专利名称：多重保护继电器中的分布式逻辑的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于配电系统的数字保护继电器。更具体地说，本发明涉及一种数字保护继电器和系统，用于对配电系统提供增强的保护和监视功能。
用于监视配电系统并对配电系统提供保护控制的数字保护继电器是熟知的。此处使用的术语“配电系统”包括用于产生、输送与/或分配电力到用户的系统和系统的元件。这种继电器一般被连接到配电系统上的一点，用于监视电流、电压或其它参数，并且在某个特定的状态发生时提供保护控制(例如通过提供控制信号，使和继电器相关的系统的一部分的电源被切断)。保护继电器的功能可以以许多方式被增强。例如，数字保护继电器包括微处理器，其使用户能够确定在某个状态下保护继电器将如何起作用。
按照惯例，保护继电器逻辑一直受到相当的限制。任何非通常的应用，其中涉及互锁，阻塞或监视功能一般通过硬连线接点输入和输出来实现。这种需要辅助元件和接线的方法使得许多逻辑方案极难实现。
使用户能够在一个继电器内通过编程来实现逻辑功能的柔性的逻辑方案是公知的。这种继电器一般包括用于实现预定功能的固定的逻辑，和可以由用户控制来实现附加功能的可变逻辑。一般地说，具有可编程逻辑的继电器接收模拟和数字输入，并使用这些输入产生模拟和数字输出。如果需要相对简单的方案，则使用接点输入阻塞继电器的测量元件，当对测量元件编程时进行这种选择。较复杂的逻辑方案可以在一个继电器中被编程。例如，如果需要具有一个接点输入的闭合状态和相欠电压元件的操作状态，以便阻断相时过流继电器的操作，则应当把逻辑编程为使两个输入相“与”，以便产生一个有效的输出，然后所述输出在把相时过流元件编程被用于阻断输入时被选择。
虽然已知的在保护继电器中的可编程逻辑可以把所需的辅助元件和连线减到最少，并且可以使用更复杂的逻辑方案，但是仍然有些限制，因为一般具有许多在操作上和配电系统相关的保护继电器。
保护继电器之间的通信是公知的。例如，US5838525披露了一种用于保护继电器中的高速单极跳闸逻辑。所述的系统包括一个远方保护继电器，其产生一个表示检测到故障的引导信号，并把所述引导信号传递给和在配电线路上的一个不同位置相关的本地保护继电器。本地保护继电器使用收到的引导信号来监控单极跳闸操作。
还已经知道一些更复杂的通信方案。例如，电力研究院(EPRI)已经制定了一套被称为UCA2.0的通信标准“Generic ObjectOriented Substation Event(面向对象的一般性子站事件)”(GOOSE)。GOOSE基于对网络上的其它同级装置的继电器的数字输出状态的异步报告。GOOSE信息被设计成一种短的、高优先权的和以高的可靠性进行通信的信息。为了实现可靠性，GOOSE信息在其有效时一直被重复。GOOSE信息不需要被确认，因而可以被多点传送。GOOSE规范含有用于表示数字点状态信息的128个位对的空间。GOOSE规范提供32个“DNA”位对，它们是表示预定事件的状态位。所有剩余的位对是“UserSt”位对，它们是表示用户定义的事件的状态位。UCA 2.0规范包括用于处理发送装置和接收装置之间的通信丢失的特征。当任何被包括的点改变时，或者在规定的时间间隔之后(“缺省的更新”时间)，如果状态没有发生变化，每个发送装置在成功地加电时发送GOOSE信息。所述发送装置还发送“保持时间”，其被设置为预定的缺省时间的3倍。
当保护继电器具有通信能力时，控制逻辑一般是预先确定的、预先编程的或者涉及在通信的保护装置之间建立主从关系。执行控制逻辑也需要在继电器之间进行相当复杂的布线。这种保护继电器和方法的缺点在于，它们限制了提供多种保护方案，或者使得难于提供多种保护方案。
保护继电器包括可编程的控制逻辑，并且能够把可编程的控制逻辑的输出传递给和同一个配电系统相关的远方保护继电器，这些应当是需要的，以便提供增强的保护和控制功能。提供增强的控制功能和用于提供配电系统的增强的保护控制的结构选择，以及能够比在和网络相关的每个保护继电器中的编程逻辑执行更复杂的逻辑方案，这些也是需要的。然而，已知的保护继电器和保护方案不能满意地实现这些目的。
本发明通过对配电网提供功率控制和监视系统克服了现有技术的缺点，并且提供了附加的优点，所述配电网包括多个数字保护继电器，其包括可编程的逻辑，并且其可以通过对等的通信网络传递控制逻辑的输入和输出。每个数字保护继电器包括用于连接配电系统和至少一个通信端口的设备、终端、装置或器具，以便连接对等的通信网络。所述对等的通信网络最好是以太网。
图1是适合于实现本发明的继电器的功能方块图；图2是在本发明的实施中的可编程的逻辑特性表；图3是在本发明的分布式逻辑的一种实施中可利用的操作数表；图4是各种已知类型的逻辑门的门特性表；图5是说明按照本发明的示例的实施例的可编程的逻辑运算符的表；图6定义一种要在本发明的分布式逻辑中实现的所需的逻辑方案；图7是描述所需的逻辑方案的流程图；图8是将图7的方法应用于图6的例子而得到的参数表；图9表示适用于实施本发明的分布式逻辑方案的保护继电器的简化结构；以及图10是在本发明的一个实施中定义各个DNA位对的功能的表。
图1是表示适合于实施本发明的继电器的功能方块图。继电器10包括数字信号处理器(DSP)12，其在操作上和配电系统或配电网中的一个或几个电流互感器CT和电压互感器VT相连。DSP12接收来自互感器的模拟信号，并把这些模拟信号输送到模数(A/D)转换器14，其接收一个或几个这些模拟输入信号，例如电流或电压值，并把数字信号输出到处理器16，该处理器计算任意个所需的参数，并输出这些参数的实际数字值。模拟输入15接收模拟输入，并包括模数(A/D)转换器17，其接收一个或几个这些模拟输入信号，例如电阻值或dcmA值，并向处理器16输出数字信号，其计算任意数量的所需的参数，并输出这些参数的实际值。DSP12和模拟输入15的数字输出和计算的参数被输入到测量块18。测量块18输出一个或几个表示测量的参数的状态的标记。处理器16还通过通信端口20向通信网络21、控制和监视块30、显示器32、数模(D/A)转换器34输出计算参数的实际值。在图1中，应当理解，虚线表示实际值被传递，实线表示状态位或标记被传递。最好是，通信网络21是以太网LAN，但是应当理解，任何合适的通信网络都可以使用。通信网络21最好具有对等的通信能力，其中多个网络装置的任何一个可以启动和多个网络装置中的另一个之间的通信。
继电器10还包括接点输入22，其在操作上和接点24相连。接点输入22输出表示接点24的状态(开，闭)的标记。继电器10还包括虚拟输入块24，其接收来自键垫26、通信端口20或其它合适的输入源的虚拟输入。虚拟输入块24输出一个或几个表示虚拟状态的标记。继电器10还包括远方输入块28，其通过通信端口20接收输入。
从测量块18、接点输入22、虚拟输入24和远方输入28输出的状态标记都被提供给或门36。或门36还接收来自控制和监视块30、可编程的逻辑方程块38、数字元件块40、可编程的逻辑计数器42、虚拟输出块44和操作一对接点47的接点输出块46的状态标记输入。或门36向测量块18、可编程的逻辑方程38、数字元件40、计数器42、远方输出块48、接点输出46、显示器32、以及通信端口20输出所有这些输入的逻辑或。远方输出块48向通信端口20输出信息数据(例如以GOOSE格式)。
在图1的继电器中所有数字信号的状态由标记或其它的操作数表示。在一个实施例中，由“设置”标记表示数字“1”。如图1所示，外部接点(接点24)的状态的改变可用于当在可编程的逻辑方程中向一个控制特征输入时停止元件的操作，或者可用于操作接点输出46。接点输入的状态可在本地显示器32上显示，或者通过通信网络21在远方观看。如果需要实施相对简单的方案，其中接点输入用于阻断元件，则当对该元件编程时，选择所述的方案。
图1的继电器能够通过可编程的逻辑方程38、数字元件40和计数器42实现更复杂的逻辑方案。例如，如果需要使接点24的闭合状态和相欠电压元件的操作状态阻断相时过电流元件的操作，则所述两个输入状态在块38的逻辑方程中被编程。在本例中的方程使两个输入相与，产生一个虚拟输出(通过块44)。然后，在对相时或过电流编程时选择这个虚拟输出用作阻断输入。如图1所示，在块44中的虚拟输出可以只通过可编程的逻辑方程38产生。
图1的继电器通过使用被按顺序处理的逻辑方程(例如在“后缀”的说明中)能够使得对确定输入、元件和输出的相互作用的逻辑进行现场编程。虚拟输入24和虚拟输出44可由继电器内部使用，或者通过通信端口20由其它和主从通信网络相连的继电器使用，并且远方输入48可以通过通信端口20由和对等通信网络相连的其它继电器使用。正如下面详细讨论的那样，在对等通信网络中的所有继电器能够交换远方输入和输出，这使得可以实现分布式的可编程逻辑。因而，应当理解，虚拟输入涉及主从关系，而远方输入和输出涉及通信装置之间的对等关系。
图1所继电器的可编程逻辑38使用户能够通过由操作符和操作数构成的一系列的方程使继电器用户化。操作数是输入、元件和输出的状态。操作符包括逻辑门、计时器和闭锁(其设置和复位输入)。按照顺序的操作使得特定操作数的任何组合可以作为输入被指定给特定的操作符，从而产生输出。方程的最后的输出是被编号的寄存器(虚拟输出44)。虚拟输出44可在任何方程中用作输入操作数，包括产生输出的方程(例如作为封入或其它类型的反馈)。
在图1的继电器的可编程逻辑中，操作数具有1或0的逻辑状态。操作符提供预定的功能，例如与门或计时器。每个可编程的逻辑方程定义用于在元件44中设置虚拟输出标记的参数的组合。因而，方程的计算结果或者是1(on，标记被设置)，或者是0(off，标记未被设置)。最好是，每个可编程的逻辑方程在配电系统的每个电源频率的周期至少被计算4次。
图2是表示可编程的逻辑特征的表，即其中表示按照本发明的一个实施例的不同类型的操作数的特征。在本例中的输入被定义为元件拾取PKP，元件操作OP，接点输入，虚拟输入，虚拟输出和有效设置组。当测试的参数超过相应于上升值的元件的拾取设置，或者低于相应于下降值的元件的拾取设置时，元件拾取PKP是逻辑“1”或“ON”。当测试的参数已经高于或低于用于编程的时间延迟的元件的拾取设置时，元件操作OP输入是逻辑“1”或“ON”。当逻辑输入接点处于编程的ON状态时，接点输入是逻辑“1”，并当虚拟输入是ON状态时，虚拟输入是逻辑“1”。当虚拟输出标记处于设置状态时，虚拟输出是逻辑“1”(即可编程的逻辑方程的计算结果是逻辑“1”)。当有效设置组有效时，有效设置组是逻辑“1”。
图3是在本发明的分布式逻辑的一种实施中可利用的操作数表。表中列出了操作数类型，操作数语法，和操作数定义。当然应当说明，这仅仅是一种实施，并且可以使用其它的操作数。
图4是各种已知类型的逻辑门的门特性表。应当理解，虽然对于本实施例，对于OR,AND,NOR,和NAND门的输入端不超过16个，但是不同的实施例可以具有不同数量的输入端限制。
图5是说明按照本发明的示例的实施例的可编程的逻辑操作符的表。每个操作符类型包括一个或几个操作符语法，每个的定义示于表的第三列。同样，应当理解，本领域的技术人员，可以定义本发明的其它实施例的其它合适的操作符。
在本发明的一个实施例中，以下的规则适用于块38中的可编程的逻辑方程1)任何接点输入，虚拟输入或输出，元件操作数，或逻辑门操作符，可被使用任何次数；2)计时器操作符和虚拟输出操作数的分配在方程中只能使用一次；3)操作数先于操作符；4)对虚拟输出分配操作符的输出结束一个方程；以及5)‘END’参数被置于所用的最后参数之后(其将是一个分配的虚拟输出)，用于表示不需要进一步处理。利用按照这些规则构成的逻辑方程，每个方程可以按照参数输入的顺序进行计算。
在如此定义的操作数特性，操作数，逻辑门和定义的操作符之下，现在参照图6讨论示例的逻辑方案。作为一个示例的逻辑方案，假定一些逻辑已经被编程，用于产生虚拟输出VO1和VO2，包括从在对等通信网络上的其它继电器装置作为远方输入而获得的状态数据，并且只使用整个方程组的一部分。在本例中，虚拟输出分配(例如VO1-VO64)只能分配一次。图6确定了一种所需的逻辑方案，图7是说明用于实施所需的逻辑方案的方法的流程图。应当理解，该方法执行后缀，或“逆波兰”表示法，其简化对于所需逻辑方案的逻辑方程的产生。在该方法中，在步100，检查所提出的逻辑方案的逻辑图，确定所需的逻辑是否可以利用在可编程的逻辑系统中的给定的一组操作符来实现。如果不能，则在步102改变逻辑，直到该条件被满足。一旦条件被满足，则在步104确定每个门的输入的数量是否超过预定的限制。如果输入数量太高，则把输入分成多个门，使得产生等效的逻辑结果。例如，如果需要对一个AND门具有25个输入，则可以使一个AND门接收16个输入，第二个AND门接收9个输入，并且两个AND门的输出被“与”在一起，从而产生等效的逻辑结果。在步106，在开头的操作数和最后的虚拟输出之间的每个操作符被检查，确定是否操作符的输出被用作后面的一个以上的操作符的输入。如果是，则该操作符的输出在步108被指定作为虚拟输出。在图6所示的例子中，AND门的输出被用作OR1和计时器1的输入，因此成为虚拟输出，并被分配一个虚拟输出数(例如VO3)。最后的输出也必须被分配一个虚拟输出数(例如VO4)，其将在接点输出块46(图1)中被编程，用于操作继电器H1。前面的步100-108提供一种用于确定所需的逻辑是否可以被实现的方法。
在步110，为所需的方程准备逻辑图，以便产生虚拟输出。在图6的例子中，因为虚拟输出VO3是对于虚拟输出VO4的方程中的一个操作数，所以应该首先确定VO3，因为应该首先确定要用作操作数的任何的虚拟输出。对于较后的虚拟输出(即依赖于前面的虚拟输出作为操作数的虚拟输出)，对于较后的虚拟输出的逻辑图，应当利用前一个虚拟输出的数(例如VO3)代替对于前面的虚拟输出的逻辑图。在步112，通过把逻辑图变换成图2-5中的可利用的逻辑参数对可编程的逻辑方程编程。每次形成方程的一个参数，直到所需的逻辑被完成。应当理解，一般地说，在方程的输出端开始并向着输入往回进行处理比较容易，并且一般地说从底到顶列出操作数输入比较容易。
为了说明方便，通过把最后的逻辑输出标识为参数99来说明前面的例子，并且每个前一个参数被依次减1。所得的参数如图8所示。对于参数99，方程的最后的输出是VO3，其增加操作符“=虚拟输出n”。因此这个参数是“=虚拟输出3”。所有方程都由这个参数确定，并由操作符“END”确定所需的总的逻辑组。对于参数98，在输出前面的门是AND，其需要2个输入因此被指定为AND(2)。这个2个输入的与门将根据其前面的两个操作数操作。这些操作数在其余的参数中被确定，如下所述。对于参数97，对AND门的一个较低的输入通过一个反相器，如图6所示，使得这个参数是NOT，并影响其前方第一个操作数。因而，参数96描述对反相器的输入，其在本例中是接点输入H1c。参数95确定对AND门的另一个输入，其是数字元件2。因而对于VO3的最终的逻辑方程由参数95-99构成，按照顺序写出数字元件2，接点输入H1c,NOT,AND(2)，=虚拟输出3。然后使用类似的处理对于VO4产生可编程的逻辑方程。按照本发明的一个方面，虚拟输出可以从本地和远方装置中的信息产生。
在步114，构成完整的可编程的逻辑方程。最好是，方程以这样的顺序构成，其中用作操作符的输入的虚拟输出在其被需要之前产生。在大多数情况下，这没有困难，如本例的情况，因为所有的逻辑每个电源频率的周期至少被计算4次。由“END”操作符结束一组柔性的逻辑方程。
如上所述，按照本发明的一个方面，来自对等通信网络上的不同的保护继电器的远方输出可以被组合，从而大大增加逻辑控制的可能性，并提供用于配电系统的虚拟的不受限制的保护和控制方案。
图9表示一种在操作上和配电网92相连的保护继电器90的简化的结构，所述保护继电器通过通信端口20和对等通信网络21相连．在本发明的一个实施中，在对等通信网络中的每个保护继电器一直监视通信网络上的信息。所述每个信息包括信息源的识别部分。如果继电器检测到其需要的信息(例如来自另一个保护继电器的虚拟输出)，该信息由包含在每个信息中的发源装置的识别部分识别，继电器便对该信息起作用。每个继电器被编程，用于只捕捉来自这些感兴趣的远方继电器的信息。这由输入和感兴趣的每个远方继电器相关的唯一的识别符完成。在本发明的当前优选的实施例中，对于每个保护继电器，可以对多达16个不同的远方装置编程。
除去包括被指定给发源继电器的唯一的识别符之外，信息中还包括装置“保持”时间的信息；即，关于多长时间所述信息是有效的信息。
更具体地说，接收继电器设置一个被指定给发源装置的计时器，用于“保持”时间间隔，并且在这个时间间隔结束时没有收到来自该装置的另一个信息，则该远方装置被断定是非通信的，从而将对离开所述特定的远方装置的所有的点使用编程的缺省状态。这种结构允许接收装置检测不到来自以尽可能低的速率发送信息的远方装置的一个传输，因为由其“缺省更新”设置计时器，不用返回使用编程的缺省状态。如果在“保持”时间间隔结束之前收到来自远方装置的消息，则对于该装置的所有的点被更新为在信息中包含的状态，并且保持计时器被重新开始。
信息中还包括远方输入，其可以由接收继电器从消息中提取，并被接收继电器用来产生用于可编程的逻辑方程的操作数。每个继电器可以接收多达例如32个远方输入，其可以被从例如32个DNA位对和32个UserSt位对的表中选择。在本例中，UserSt位对的功能由其状态在GOOSE消息中表示的可编程的逻辑操作数的用户选择确定，并且DNA位对的功能由图10所示的UCA2.0规范确定。每个远方输入被编程，用于重复来自特定的远方装置的特定信号的逻辑状态。这可以通过选择发出所需信号的远方装置的识别符，选择信息的特定的所需位，并通过选择将由本地继电器在启动时或者远方继电器是非通信的继电器时使用的缺省的逻辑状态，进行编程。
远方输出是被插入被发送给远方继电器装置的网络信息中的操作数。在信息中的每个数字点被编程，使得具有特定操作数的状态。
因而，按照上述的例子，每个保护继电器执行一种用于在保护继电器中提供配电系统的保护控制的方法。所述方法包括以下步骤至少根据包含在信息中的识别符的一部分捕捉来自对等通信网络的至少一个输入信息；从输入信息中提取远方输入或操作数；使用提取的远方输入或操作数执行用户可编程的逻辑方程，以便确定保扩继电器是否执行保护继电器的功能；以及向对等通信网络输出至少一个输出信息，每个输出信息用于识别保护继电器并且包括一个或几个操作数。
从上述说明应当理解，通过在网络中的每个保护继电器中提供远方输入和输出，并且通过使逻辑方程能够被编程并被指定给本地物理的和虚拟的输入和输出(即位于各个继电器内的输入和输出)和与网络中的其它保护继电器相关的远方输入和输出，本发明使得能够在整个保护继电器网络中分配逻辑功能。这使得可以构成几乎无限的逻辑结构，和常规的方法相比，在电力系统的保护和控制方面使用户具有极大的灵活性。这也避免了在继电器之间的复杂的布线，并且不需要和配电系统相关的每个保护继电器的大量的物理输入。
虽然上述的说明包括许多细节，但是这些都是为了说明而已，并不以任何方式限制本发明的范围。不脱离本发明的范围和构思，本领域内普通技术人员可以作出各种改变和改型，本发明的范围由下面的权利要求及其法定的等同物限定。
权利要求
1．一种电源控制和监视系统，包括配电网络；多个数字保护继电器，每个数字保护继电器和配电网络上的一个或几个点相关，并且每个数字保护继电器包括和对等通信网络相连的通信端口，其中每个数字保护继电器包括用户可编程逻辑，并且其中逻辑输入和输出通过对等通信网络在多个数字保护继电器之间传递。
2．如权利要求1所述的系统，其中对等通信网络是以太网，并且其中逻辑输入数据和逻辑输出数据按照电力研究院UCA2.0格式在多个数字保护继电器之间传递。
3．如权利要求1所述的系统，其中用户可编程的逻辑电路使用后缀表示法。
4．如权利要求1所述的系统，其中每个数字保护继电器被编程用于在对等通信网络上接收来自多个数字保护继电器的某一个的信息。
5．如权利要求4所述的系统，其中通过对每个保护继电器提供和多个数字保护继电器的某一个相关的唯一的识别符对数字继电器编程。
6．如权利要求2所述的系统，其中逻辑数据以消息的形式被传递，每个消息包括用于识别发出所述消息的保护继电器的唯一的识别符，以及用于用户可编程的逻辑电路中的一个或几个远方输入。
7．如权利要求6所述的系统，其中远方输入是用于逻辑方程的操作数。
8．一种数字保护继电器，包括用于连接配电系统的连接元件；用于连接对等通信网络的至少一个通信端口；用于接收来自用户的逻辑指令的输入；以及用于执行用户提供的逻辑指令的可编程逻辑；其中含有逻辑输入和输出的网络消息通过对等通信网络在多个数字保护继电器之间传递。
9．如权利要求8所述的继电器，其中对等通信网络是以太网，并且其中逻辑输入和逻辑输出按照电力研究院UCA2.0格式在多个数字保护继电器之间传递。
10．如权利要求8所述的装置，其中用户可编程的逻辑是使用后缀表示法的可编程逻辑。
11．如权利要求8所述的继电器，其中继电器被编程用于在对等通信网络上接收来自多个数字保护继电器的某一个或一些的信息。
12．如权利要求11所述的继电器，其中通过对每个保护继电器提供和多个数字保护继电器的某一个相关的唯一的识别符对继电器编程。
13．如权利要求9所述的系统，其中逻辑数据以消息的形式被传递，每个消息包括用于识别发出所述消息的保护继电器的唯一的识别符，以及用于用户可编程的逻辑电路中的一个或几个远方输入或输出。
14．如权利要求13所述的系统，其中远方输入或输出是用于逻辑方程的操作数。
15．一种用于在保护继电器中提供配电系统的保护控制的方法，所述方法包括以下步骤捕捉来自对等通信网络的至少一个输入消息，每个输入消息识别一个远方保护继电器；从所述至少一个消息中提取操作数；使用提取的操作数执行用户可编程的逻辑方程，以便确定保护继电器是否执行保护继电器的功能；以及向对等通信网络输出至少一个输出消息，每个输出消息用于识别保护继电器并且包括一个或几个操作数。
16．如权利要求15所述的方法，还包括在捕捉步骤之前的监视步骤，用于监视来自多个远方保护继电器中的特定的一个的消息。
17．如权利要求15所述的方法，其中对等通信网络是以太网。
18．如权利要求15所述的方法，其中每个信息的格式是电力研究院UCA2.0格式。
全文摘要
本发明提供了一种保护继电器、保护继电器系统和继电器操作方法,使得逻辑功能能够在和配电系统相关的多个保护继电器当中分配。所述保护继电器包括用于通过对等通信网络传递信息的通信端口,并包括可编程的逻辑。每个保护继电器接收被包含在来自远方保护继电器的信息中的逻辑操作数,使用接收的操作数执行逻辑方程,在需要时则提供保护控制,并向其它保护继电器输出所述操作数。
文档编号H02H3/00GK1300456SQ00800140
公开日2001年6月20日 申请日期2000年2月11日 优先权日1999年2月12日
发明者C·B·坎普贝尔, R·默雷, A·W·拜根特 申请人:通用电气公司