高压或中压开关站的开关站区的建立

摘要

本发明目的在于最大减小由单个中央智能电子装置(IED)故障所引起的潜在威胁，该中央智能电子装置(IED)用于计算，分配，和存储关于高压或中压开关站的开关站区的信息，该开关站包括通过线路互连的开关站元件(2，3，5，7)，以及其中开关站依靠包括多个智能电子装置的变电站自动化系统运行。此处，提出一种分布式开关站管理，包括开关站区信息的分布式存储。换句话说，到各个不同的开关站区的单个开关站元件或组件的分配，例如开关和连接节点，存储在几个IED上。如果其中的一个IED失效，则基于开关站区的服务或应用也不会必然失败。

说明书

技术领域

本发明涉及变电站自动化领域。它来自于如权利要求1前序中所述的建立 高压或中压开关站的开关站区的方法。

背景技术

在高压和中压电力网中的用于功率分配的变电站包括一次或励磁装置，例 如安装在开关站和/或间隔(bay)的电缆、电线、母线、隔离器、电路断路器、 电力变压器和仪表用互感器。这些一次设备通过变电站自动化(SA)系统响应 于变电站的控制、保护和监控以自动方式运行。SA系统包括基于可编程二次装 置的微处理器，所谓的智能电子装置(IED)在SA通讯网络或者局域网(LAN) 中相互连接，并且通过程序接口与一次设备互相作用。IED通常设定为三个等 级水平，即站级，其包括例如人机界面(HMI)和连接至网络控制中心(NCC) 的网关，具有用于保护和控制的间隔单元的间隔级，以及直接位于开关设备的 过程级。位于过程级和间隔级之间的程序接口通常包括用于模拟输入的电隔离 的隔离放大器或用于二进制程序输入的电隔离的光耦合器。

在间隔级的IED，也称为间隔单元，又彼此连接并且通过光学内网间隔或 站内母线连接到站级的IED。用于保护和控制的IED负责一次设备的保护以及 不断地估算本地测量的电流、电压、温度，并且当测量显示紧急状况时，例如 过负荷或故障状况，在本地断开线路或其它元件。与测量和通讯单元相关联的 这些多功能保护和控制装置被称为数值的、数字的或保护继电器。执行的监控、 保护或控制功能包括例如扰动记录、过电流保护、差动保护、相位比较、远距 离保护，断路器失效保护或母线保护。

对于保护一次设备避免故障的功能，类似断路器失效保护或母线保护，其 有必要运行在一次设备失效的范围以外，必须考虑所谓的保护区。保护区电连 接至部分开关站，所述部分开关站通过打开的隔离器和打开或闭合的电路断路 器划界。因此，保护区和开关(即隔离器和电路断路器)之间的关系，或者它 们的相互分配，由在单线水平的开关站拓扑和当前所有隔离器的状态动态地决 定。通常，即使利用分布式的母线保护系统，保护区的确定仍在一个中央IED 中进行，该中央IED通过分布式间隔单元获得所有开关的位置，计算区，并且 有时将适当的跳闸命令传送至间隔。换句话说，保护区的计算和信息的保管和 估计都留给一个中央IED。

保护区的概念有时用于断路器失效保护和母线保护。例如，如果通过例如 线路保护功能跳闸的间隔电路断路器由于内部故障没有打开，那么所谓的断路 器失效保护功能被触发，并且跳闸信号被传送至临近失效电路断路器，即在该 失效电路断路器的左边和右边的保护区中的电路断路器。换句话说，断路器失 效保护的任务是检测无法清除故障的断路器，以及使馈入包括故障的部分的所 有剩余断路器跳闸以便永久清除故障。类似地，母线保护的任务是检测母线上 的任何故障，以及使连接至受影响的母线的断路器跳闸。

发明内容

本发明的目的在于提高基于开关站区的服务或应用的可用性和/或可靠性， 特别是变电站自动化系统的母线或断路器失效保护应用的可用性和/或可靠性。 这一目的通过根据权利要求1的建立高压或中压开关站的开关站区的方法以及 根据权利要求7的变电站自动化系统来实现。进一步的优选实施例将由从属权 利要求变得明显。

根据本发明，通过引入分布式开关站区管理限制由单个中央智能电子装置 (IED)的失效引起的可能损坏，该中央智能电子装置(IED)用于计算、分配 和存储关于开关站区的信息。后者包括关于开关站区的知识的分布式存储，该 开关站区的知识区别于包括仅仅复制所述知识的完全冗余方法。换句话说，各 个开关站元件或部件例如开关和连接节点到不同开关站区的分配被存储在几个 IED上。如果这些IED中的一个失效，则基于开关站区的服务或应用由此不一 定注定失败，就如同如果关于开关站区的全部知识都存储在一个单独的中央IED 上的情况。

首先考虑的开关站区是保护区或等电位区。第一个包括在一次设备故障的 情况下同时被隔离的多个开关站元件，并且通过电路断路器和打开的隔离器限 定它们的边界或周线。第二个包括被电连接的多个开关站元件，简化了母线电 压的确定，并且通过打开的开关，即打开的电路断路器或隔离器，进行划界。

在第一优选变型中，计算开关站区主要以常规的方式进行，该计算的结果， 即关于区的结果信息，随后被分配到变电站自动化系统的不同的IED。

在第二优选变型中，计算开关站区类似地以分配的方式进行，没有任何一 个中央IED收集所有的信息。为此，电报在根据开关站的电力单线图分布并包 括开关站元件(开关，连接节点)的IED之间交换。基于例如在通信总线上交 换的IEC61850 GOOSE消息，这种电报交换完全发生在二次系统中，即经由在 间隔级的保护继电器之间的局域网。电报从源开关站元件指向目标开关站元件， 这些元件相应地分配给交换电报的IED。换句话说，发送和接收IED分别处理 源开关站元件和目标开关站元件的表示或实例。源开关站元件的临时区标识 (zone identification)包括在代表目标开关站元件的所用的每个电报中。

为了标识处理电报的开关站元件，唯一标识符被归属于所有的开关站元件。 一个开关站元件的标识符，连同根据单线图与之最邻近的开关站元件(即它的 目标开关站元件)的唯一标识符存储在该开关站元件被分配给的IED上。

在本发明的优选实施例中，通过开关站拓扑例如隔离器的打开/闭合的改变 来触发开关站区的动态重算。进入复位阶段，在该阶段期间具有等于零的区标 识的复位电报被交换。一不再计算具有非零区标识的电报，就出现初始化阶段。 在这一阶段开始时，初始化信息被交换，其包括源开关站元件的作为临时区标 识的唯一标识符。

本发明也涉及包括计算机程序代码装置的计算机程序产品，该算机程序代 码装置用于控制变电站自动化(SA)系统的两个或更多智能电子装置的处理器， 以根据方法权利要求之一建立由SA系统操作的高压或中压开关站的开关站区。

附图说明

本发明的主要内容将在下文参考优选实施例进行详细解释，所述优选实施 例在附图中示出，其中：

附图1示出具有四个保护区的开关站的单线图，

附图2是动态区重算过程的流程图，以及

附图3示出具有不同拓扑和三个等电位区的开关站的单线图。

附图中使用的参考标记以及其含义以总结的方式列于参考标记列表中。原 则上，在图中相同的部分采用相同的附图标记。

具体实施方式

附图1示出具有示例的双母线拓扑的开关站的电气单线图。该图包括表示 多种一次设备的项目或图标，例如母线1，电路断路器2，隔离器3，进线或出 线导线4，节点5，以及负荷或发电机6。同类装置通过连续的十进制数字区分， 即5.1和5.2表示两个不同的节点。通常，表示打开的开关(隔离器和断路器) 的图标显示为空心，而处于闭合状态的开关表示为实心图标，例如，闭合/打开 的隔离器表示为黑/白菱形。明显地，其它拓扑是可想到的，具有或不具有旁路 母线，以及拓扑可包括其它一次设备，例如功率变压器，发电机，接地隔离开 关和仪表用互感器，而不会限制本发明的应用。下面，一次设备与它们的利用 在制图板、计算机屏幕或其它显示器上的电线图里的图标或元件的表示之间的 区别忽略不计。

详细地，所述拓扑包括分隔两条母线1.1、1.2的两个耦合的电路断路器2.1、 2.2，所述母线1.1、1.2又由部分电路断路器2.3、2.4分为两个部分。描述了三 个间隔(bay)，每一个包括间隔电路断路器2.5、2.6、2.7，其通过导线4.5、4.6、 4.7连接至远距离负荷6.5、6.6或者发电机6.7。间隔电路断路器每一个通过两 个隔离器3.1、3.2；3.3、3.4和3.5、3.6可连接至两个母线。图2中又描述了两 个示例的与间隔电路断路器2.6、2.7相邻的电压变压器7.6、7.7。

除了附图1和2中描述的一次设备，变电站还包括二次装置或智能电子装 置(IED)。特别地，通常每一间隔提供至少一个保护继电器或间隔单元，用于 保护间隔对象，例如线路，变压器，发电机，和控制间隔电路断路器。间隔单 元在涉及的间隔内获取隔离器状态并且在本地运行，即不进行另外的集中计算。 下面，元件或一次设备之间的消息或电报交换理解为相应IED之间的通讯，其 中元件分配至所述相应IED并且通过所述相应IED来处理一次设备的表示或实 例—对象。

如上所述，保护区电连接部分开关站，所述部分开关站通过打开的隔离器 和打开或闭合的电路断路器划界。另外，类似闭合的隔离器那样对待缺陷或闭 塞电路断路器。在本发明的意义上在附图1中所示的隔离器的状态产生四个保 护区I，II，III，IV，其用接近于粗体单线图的部分的不同图案的虚线表示。 另外，在间隔电路断路器2.5、2.6和它们的负荷6.5、6.6之间限定负荷侧或线 路保护区。

如上所述，例如，如果电路断路器2.5失效，然后变电站内部属于临近失效 电路断路器的两个保护区的电路断路器2.1、2.3、2.6被迫跳闸或打开。由于后 者通过它们自己的保护继电器控制，需要经由局域网在保护继电器之间快速可 靠的传送信号。实际上，所有保护继电器通过多对等通信系统连接，例如根据 IEC61850，使得跳闸，起动和其它信息可以在间隔保护继电器之间交换。相应 地，对于断路器失效保护，必须知道每个电路断路器邻近的保护区。根据本发 明，失效电路断路器发送具有断路器失效触发和到所有电路断路器的相关区标 识的电报。由于处于相关区的边界(断路器的左边或右边)的这些电路断路器 自己确定它们所属的保护区，因此这些电路断路器随后将跳闸而不用进行进一 步的集中输入或动作。

在上述实例中，仅仅考虑位于处理线路4.5的电路断路器2.5的母线侧的连 接节点5.2。然而，该方法可以扩展到也包括线路或出线导线4.5，假设存在至 线路远端的通信连接以用于电报交换。这种情况下线路4.5也可以被认为是保护 区，并且被包括在下面提到的用于益于共同描述和更简单结构的运算法则中。

为了建立关于保护区的所需信息，通过唯一被标识的通过线路部分互连的 元件模拟开关站拓扑，并且该开关站拓扑分为两种类型，开关和连接节点。唯 一标识是保护区无关的且最好由容易处理的整数实施，因此避免了像保证唯一 性的目录这样的公共资源。每个开关至少熟悉它本身的左右连接节点的唯一标 识。当开关站加入新元件时，它们必须也被归属唯一标识符，该标识符根据结 构文件选择，并且在整数的有利情况下增加到超过之前的最高归属的标识符。 间隔的增加也可处理在现存的SA系统中的最小结构变形(reconfiguration)。

开关(用于断路器失效应用，该术语局限于电路断路器和隔离器，因为接 地开关与保护区不相关)可以改变状态，例如从打开到闭合，并且连接到它们 之间的静态连接节点。良好的电路断路器动作像打开的隔离器，缺陷或闭塞的 电路断路器像闭合的隔离器，因此像隔离器的状态在打开和闭合之间改变那样 控制良好和缺陷之间的改变。

下面，每个元件(开关，连接节点)明确地被分配其自己用于处理电报的 处理手段，例如，以假定IED的形式，意味着同种类型的电报在任何两个元件 之间传送。这相应于最大的分散保护系统。然而实际上，最可能的是多个元件 被分配给单独的IED，例如，间隔单元处理它的间隔的所有元件的表示或实例。 这种情况下，消息不得不物理上仅仅交换给这个间隔以外的元件，并且因此由 其它处理器处理。

根据本发明，通过以下同等地应用于所有元件的法则控制电报交换，所述 法则在下文进一步示例。所有元件交换电报，除标准的IED相关寻址以外，所 述电报逻辑上也通过源，即发送元件的唯一标识，或者汇(sink)，即目标元件 的唯一标识，来寻址。例如，由于连接节点连接到许多其它元件，它发送源寻 址多点传送电报至所有连接元件。

因此，由连接节点发送到所有连接开关的电报Tv包括发送连接节点的标识 (Tv.id)以及后者的保护区标识索引(Tv.zid)。该区标识(zone-ID)可采取服务 或临时值，它仅仅在稳定状态下实际表示发送元件的区。由开关发送到该开关 所连接到的两个连接节点的每一个的电报包括该开关的标识(Tsn.id)，其中标 号n(n＝1，2)涉及开关任一侧的相应寻址的连接节点，寻址的连接节点的标识 (Tsn.vid)，其中明显地Ts1.vid≠Ts2.vid，以及保护区标识索引(Tsn.zid)，其中 只要开关是正常电路断路器或打开的隔离器，Ts1.zid≠Ts2.zid。

区标识(区ID)的零值用于宣布区计算的复位或重启，例如，如果隔离器 打开或电路断路器从故障变为正常。其后，在正常运行方式中，区ID计算为该 区的所有连接的连接节点的区ID的最大值，使得在计算的结束得到稳定或者集 中的保护区分布。

在开关处，电报处理发生在来自相邻节点之一的电报的接收时，或者接下 来的开关本身的状态改变时，即，从闭合到打开或反之亦然。如果电报Tv从连 接到开关第一侧的第一连接节点接收，并且开关是打开的，则接收到的区ID存 储在开关处，并且插入到被发回至第一连接节点的电报Ts1中。如果开关是闭 合的，并且接收到的电报表示复位阶段(Tv.zid＝0)，则该消息进一步通过区ID 等于零的电报方式传播，所述电报被输出到开关的两侧。如果开关是闭合的， 并且接收到的电报携带不同于零的区ID，则将该值与从第二侧接收到的表示第 二保护区的最后电报传送的值进行比较。如果该值同样不同于零，则两个非零 值中的较大值放入到传播到两侧的输出信息中，并且在内部在两侧都用作区标 识。

如果开关已经被打开，具有区ID零的电报传送到两侧。如果开关已经被闭 合，来自于左和右的区ID的最大值设定在如上的两个输出电报中。

在连接节点处，电报处理如下进行：如果至少一个而不是所有的接收到的 区ID为零，则复位阶段仍然不结束，并且该信息通过输出信息被传播到所有连 接元件。如果，仍然在考虑的连接节点处，所有接收到的区ID为零，即一旦所 有相邻者接收到区ID零并且通过返回它作为响应，则认为该复位阶段结束并且 进入初始化或起动阶段。直到初始化阶段结束才能够再次进入复位模式。在初 始化模式中，新的区计算起动，并且分配后面描述的每个节点的唯一的且优选 为整数值的标识。一旦从在连接节点的相邻开关接收的区ID不再为零，就同样 认为初始化阶段结束。其后，进入正常模式，其中所有接收到的区ID的最大值 进一步重复地作为电报的Tv.zid变量的值被传播，直到达到稳定状态。这种多 个运行模式的连续示于附图2的流程图中。

本发明的基于计算机的实施方式包括被称为“消息传送”的技术，其包括消 息沿着电网的单线拓扑连接的路由。如果整个电网存储在单个计算机的存储器 中，例如，在算法的部分集中应用中，其中只分散跳闸本身，可以通过一些内 部方法实现消息传送。然而，如果所述网络有部分或全部变电站在几个远距离 计算机上，则消息传送界面(MPI)需要在不同的计算机或者智能电子装置之间 交换信息。为达到这一目的，工业、商业，和政府组织提出了相应的标准，代 表在发展和使用信息传送的经验可以用于多种计算机系统(参见例如 http://www.sgi.com/products/software/mpt/overview.html)。然而，由于在保护系统 中需要的实时功能，考虑IEC61850的GOOSE消息交换、如IEC61175(MVB) 的循环源寻址交换或者其它类似的标准更加适合。

由于开关和其最近的相邻连接节点之间的关系在单线图中是静态的，因此 所有电报的寻址可以静态配置，并且可以处理目标变量Tsn.vid。然而，静态限 定的信息流阻止处理失效IED。在后一种情况中，并且假设接着最接近的相邻 者的唯一标识的值对于元件也是已知的，则可以适应由与失效IED相邻的元件 发送的电报的目的地变量以便确定在上述区计算程序中该失效IED被忽略。因 此，后者导致包围了两个在前保护区的更大的保护区，并且由此增强了断路器 失效保护的可用性。当使用循环电报交换时，最可能检测到失效的IED，例如 利用循环母线或通过IEC61850GOOSE消息，在这种情况下，保持交换稳态区 ID，并且丢失的电报显示在发报IED上出现问题。

在优选变型中，模糊了电路断路器与隔离器之间的上述区别，并且区边界 专门通过打开的开关来限定。利用这一较小改变，上述算法的执行产生了所谓 的等电位区，而不是保护区，包括电连接的元件。该信息可被用于例如确定适 合的母线电压变压器(VT)以实现同步计时(synchrocheck)功能。为此，与上 述保护区计算相反，认为VT是恰好类似开关和节点的元件，并且所述VT被分 配比所有其它的标识数字高的唯一标识数字，因此保证任何稳态区ID相应于唯 一VT标识。因此，打开的电路断路器左边和右边的等电位区的区ID立即导致 VT用于同步计时功能。

图3示出这种等电位区计算的结果。耦合电路断路器2.1和2.2现在是打开 的，产生两个不同的等电位区，每一个包括所指示的母线1.1，1.2。为了连接电 路4.6而闭合电路断路器2.6。由于在临近电路断路器2.6的母线上没有提供VT， 因此相应的等电位区的范围仍然表示与电路断路器2.7相邻的VT7.7可以连同在 断路器2.6的线路侧上的VT7.6一起用于同步计时的目的。

如果还考虑接地开关的状态，则会导致电位计算区别接地部分，无源部分， 和电压下部分，例如，作为互锁计算的输入或线着色(line colouring)。每个电 位获得标识数字，例如0＝无源，2＝接地，3＝有源，4＝未知状态(缺陷开关，状 态未知)。

等电位区的计算也可以用于“反向阻断”功能，即，在可以通过连接出线上 的保护清除故障原因的情况下，在入线上的过电流保护的选择性阻塞。可以本 地动态地计算电流方向。如果输出过电流保护起动，则属于电路断路器的处理 过电流功能的IED传送该保护起动和电路断路器的区标识到所有其它的间隔， 并且同一区的在所有输入间隔处的过电流保护阻止其跳闸。

附图标记列表

1 母线

2 电路断路器

3 隔离器

4 馈入或出线导线

5 节点

6 负荷

7 电压变压器