电力系统中的继电器间直接通信系统和方法

专利名称：电力系统中的继电器间直接通信系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及电力系统中的通信系统，并更具体地涉及电力系统中的继电器间直接通信系统和方法。
背景技术：
在美国专利号5，793，750中(特此通过引用将其内容结合在本文中)，公开了一种用于电力系统的两个基于微处理器的保护继电器之间的通信系统。该系统中的两个继电器的每一个均具有传输和接收模块，用于将指示一个继电器的所选择的保护功能的结果的指示状态比特从这一个继电器直接传输至另一继电器，反之亦然。
输出状态指示比特有时被用于识别由两个继电器服务的电力线路部分上的故障的存在和位置。继电器中的一个或两个可能会基于这种信息的交换而启动断路器跳闸(trip)操作。输出状态指示比特可以是继电器中的一个中的处理功能的结果，涉及电力线路上的电压和/或电流。输出状态指示比特可被用于各种控制、状态、指示和保护功能。保护功能的实例包括允许式超范围转送跳闸(permissive overreachingtransfer trip, POTT)操作、允许式欠范围转送跳闸(permissiveunder-reaching transfer trip, PUTT)操作、方向比较解锁(directionalcomparison unblocking, DCUB)和直接转送跳闸(direct transfer trip,DTT)操作。使用特定的输出状态指示比特，其它的继电器间操作也
是可能的。
在'750申请中描述的通信系统的优点是快速和安全。保护继电器 典型地在每个电力系统周期中完成其监视功能若干次。'750通信系统 提供一个继电器的这些监视功能的结果到另一继电器。信息通过通信 链路从基于其操作结果可能或可能不使其相关断路器跳闸的始发继电 器直接传输到另一继电器。接收继电器然后使用以数字比特形式传输 的信息来执行其自身的正在进行的计算，产生各种保护操作(诸如在 适当时跳闸和闭合断路器)。两个继电器之间的通信可以是双向的，从 而允许两个继电器以最小的开销量，快速和安全地交换关于它们自身 计算的结果的信息。
在，750申请中，输出状态指示容量是八比特。然而，在许多情况 下，八个信道是不必要的。例如，两个或三个比特通常足以完成期望 的继电器间的保护、控制和监视方案。因此，相当数量的比特会未被 使用。本发明利用那些未使用的比特。其从每个未使用的比特形成串 行数据流或信道，并利用那些串行数据信道来显著地增加可在两个继 电器之间通信的信息量。本发明可不利用八个信道、利用八个信道中 的一些或全部来传递输出状态指示比特。如果少于八个信道被用于输 出状态指示比特，则未使用的信道可被用于传递其它选择的信息。

发明内容
在一个实施例中，提供了电力系统中的继电器间直接通信系统。 该继电器间直接通信系统包括具有第一传输模块的第一保护继电器， 其中第一传输模块包括适于提供多个数据信道的第一微控制器。多个 数据信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关。继电器间直 接通信系统还包括经由通信链路直接连接到第一保护继电器的第二保 护继电器。该第二保护继电器包括第一接收模块，其中第一接收模块 包括适于提供多个数据信道的第二微控制器。第一接收模块对信道数 据的接收速度可基于作为多个串行消息而分配给第一传输模块的多个 数据信道的信道数据的分配而被调整。
在另一实施例中，提供了电力系统中的继电器间直接通信系统。该继电器间直接通信系统包括具有第一传输模块的第一保护继电器， 其中第一传输模块包括适于提供多个数据信道的第一微控制器。多个 数据信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关。继电器间直 接通信系统还包括经由通信链路直接连接到第一保护继电器的第二保 护继电器。第二保护继电器包括第一接收模块，其中第一接收模块包 括适于提供多个数据信道的第二微控制器。通信链路适于以可预测的 速率传输多个串行消息，其中多个串行消息中的每个均使用与信道数 据相对应的信道数据比特来形成。第一和第二微控制器中的每个还适 于通过检测多个串行消息中的损坏的串行消息和丢失的串行消息来提 供通信链路监视能力，并适于基于在一时间段期间的损坏的和丢失的 串行消息的数目来计算通信链路可用性。
在另 一实施例中，提供了电力系统中的继电器间直接通信系统。 该继电器间直接通信系统包括具有第一传输模块的第一保护继电器， 其中第一传输模块包括适于提供多个数据信道的第一微控制器。多个 数据信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关。继电器间直 接通信系统还包括经由通信链路直接连接到第一保护继电器的第二保 护继电器。该第二保护继电器包括第一接收模块，其中第一接收模块 包括适于提供多个数据信道的第二微控制器。通信链路适于以可预测 的速率传输多个串行消息，多个串行消息中的每个均使用与信道数据 相对应的信道数据比特来形成。第一接收模块对信道数据的接收速度 可基于分配给第一传输模块的多个数据信道的信道数据的分配而被调 整。第一和第二微控制器中的每个还适于通过检测多个串行消息中的 损坏的串行消息和丢失的串行消息来提供通信链路监视能力，并适于 基于在一时间段期间的损坏的和丢失的串行消息的数目来计算通信链 路可用性。
在另 一实施例中，提供了用于计算电力系统中的继电器间直接通 信系统中的通信链路可用性的方法。继电器间直接通信系统具有包括 适于提供多个数据信道的第一微控制器的第一保护继电器，并且具有 经由通信链路直接连接到第一保护继电器的第二保护继电器。第二保 护继电器包括适于提供多个数据信道的第二微控制器，其中多个数据 信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关。该方法包括将信
10道数据转换成多个串行消息，经由通信链路以可预测的速率传输多个 串行消息中的每个，确定接收到的未损坏的串行消息的总数，以及将 在一时间段期间接收到的串行消息的总数除以预期在该时间段期间接 收的串行消息的数目。


图i是可在典型广域(wide area)中利用的电力系统的单线(single line)示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的图1中的电力系统的继电器间 直接通信系统的框图。
图3是根据本发明的一个实施例的图2中的继电器间直接通信系 统的示例性的接收到的帧。
具体实施例方式
如上所示，本发明基于美国专利号5,793,750的通信系统并且是美 国专利号5,793,750的通信系统的改进，该通信系统包括服务电力设备 的两个保护继电器之间的直接通 信链路，该系统支持涉及用于在两个 继电器之间快速和安全地交换输出状态指示比特的八个数据信道的通 信配置或协议。信道数据比特TMB1-TMB8标识在八个数据信道上的 八个传输比特。
那些比特在由另 一 继电器接收到时被标识为接收信道数据比特 RMB1-RMB8，其中RMB1-RMB8是传输信道数据比特的"镜像"或 复制。八个数据信道可提供至少八个输出状态指示比特。然而，如上 所示，在许多双继电器配置中，仅两个或可能三个信道是传递输出状 态指示比特所必需的。利用本发明，空闲的信道空间现在可由所选择 的附加数据(下面讨论)和相关的同步信道使用以同步附加数据。
附加数据可以是数字化的模拟量，诸如测量数据(metering data), 或者可以是"虚拟终端"数据。在虚拟终端配置中，人类用户或另一 应用利用直接通信链路来与另一继电器通信。例如，人类用户可利用 直接通信链路来控制或询问另一继电器。诸如如同DNP3的集成协议 的应用也可利用虚拟终端配置中的通信链路。图1是可在典型广域中利用的电力系统10的单线示意图。如图1 中所示，电力系统10尤其包括配置成生成三相正弦波形(例如三相
12kV正弦波形)的两个发生器12，配置成将12kV正弦波形增加到诸 如138kV的更高电压的两个升压电力变压器14和许多断路器18。升 压电力变压器14将更高电压的正弦波形提供给诸如传输线路20的许 多长距离传输线路。在一个实施例中，第一子站16可被定义为包括发 生器12、升压变压器14和断路器18，它们都经由第一总线19互连。 在长距离传输线路20的端部，第二子站22包括降压电力变压器24以 将更高电压的正弦波形变压成适合于经由分配线路分配给各种终端用 户26和负载30的更低电压的正弦波形(例如，15kV)。
如前所述，电力系统IO包括保护装置和程序以保护电力系统元件 免受故障或其它异常状况的影响。保护装置和程序利用各种保护逻辑 方案以确定在电力系统10中是否存在故障或其它问题。例如， 一些类 型的保护继电器利用电流差分比较以确定在保护地带中是否存在故 障。其它类型的保护继电器比较表示电力系统正弦波形的计算的相量 的幅度以确定在保护地带中是否存在故障。频率感测技术和谐波含量 检测也包含在保护继电器中以检测故障状况。类似地，热模型方案被 保护继电器利用以确定在保护地带中是否存在热问题。
再次参照图1，其还包括适于提供例如传输线路21的过电流保护 的第一和第二保护继电器100和102。如下所述，第一和第二保护继电 器100、 102也适于经由可使用许多适合的介质之一配置的通信链路34 进行通信。适于与第一保护继电器100和/或第二保护继电器102通信 的诸如保护继电器104的附加保护继电器也可包括在电力系统10中。
图2是根据本发明的一个实施例的电力系统10的继电器间直接通 信系统40的框图。尽管使用第一和第二保护继电器IOO、 102来示出， 但应该理解的是，继电器间直接通信系统40可包括可操作地连接到第 一和/或第二继电器100、 102并适于如下所述操作的附加保护继电器。 此外，尽管使用第一和第二保护继电器100、 102来示出，但应该理解 的是，本文中描述的设备和方法可应用于电力系统10的任何智能电子 装置(IED)之间的通信。
为了便于讨论，第一保护继电器100被显示为传输继电器，并尤其包括具有可操作地连接到接收和传输接口装置的微控制器42的"传
输"模块41;在该实例中，是通用异步收发器(UART) 43。(传输) UART 43被配置成把由第一保护继电器操作产生的(对应于信道数据 的)信道数据比特的字节转换成用于经由通信链路34向外传输给第二 保护继电器102的单个串行消息流，并把(来自第二保护继电器102 的)进入的串行消息流转换成适合于第一保护继电器100使用的信道 数据的字节。
类似地，第二保护继电器102被显示为接收继电器，并尤其包括 具有可操作地连接到如上所述操作和配置的另一 UART46的第二微控 制器45的"接收"模块44。尽管没有分开示出，但第一和第二保护继 电器100、 102中的每个均包括传输和接收能力以便能够进行双向通信。 尽管以功能框图的形式示为传输和接收模块41、 44，但是本文中描述 的继电器间直接通信系统和方法可通过执行计算机程序、保护算法或 继电器逻辑方案的微处理器或现场可编程门阵列(FPGA)来实现。此 外，尽管被示为可操作地连接到第一微控制器42的UART 43和可操 作地连接到第二微控制器45的UART46，但是可以利用任何适合的传 输和接收接口装置之一来将信道数据比特的字节转换成用于经由通信 链路34传输的串行消息流。
传输模块41和接收模块44经由通信链路34可操作地连接。如上 所述，通信链路34可采用RF链路、微波链路、音频链路、光纤链路 或适于承载串行数据的其它类型的适合的链路来实现。如图所示，除 了输出状态指示比特之外，传输和接收模块41、 44中的每个均能够传 输/接收串行消息形式的其它类型的信道数据。例如，信道数据可包括 需要多于单个比特的从模拟量派生的数字化的模拟值，诸如测量信息、 断路器故障系统安全增强信息、重新闭合使能信息、仪表变压器检测 和多终端故障位置信息，仅是举出一些。
参照传输模块41，八个数据信道的配置被配置成使得两个数据信 道，数据信道47和数据信道48与分别作为信道数据比特1 (TMB1) 和TMB2从第一保护继电器100的传输模块41传输给第二保护继电器 02的接收模块44的常规输出状态指示比特57相对应。三个数据信道， 数据信道49、数据信道50和数据信道51专门用于分别作为信道数据比特TMB3、 TMB4和TMB5从第一保护继电器100的传输模块41传 输给第二保护继电器102的接收模块44的数字化的模拟值59、 60和 61。
每个数字化的模拟值59、 60、 61通过例如将表示模拟量(例如， 系统阻抗、电流、电压)的32位浮点数转换成18位浮点数来形成。 18位浮点数然后被串行化使得来自每个数字化模拟值59、 60、 61的一 个比特分别作为信道数据比特TMB3、 TMB4和TMB5被包括在成序 列的传输的消息中，直到与数字化的模拟值59、 60、 61相关的所有比 特都被传输为止。例如，如果每个数字化的模拟值59、 60、 61均以18 位来表示，则十八个成序列的串行消息被传输，其中第一串行消息包 括作为信道数据比特TMB3传输的数字化模拟值59的第一比特、作为 信道数据比特TMB4传输的数字化模拟值60的第一比特和作为信道数 据比特TMB5传输的数字化模拟值61的第一比特。类似地，第二串行 消息包括作为信道数据比特TMB3传输的数字化模拟值59的第二比 特、作为信道数据比特TMB4传输的数字化模拟值60的第二比特和作 为信道数据比特TMB5传输的数字化模拟值61的第二比特，等等。
应该注意的是，尽管牺牲了一些精度，但是将(表示模拟量的) 32位浮点数转换成相应的18位浮点数的转换方案使得能够更快地传 输给第二保护继电器102。还应该注意的是，其它转换方案可取决于测 量的模拟量、需要的精度和期望的传输速度而被利用。
两个附加数据信道，数据信道52和数据信道53便利于分别作为 信道数据比特TMB6和TMB7从第一保护继电器100的传输模块41 传输给第二保护继电器102的接收模块44的虚拟终端数据。如上所述， 虚拟终端数据是指由位于本地继电器(例如，第一继电器100)的用户 经由通信链路34提供到远程继电器(例如，第二继电器102)的数据。 在这样的配置中，本地继电器作为虚拟终端工作以允许用户利用在未 使用的信道上传递数据的熟悉的串行端口用户接口询问和/或控制远程 继电器。虚拟终端方案还添加快速测量/操作能力。如同上述的数字化 模拟值，虚拟终端数据被逐比特地串行化，使得例如18位虚拟终端数 据在18个成序列的串行消息中逐比特地传输，其中前两个比特是净荷 标记并且最后十六个比特是两个8比特数据字节。例如，18位虚拟终
14端数据可被表示为PiPsdwdwdwdud^dndjodgdsC^dsdscUc^c^d"其中p,=l
指示d,-d8为净荷字节，p2=l指示d9-山6为净荷字节(参见图3)。
第八个数据信道54专门用于作为信道数据比特TMB8从第一保护 继电器100的传输模块41传输给第二保护继电器102的接收模块44 的同步信息。同步信息使得与模拟值59、 60、 61和虚拟终端数据62 相关的数据信道能够同步。这样，当任何数据信道47-53被用于除了输 出状态指示比特以外的任何信息时，为作为信道数据比特TMB8传输 的同歩信息分配专用的同步信道。
尽管利用八个数据信道的配置来示出，但应该理解的是，不同数 目的数据信道或者数据信道的不同配置和/或分配可由通信系统40的 第一和第二保护继电器100、 102使用。因此，图2中示出的输出状态 指示比特的两个数据信道与模拟值的三个数据信道和虚拟终端数据的 两个数据信道是任意的。输出状态指示比特可占用更多或更少或不占 用数据信道，模拟值可占用更多或更少或不占用数据信道，并且虚拟 终端数据可占用更多或更少或不占用数据信道。另外， 一个模拟值可 占用多于一个数据信道以进行更快的传输。类似地，虚拟终端数据可 占用多于一个数据信道以进行更快的传输。
此外，在一个实施例中，数据信道的配置和/或分配可以是固定的， 而在另一实施例中，数据信道的配置和/或分配可在继电器操作期间取 决于保护继电器100、 102的期望的配置而被动态地改变。结果，接收 模块44对信道数据的接收速度可基于分配给许多数据信道的信道数据 的分配而被调整。
例如，如果18位虚拟终端数据在继电器操作的高活动阶段期间被 动态地分配给一个数据信道，则其在18个成序列的串行消息中被逐比 特地传输，然后被重新装配以供接收继电器使用。如果经由通信链路 34每]毫秒传输一个消息，则接收整个18位虚拟终端数据需要18毫 秒。相反，如果相同的18位虚拟终端数据在继电器操作的较低活动阶 段期间被动态地分配给三个数据信道，则其在6个成序列的串行消息 中被逐比特地传输，需要六毫秒。
在传输之前，八个信道数据比特TMB-TMB8中的每个由编码器 65编码以使用任何数目的适合的技术中的一个形成经编码的消息66。经编码的消息66可取决于所选择的编码方案而因此具有任何数目的适
合的格式中的一种。例如，在一个编码方案中，经编码的消息66可包 括分成四个9比特(36比特长度)或10比特(40比特长度)字符的 36或40比特加上多个空闲比特。空闲比特的数目可取决于所选择的传 输速度而变化。
继续该实例，比特可被装配使得前9-10比特字符包括单个起始比 特，后面跟随着六个信道数据比特TMB1-TMB6，后面跟随着奇数奇 偶校验比特和按照用户选择的一个或两个停止比特。第二字符可包括 第二单个起始比特，后面跟随着六个信道数据比特TMB5、 TMB6、 TMB7、 TMB8、 TMB1和TMB2，后面跟随着奇数奇偶校验比特和一 个或两个停止比特。第三字符可包括一起始比特，后面跟随着六个信 道数据比特TMB7、 TMB8、 TMB1、 TMB2、 TMB3禾口 TMB4，后面跟 随着奇数奇偶校验比特和一个或两个停止比特。消息中的第四和最终 的字符可包括单个起始比特，后面跟随着六个信道数据比特 TMB3-TMB8，后面跟随着奇数奇偶校验比特和一个或两个停止比特。 剩余的比特如果存在的话，是取决于数据的传输速度的可变数目的空 闲比特。
通过使用这样的编码方案，信道数据比特TMB1-TM:B8中的每个 在一个经编码的消息66的四个字符部分中被重复三次，并且在经编码 的消息66的每个字符部分之间插入单个停止和奇偶校验比特以及一个 或两个停止比特。该编码方案允许接收或第二保护继电器102检査可 能在传输期间已经发生的故障。
除了将比特装配成消息之外，第一和第二保护继电器100、 102中 的每个均可适于进 一 步使用在系统配置期间选择的标识符模式 (identifierpattern)来进行编码和解码。例如，如果被预编程为包括一 个特定的标识符模式，则传输编码器65将每个消息中的四个字符中的 一个逻辑反转，作为将标识符模式编码成消息的一种手段。如下所述， 接收或第二继电器102然后确保接收到的消息己经采用正确的标识符 模式被编码。尽管被描述为将一个字符逻辑反转的装配消息，但应该 理解的是，其它适合的格式和编码方案也可由编码器65利用来生成经 编码的消息66。经编码的消息66然后被应用于适于满足系统的若干操作参数的
UART 43。通常，UART 43将经编码的消息66转换成串行消息67以 用于经由通信链路34作为串行消息流的一部分传输。因此，接收UART 46也必须能够检查接收到的串行消息67以进行适当的成帧(每字节的 一个停止比特的存在)和适当的奇偶校验，并能够检测超限(overmn) 故障。
UART43可被编程用于各种波特率。例如，其可被编程用于从300 到115,000范围的波特率。UART43还适于使用外部提供的传输和接收 时钟来同歩传输和接收串行消息。本领域的技术人员将能理解，使用 起始和停止比特或使用同步时钟的比特同步方法是用于同步的任何数 目的适合的方法中的一种方法。
在准备好由UART43传输后，串行消息67通过通信链路34被传 输到接收模块44。在一个实例中，当第一或传输继电器IOO每电力系 统周期的{分数(1/16) }采样和执行其监视功能时，每个串行消息67 以1毫秒间隔发送，从而反映传输继电器的采样速率。采样和传输速 率可取决于传输继电器的期望操作而变化。
现参照接收模块44，接收UART 46提供传输UART 43的对应功 能。当第二继电器102的接收模块44接收到串行消息67时，UART46 对串行消息67的每个字符执行若干数据检查。其也检查串行消息67 的每个字符以进行适当的成帧、奇偶校验和检测超限故障。
串行消息67的字符从UART 46被传递到解码器68。通常，解码 器68重新装配四个字符的组以便重建四个字符的消息。接着，解码器 68检查每个消息的错误，并且也检查如上所述的UART检查的结果。 如果任何检查失败，则解码器68丢弃消息并在寄存器95 (参见图3) 中使该消息的DOK (数据OK)标记94无效。
更具体地，在示出的实例中，解码器68确保存在包括在传输的四 字符编码消息66中的八个信道数据比特TMB1-TMB8的三个副本。如 果标识符模式被用于对经编码的消息66进行编码，则解码器68也检 查以确保经编码的消息66包括标识符模式。应该注意的是，上述编码 /解码方案是任何数目的适合的实现可在本发明的方法和设备中使用的 故障检测的编码/解码方案中的一个。
17作为解码器68的操作结果，提供了 DOK标记94和信道数据比 特RMB1-RMB8。接收到的信道数据比特RMB1-RMB8是传输的信道 数据比特TMB1-TMB8的镜像或复制。数据OK (DOK)标记94提供
是否在接收到的消息中检测到错误的指示。
与第一继电器102的传输模块41类似，第二继电器102的接收模 块44包括八个数据信道的配置，其中两个数据信道专门用于输出状态 指示比特，三个数据信道专门用于三个数字化模拟值，两个数据信道 专门用于虚拟终端数据，并且一个数据信道专门用于同歩信息。因此， 输出状态指示比特57分别经由数据信道70和71被接收作为信道数据 比特RMB1和RMB2，并被应用于一个或多个安全计数器69。安全计 数器69确保接收到的信道数据比特RMB1和RMB2的状态在输出状 态指示比特被下游处理利用之前对于预先选择的数目的接收到的串行 消息67而言保持恒定。确保输出状态指示比特的状态保持恒定增加了 与输出状态指示比特57相关的可靠性和安全性。
因为两个信道数据比特RMB1和RMB2被逐比特传输，所以不需 要那些比特的同步。信道数据比特RMB1和RMB2由第二继电器102 使用以做出关于包括在适当时的可能的断路器跳闸操作的(由第一保 护继电器100检测到的)电力系统10的操作的确定。在示出的实例中， 数字化模拟值59、 60和61分别经由数据信道72、信道73和信道74 被接收作为信道数据比特RMB3、 RMB4和RMB5。三个数字化模拟 值59、 60、 61中的每个被每数据信道每消息一比特地串行接收，然后 在并行化元件78中被并行化。并行化元件78从接收到的连续的解码 消息58中重新装配三个数字化模拟值中的每个。如上所述，在示出的 实例中，每个数字化模拟值59、 60、 61均包括十八个比特。在一个实 施例中，十六个比特被用于信息而剩余的两个比特未被使用。因此， 对于每18个消息，完整的初始模拟值在每个对应的数据信道上被接收。
类似地，虚拟终端数据62分别经由数据信道75和76被接收作为 信道数据比特RMB6和RMB7。与模拟值59、 60、 61类似，虚拟终端 数据62被每数据信道每消息一比特地串行接收，并且也在并行化元件 78中被并行化。在示出的实施例中，虚拟终端数据62包括十八个比特。 十八个比特中的十六个比特被用于虚拟终端数据，其中十六个比特被分成两个八比特字节。两个剩余比特被用于指示两个八比特字节字段 中的哪一个实际包含虚拟终端数据，并且哪一个(如果存在的话)是
空闲的(例如，等待用户输入)。这样，对于每18个解码消息58，两 个虚拟终端字节在每个对应的数据信道75、 76上被接收。在经由并行 化元件78进行并行化后，模拟值和虚拟终端数据被提供到第二保护继 电器102。
再次，根据用户的通信要求来建立八个数据信道比特TMB1-TMB8 的特定配置。不同数目的输出状态指示比特、模拟值和虚拟终端数据 可用于形成八个信道数据比特TMB1-TMB8中的七个比特。
数据信道77或同步信道专门用于剩余信道数据比特RMB8。同歩 信道的信道数据比特RMB8使接收解码器68和并行化元件78能够找 到包括数字化模拟值和虚拟终端数据的串行消息的起始和停止边界。 当任何其它信道数据比特包括数字化模拟值或虚拟终端数据时，同步 信道是必需的。如果所有信道数据比特都被仅用于输出状态指示比特， 则同步不是必需的并且数据信道77可用于输出状态指示比特。
为了确定己经接收到完整(四个字符)的比特消息，第二继电器 102经由消息同步来识别比特消息的每个的第一字节。在一个实施例 中，消息同步在字节同步被实现后从第一个接收到的字节开始通过计 数模数4保持。因此，每一次计数器翻转(roll over)，接收到第一字
一l (■*下。
图3是根据本发明的一个实施例的继电器间直接通信系统40的示 例性的接收到的帧80。如图所示，接收到的帧80包括18个消息，其 中一连串的"底部"信道数据比特(TMB8)在编码、传输和解码后提 供18比特同步信息。另外，模拟值和虚拟终端数据经由数据信道72-76 被接收作为信道数据比特RMB3-RMB7。
参照数据信道77或同步信道，特别的帧同歩模式(例如000001) 被利用以指示所有其它数据信道(例如，数据信道70-76)处于帧的开 头。在示出的实例中，当在同步信道上接收的最后六个比特是000001 (1是最近接收到的)时，则其它数据信道被确定为处于帧边界。例如，
同步信道可被表示为4^7^^5V^/3^^1声000001，其中《=虚拟终端数
据，1=二进制一，0=二进制零，p=l指示虚拟终端数据有效，v为虚拟终端标记字节；其一般为1，但被设置为0以指示特别标记字节在虚拟 终端数据中，并且户时间同歩比特。
图3中的比较器91适于使得能够检测(来自六个最近接收到的消 息的)六个最近接收到的信道数据比特中的特别帧同步模式。在经由 比较器91的操作检测到特别帧同步模式时，模数18计数器92被询问。 如果模数18计数器92不为零，则它被复位到零，并且自从上一个有 效帧同歩(FS)信号97以来的同步、虚拟终端数据和模拟值信道(即 信道72-77)上的数据被丢弃。因此，如果模数18计数器92为零，如 果寄存器95中的所有18个最近的数据OK(DOK)标记都有效(例如， 二进制1值)并且如果比较器91被宣称(assert)指示检测到特别帧同 步模式，则AND门96使FS信号97有效，从而产生由接收或第二继 电器102利用的模拟值和虚拟终端数据。
专门用于信道数据比特RMB8的同步信道包括分成两个四比特区 段(segment) 80和82的附加虚拟终端字符。此外，如果附加虚拟终 端字符包含有效数据，则比特84具有二进制1值，并且如果附加虚拟 终端字符为空闲(诸如可以是虚拟终端会话等待来自用户的输入的情 况)，则比特84具有二进制0值。除了在下面描述的特别情况下以外， 同步信道77的比特85具有二进制1值，并且比特86典型地具有二进 制1值。当比特84和85都具有二进制1值时，同步信道中的五个连 续的零是不可能的。这确保比较器91检测到的帧同步模式000001仅 会发生在帧边界处。
半字节80和82中包含的附加终端字符也可包括控制字符，其目 的在于在虚拟终端通信应该被建立、终止、暂停等时从一个继电器(传 输)向另一个(接收)进行指示。当这些控制字符中的一个被包括在 附加虚拟终端字符中时，强制比特86变为二进制0值。特别控制字符 由系统设计者仔细地选择使得即使比特86取二进制0值，帧同步模式 000001也仅会出现在帧边界处。
另外，同步信道中的比特T 98包括以每18个消息(帧) 一比特的 速率传输的独立的串行数据流。该独立的串行数据流包含日期和时间 信息。每一次FS信号97被宣称有效时，时间同歩装置88就接受比特 T 98。与上述帧同步系统类似，附加帧同步系统允许时间同步装置88
20识别连续的时间同步消息之间的边界。S卩，特定帧同步模式被设置在 由比特t98 (即比特t串行数据流)形成的串行数据流中。比较器检测
特定帧同步模式，以及包含在比特T串行数据流中的时刻(time-of-day) 和日历日(calendar day)信息可被使用的信号。包括在比特T串行数 据流中的数据被格式化使得帧同步模式仅会出现在帧边界处。时间同 歩装置88然后利用包含在比特T串行数据流中的时刻和日历日信息来 更新时刻时钟和日历曰。
与典型的保护继电器的控制输入不同，本文中公开的继电器间直 接通信系统包括通过在损坏的串行消息出现时检测损坏的串行消息来 提供的通信链路监视能力。也就是，当损坏的串行消息由接收模块44 接收到时，接收模块可推断损坏的串行消息是通信链路34和/或相关传 输设备的错误操作或劣化的结果。可利用适合的警报来将通信链路34 和/或相关设备保持处于故障中的状况向用户通知预定持续时间。
本文中公开的继电器间直接通信系统还包括通过检测丢失的串行 消息而进行的通信链路监视。因为串行消息67经由通信链路34以预 定周期性间隔或以可预测的速率传输，所以接收模块可以推断丢失的 串行消息67是通信链路34和/或相关传输设备的错误操作或劣化的结 果。例如，如果传输模块41每秒传输250个串行消息(每4毫秒一个 消息的速率)，并且接收模块44在8毫秒时间段中没有接收到串行消 息，则可以推断通信链路和/或相关设备出现了问题。在两种情况下， DOK标记94都指示通信链路34和/或相关设备的问题，并且接收到的 模拟值和/或虚拟终端数据不被接收继电器利用(参见图3)。
本文中公开的继电器间直接通信系统还包括确定通信链路可用性 或信道可用性(其被定义为通信链路34和/或相关设备能够正确传递未 损坏的串行消息67的那部分时间)的能力。通信链路可用性可通过将 在记录时间段中的所有接收到的未损坏的串行消息的总数除以预期的 串行消息的总数来计算。例如，对于24小吋的记录时间段，以每秒250 个串行消息的速率，传输模块41传输21,600,000个消息，并且接收模 块44接收到21,590，000个串行消息67，这是因为串行消息中的9000 个被损坏并且串行消息中的1000个丢失。信道可用性将因此为 21,590,000/21,600,000=99.9537%。可以在信道可用性降到预定阈值以下时，利用适合的警报通知用户。
本领域的技术人员将能理解，可用性计算的变型是可能存在的， 例如，对接收到的帧80进行计数来确定数字化模拟值和/或虚拟终端数
据的可用性。例如，因为重建18比特数字化模拟值需要18个接收到 的帧，所以18个帧中仅接收到17个帧将指示模拟值可用性为94.44%。
因此，本文中公开的继电器间直接通信系统适于(1)直接传递 表示其中一个继电器的保护功能的结果的输出状态指示比特，(2)直 接传递表示该继电器的一个或多个功能的选择的模拟值，(3)直接传 递由用户经由继电器之一提供给另一继电器的虚拟终端数据，(4)监 视两个继电器之间的通信链路，(5)确定通信链路的可用性，以及(6) 提供时间同步。模拟值和虚拟终端数据在未被输出状态指示比特使用 的信道上以串行方式在连续的消息中被处理。时间同歩数据在数据的 连续帧(18个消息)中以串行方式被处理。
如上所述，用于输出状态指示比特和附加数据(模拟值和虚拟终 端数据)的数据信道的数目及这些数据信道的分配可由操作者预先选 择或者可在继电器操作期间动态地选择。附加数据可仅包括模拟值， 仅包括虚拟终端数据，或者包括模拟值和虚拟终端数据的组合。同步 信道专门用于同步附加数据，以传输/接收附加虚拟终端数据、时间信 息和日历(日期)信息。这会导致'750专利中公开的基本传输配置的 信道容量被利用到其最大限度，同时提供输出状态指示比特的现有的 快速和高度安全传输的益处。
尽管为了例证的目的已经在此公开了本发明的优选实施例，但应 该理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神的情况下， 各种改型、改进和替换例可包含在本发明的实施例中。
权利要求
1. 一种电力系统中的继电器间直接通信系统，该继电器间直接通信系统包括包括第一传输模块的第一保护继电器，所述第一传输模块包括适于提供多个数据信道的第一微控制器，所述多个数据信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关；和经由通信链路直接连接到所述第一保护继电器的第二保护继电器，该第二保护继电器包括第一接收模块，该第一接收模块包括适于提供多个数据信道的第二微控制器，其中所述第一接收模块对作为多个串行消息的信道数据的接收速度可基于分配给所述第一传输模块的所述多个数据信道的信道数据的分配而被调整。
2. 如权利要求1所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一保护继电器还包括第二接收模块，并且所述第二保护继电器还包括第二 传输模块以实现双向传输。
3. 如权利要求2所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一和 第二继电器中的每个均还包括适于在信道数据比特的字节和经由所述 通信链路传输的所述多个串行消息之间转换的传输和接收接口装置， 所述信道数据比特的字节与所述信道数据相对应。
4. 如权利要求3所述的继电器间直接通信系统，其中所述多个串 行消息中的每个均包括多个固定格式的字符，所述多个固定格式的字 符包括所述信道数据比特。
5. 如权利要求3所述的继电器间直接通信系统，其中在由所述第 一接收模块接收之后，所述多个串行消息中的每个均被解码和并行化 以形成经解码的消息，成序列的经解码的消息重新形成所述信道数据。
6. 如权利要求1所述的继电器问直接通信系统，其中所述信道数 据选自由单比特输出状态指示比特、数字化模拟值、数字化虚拟终端数据和同歩信息组成的组。
7. 如权利要求6所述的继电器间直接通信系统，其中如果分配所 述信道数据包括将数字化模拟值或数字化虚拟终端数据分配给所述多 个数据信道中的至少一个，则所述多个数据信道中的一个是包括所述 同步信息的同步信道。
8. 如权利要求6所述的继电器间直接通信系统，其中将所述信道数据分配给所述多个数据信道包括将所述输出状态指示比特、所述数 字化模拟值和所述数字化虚拟终端数据中的两个分配给所述多个数据 信道中的一个数据信道。
9. 如权利要求6所述的继电器间直接通信系统，其中将所述信道 数据分配给所述多个数据信道包括将所述输出状态指示比特、所述数 字化模拟值和所述数字化虚拟终端数据中的一个分配给所述多个数据 信道中的至少两个数据信道。
10. 如权利要求6所述的继电器间直接通信系统，其中所述多个串 行信息中的每个均经由所述通信链路以可预测的速率被传输。
11. 如权利要求10所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一 和第二微控制器中的每个均还适于通过检测所述多个串行消息中的损 坏的串行消息来提供通信链路监视能力。
12. 如权利要求10所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一 和第二微控制器中的每个均还适于通过检测所述多个串行消息中的丢 失的串行消息来提供通信链路监视能力。
13. 如权利要求IO所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一 和第二微控制器中的每个均还适于基于在一时间段期间所述多个串行 消息中的损坏的和丢失的串行消息的数目来计算通信链路可用性。
14. 如权利要求1所述的继电器间直接通信系统，其中将所述信道 数据分配给所述多个数据信道的分配是在继电器试运转处理期间预先 确定的。
15. 如权利要求1所述的继电器间直接通信系统，其中将所述信道 数据分配给所述多个数据信道的分配是在所述电力系统中的继电器操 作期间动态确定的。
16. 如权利要求1所述的继电器间直接通信系统，其中所述多个数据信道包括八个数据信道。
17. —种电力系统中的继电器间直接通信系统，该继电器间直接通信系统包括具有第一传输模块的第一保护继电器，所述第一传输模块包括适 于提供多个数据信道的第一微控制器，所述多个数据信道中的每个与 具有各种比特长度的信道数据相关；和经由通信链路直接连接到所述第一保护继电器的第二保护继电 器，该第二保护继电器包括第一接收模块，该第一接收模块包括适于 提供多个数据信道的第二微控制器，所述通信链路适于以可预测的速 率传输多个串行消息，所述多个串行消息中的每个均使用与所述信道 数据相对应的信道数据比特来形成，其中所述第一和第二微控制器中的每个均还适于通过检测所述多 个串行消息中的损坏的串行消息和丢失的串行消息来提供通信链路监 视能力，并适于基于在一时间段期间的损坏的和丢失的串行消息的数 目来计算通信链路可用性。
18. 如权利要求17所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一 保护继电器还包括第二接收模块，并且所述第二保护继电器还包括第 二传输模块以实现双向传输。
19. 如权利要求18所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一和第二继电器中的每个均还包括适于在所述信道数据比特的字节和所 述多个串行消息之间转换的传输和接收接口装置。
20. 如权利要求19所述的继电器间直接通信系统，其中所述多个串行消息中的每个均包括多个固定格式的字符，所述多个固定格式的 字符包括所述信道数据比特。
21. 如权利要求19所述的继电器间直接通信系统，其中在由所述 第一接收模块接收之后，所述多个串行消息中的每个均被解码和并行 化以形成经解码的消息，成序列的经解码的消息重新形成所述信道数 据。
22. 如权利要求17所述的继电器间直接通信系统，其中所述信道 数据选自由单比特输出状态指示比特、数字化模拟值、数字化虚拟终 端数据和同步信息组成的组。
23. 如权利要求22所述的继电器间直接通信系统，其中如果分配 所述信道数据包括将数字化模拟值或数字化虚拟终端数据分配给所述 多个数据信道中的至少一个，则所述多个数据信道中的一个是包括所 述同步信息的同歩信道。
24. -—种电力系统中的继电器间直接通信系统，该继电器间直接通 信系统包括具有第一传输模块的第一保护继电器，所述第一传输模块包括适 于提供多个数据信道的第一微控制器，所述多个数据信道中的每个与 具有各种比特长度的信道数据相关；和经由通信链路直接连接到所述第一保护继电器的第二保护继电 器，该第二保护继电器包括第一接收模块，该第一接收模块包括适于 提供多个数据信道的第二微控制器，所述通信链路适于以可预测的速 率传输多个串行消息，所述多个串行消息中的每个均使用与所述信道 数据相对应的信道数据比特来形成，其中所述第一接收模块对所述信道数据的接收速度可基于分配给所述第一传输模块的所述多个数据信道的信道数据的分配而被调整，并且其中所述第一和第二微控制器中的每个均还适于通过检测所述多个串行消息中的损坏的串行消息和丢失的串行消息来提供通信链路监视能力，并适于基于在一时间段期间的损坏的和丢失的串行消息的数目来计算通信链路可用性。
25. 如权利要求24所述的继电器间直接通信系统，其中所述第一和第二继电器中的每个均还包括适于在所述信道数据比特的字节和经由所述通信链路传输的所述多个串行消息之间转换的传输和接收接口装置。
26. 如权利要求25所述的继电器间直接通信系统，其中所述多个串行消息中的每个均包括多个固定格式的字符，所述多个固定格式的字符包括所述信道数据比特。
27. 如权利要求25所述的继电器间直接通信系统，其中在由所述第一接收模块接收之后，所述多个串行消息中的每个均被解码和并行化以形成经解码的消息，成序列的经解码的消息重新形成所述信道数据。
28. 如权利要求24所述的继电器间直接通信系统，其中所述信道数据选自由单比特输出状态指示比特、数字化模拟值、数字化虚拟终端数据和同步信息组成的组。
29. —种用于计算电力系统中的继电器间直接通信系统中的通信链路可用性的方法，所述继电器间直接通信系统具有包括适于提供多个数据信道的第一微控制器的第一保护继电器，并且具有经由通信链路直接连接到所述第一保护继电器的第二保护继电器，该第二保护继电器包括适于提供多个数据信道的第二微控制器，所述多个数据信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关，所述方法包括将所述信道数据转换成多个串行消息；经由所述通信链路以可预测的速率传输所述多个串行消息中的每个.确定接收到的未损坏的串行消息的总数；和将在一时间段期间接收到的未损坏的串行消息的总数除以预期在该时间段期间接收的串行消息的数目。
全文摘要
本发明提供了一种电力系统中的继电器间直接通信系统和方法。继电器间直接通信系统包括具有第一传输模块的第一保护继电器，其中第一传输模块包括适于提供多个数据信道的第一微控制器。多个数据信道中的每个与具有各种比特长度的信道数据相关。继电器间直接通信系统还包括经由通信链路直接连接到第一保护继电器的第二保护继电器。该第二保护继电器包括第一接收模块，其中第一接收模块包括适于提供多个数据信道的第二微控制器。第一接收模块对信道数据的接收速度可基于分配给第一传输模块的多个数据信道的信道数据的分配而被调整。
文档编号H02H1/00GK101536281SQ200680031068
公开日2009年9月16日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年8月25日
发明者D·多莱日莱克, T·J·李 申请人:施魏策尔工程实验公司