DE102019125073A1

DE102019125073A1 - Relay protection and automatic device of a junction of a power network with measuring elements using optical transmission channels with frequency coding

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Publication number: DE102019125073A1
Application number: DE102019125073.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Anwendung: auf dem Gebiet der elektrischen Energietechnik, Technischer Effekt: Verzicht auf viel Platz beanspruchenden Kabelbestand; die Möglichkeit, sämtliche Schutz- sowie Steuerfunktionen in einer Einrichtung zu konzentrieren.Die Relaisschutz- und Automatikeinrichtung eines Knotenpunktes des Stromnetzes umfasst:- optische Impulsgeneratoren, deren Impulsfrequenz von der Größe der Augenblickswerte der Spannungen, der Ströme oder vom Status der Schaltgeräte des Stromnetzes abhängt;- optische Übertragungskanäle. Über diese Kanäle werden Impulse in die optischen Ports eines mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks übertragen;- ein mikroprozessorgesteuertes Rechenwerk, das die Umwandlung der Impulsfrequenzen in die Augenblickswerte der Parameter des Stromnetzes ausführt. Außerdem erzeugt das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk gemäß dem vorgegebenen Algorithmus Impulse der vorgegebenen Frequenz, um diese über die Übertragungskanäle zu den Schaltelementen des Stromnetzes zu senden. Das Generieren von Impulsen erfolgt über optische Ausgabeports. Die Schaltelemente des Stromnetzes ändern ihren Status je nach der Frequenz der ankommenden Impulse.Application: in the field of electrical power engineering, technical effect: dispensing with cable inventory that takes up a lot of space; The possibility of concentrating all protection and control functions in one device. The relay protection and automatic device of a node of the power network comprises: - optical pulse generators, the pulse frequency of which depends on the magnitude of the instantaneous values of the voltages, currents or the status of the switching devices of the power network; - optical transmission channels. Via these channels, impulses are transmitted into the optical ports of a microprocessor-controlled arithmetic unit; - a microprocessor-controlled arithmetic unit that converts the pulse frequencies into the instantaneous values of the parameters of the power grid In addition, the microprocessor-controlled arithmetic unit generates pulses of the specified frequency in accordance with the specified algorithm in order to send them to the switching elements of the power grid via the transmission channels. The generation of pulses takes place via optical output ports. The switching elements of the power grid change their status depending on the frequency of the incoming pulses.

Description

ErfindungsgebietField of invention

Die Erfindung bezieht sich auf die elektrische Energietechnik, und zwar auf Relaisschutz- und Automatiksysteme. Die Erfindung trägt dazu bei, die Kosten für die Umsetzung dieser Systeme zu senken, ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen und ihren Betrieb zu vereinfachen. Die Erfindung schlägt ein alternatives Verfahren zur Umsetzung des Konzepts einer „digitalen Unterstation“ vor, das in jüngster Zeit entwickelt worden ist. Das Verfahren wird durchgeführt, ohne ein lokales LAN-Netzwerk verwenden zu müssen. Das LAN-Netzwerk ist für die Realisierung und das Einrichten zu kompliziert. Außerdem wird auf Datenübertragungsprotokolle sowie auf die Organisation der damit zusammenhängenden Prozeduren verzichtet.The invention relates to electrical power engineering, specifically to relay protection and automatic systems. The invention helps reduce the cost of implementing these systems, increase their reliability, and simplify their operation. The invention proposes an alternative method for implementing the concept of a “digital substation” which has recently been developed. The procedure is carried out without having to use a local LAN network. The LAN network is too complicated to implement and set up. In addition, data transmission protocols and the organization of the associated procedures are dispensed with.

Stand der TechnikState of the art

Die herkömmlichen Relaisschutz- und Automatikeinrichtungen umfassen logisch vollständige Teile, die funktionsmäßig komplett und leicht zu prüfen sind. Daraus ergeben sich ein absoluter Vorteil solcher Schutzsysteme und die Grundlage ihrer hohen Funktionsfähigkeit. Für jeden einzelnen dieser Teile gibt es strikte Regeln für die Konstruktion, die Umsetzung und die Prüfung. Genau diese Eigenschaften bestimmen die Funktionssicherheit und sind Grund dafür, dass sich der Fortschritt im Bereich Relaisschutz und Automatik hauptsächlich im Auswechseln von elektromechanischen Relais durch elektronische oder ähnliche mikroprozessorgesteuerte Komponenten äußert.The conventional relay protection and automatic devices consist of logically complete parts which are functionally complete and easy to test. This results in an absolute advantage of such protection systems and the basis of their high functionality. There are strict rules for design, implementation and testing for each of these parts. It is precisely these properties that determine the functional reliability and are the reason why progress in the area of relay protection and automation is mainly expressed in the replacement of electromechanical relays with electronic or similar microprocessor-controlled components.

Derartige Entwicklungsschritte ermöglichen es, das Prinzip der Einzelprüfung sowie der Fehlersuche aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus können dadurch auch die Anforderungen an das Wartungspersonal vereinfacht werden. Dabei bedürfen die Entwicklungsschritte einer größeren Aufmerksamkeit in Bezug auf die Störsicherheit und die Anwendung von z. B. einem abgeschirmten Kabel. Neue Technologien der Datenübertragung und der Fortschritt in Bezug auf die Leistung der datenverarbeitenden Anlagen veranlassen dazu, neue Entwicklungswege einzuschlagen. Die größten Anstrengungen der Gelehrten, die auf dem Gebiet des Relaisschutzes tätig sind, sind auf die Erarbeitung eines Konzepts der so genannten „digitalen Unterstation“ gerichtet. Eine digitale Unterstation, ein feststehender Begriff, setzt eine Reduzierung von Kabelverbindungen und den Übergang zur Übertragung der Schaltplanzustandsdaten über LAN-Netzwerke voraus. Dabei werden eigens entwickelte Netzwerkgeräte sowie spezielle Datenübertragungsprotokolle eingesetzt. Mit einer digitalen Unterstation können solche Vorteile erzielt werden wie:

- die Verringerung des Kabelbestands,
- die Flexibilität bei der Änderung der Funktionslogik der Schutzsysteme,
- eine hohe Konzentration der Schutzfunktionen in einer Einrichtung und
- die Möglichkeit, anspruchsvollere Funktionen umzusetzen.

Such development steps make it possible to maintain the principle of individual testing and troubleshooting. In addition, this can also simplify the requirements for maintenance personnel. The development steps require greater attention in terms of interference immunity and the use of z. B. a shielded cable. New data transmission technologies and progress in terms of the performance of data processing systems are prompting new development paths to be taken. The greatest efforts of the scholars working in the field of relay protection are directed towards the development of a concept of the so-called "digital substation". A digital substation, a fixed term, requires a reduction in cable connections and the transition to the transmission of circuit diagram status data via LAN networks. In-house developed network devices and special data transmission protocols are used. With a digital substation, such advantages can be achieved as:

- the reduction in the number of cables,
- the flexibility in changing the functional logic of the protection systems,
- a high concentration of protective functions in one facility and
- the possibility of implementing more sophisticated functions.

Zugleich entsteht eine Reihe von Nachteilen, die früher dem Relaisschutz nicht inhärent waren, und zwar:

- es gibt keine Möglichkeit der Einzelprüfung sowie der Fehlersuche mehr,
- es müssen Fachkräfte für das Einrichten (Konfigurieren) von Netzwerken und Netzwerktechnik eingesetzt werden.

At the same time, there are a number of disadvantages that were not previously inherent in relay protection, namely:

- there is no longer any possibility of individual testing or troubleshooting,
- Specialists must be used to set up (configure) networks and network technology.

Als eine Sondergefahr wird die Gefahr einer Cyberattacke auf das LAN-Netzwerk der digitalen Unterstation angesehen. Dies ist der Grund dafür, dass digitale Unterstationen bei allen ihren potenziellen Vorteilen nur geringfügig industriell eingeführt (umgesetzt) werden. Sämtliche Versuche, digitale Unterstationen weiterzuentwickeln, können den Hauptmangel nicht beseitigen, nämlich die Komplexität der Netzwerkinfrastruktur. Ein Beispiel einer solchen Weiterentwicklung der digitalen Unterstation ist im Patent JP 5926540 B2 ( US 9444243 B2 ) „Schutz- und Steuerungssystem und eine Zusammenführung (Merging Unit) dafür“ angeführt. Eine ähnliche Vorrichtung in Bezug auf die Ausführung ist im Patent RU 2468407 „Automatisiertes Überwachungs-, Schutz- und Steuerungssystem für Anlagen (Ausstattung) eines Umspannwerks“ beschrieben. Diese Erfindung stellt ein klassisches Muster einer digitalen Unterstation dar. Diese digitale Unterstation wird weltweit auf Grundlage eines Ethernet-Netzwerks vermarktet und basiert auf einem internationalen Protokoll IEC 61850. Die oben genannte Vorrichtung kann zum Prototyp gewählt werden. Der Prototyp umfasst Sensoren, die technische Daten von den Anlagen eines Umspannwerks senden und die mit Signalumsetzern verbunden sind. Die Signalumsetzer setzen elektrische in optische Signale um. Die Umsetzer sind an einen optischen Datenbus angeschlossen. Auf diesem Datenbus sind auch die Signalumsetzer angeordnet, die elektrische in optische Signale umsetzen. Diese Umsetzer sind wiederum an die Überwachungs-, Schutz-, Erfassungs- und Steuerungsvorrichtung der Anlagen des Umspannwerks angeschlossen. Diese Steuerungsvorrichtung ist als Servercluster ausgeführt. Dieses Servercluster besteht aus mehreren Computern. Diese sind in ein einheitliches System mit Hilfe eines internen Datenbusses des Clusters vereinigt. Zum Vorteil des Prototyps gehört die Verwendung eines optischen Übertragungsmediums. Das optische Übertragungsmedium ist vor dem Einfluss elektromagnetischer Störungen geschützt. Um diesen Vorteil zu erreichen, werden komplizierte technische Lösungen eingesetzt. Dadurch wird die Verbreitung dieser Technologie beeinträchtigt. Die im Prototyp verwendeten Sensoren, die technische Daten von den Anlagen des Umspannwerks senden und die mit den Signalumsetzern verbunden sind, die elektrische in optische Signale umsetzen, sind technologisch komplizierte Objekte. Abgesehen von deren Hauptaufgabe, Werte zu messen (berechnen), lösen die Sensoren auch eine andere Aufgabe, und zwar bereiten sie die Daten für die Übertragung in digitaler Form nach dem Übertragungsprotokoll IEC 61850 vor. Die Software-Realisierung vom IEC 61850 umfasst die Umsetzung einer Reihe von Normen zur Datenübertragung (MMS ISO 9506, Protokollstapel ISO, GOOSE und GSSE). Dies resultiert in der Notwendigkeit, im Aufbau eines solchen Sensors datenverarbeitende Anlagen von beachtlicher Leistung zu benutzen. Außerdem bedarf dies eines großen Umfangs an dem zu entwickelnden Quelltext. Der optische Datenbus gemäß dem Prototyp weist eine Stern- oder Ring-Struktur auf und muss aus Switches bestehen, die für die Datenübertragung nach dem Übertragungsprotokoll IEC 61850 vorbereitet sind. Dadurch wird ein zusätzlicher Kostenaufwand wegen der Software, der Prüfung sowie der Zertifizierung der Switches verursacht. Die Steuerungsvorrichtung gemäß dem Prototyp umfasst ein ganzes Servercluster, das mit Hilfe eines internen Datenbusses des Clusters vereinigt ist. Dazu werden nicht nur Ressourcen für die Lösung der Steuerungsaufgaben benötigt, sondern es bedarf auch beträchtlicher Ressourcen, die für die Synchronisierung von sämtlichen Geräten des Clusters und die Organisation der Datenübertragung innerhalb des Clusters eingesetzt werden. Die genannten technischen Probleme, die sowohl in der Entwicklungsstufe als auch während des Betriebs entstehen, wie kostspielige Komponenten und Software, all dies sind Gründe dafür, dass digitale Unterstationen nur geringfügig industriell eingeführt werden. Bei der Entwicklung gehört die Weiterentwicklung des internationalen Protokolls 61850 zum Schwerpunkt. Seit seinem Auftritt im Jahr 2001 wurde dieses Protokoll über vierzigmal modernisiert, konnte jedoch ein zunehmendes Wachsen der Anzahl von digitalen Unterstationen nicht gewährleisten.The danger of a cyber attack on the LAN network of the digital substation is viewed as a special risk. This is the reason that digital substations, for all their potential advantages, are only marginally introduced (implemented) industrially. All attempts to further develop digital substations cannot eliminate the main shortcoming, namely the complexity of the network infrastructure. An example of such a further development of the digital substation is in the patent JP 5926540 B2 ( US 9444243 B2 ) "Protection and control system and a merging unit for it" listed. A similar device with regard to the design is described in patent RU 2468407 "Automated monitoring, protection and control system for systems (equipment) of a substation". This invention represents a classic sample of a digital substation. This digital substation is marketed worldwide on the basis of an Ethernet network and is based on an international IEC 61850 protocol. The above-mentioned device can be selected as a prototype. The prototype includes sensors that send technical data from the substation systems and that are connected to signal converters. The signal converters convert electrical signals into optical signals. The converters are connected to an optical data bus. The signal converters, which convert electrical signals into optical signals, are also arranged on this data bus. These converters are in turn connected to the monitoring, protection, detection and control devices of the substation systems. This control device is designed as a server cluster. This server cluster consists of several computers. These are combined in a uniform system with the help of an internal data bus of the cluster. The advantage of the prototype includes the use of an optical transmission medium. The optical transmission medium is protected against the influence of electromagnetic interference. Around Complicated technical solutions are used to achieve this advantage. This will hinder the spread of this technology. The sensors used in the prototype, which send technical data from the substation systems and which are connected to the signal converters that convert electrical signals into optical signals, are technologically complex objects. Apart from their main task of measuring (calculating) values, the sensors also solve another task, namely they prepare the data for transmission in digital form according to the transmission protocol IEC 61850. The software implementation of IEC 61850 includes the implementation of a number of standards for data transmission (MMS ISO 9506, protocol stack ISO, GOOSE and GSSE). This results in the need to use data processing systems of considerable power in the construction of such a sensor. In addition, this requires a large amount of the source code to be developed. The optical data bus according to the prototype has a star or ring structure and must consist of switches that are prepared for data transmission according to the IEC 61850 transmission protocol. This causes additional costs for the software, testing and certification of the switches. The control device according to the prototype comprises an entire server cluster which is combined with the aid of an internal data bus of the cluster. This not only requires resources for solving the control tasks, but also requires considerable resources that are used for the synchronization of all devices in the cluster and the organization of the data transfer within the cluster. The technical problems mentioned, which arise both in the development stage and during operation, such as expensive components and software, are all reasons why digital substations are only being introduced on an industrial scale to a limited extent. The development of the international protocol 61850 is one of the main focuses. Since its appearance in 2001, this protocol has been modernized over forty times, but has not been able to guarantee an increasing increase in the number of digital substations.

Im Hinblick auf eine Reihe von Merkmalen kann die vorliegende Erfindung der Kategorie digitale Unterstationen zugeordnet werden. Die Erfindung ermöglicht es, sämtliche Vorteile einer digitalen Unterstation zu erreichen. Zugleich weist sie einige grundsätzlich neue Lösungen auf. Dank dieser Lösungen können die Probleme der bestehenden digitalen Unterstationen sowie die bestehenden Probleme des Prototyps vermieden werden. Als gemeinsame Lösung sowohl für den Prototyp als auch für die vorliegende Erfindung sollte die Inanspruchnahme des optischen Übertragungsmediums als einer der verfügbarsten und sichersten Informationsumgebung unter Berücksichtigung einer herausfordernden elektromagnetischen Umgebung an den Objekten der elektrischen Energietechnik angesehen werden. Der Hauptunterschied, der die Erfindungshöhe der vorliegenden Erfindung begründet, besteht in dem Verzicht auf die Datenübertragungsprotokolle und in der Anwendung des Prinzips der Frequenzmodulation der Impulse im optischen Medium. Dadurch wird der Ansatz zur Realisierung einer digitalen Unterstation grundsätzlich geändert. Die positiven Merkmale von allen vorbekannten Lösungen, wie z. B. hohe Störsicherheit des optischen Übertragungsmediums, werden aufrechterhalten. Gleichzeitig werden die Mängel der früher eingesetzten Systeme behoben.In view of a number of features, the present invention can be categorized as digital substations. The invention makes it possible to achieve all the advantages of a digital substation. At the same time, it has some fundamentally new solutions. Thanks to these solutions, the problems of the existing digital substations as well as the existing problems of the prototype can be avoided. As a common solution both for the prototype and for the present invention, the use of the optical transmission medium should be seen as one of the most available and safest information environments, taking into account a challenging electromagnetic environment at the objects of electrical power engineering. The main difference, which justifies the inventive level of the present invention, consists in the abandonment of the data transmission protocols and in the application of the principle of frequency modulation of the pulses in the optical medium. This fundamentally changes the approach to realizing a digital substation. The positive features of all previously known solutions, such as. B. high interference immunity of the optical transmission medium are maintained. At the same time, the deficiencies of the systems previously used are being remedied.

Der Hauptmangel des Prototyps besteht in der Komplexität der Einrichtungen, die die Information zur Übertragung im optischen Medium vorbereiten. In der vorgeschlagenen Erfindung dient zu diesem Zweck ein herkömmlicher optischer Impulsgenerator. Der Generator wird von einem Prozessparameter des Stromnetzes gesteuert, und zwar Spannung, Strom oder Status eines vernetzten (angeschlossenen) Schaltgeräts. Ein solcher Generator kann sowohl mit Hilfe der analogen Schaltungstechnik als auch anhand von programmierbaren logischen Anordnungen oder Mikroprozessorgeräten von geringer Rechenleistung umgesetzt werden. Zum Unterschied vom Prototyp kann der Generator ohne Eigensoftware ausgeführt werden, die eingerichtet werden muss. Der Einsatz von programmierbaren logischen Anordnungen ermöglicht es, die Fehlertoleranz zu erhöhen und den Energieverbrauch zu reduzieren. Im Gegensatz zum Sensor gemäß dem Prototyp ist der Generator ein massengefertigtes typisiertes Erzeugnis. Er muss nicht an seinem Aufstellplatz eingerichtet und kann für alle Objekte der elektrischen Energietechnik unifiziert werden.The main shortcoming of the prototype is the complexity of the facilities that prepare the information for transmission in the optical medium. In the proposed invention, a conventional optical pulse generator is used for this purpose. The generator is controlled by a process parameter of the power grid, namely voltage, current or status of a networked (connected) switching device. Such a generator can be implemented both with the aid of analog circuit technology and with the aid of programmable logic arrangements or microprocessor devices with low computing power. In contrast to the prototype, the generator can be run without its own software that has to be set up. The use of programmable logic arrangements makes it possible to increase fault tolerance and reduce energy consumption. In contrast to the sensor according to the prototype, the generator is a mass-produced, standardized product. It does not have to be set up at its place of installation and can be unified for all electrical power engineering objects.

Zum zweiten Mangel des Prototyps gehört die Verwendung eines „optischen Datenbusses“. Um einen Datenbus einzurichten, über den sämtliche Daten des Objekts der elektrischen Energietechnik übertragen werden, müssen Datenübertragungsprotokolle mit komplizierten logischen Ebenen eingesetzt werden. Solche Ebenen legen die Abfragetechnik (Polling) und die Datenübertragungsordnung, die Verlinkung mit den Empfängern, eine Kontrolle der Integrität der empfangenen Datenpakete und die Kollisionsfestigkeit fest. In der vorliegenden Erfindung wird der genannte Datenbus nicht benutzt. Die Generatoren senden Impulse nur einseitig gerichtet und nur mit bestimmten Parametern. Dabei wird ein eigener Einzelkanal verwendet. Dadurch werden eine hohe Zuverlässigkeit und eine Einfachheit bei der Entwicklung sowie der Bedienung sichergestellt.The second shortcoming of the prototype is the use of an "optical data bus". In order to set up a data bus over which all data of the electrical power engineering object are transmitted, data transmission protocols with complex logical levels have to be used. Such levels determine the query technology (polling) and the data transmission order, the linking with the recipients, a control of the integrity of the received data packets and the collision resistance. In the present invention said data bus is not used. The generators only send impulses in one direction and only with certain parameters. A separate single channel is used for this. This ensures a high level of reliability and simplicity in development and operation.

Zum dritten Mangel des Prototyps gehört der Bedarf an großen Rechenleistungen der zentralen Einheit. Dieser Bedarf wird durch ein Servercluster gedeckt. Für die vorgeschlagene Erfindung werden bedeutend weniger Rechenressourcen benötigt, weil die Notwendigkeit ausscheidet, die mit dem Datentransport verbundenen Aufgaben zu lösen. Die Verarbeitung der Generatorendaten beschränkt sich auf die Bereitstellung von Zeitgebern. Die Zeitgeber berechnen die Augenblickswerte und werden nach Unterbrechungen verwaltet (interruptgesteuert). Die Unterbrechungen kommen von den Generatoren in Form von optischen Impulsen an.The third shortcoming of the prototype is the need for large computing power from the central one Unit. This need is covered by a server cluster. Significantly fewer computing resources are required for the proposed invention because the need to solve the tasks associated with data transport is eliminated. The processing of the generator data is limited to the provision of timers. The timers calculate the instantaneous values and are managed after interruptions (interrupt-controlled). The interruptions arrive from the generators in the form of optical pulses.

Beim Vergleich der vorliegenden Erfindung mit den einfacheren Relaisschutzeinrichtungen, z. B. mit dem Gebrauchsmuster RU 73557 „Schutzeinrichtung einer elektrischen Anlage“, sei Folgendes bemerkt. Das genannte Gebrauchsmuster kann nicht zum Prototyp gewählt werden, weil es nur auf den Schutz eines einzigen Anschlusses gerichtet ist. Das Gebrauchsmuster kann nicht für einen Knotenpunkt des Stromnetzes von der Größe eines Umspannwerks angepasst werden. Als Grund dafür kann der direkte Anschluss der Stromsensoren an die „Signalverarbeitungseinheit“ genannt werden. Als zweiter Grund ist die Unmöglichkeit zu nennen, die Signalverarbeitungseinheit außerhalb der Anlage einzurichten. Außerdem ist es unmöglich, in diese Signalverarbeitungseinheit Augenblickswerte der Ströme, der Spannungen oder den Status der Schaltgeräte anderer Anschlüsse einzuführen. Dadurch wird die Funktionalität der Einheit auf die Funktionen des Zeit-Strom-Schutzes eingeschränkt. Die Verwendung eines optischen Datenübertragungsmediums ist anhand eines Kopplers „Leuchtdiode - Fotosymistor (Foto-Triac)“ realisiert. Auf Grund dessen können die Schutzfunktionen nur unter der Voraussetzung der Kanalintegrität erfüllt werden. Ein „Dunkelkanal“, d. h. ein Kanal bei fehlendem Steuersignal, und ein verletzter Kanal sind nicht unterscheidbar. In dieser Situation können der Schutz nicht diagnostiziert und ein Störungsfall nicht vermieden werden. Der Einsatz der Frequenzcodierung ermöglicht in diesem Fall, die Störung der Schutzeinheit zu entdecken. Dies ist ein positives Merkmal, das die vorliegende Erfindung von dem genannten Gebrauchsmuster unterscheidet.When comparing the present invention with the simpler relay protection devices, e.g. B. with the utility model RU 73557 "Protective device of an electrical system", the following should be noted. The utility model mentioned cannot be chosen as a prototype because it is only aimed at protecting a single connection. The utility model cannot be adapted for a node in the electricity network the size of a substation. The reason for this is the direct connection of the current sensors to the "signal processing unit". The second reason is the impossibility of setting up the signal processing unit outside the system. In addition, it is impossible to enter instantaneous values of currents, voltages or the status of the switching devices of other connections into this signal processing unit. This restricts the functionality of the unit to the functions of time-current protection. The use of an optical data transmission medium is implemented using a “light-emitting diode - photosymistor (photo triac)” coupler. Because of this, the protective functions can only be fulfilled under the condition of the channel integrity. A "dark channel", i. H. a channel in the absence of a control signal and an infringed channel cannot be distinguished. In this situation, the protection cannot be diagnosed and a fault cannot be avoided. In this case, the use of frequency coding makes it possible to detect the fault in the protective unit. This is a positive feature that distinguishes the present invention from the utility model mentioned.

Die vorgenommene Analyse des Stands der Technik zeigt, dass die Lösung mit der Frequenzcodierung der Prozessparameter des Stromnetzes im optischen Medium eine neue technische Lösung ist. Der Komplexität nach nimmt diese Lösung eine Zwischenstellung zwischen der Datenübertragung im optischen Medium mit dem Einrichten eines LAN-Netzwerks und dem Einsatz von komplexen Übertragungsprotokollen (wie in der Erfindung gemäß der RU 2468407 und anderer ähnlicher Lösungen des Typs „digitale Unterstation“) ein. Andererseits ist die einfachste Signalübertragung im optischen Medium anhand des Kopplers „Leuchtdiode - Fotosymistor (Foto-Triac)“ wie in der Lösung gemäß der RU 73557. Zum Unterschied zur einfachsten Lösung (in der die Vergrößerung der Funktionalität durch die Schaltlösung eingeschränkt wird) und der Lösung mit dem Einsatz vom Protokoll IEC 61850 (bei dem die Schaltplan-Erweiterung durch das LAN-Netzwerk eingeschränkt ist), ermöglicht die Lösung mit der Anwendung der Frequenzcodierung, Relaisschütze auszuführen. Dies erfolgt mit dem maximalen Einsatz der Rechenleistung moderner Mikroprozessoren für die algorithmische Umsetzung der Funktionen der Schutzeinrichtungen.The analysis of the prior art shows that the solution with the frequency coding of the process parameters of the power network in the optical medium is a new technical solution. In terms of complexity, this solution occupies an intermediate position between data transmission in the optical medium with the setting up of a LAN network and the use of complex transmission protocols (as in the invention according to RU 2468407 and other similar solutions of the “digital substation” type). On the other hand, the simplest signal transmission in the optical medium using the coupler is "light emitting diode - photosymistor (photo triac)" as in the solution according to RU 73557. In contrast to the simplest solution (in which the increase in functionality is limited by the switching solution) and the Solution with the use of the IEC 61850 protocol (in which the circuit diagram expansion is restricted by the LAN network), the solution with the use of frequency coding enables relay contactors to be implemented. This is done with the maximum use of the computing power of modern microprocessors for the algorithmic implementation of the functions of the protective devices.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Aufrechterhaltung der Eigenschaften (Merkmale), die herkömmliche Relaisschutzeinrichtungen kennzeichnen, wie z. B. die Möglichkeit, normierte Einzelprüfungen durchzuführen. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, positive Eigenschaften einer digitalen Unterstation zu erreichen. Dazu gehören z. B. der Verzicht auf einen viel Platz beanspruchenden Kabelbestand und die Möglichkeit, sämtliche Schutz- sowie Steuerfunktionen in einer Einrichtung zu konzentrieren. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf den Versuch verzichtet wird, sämtliche notwendige Informationen über ein gemeinsames LAN-Netzwerk mit einem komplexen Aufbau zu übertragen. Nach der Terminologie des Protokolls IEC 61850 wird so ein Netzwerk „Prozessbus“ bezeichnet. Bei Betrachtung der Prinzipien, nach denen die Datenübertragung von den Signalquellen zu der zentralen datenverarbeitenden Einheit ausgeführt wird, wird Folgendes offensichtlich: Dem Bedarf an der Erstellung und Weiterentwicklung der Datenübertragungsprotokolle liegt das Bestreben zugrunde, eine hohe Datenreduktion der zu übertragenden Information mit einer geringen Anzahl von Übertragungskanälen sicherzustellen. Dieses Prinzip der Organisation der Datenübertragung stammt aus dem Bereich der Telekommunikationssysteme, bei denen die Beschränktheit und die Kostspieligkeit der Übertragungskanäle zur Notwendigkeit der Übertragung nach dem Multiplexverfahren (Multiplexübertragung) führen. Für Objekte der elektrischen Energietechnik (der Energieerzeugung), wie Umspannwerke, übersteigt der Abstand zur Signalquelle von der zentralen Anlage, durch die die Steuerung durchgeführt wird, im ungünstigsten Fall nicht zwei Kilometer. Dies ermöglicht es dem Entwickler, sich nicht allein auf die Anzahl der Übertragungskanäle zu beschränken, sondern kostengünstige optische Übertragungskanäle unter Einsatz eines Lichtleitkabels mehrfach zu verwenden.The object of the invention is to maintain the properties (features) that characterize conventional relay protection devices, such. B. the possibility of carrying out standardized individual tests. It is also the object of the invention to achieve positive properties of a digital substation. These include For example, there is no need for a lot of space-consuming cables and the possibility of concentrating all protection and control functions in one facility. This object is achieved by dispensing with the attempt to transmit all the necessary information via a common LAN network with a complex structure. According to the terminology of the IEC 61850 protocol, such a network is called a “process bus”. When considering the principles according to which the data transmission is carried out from the signal sources to the central data processing unit, the following becomes obvious: The need for the creation and further development of the data transmission protocols is based on the endeavor to achieve a high data reduction of the information to be transmitted with a small number of Ensure transmission channels. This principle of organizing data transmission comes from the field of telecommunication systems, in which the limitation and the costly nature of the transmission channels lead to the necessity of transmission using the multiplex method (multiplex transmission). For objects of electrical energy technology (energy generation), such as substations, the distance to the signal source from the central system through which the control is carried out does not exceed two kilometers in the worst case. This enables the developer not to limit himself to the number of transmission channels, but to use inexpensive optical transmission channels multiple times using a fiber optic cable.

Bei der Aufhebung der Begrenzung in Bezug auf die Anzahl der Übertragungskanäle ist es sinnvoll, von der Erfahrung, die im Bereich Telekommunikation gesammelt wurde, zur Erfahrung, die im Bereich Rundfunk zum Einsatz kommt, überzugehen. Im Bereich Rundfunk kommt es darauf an, dass ein Mechanismus zur Selektion (Extraktion) der benötigten Information im vorliegenden Informationsraum vorhanden ist. Die Datenreduktion ist hierbei nicht wichtig. Der Mechanismus zur Codierung der Information über den Schaltplanzustand, der mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, ist in vieler Hinsicht dem Mechanismus der Informationsübertragung über die Funkkanäle unter Einsatz der Frequenzmodulation ähnlich. In der vorliegenden Erfindung wird von der auf dem einschlägigen Gebiet der Technik gesammelten Erfahrung Gebrauch gemacht. Die Erfindung ermöglicht, die gestellten technischen Aufgaben mit einem minimalen Kostenaufwand, einer hohen Funktionssicherheit und einem einfachen Betrieb zu lösen.In removing the limitation on the number of transmission channels, it makes sense to move from experience gained in telecommunications to experience used in broadcasting. In the field of broadcasting, it is important that there is a mechanism for the selection (extraction) of the information required in the information space available is available. The data reduction is not important here. The mechanism for coding the information about the circuit diagram status proposed by the present invention is in many respects similar to the mechanism for transmitting information over the radio channels using frequency modulation. The present invention makes use of the experience gained in the related art. The invention makes it possible to solve the technical problems posed with minimal expenditure, high functional reliability and simple operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Zum Gegenstand der Erfindung gehört eine Relaisschutz- und Automatikeinrichtung des Knotenpunkts eines Stromnetzes. Diese Einrichtung umfasst:

- optische Impulsgeneratoren. Die Impulsfolgefrequenz hängt von der Größe der Augenblickswerte der Spannungen, Ströme oder von den Zuständen der Schaltgeräte des Stromnetzes ab;
- optische Übertragungskanäle. Über diese Kanäle werden Impulse in die optischen Ports eines mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks übertragen;
- ein mikroprozessorgesteuertes Rechenwerk. Dieses führt die Umwandlung der Impulsfrequenzen in Augenblickswerte der Parameter des Stromnetzes aus. Außerdem erzeugt das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk gemäß dem vorgegebenen Algorithmus Impulse der vorgegebenen Frequenz, um diese über die Übertragungskanäle zu den Schaltelementen des Stromnetzes zu senden. Die Impulserzeugung erfolgt über die optischen Ausgabeports. Die Elemente des Stromnetzes ändern ihren Status je nach der Frequenz der ankommenden (eingegangenen) Impulse.

The subject of the invention includes a relay protection and automatic device for the junction of a power network. This facility includes:

- optical pulse generators. The pulse repetition frequency depends on the size of the instantaneous values of the voltages, currents or the states of the switching devices in the power network;
- optical transmission channels. Via these channels, impulses are transmitted to the optical ports of a microprocessor-controlled arithmetic unit;
- a microprocessor-controlled arithmetic unit. This converts the pulse frequencies into instantaneous values of the parameters of the power grid. In addition, the microprocessor-controlled arithmetic unit generates pulses of the specified frequency in accordance with the specified algorithm in order to send them to the switching elements of the power grid via the transmission channels. The pulses are generated via the optical output ports. The elements of the electricity network change their status depending on the frequency of the incoming (received) pulses.

Der Hauptunterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber den sämtlichen früher eingesetzten Lösungen ist der folgende: In den optischen Übertragungskanälen wird die Datenverschlüsselung nicht verwendet, die auf irgendwelchen Datenübertragungsprotokollen oder Datagrammen basiert. Dank der Frequenzmodulation der zu übertragenden Prozessparameter ist die Transportverzögerungszeit der gemessenen Größe am Eingang des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks der Periode der Impulsfolgefrequenz gleich. Frequenzen von einigen 10 kHz und mehr reichen aus, um die Schutz- und Automatikaufgaben sowohl in Skalar- als auch in Vektorform zu lösen.The main difference of the present invention compared to all previously used solutions is the following: In the optical transmission channels the data encryption, which is based on any data transmission protocols or datagrams, is not used. Thanks to the frequency modulation of the process parameters to be transmitted, the transport delay time of the measured variable at the input of the microprocessor-controlled arithmetic unit is equal to the period of the pulse repetition frequency. Frequencies of a few 10 kHz and more are sufficient to solve the protection and automatic tasks in both scalar and vector form.

In der einfachsten Variante wird für jeden Messwert ein eigener Übertragungskanal verwendet. Die Entwicklungsvarianten der Erfindung sehen vor, dass die zu übertragende Information aufgrund des Übertragungsmediums eines Glasfaser-Übertragungskanals in mehreren optischen Spektralbereichen reduziert wird. Außerdem sind Entwicklungsvarianten der Erfindung möglich, bei denen ein optisches Signal an mehrere Empfänger unter Einsatz von optischen Verteilern (Splittern) geliefert werden kann. In diesem Fall kann der Schaltplan teilweise verdoppelt werden, und zusätzliche Prüfschaltungen können aufgebaut werden. Um die Darlegung zu erleichtern, wird ferner die einfachste Ausführungsform der Einrichtung verwendet. Die Stromschutzeinrichtungen werden mit Hilfe von mindestens einem Strom-Messkanal aufgebaut. Die Spannungsschutzeinrichtungen werden mit Hilfe von mindestens einem Spannungs-Messkanal aufgebaut. Generell ist die Anzahl der Kanäle zur Spannungsmessung, Strommessung und Messung des Zustands der Schaltgeräte in keiner Weise beschränkt. Die Einrichtung auf dem Niveau einer Umspannanlage umfasst sämtliche Messströme und -spannungen, sämtliche Kontakte beim Status der Schaltgeräte, die für die Realisierung der Schutz- und Steuerlogik nötig sind, sowie Steuerkanäle für die Steuerung von sämtlichen Schaltgeräten des gesteuerten Knotenpunkts des Stromnetzes. Die Glasfaser-Übertragungskanäle können über gemeinsame, für mehrere Kanäle vieladrige Glasfaserkabel durchgehen. Dabei bleiben sie unabhängig voneinander, einschließlich eines gesonderten optischen Ports des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks.In the simplest variant, a separate transmission channel is used for each measured value. The development variants of the invention provide that the information to be transmitted is reduced in several optical spectral ranges due to the transmission medium of a glass fiber transmission channel. In addition, development variants of the invention are possible in which an optical signal can be supplied to several receivers using optical distributors (splitters). In this case, the circuit diagram can be partially duplicated and additional test circuits can be set up. In order to facilitate the illustration, the simplest embodiment of the device is also used. The current protection devices are set up with the help of at least one current measuring channel. The voltage protection devices are set up with the help of at least one voltage measuring channel. In general, the number of channels for voltage measurement, current measurement and measurement of the status of the switching devices is not limited in any way. The facility at the level of a substation includes all measurement currents and voltages, all contacts for the status of the switching devices that are necessary for the implementation of the protection and control logic, as well as control channels for controlling all switching devices of the controlled node of the power network. The fiber optic transmission channels can run through shared fiber optic cables, multi-core for several channels. They remain independent of one another, including a separate optical port of the microprocessor-controlled arithmetic unit.

Der Wirkungsplan der Einrichtung gemäß der Erfindung ist in 1 gezeigt. Als Quellen der eingehenden Information über den Schaltplanzustand dienen herkömmliche Quellen folgender Signale: externe Spannungswandler, Stromwandler und Hilfskontakte zur Positionsmessung der Schaltgeräte. Der Spannungsmesswandler 1 hat am Eingang eine Primärspannung U1. Die Primärspannung U1 wird von der Nennspannung des Stromnetzes bestimmt. Am Ausgang hat der Messwandler eine Spannung U2. Diese Spannung wurde aus der Normalspannungsreihe gewählt, z. B. 100 V oder 100/√3 V. Der Strommesswandler 2 hat am Eingang einen Primärstrom 11. Dieser Primärstromwert wurde anhand der berechneten Betriebsart des Stromnetzes ermittelt. Ein Sekundärstrom 12 wurde aus der Normalstromreihe gewählt, z. B. 1A oder 5A. Die Position der Schaltgeräte oder der Zustand von Hilfsschaltwerken und -sensoren wird in den Schaltplan unter Einsatz von Hilfskontakten 3 eingegeben. The action plan of the device according to the invention is in 1 shown. The sources of incoming information about the status of the circuit diagram are conventional sources of the following signals: external voltage transformers, current transformers and auxiliary contacts for measuring the position of the switching devices. The voltage transducer 1 has a primary voltage U1 at the input. The primary voltage U1 is determined by the nominal voltage of the power grid. The transducer has a voltage U2 at the output. This stress was chosen from the normal stress series, e.g. B. 100 V or 100 / √3 V. The current transducer 2 has a primary current at the input 11 . This primary current value was determined on the basis of the calculated operating mode of the power grid. A secondary stream 12 was chosen from the normal stream series, e.g. B. 1A or 5A. The position of the switchgear or the status of auxiliary switchgear and sensors is shown in the circuit diagram using auxiliary contacts 3 entered.

An den Stellen, die maximal nah zu den Signalquellen sind, werden Generatoren 4, 5 und 6 angeordnet. Diese erzeugen eine Reihenfolge von optischen Impulsen einer bestimmten Frequenz je nach dem Augenblickswert. Diese optischen Impulse werden an den Eingangsparameter des Stromnetzes angelegt. So erzeugt der Generator 4 optische Impulse je nach dem Augenblickswert der eingehenden Spannung U2. Bei fehlender Spannung am Eingang erzeugt der Generator Impulse am optischen Ausgang mit der Folgefrequenz f0, d. h. der Bezugs-Übertragungsfrequenz des Kanals. Die Impulsfrequenz ändert sich linear je nach dem Eingangsspannungswert. Bei der maximalen positiven Spannungsamplitude U2 beträgt die Frequenz f0+Δf. Bei der maximalen negativen Spannungsamplitude U2 beträgt die Frequenz f0-Af. Der Generator 5 funktioniert auf ähnliche Weise. Der Generator 5 ist stromgesteuert. Der Generator 5 erzeugt Impulse der Frequenz, die vom Strom 12 abhängig ist. Bei fehlendem Strom am Eingang erzeugt der Generator Impulse mit der Folgefrequenz f0. Die Impulsfolgefrequenz ändert sich linear je nach dem Stromwert. Bei der maximalen positiven Stromamplitude 12 beträgt die Frequenz f0+Δf. Bei der maximalen negativen Stromamplitude 12 beträgt die Frequenz f0-Af. Der Generator 6 erzeugt eine Reihenfolge von optischen Impulsen je nach dem Hilfskontaktzustand, der an seinem Eingang eingegangen ist. Beim Kontaktzustand „0“ wird die Impulsfolgefrequenz des Generators f1 betragen. Beim Kontaktzustand „1“ wird die Generatorfrequenz f2 betragen. Beim Vergleich mit anderen Bereichen der Technik kann man Folgendes feststellen: Bei den Generatoren 4 und 5 wird die Frequenzmodulation eingesetzt, die im Rundfunk eine breite Anwendung findet. Beim Generator 6 wird die Doppelfrequenz-Codierung verwendet. Grundsätzlich kann der Generator 6 so ausgelegt sein, dass er eine größere Anzahl der Kontakte kontrollieren kann. Dabei wird er eine größere Anzahl an Varianten der Frequenzen erzeugen. Es könnte sein, dass eine solche Lösung die Einrichtung im Großen und Ganzen verbilligt. Man sollte jedoch darauf Rücksicht nehmen, dass sie zu einer Bedienungsfreundlichkeit sowie zur Vereinheitlichung der Systemteile nicht beiträgt. Die Reihenfolgen von optischen Impulsen, die von den Generatoren 4, 5 und 6 erzeugt wurden, werden an die optischen Ports 1, 2 und 3 des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks 7 übertragen. Dies kommt anhand der Glasfaser-Übertragungskanäle 8 zustande. Für einen bequemen Betrieb können die Ports mit dreifarbigen Leuchtanzeigen versehen werden. Diese Leuchtanzeigen melden fehlende eingehende Impulse, Impulse der Bezugsfrequenz und von der Bezugsfrequenz abweichende Impulse. Somit hat das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk an seinen Ports sämtliche nötige Daten über den Schaltplanzustand. Diese Daten sind in Form von optischen Impulsen verschiedener Folgefrequenzen dargestellt. Durch Rücktransformation der Frequenzen in die primären Messgrößen bekommt der algorithmische Teil des mikroprozessorgesteuerten Rechenwerks für die Berechnungen Augenblickswerte der Spannungen und Ströme sowie den Zustand der Schaltgeräte des Schaltplans. Aufgrund dieser Daten können sowohl die Vektorrechnungen als auch die Konvertierung von Daten in die Skalargrößen vorgenommen werden. Das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk führt die vorgegebenen Schutz- und Steuerungsalgorithmen aufgrund der eingehenden Dateninformation aus. Außerdem erzeugt es am Port 4 eine Reihenfolge von optischen Impulsen einer der Folgefrequenzen, d. h. f3 oder f4. Die erzeugten Impulse 9 kommen über den Glasfaser-Übertragungskanal 9 in den Frequenzdemodulator 10. Der Frequenzdemodulator 10 decodiert das eingehende Signal in eine diskrete Größe. Bei einer eingehenden Impulsfolgefrequenz f3 am Eingang D2 wird z. B. ein logisches Signal „0“ erzeugt. Bei einer Impulsfolgefrequenz f4 wird ein logisches Signal „1“ erzeugt. Bei einer Änderung des Signals D2, z. B. von „0“ auf „1“, übt der Frequenzdemodulator Einfluss auf den Abschaltmagneten (Einschaltmagneten) des Schaltgeräts 11 aus. Infolgedessen werden der Schutz oder die Steuerung bewirkt. Die mit der Impulsfolgefrequenz f3 eingehenden Impulse oder das logische Signal „0“ können für die Funktionsprüfung des Steuerkanals durch das Schaltgerät benutzt werden.Generators are used at the points that are as close as possible to the signal sources 4th , 5 and 6th arranged. These generate a sequence of optical pulses of a certain frequency depending on the instantaneous value. These optical pulses are applied to the input parameters of the power grid. So the generator creates 4th optical pulses depending on the instantaneous value of the incoming voltage U2. If there is no voltage at the input, the generator generates pulses at the optical output with the repetition frequency f0, ie the reference transmission frequency of the channel. The pulse frequency changes linearly depending on the input voltage value. At the maximum positive voltage amplitude U2, the frequency is f0 + Δf. At the maximum negative voltage amplitude U2, the frequency is f0-Af. The generator 5 works in a similar way. The generator 5 is current controlled. The generator 5 generates pulses of the frequency that is dependent on the current 12. If there is no current at the input, the generator generates pulses with the repetition frequency f0. The pulse repetition frequency changes linearly depending on the current value. At the maximum positive current amplitude 12, the frequency is f0 + Δf. At the maximum negative current amplitude 12, the frequency is f0-Af. The generator 6th generates a sequence of optical pulses depending on the auxiliary contact status received at its input. If the contact is "0", the pulse repetition frequency of the generator will be f1. If the contact is "1", the generator frequency will be f2. A comparison with other areas of technology reveals the following: With the generators 4th and 5 frequency modulation is used, which is widely used in broadcasting. At the generator 6th double frequency coding is used. Basically, the generator can 6th be designed so that it can control a larger number of contacts. In doing so, it will generate a greater number of variants of the frequencies. Such a solution could, by and large, make the facility cheaper. However, one should take into account that it does not contribute to user-friendliness or to the standardization of the system parts. The sequences of optical pulses emitted by the generators 4th , 5 and 6th are generated to the optical ports 1 , 2 and 3 of the microprocessor-controlled arithmetic unit 7th transfer. This comes from the fiber optic transmission channels 8th conditions. The ports can be equipped with three-color light indicators for convenient operation. These illuminated displays report missing incoming pulses, pulses of the reference frequency and pulses deviating from the reference frequency. The microprocessor-controlled arithmetic unit thus has all the necessary data on the status of the circuit diagram at its ports. This data is presented in the form of optical pulses with different repetition frequencies. By transforming the frequencies back into the primary measured variables, the algorithmic part of the microprocessor-controlled arithmetic unit for the calculations receives instantaneous values of the voltages and currents as well as the status of the switching devices in the circuit diagram. On the basis of this data, both the vector calculations and the conversion of data into the scalar quantities can be carried out. The microprocessor-controlled arithmetic unit executes the specified protection and control algorithms based on the incoming data information. It also generates on the port 4th a sequence of optical pulses of one of the repetition frequencies, ie f3 or f4. The generated impulses 9 come over the fiber optic transmission channel 9 into the frequency demodulator 10 . The frequency demodulator 10 decodes the incoming signal to a discrete size. With an incoming pulse repetition frequency f3 at input D2 z. B. a logic signal "0" is generated. With a pulse repetition frequency of f4, a logic signal “1” is generated. When the signal D2 changes, e.g. B. from "0" to "1", the frequency demodulator has an influence on the switch-off magnet (switch-on magnet) of the switching device 11 out. As a result, the protection or control is effected. The incoming pulses with the pulse repetition frequency f3 or the logic signal "0" can be used for the function test of the control channel by the switching device.

Somit werden mit der vorliegenden Erfindung sämtliche gestellten technischen Aufgaben gelöst:

1. Die Vorteile einer herkömmlichen Schutzschaltung werden aufrechterhalten, und zwar:
1. a) die Möglichkeit der Einzelprüfung der Komponenten des jeweiligen einzelnen Messkanals; durch diese Möglichkeit werden eine schnelle Suche und das Auswechseln des defekten Elements sichergestellt;
2. b) die Möglichkeit, Spannungs- sowie Stromwandler in typischer Ausführung einzusetzen; solche Spannungs- und Stromwandler sind sowohl für herkömmliche Schutzschaltungen als auch für die vorliegende Schaltung geeignet;
3. c) die Möglichkeit der Vereinheitlichung der Bauelemente der Schaltung, was zu einer breiten industriellen Einführung verhilft;
4. d) es besteht keine Notwendigkeit, Fachkräfte für das Einrichten der Netzwerkkomponenten des LAN-Netzwerks einzusetzen. Dabei ist es wiederum möglich, das Personal mit bestehender Qualifikation einzubeziehen.
2. Es werden die Vorteile erlangt, die bei der Anwendung des Konzepts „digitale Unterstation“ erwartet werden, z. B.:
1. a) vollständiger Verzicht auf langgestreckte Verkabelung (Kabelverbindungen) von Prüfkabeln. Demzufolge werden folgende Probleme gelöst: diejenigen, die durch Spannungsabfall in Spannungsmesskreisen verursacht sind; diejenigen, die mit der Überlastung von Stromkreisen verbunden sind; diejenigen, die mit elektromagnetischer Verträglichkeit zusammenhängen. Außerdem werden die Gesamtkosten der Schutz- und Automatiksysteme reduziert;
2. b) die Möglichkeit, eine zentrale Steuerungseinrichtung anstelle von vielen einzelnen Terminals (Einheiten) mit beschränkten Funktionen einzusetzen. Als Ergebnis werden die Planung und das Einrichten vereinfacht, und die Gesamtkosten der Schutz- und Automatiksysteme werden reduziert.
3. Es werden neue Möglichkeiten zur Datenverteilung von gemessen Massendaten an mehrere Adressen mit Hilfe von optischen Verteilern (Splittern) geschaffen; dies eröffnet neue Möglichkeiten zum Aufbau von Sicherungs- und Prüfschaltungen.
4. Es entstehen neue Möglichkeiten zur Diagnose und Entwicklung einer in der Herstellung einfachen und benutzerfreundlichen Prüfanlage.
5. Es entstehen Möglichkeiten zur Entwicklung von völlig neuen exterritorialen Schutzeinrichtungen, die nicht auf eine Umspannanlage oder Hochspannungsleitung beschränkt sind.
6. Es entstehen Möglichkeiten zur Entwicklung von Schutzeinrichtungen mit hoher Schnellwirkung. Solche Schutzeinrichtungen können eine Störung innerhalb von Bruchteilen der Spannung-Periodendauer des Stromnetzes abschalten.

Thus, with the present invention, all the technical problems posed are solved:

1. The advantages of a conventional protection circuit are maintained, namely:
1. a) the possibility of individual testing of the components of the respective individual measuring channel; this possibility ensures a quick search and replacement of the defective element;
2. b) the possibility of using voltage and current transformers in typical designs; such voltage and current converters are suitable both for conventional protection circuits and for the present circuit;
3. c) the possibility of standardizing the components of the circuit, which helps to widespread industrial introduction;
4. d) There is no need to employ skilled workers to set up the network components of the LAN network. Again, it is possible to involve staff with existing qualifications.
2. The advantages are obtained which are expected when applying the “digital substation” concept, e.g. B .:
1. a) Complete renunciation of elongated cabling (cable connections) of test cables. As a result, the following problems are solved: those caused by voltage drops in voltage measuring circuits; those associated with circuit overload; those with electromagnetic compatibility. In addition, the overall costs of the protection and automation systems are reduced;
2. b) the possibility of using a central control device instead of many individual terminals (units) with limited functions. As a result, planning and set-up are simplified and the overall costs of the protection and automation systems are reduced.
3. New possibilities for data distribution of measured mass data to several addresses with the help of optical distributors (splitters) are created; this opens up new possibilities for setting up fuse and test circuits.
4. There are new possibilities for diagnosis and development of a test system that is simple to manufacture and easy to use.
5. Opportunities arise for the development of completely new extra-territorial protective devices that are not limited to a substation or high-voltage line.
6. Opportunities arise for the development of protective devices with a high degree of rapid action. Such protective devices can switch off a fault within a fraction of the voltage period duration of the power grid.

FigurenlisteFigure list

1 shows the operational diagram of the relay protection and automatic device according to the invention.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: SpannungsmesswandlerVoltage transducer
22: StrommesswandlerCurrent transducer
33: Hilfskontakt des Schaltgeräts des SchaltplansAuxiliary contact of the switching device of the circuit diagram
44th: optischer Impulsfolgegeber, spannungsgesteuertoptical pulse trainer, voltage controlled
55: optischer Impulsfolgegeber, stromgesteuertoptical pulse trainer, current controlled
66th: optischer Impulsfolgegeber, gesteuert vom Status diskreter Signaleoptical pulse trainer controlled by the status of discrete signals
77th: mikroprozessorgesteuertes Rechenwerkmicroprocessor-controlled arithmetic unit
88th: Glasfaser-Übertragungskanäle, verbunden mit den Eingangsports des mikroprozessorgesteuerten RechenwerksFiber optic transmission channels, connected to the input ports of the microprocessor-controlled arithmetic unit
99: Glasfaser-Übertragungskanal, verbunden mit dem Ausgangsport des mikroprozessorgesteuerten RechenwerksFiber optic transmission channel, connected to the output port of the microprocessor-controlled arithmetic unit
1010: Frequenzdemodulator, der je nach der Folgefrequenz optischer Impulse (Schalt)Kontakte schließtFrequency demodulator that closes (switching) contacts depending on the repetition frequency of optical pulses
1111: Abschaltmagnet (Einschaltmagnet) des SchaltgerätsSwitch-off magnet (switch-on magnet) of the switching device

Ausführung der ErfindungImplementation of the invention

Bei der Ausführung der Einrichtung werden sowohl typisierte, auf industriellem Wege hergestellte Erzeugnisse als auch eigentümliche Erzeugnisse verwendet. Zu den typisierten, von der Massenproduktion erschlossenen Erzeugnissen gehören Spannungsmesswandler und Strommesswandler. Auch wird eine weite Nomenklatur von Bauteilen für das Einrichten von Glasfaser-Übertragungskanälen industriell produziert. Den eigentümlichen Erzeugnissen können optische Impulsgeneratoren und das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk zugeordnet werden. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass die Schaltungstechnik eigentümlicher Erzeugnisse gut von der Produktion erschlossen ist, und es ermöglicht, Großintegrationsschaltungen einzusetzen. Das mikroprozessorgesteuerte Rechenwerk kann auf Basis einer der vielen Varianten von Mikroprozessoren ausgeführt werden, die vom Mikroelektronik-Markt angeboten werden. Hierzu gehören auch diejenigen Mikroprozessoren, die von einem Echtzeitbetriebssystem gesteuert werden.Both standardized, industrially manufactured products and unique products are used in the implementation of the facility. The standardized products developed for mass production include voltage transducers and current transducers. A broad nomenclature of components for setting up fiber optic transmission channels is also produced industrially. Optical pulse generators and the microprocessor-controlled arithmetic unit can be assigned to the peculiar products. It should be pointed out here that the circuit technology of peculiar products is well developed by production and makes it possible to use large-scale integration circuits. The microprocessor-controlled arithmetic unit can be based on one of the many variants of microprocessors offered by the microelectronics market. This also includes those microprocessors that are controlled by a real-time operating system.

InformationsquellenSources of information

1st patent JP 5926540 B2 ( US 9444243 B2 ) "Protection and control system and a merging unit for it"
2. Patent RU 2468407 "Automated monitoring, protection and control system for the systems (equipment) of a substation"
3. Utility model patent RU 73557 "Protective device for an electrical system".

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

JP 5926540 B2 [0005, 0020]
US 9444243 B2 [0005, 0020]

Claims

Relay protection and automatic device of the junction of a power network, characterized in that it comprises: - optical pulse generators, the frequency of which depends on the size of the instantaneous values of the voltages, currents or the status of the switching devices of the power network, - optical transmission channels through which the pulses are fed The optical ports of a microprocessor-controlled arithmetic unit are transmitted, - a microprocessor-controlled arithmetic unit that converts the pulse frequencies into instantaneous values of parameters of the power grid and generates the pulses of the specified frequency according to the specified algorithm in order to send them via the transmission channels to the switching elements of the power grid that change their status depending on the frequency of the pulses received.

Establishment according to Claim 1 , characterized in that the number of optical pulses to be transmitted is increased in the optical transmission channels, several wavelengths of the optical spectral range being used.

Establishment according to Claim 1 , characterized in that elements for splitting or merging optical signals are included in the optical transmission channels, which make it possible to include reserve elements of the channel in the structure of the device, which increase the functional reliability of the device.