通信失效造成的，下游变电站中的断连的岛停止参与全厂范围的负载切除功能性。下游变电站停止参与全厂范围的LS功能性。LC未发送任何更新的信息到CC（由于通信失效）。CC感测此并且丢弃来自LC的用于全厂范围的LS计算的“旧数据”。LC还丢弃来自CC的用于其本地LS计算的数据。
在意外事故情况下，CC和LC处的动作以及它们之间的通信牵涉下列示例情景。
意外事故示例1-连接上游和下游变电站或通过IEC61850在全厂范围的LAN上连接LC和CC并且意外事故发生在下游变电站中；即，电源由于故障而断连：
（a）CC实行全厂范围的电力计算
（b）CC跟随负载切除优先级直到必须在那个下游变电站和/或其他下游变电站中切除的负载为止
（c）CC通过IEC61850发送计算的负载切除优先级信息
（d）LC接收负载切除优先级并且检查哪些负载优先级小于或等于那个优先级值并且通过IEC61850将切除命令分发给那些负载的IED。
意外事故示例2-连接上游和下游变电站或通过IEC61850在全厂范围的LAN上连接LC和CC并且意外事故发生在下游变电站中；即，与变电站网络关联的断路器改变状态（断开到闭合或闭合到断开）：
（a）LC和CC检查断路器状态改变是否导致下游网络的分解/改变
（b）仍连接到上游变电站的下游变电站网络段由CC“照应”
（c）变电站网络的岛状部分由LC“照应”，即，下游变电站网络的一部分采用本地控制模式（部分自主模式）
（d）CC实行全厂范围的电力平衡计算并且LC对下游变电站中的岛状网络实行电力平衡计算
（e）在岛状网络中存在电力不足的情况下，LC达成负载切除优先级计算并且检查哪些负载优先级小于或等于计算的优先级值并且通过IEC61850将切除命令分发给那些负载的IED。
意外事故示例3-连接上游和下游变电站或通过IEC61850在全厂范围的LAN上连接LC和CC并且意外事故发生在下游变电站中；即，连接这两个变电站的断路器（联络馈线）在故障时跳闸，或LC和CC由于IEC61850通信网络或全厂范围的LAN中的故障而断连（上游和下游变电站仍电气连接）
（a）LC控制断连的变电站（来自厂网络）并且下游变电站负载切除模式从远程变成本地模式
（b）CC对除隔离的变电站以外的网络的剩余部分实行全厂范围的电力平衡计算
（c）LC对下游变电站实行电力平衡计算
（d）在岛状网络（下游变电站）中存在电力不足的情况下，LC达成负载切除优先级计算并且检查哪些负载优先级小于或等于计算的优先级值并且通过IEC61850将切除命令分发给那些负载的IED。
意外事故示例4-从CC（朝向LC）的IEC61850接口中的一个变得有故障（上游和下游变电站仍电气连接）
（a）连接在该接口上的所有LC将它们相应的变电站负载切除功能性带到本地模式
（b）对于通过CC的全厂范围的电力平衡计算仍考虑余下的下游变电站的LC
（c）CC对除隔离的变电站以外的网络的剩余部分实行全厂范围的电力平衡计算
（d）LC对下游变电站实行电力平衡计算
（e）在岛状网络（下游变电站）中存在电力不足的情况下，LC达成负载切除优先级计算并且检查哪些负载优先级小于或等于计算的优先级值并且通过IEC61850将切除命令分发给那些负载的IED。
意外事故示例5-整个CC变得有故障（上游和下游变电站仍电气连接）
（a）连接的所有LC将它们相应的变电站负载切除功能性带到本地模式
（b）LC对下游变电站实行电力平衡计算
（c）在岛状网络（下游变电站）中存在电力不足的情况下，LC达成负载切除优先级计算并且检查哪些负载优先级小于或等于计算的优先级值并且通过IEC61850将切除命令分发给那些负载的IED。
意外事故示例6-LC变得有故障或其IEC61850接口变得有故障；（上游和下游变电站仍电气连接）。这里，CC宣告整个下游变电站对于负载切除不可用并且还丢弃来自LC的数据。
如通过各种示例图示的，在探测电气网络中的状态变化或与另一个控制器通信的中断时，对控制器（CC或LC）编程以采用自主模式操作来确保处于厂级和本地过程区域级的更好的电力可利用性。当超出一个控制器可用于满足电力管理功能时，控制器的可利用性与现有技术的系统相比更好。
由图2的系统200使用的电力管理（负载切除是示范性但非限制性的电力管理功能性）方法的中心方面通过如在图3中示出的流程图300描述。如图示的，在步骤310，控制器（CC和LC）通过交换涉及它们相应的本地过程区域的电气网络信息以及通信连接性状态（由于控制器之间的通信过程的结果）而探测它们相应的电气连接性状态。在步骤320，基于交换的网络数据或/和连接性状态，电力管理过程中牵涉的控制器决定是否存在需要控制器中的任何一个采用远程控制模式或采用本地控制模式操作。交换或维持的电信息用于电力平衡计算（远程控制模式）或被丢弃（本地控制模式），如在步骤330中图示的。采用本地控制模式，进行个体控制器处的电力平衡计算，如同不存在处于其他控制器控制下的电气网络一样。如果未丢弃电信息（远程控制模式），则一个控制器（LC）在对厂实行集中式计算的另一个控制器（CC）的命令下操作。要注意每个控制器（CC和LC）计算以维持它们相应的本地过程区域中的最高电力可利用性以及电力平衡。如显而易见的，对于控制器，对于电力管理的范围/程度限定取决于电气和通信连接性。这里再次强调中央控制器（CC）具有整个厂电气网络作为其对于电力管理的范围，其中具有结合一个或多个额外的控制器（本地控制器）操作整个厂电气网络或操作厂电气网络的一部分的选项。
可注意，对于CC的本地过程区域描绘为上游变电站（110）的本地过程区域，因为在该区域中CC被描述成具有对电力管理的直接控制。然而，CC（210a）具有整个电厂网络作为其对于本地过程区域的范围并且通过在它们相应的本地过程区域（120、130）中配置的一个或多个本地控制器（210b、210c）对电力管理进行间接控制。该方面在用图4描绘的系统400中图示。图示对于CC的本地过程区域（410）连同包括上游变电站的本地过程区域（110）。这里，仅本地过程区域（110）（其包括上游变电站）处于CC（210a）的直接控制下。
在图5中，CC（510）被描绘成只起到在涉及变电站的本地过程区域的任何本地过程区域中没有直接控制的独立CC的作用。用于厂电力管理的厂PVI（520）和服务器（530）还描绘成在本地控制器（210a、210b和210c）的本地过程区域的外部。做出该示范性图示以突出CC可通过各种本地过程区域中的本地控制器对厂电气网络进行电力管理。再次注意，对于CC的本地过程区域是整个厂电气网络。
还要认识到，尽管处于正常状态，对于CC的本地过程区域是整个厂电气网络，可以对CC编程来排除厂电气网络的特定部分并且对于CC的本地过程区域可基于通过上面的各种示例描述的各种意外事故状况而动态变化来排除厂电气网络中被隔离或岛状的厂电气网络的部分。该方面通过图6描绘，该图6图示与覆盖整个厂电气网络的本地过程区域（410）不同的CC的本地过程区域（610）的配置。该变化可以是有意的（对CC配置或编程以仅包括厂电气网络的一部分作为其本地过程区域）或是由于厂电气网络的动态活动（例如意外事故状况）的结果。
本领域内技术人员将意识到LC仅对于连接的本地负载网络配置将控制转移到更高级的CC。然而，在存在本地岛网络（即，下游变电站中的未连接的岛）的情况下，对于通过CC的全厂范围的电力平衡计算，丢弃关于未连接的岛信息的信息，并且由于下游变电站中的未连接的岛而使得LC操纵负载切除。
在本文描述的示范性实施例中，每个LC因此配置成通过分发本地命令（类似负载切除跳闸命令信息）来解决本地负载网络中的一个或多个本地岛的负载切除优先级而实施电力管理功能，其中本地岛由于本地负载网络与主电厂网络的剩余部分隔离而存在。也就是说，LC接管对本地岛的任何负载切除要求的控制，从而使CC摆脱这些任务。LC还被配置用于设置本地负载切除参数来解决本地过程区域中的本地负载切除优先级。
如本文描述的那样可以使用LC操纵的电力网络岛的最大数量在概念上是无限的，因为CC仅必须照应处于最高电压级的岛（即厂级的岛）并且LC照应本地变电站岛。在形成本地变电站岛的情况下，相应的LC独立地作用而不需要来自CC的任何介入。从而，与现有技术的系统的集中式功能性相比，全厂内的到达范围和功能性覆盖大致上是高的。
此外，在示范性实现中，当与CC的通信失效时或当存在从上游变电站到下游变电站的电力断连但具有来自其他源（类似本地GTG（燃气涡轮机发电机）/STG（蒸汽涡轮机发电机）/DG（柴油发电机）组）的电力进给或来自其他变电站的联络馈线连接时，每个LC配置成采用隔离或自主模式（本地控制模式）操作。重申LC通过检查其自身与CC的通信状态以及还检查厂级变电站和LC所位于的下游变电站之间的电力网络连接性而感测到它需要继续自主模式。备选地，用户在需要的情况下通过使用本地PVI将LC带进自主模式，这也将是可能的。
根据本技术的方面，每个LC处的负载切除功能一直保持激活来满足本地岛状网络配置。另外，探测入局电网变压器的过载的功能性在下游变电站级的LC中也保持激活。因此，本地控制器配置成结合中央控制器采用远程控制模式同时操作并且对于与其本地过程区域关联的电气网络的一个或多个段中的电力管理还采用自主模式。
重申CC在其部分上配置成将下游变电站看作类似“集总负载”（综合优先级形式）并且CC在整个系统/厂级进行电力平衡计算。在系统/厂级干扰时，CC计算该系统/厂级电力平衡并且分发全厂范围或厂级负载切除优先级。这些优先级将由个体LC接收并且它们进而将切除需要的负载/发电机或基于变电站内“本地”分配的优先级切除负载/发电机。也就是说，LC将来自CC的优先级信息看作类似直接分发给它的本地手动负载切除优先级。
如将从上面的描述变得清晰可见，CC和LC互相通信以基于电力平衡原理解决整个加工厂的负载切除需求。
同样，如从上面的描述变得清晰可见，LC操纵下游变电站负载切除数据，并且仅综合的（概括的）电气网络数据和可用电力以及每优先级的综合负载电力消耗从LC发送到CC。从而系统的负载处理在LC和CC之间划分。由于LC照应下游变电站内的优先级并且CC照应来自下游变电站的综合优先级，负载切除优先级的负载处理在CC中大致上减少，从而导致CC的高的可利用性和更大的操作灵活性。
同样因为LC直接连接到下游变电站IED，加载在CC上的通信在很大程度上进一步减少。CC只需要与LC通信。当所有变电站IED通过IEC61850GOOSE连接到它们相应的LC用于负载切除I/O数据交换并且仅LC连接到CC时，LC在将综合LS数据传输到CC之前对下游变电站LS数据实行全部预处理。同样采用该方式，LC对CC“隐藏”变电站配置和连接性复杂性，由此提高并且增加CC的可利用性级别。
现在参照LC和CC处的优先级操纵，在一个示范性实施例中，基于系统操作状况对负载/馈线提供动态负载切除优先级分配。在另一个示例中，基于下游变电站优先级或基于下游过程负载/馈线的优先级在整个工厂级实行该优先级分配。
在示范性实施例中，共同的负载优先级可跨完整的工厂（即，两个或许多变电站之间）限定，可以存在共同优先级，并且通过来自CC的命令，负载切除将引致具有共同优先级的所有变电站。采用该方式，可以采用分散方式进行负载切除直到下游变电站中最低的可能水平为止。
备选地，在一些其他下游变电站中由于下游变电站中的一个中的干扰而需要切除负载的情况下，则可以限定负载优先级，并且这些在本文中一般称为“预先标识的负载优先级”。优先级从而可以调整以最大化负载切除系统的效率。在一个示范性实现中，每个LC可具有为其在CC处对应的本地过程区域分配的本地优先级并且负载切除在这样的分配基础上实行。具有根据操作状况的优先级分配方案，导致称作“优先级的灵活自动更新”的功能性，在示范性实施例中，在LC中实现该功能性。
如先前提到的，所有变电站IED通过OCS将负载切除所需要的信息传送到它们相应的LC。变电站LC也使用OCS进一步将本地变电站负载切除信息传送到CC。可注意，LC在传输综合优先级数据到CC之前基于下游变电站数据的电力平衡计算实行全部预处理。
如下文解释的，本技术的方面基于厂级和下游负载切除功能性有利地实现“快速负载切除”、“慢负载切除”和“手动负载切除”模式。该“快速负载切除”模式基于电源的跳闸或上游或下游变电站中的网络“限定”断路器的变化而激活。手动负载切除基于使用对于本地负载的手动馈送的手动优先级的本地负载切除命令的分发。手动负载切除基于CC和LC级两者。在CC级，用户使用厂级PVI输入负载优先级或电力信息用于跨整个厂网络（其包括下游变电站）的必需的负载切除动作。如果要在LC级发起手动LS，用户使用本地PVI输入负载优先级或电力信息或下游变电站中必需的负载切除动作。这里可注意，在现有技术的系统中，由于在下游变电站处缺乏HMI功能，没有关于下游变电站处的负载切除功能的信息。因此，现有技术的系统中知晓来自下游变电站的负载切除状态的仅有方式是从与中央控制器关联的HMI。本发明的方法和系统克服现有技术的系统的该限制并且用户可以从变电站自身监测下游变电站负载切除功能并且使其参数化。
本技术还基于将下游变电站连接到上游变电站的变压器的过载而实现“慢负载切除”。慢负载切除模式在下游变压器过载（在一段时间内作用，基于过载水平）的情况下尤其有利。在该情形下，慢负载切除模式被激活并且LC切除下游变电站中的负载。从而，变压器过载状况的迅速校正和下游变电站中的负载平衡由LC实现。因为在LC存在慢负载切除模式，在下游变电站变压器上可以允许允许的过载状况（对于有限的持续时间），由此避免了需要实行负载切除。允许的过载状况基于不同的参数，其包括但不限于，环境温度、汇流条上的输出馈线的状态等。从而，在下游变电站可基于允许（基于当前负载水平和变成过载的变压器容量）的过载状况而被“过度驱动”的情形下，可以避免负载切除，由此增加系统可利用性。
这三个模式或功能（快速负载切除、慢负载切除和手动负载切除）在对于加工厂的电力管理方面是有用的并且确保上游和下游变电站两者的电力网络中的不同设备的最大操作可利用性。
如将由本领域内技术人员意识到的，中央和本地负载切除的分级概念主要在此解释为示范性实施例。然而，该分级概念不限于仅负载切除功能并且可扩展到自身的电力管理，从而导致在各种工业、公用事业和住宅环境中布置的电力管理系统的更大的效率和优化。
还规定，尽管用两个级别的分级（即，采用分级方式连接的一个CC（第一级）和LC（第二级））说明分级概念，该概念能扩展到具有两个以上的级别的分级，即一个CC（第一级）结合一个LC（第二级），其连接到次级（第三级、第四级等等，按照需要）中的一个或多个LC，其中来自次级LC的电气网络数据由该次级LC在分层方面的上面的LC/CC来综合。
本领域内技术人员还将意识到，尽管中央和本地负载切除的分级概念主要在此解释为示范性实施例，电气网络信息交换、涉及电力管理功能和操作（控制）的计算不限于严格采用分级方式操作的控制器。这些还可在部署成管理架构中出现的分布式或混合型（分布在相同的级别并且关于特定级别而分级）变电站的任两个控制器之间产生。
尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。

Claims (33)

1.一种用于厂电气网络的电力管理系统，所述厂电气网络包括配电设备、电力致动器、本地发电机和工厂的负载，所述系统包括全厂范围的通信网络和用于所述厂电气网络中的电力管理的多个控制器，其中来自所述多个控制器（210a，210b，210c，510）的第一控制器（210a，510）被配置用于所述厂电气网络内的第一本地过程区域（110，410）中的电力管理并且能够通过所述通信网络与来自所述多个控制器的至少第二控制器（210c）通信，所述至少第二控制器（210c）被配置用于所述厂电气网络内的第二本地过程区域（130）中的电力管理。
2.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的所述至少一个控制器配置为所述厂电气网络的中央控制器（210a，510），其通信地连接到来自所述多个控制器的全体控制器，其被配置用于所述厂电气通信网络内的相应的本地过程区域中的电力管理。
3.如权利要求2所述的电力管理系统，其中所述中央控制器配置成基于对本地过程区域分配的优先级进行电力管理。
4.如权利要求2所述的电力管理系统，其中所述中央控制器配置成传送一个或多个电力管理命令到来自所述多个控制器的至少一个第二控制器。
5.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的至少一个控制器配置为本地过程区域中的用于所述本地过程区域中的电力管理功能的本地控制器，其用于采用远程控制模式或采用部分自主模式或采用完全自主模式操作。
6.如权利要求1所述的电力管理系统，其中对于本地过程区域配置来自所述多个控制器的至少一个控制器，所述本地过程区域包括作为岛状的或作为隔离的网络存在的电气网络。
7.如权利要求1所述的电力管理系统，其中电力管理包括用于负载切除的一个或多个电力管理功能性、电力平衡计算和/或优先级分发以用于实施电力管理功能，所述负载切除包括慢负载切除或手动负载切除。
8.如权利要求1和7中任一项所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的至少一个控制器进行考虑在所述全厂范围的通信网络中接收的负载切除优先级通信的电力管理功能性。
9.如权利要求1所述的电力管理系统，其进一步包括与所述至少一个控制器关联的至少一个过程可视化接口，其允许优先级配置和所述厂电气网络中的电力管理的手动功能。
10.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的所述至少一个控制器和所述第二控制器分布在所述厂电气网络中的两个不同的分级级别中。
11.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的所述至少一个控制器和所述第二控制器分布在所述厂电气网络中的相同的分级级别中。
12.如权利要求1所述的电力管理系统，其中对于来自所述多个控制器的至少一个控制器的本地过程区域的范围在所述至少一个控制器或装置配置文件中限定或从所述至少一个控制器或装置配置文件中推导。
13.如权利要求1所述的电力管理系统，其中对于来自所述多个控制器的至少一个控制器的本地过程区域的范围基于所述厂电气网络中的意外事故状况而动态变化。
14.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的至少两个控制器（210b，210c）的本地过程区域（120，130）互相脱节。
15.如权利要求1所述的电力管理系统，其中由所述第一控制器（210a，510）控制的所述第一本地过程区域（410）包括至少一个另一个本地过程区域（130），其由来自所述厂电气网络中的所述多个控制器的所述至少一个第二控制器（210c）控制。
16.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的至少一个控制器对其相应的本地过程区域中的至少一个负载进行慢负载切除。
17.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的至少一个控制器对其相应的本地过程区域中的至少一个负载进行手动负载切除。
18.如权利要求1所述的电力管理系统，其中来自所述多个控制器的至少一个控制器基于在所述全厂范围的通信网络中接收的通信而在其相应的本地过程区域中进行至少一个电力管理功能。
19.一种用于厂电气网络中的电力管理的方法，所述厂电气网络包括配电设备、电力致动器、本地发电机和工厂的负载，所述方法使用至少两个控制器（210a，210b，210c），所述至少两个控制器（210a，210b，210c）经由全厂范围的通信网络而通信互连并且分别被配置用于所述厂电气网络内的至少两个本地过程区域（410，120，130）中的电力管理，所述方法包括以下步骤：
（a）决定来自所述至少两个控制器的至少一个控制器（210b，210c）的操作模式为（a）远程控制模式或（b）完全自主模式或（c）部分自主模式；
（b）根据所述至少一个控制器（210b，210c）的操作模式由所述至少两个控制器（210a，210b，210c）对相应的本地过程区域进行电力平衡计算；以及
（c）基于与所述至少两个控制器（210a，210b，210c）关联的相应本地过程区域（410，120，130）中的电力平衡计算结果进行电力管理。
20.如权利要求19所述的用于电力管理的方法，其中决定所述至少一个控制器的操作模式包括探测以下中的至少一个：（a）所述至少两个控制器之间的通信连接性状态或（b）与所述至少两个控制器关联的相应本地过程区域之间的电气连接性状态或（c）从至少两个控制器中的另一个控制器接收的信息或（d）通过过程可视化界面提供的一个或多个用户输入或（e）来自（a）、（b）、（c）和（d）的任意组合。
21.如权利要求19所述的用于电力管理的方法，其中所述进行电力平衡计算由所述至少一个控制器在（a）探测到所述操作模式的变化或（b）探测到相应本地过程区域中的系统干扰时发起，或（c）所述进行电力平衡计算由所述至少一个控制器发起以用于提供综合的电气网络信息给所述至少一个控制器。
22.如权利要求19所述的用于电力管理的方法，其中由所述至少一个控制器进行电力管理包括进行多个功能中的至少一个功能用于（a）基于负载切除优先级的负载切除、（b）基于发电机的优先级的电力控制以及（c）基于负载的重新连接优先级的电力恢复。
23.一种装置，其用于在厂电气网络内的第一本地过程区域（110，410）中进行厂电气网络中的电力管理，并且能够通过全厂范围的通信网络（230）与至少一个其他装置通信，所述至少一个其他装置被配置用于在第二本地过程区域（120）中进行所述厂电气网络中的电力管理。
24.如权利要求23所述的用于厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置是符合IEC61850的装置。
25.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述本地过程区域的范围在所述装置配置文件中限定或从所述装置配置文件中推导。
26.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述本地过程区域的范围基于所述厂电气网络中的意外事故状况而动态变化。
27.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置对所述本地过程区域中的至少一个负载进行慢负载切除。
28.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置对所述本地过程区域中的至少一个负载进行手动负载切除。
29.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置基于在所述全厂范围的通信网络中接收的通信而在所述本地过程区域中进行至少一个电力管理功能。
30.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置在所述本地过程区域中自主进行至少一个电力管理功能。
31.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置基于在所述全厂范围的通信网络中接收的通信而在所述本地过程区域中进行至少一个电力管理功能并且还在所述本地过程区域中自主进行至少一个电力管理功能。
32.如权利要求23所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置进行考虑在所述全厂范围的通信网络中接收的负载切除优先级通信的电力管理功能性。
33.如权利要求23-32中任一项所述的用于所述厂电气网络内的本地过程区域中的电力管理的装置，其中所述装置包括控制器。
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