专利名称：操作变电站自动化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高压和中压电力网中的变电站的变电站自动化(SA)系统的领 域。更加具体地，它涉及具有缺失装置的SA系统和/或变电站的操作。
背景技术：
在高压和中压电力网中的变电站包括例如电缆、线路、母线(busbar)、开关、电力 互感器(transformer)和仪表互感器等初级装置，它们一般设置在开关站和/或间隔(bay) 中。这些初级装置采用自动方式通过变电站自 动化(SA)系统操作。SA系统包括次级装置， 在它们之中智能电子装置(IED)负责初级装置的保护、控制和监视。次级装置可分配到分 级级数中，即站级、间隔级，和过程级，后者通过所谓的过程接口与间隔级分离。SA系统的站 级常常包括监控计算机，其包括具有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)并且运行监控 控制与数据采集(SCADA)软件，以及传送变电站的状态到网络控制中心(NCC)并且从它接 收命令的网关。在间隔级上的IED(在下文中也称为间隔单元或保护IED)进而通过间隔间 总线或站总线互相连接以及连接到站级上的IED，主要用于交换命令和状态信息的目的。在过程级上的次级装置包括用于电压(VT)、电流(CT)和气体密度测量的传感器、 用于感测开关和互感器抽头变换器位置的接触探头和/或用于改变互感器抽头位置或用 于控制像断路器或隔离开关的开关装置的致动器(I/O)。例如非常规的电流或电压互感器 等的示范性传感器包括用于模拟信号的采样的模拟数字(AD)转换器，并且通过专用或间 隔内过程总线连接到间隔单元，该间隔内过程总线可以看作代替常规硬连线过程接口的过 程接口。后者通过专用铜导线将开关站中的电流或电压互感器连接到间隔级设备，在该情 况下仪表互感器的模拟信号由间隔单元采样。用于变电站的次级装置之间通信的通信标准已经由国际电工委员会(IEC)提出 作为名为“变电站中的通信网络和系统”的标准IEC61850的一部分。对于非时间苛刻消 息，IEC 61850-8-1基于减少的开放式系统互连(OSI)协议栈(建立于分别在传输和网络 层中的传输控制协议(TCP)和互联网协议(IP)上和建立于作为物理介质的以太网和/或 RS-232C)规定制造报文规范(MMS，IS0/IEC 9506)。对于时间苛刻的基于事件的消息，IEC 61850-8-1直接在通信栈的以太网链路层上规定面向通用对象变电站事件(GOOSE)。对于 在过程级的非常快的周期性变化的信号(例如测量的模拟电压或电流)IEC61850-9-2规定 采样值(SV)服务，其像GOOSE直接建立在以太网链路层上。因此，该标准限定公布的格式， 如在工业以太网上的多播消息、基于事件的消息和来自过程级上的电流或电压传感器的数 字化测量数据(作为对传统铜连线的代替)。总之，基于来自分配用于开关或抽头变换器位置、温度、电压、电流等等的传感器 的信号、来自其他IED的信号和来自监控系统的信号，IED控制分配的初级装置的致动器。 相反地，IED传送它的分配的初级装置的状态或行为(即选择的传感器读数)到其他IED 或到监控系统。优选地信号作为网络消息发送，例如根据上文介绍的IEC61850-8-1或IEC 61850-9-2 消息。
在保护模式中，保护、控制和测量(PCM) IED监视变电站的或其的一部分的状态并 且如果它探测到例如过载等潜在的危险情况自发地断开分配的断路器。在控制模式中，PCM IED执行来自监控级的命令，特别是断开和闭合分配的开关元件。采用“操作之前选择”的顺序，操作员可预留开关装置用于操作并且通过开关请求 要求PCM IED对特定开关执行特定的闭合和断开操作。分配的PCM IED然后可根据附连线 路的电状态接受或拒绝这样的命令以便防止有危险或破坏性的操作，例如连接带电母线到 地等。该安全机制称为联锁(interlocking)。在启用IEC 61850的变电站中，联锁信息在 通信网络上发送，而它之前通过铜导线传送。常规上，实现联锁的逻辑在变电站项目的工程设计期间在每个PCM IED上独立地 程序化为采用表格、代码或功能图表语言的布尔(Boolean)表达式，其既需要时间又需要 相当多的经验以及对变电站拓扑结构的绝对了解。后者中的部分被“汇编”并且包括在PCM IED上的功能表图类型逻辑中。该工程设计过程通常基于固定的变电站拓扑结构完成，并且 在例如现有变电站扩展的情况下要求相当大的改变。在另一方面，当变电站试运行、扩展或维护时，变电站的一些部件可能禁用、移除、 维修或尚未安装。这特别适用于分片建立的变电站，其具有预见的将来的扩展(有时几年 之后)。为了避免对联锁逻辑重新工程设计，常规铜连线的桥接提供代替或另外考虑变电站 的缺失部件的可能性。然而，当数据交换依赖像IEC 61850的网络通信时桥接导线不再是 可能的，因为缺失或另外断开的开关的位置根本没有被发送并且由所有接收器标记为“无 效的”，从而可能妨碍后者的操作。然而，在该情况下缺失开关的位置或任何其他状态信息 仍然可以由独立地发送单播MMS命令到SA系统的每个有关的IED的监控计算机推行或代 替。该操作是手动的并且易于出错的，并且特别地必须确保当缺失的变电站部件重新结合 时所有推行的值返回到真实值。同样地，缺失的间隔或次级装置不在OWS或网关中出现，但 要区别该情况与故障情况，SCADA软件标记该对象为“被代替的”并且给它们分配方便的值。 这样的代替记录在变电站记录中，但这样的记录不能防止紧急情况。欧洲专利申请EP-A 1850142与系统级功能性的测试有关，其中涉及遵照IEC 61850的变电站的变电站自动化(SA)系统的若干保护、控制和测量(PCM)智能电子装置。 包括大量IED与许多配置的扩展的SA系统的所有可想到的控制或保护功能/应用的扩展 测试通过在测试装置中模拟IED中的至少一个而便利化。因此，在测试环境中仅有限数量 的IED是作为个体装置物理存在的，至少一个另外的IED的行为由具有合适的数据处理部 件的专用测试装置模拟。测试装置根据它的通信和装置配置在变电站通信网络上发送指示 被模拟的IED的行为的网络消息到待测试的物理存在的IED。配置的IED功能的适当的工 作(即，如由测试装置触发的期望的正确动作)然后通过分析装置的在它的模拟和数字输 出上的响应以及它的在通信网络上的响应而验证。
发明内容
因此本发明的目的是使电力系统的变电站的连续操作成为可能，而不管操作数据在变电站的一件初级设备中缺失。该目的通过如权利要求1和7的操作变电站自动化(SA) 系统的方法以及SA系统实现。另外的优选实施例从附属的专利权利要求是明显的。根据本发明，操作SA系统提供有专用于和配置成模拟一件初级变电站设备的操作数据的代替物或第二智能电子装置(IED)，其中操作数据和/或初级设备另外不在SA系 统中被代表。有关的这件初级设备可能是不可操作的或从SA系统断开(在维修或更换期 间是暂时的或是永久地直到在不远的将来试运行)。同样地，正式分配给初级变电站设备的 特定次级装置由于相同的原因可能是不可用的，从而处于SA系统中的初级设备的缺失代 表的起源。模拟的操作数据可包括状态信息或过程值，其分配给未被代表的那件的初级变 电站设备并且代替由连接到该件初级设备的传感器确定的真实数据。上文提到的模拟的操作数据值对应于允许那些初级设备(其在SA系统中被正确 代表)的安全操作的变电站的状态。为此，代替IED同样地配置成生成指示模拟或假设(如 与真实或实际相反)的操作状态或状态的多播网络消息，并且将这些消息分发给SA系统的 其他IED。最后，当对SA系统中被正确代表并且由其控制的初级装置进行寻址时后者将考 虑模拟信息。优选地GOOSE类型的单个多播消息的由代替IED的配置比多个匪S消息的由 操作员的配置更不易于出错。更详细地，本发明利用IEC 61850协议用于测量、保护和控制功能，根据这些功能 这些初级装置的行为仅通过替换常规铜连线的通信网络是可见的。包括任何目前禁用的、 移除的或尚未安装的元件的变电站的配置在标准化配置说明(例如由代替IED读取和分析 的变电站配置说明(SCD)文件等)中规定。该文件包含变电站元件的所有特性，包括网络 标识符(例如正式分配给初级变电站设备的特定次级装置的IP地址等)。因此代替IED可 以通过生成与从操作设备可获得的一样的二进制(开关位置、状态指示符)和模拟(电压、 电流)值模拟未被代表的设备，并且将它们作为网络消息在SA通信网络上分发，例如作为 面向通用对象变电站事件(GOOSE)。在有利实施例中，在初级设备的之前的操作件或正式分配给其的IED的更换或维 修的情况下，操作数据的缺乏通过缺失GOOSE消息检测。为此，优选地由代替IED自身连续 地监视通信网络流量，并且缺失消息例如通过超时机制识别。然后代替物可以自动地起动， 但因为这是潜在危险的操作，它应该之前由正确授权的操作员启用。在本发明的另外的变化形式中，当(重新)结合正式分配给该件初级装置的IED 并且容纳后者的逻辑节点时，由代替IED的状态信息和/或过程值的模拟和分发必须要中 断。原IED的重新结合可以由代替IED自身通过IP和/或MAC地址的复制而检测，随后导 致代替物去激活。在针对变电站的整个间隔的连续试运行或在操作期间整个间隔的更换的另外实施例 中，代替IED可生成对应于多个另外的IED的信号，并且实际上仿真变电站的所述整个间隔。代替IED可以变为结合到监控计算机的或在通信网络上的另一个装置的一部分 中。代替IED可以甚至替换操作员工作站0WS(只要包含在变电站配置说明(S⑶，根据 IEC61850)中信息提供显示的可接受功能性)。在另一方面，如果提供专用的永久活动的代 替IED，一些紧急情况或维护控制功能可以由代替IED执行作为对OWS的备用设备。为了达 到该效果，代替IED还可包括稳定的用于过程值的永久存储装置，特别地用于初级开关设 备的状态以及其他时间记录的永久存储装置。
本发明的主旨将在下列正文中参照在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中图1示意地示出示范性变电站的一部分的单个线路图，以及图2示出具有两个缺失的IED和代替IED的SA系统。在附图中使用的标号和它们的含义采用总结形式列在标号列表中。原 理上，在图 中相同的部件提供有相同的标号。
具体实施例方式图1示出以例如llOkV的假设电压水平的示范性变电站的一部分或一段以及示范 性变电站自动化(SA)和/或次级设备的单个线路图。在单线路电平(single line level) 的开关站的模型包含初级设备之间的分别拓扑型的电连接。变电站包括双母线配置，其中 两个母线10、10’通过隔离开关110a至110’ b对两个间隔11、11’馈电。每个间隔包括断 路器111、111’和接地开关112、112’。变电站自动化系统的对应的摘选采用虚线描绘通信 网络20和两个智能电子装置IED 21、22，这两个都容纳CSWI级别(开关控制)的逻辑节 点。每个逻辑节点分配给如由图1中的细虚线指示的前面提到的开关装置110a至112’中 的一个。还描绘了操作员工作站(0WS)26。联锁的简单方面防止隔离开关110和断路器111闭合(只要接地开关112连接附 连的线路到地)。因此，为了防止危险的或破坏性的操作(例如连接带电母线到地等)，将 拒绝对应的命令。同样地，当隔离开关110b正闭合时，隔离开关110a不被断开，即将避免 两个开关过程之间的相互作用。当考虑若干间隔时，只要连接到母线10的隔离开关110a’ 和其他隔离开关不断开，则隔离开关110a可不闭合，因为另外电流可以从母线10流到母线 10，。图2示出具有连接到SA通信网络20并且与变电站的初级设备交换物理信号(如 由在IED下方的竖直箭头指示的)的三个IED21、22、24的示范性SA系统。两个IED23、25 或分配的物理信号的来源/转发器(sink)分别同样是SA系统的部件，但目前是缺失或不 可访问的。同样连接到通信网络的示范性站级设备包括0WS 26和网关27。SA系统的所有 IED 21-25在SA系统的S⑶文件31中具有它们的对等体配置说明。代替IED 30也连接 到SA通信网络20并且具有专用的处理部件用于基于SCD文件31或其的合适的摘选模拟 或仿真缺失IED23、25 (虚线)。特别地，代替IED 30可以是0WS或SCADA系统的部件或另外地提供扩展的功能性 例如图形用户界面(GUI)301。后者使操作员能够容易地选择IED中的哪一个将(不)被模 拟。模拟的IED 23、25在代替IED 30上配置，但是真实IED 21、22、24通过它们的匪S服 务器被访问。根据本发明的代替IED可以是具有足够处理能力以及运行视窗或另一个操作系 统的PC。它永久地安装在变电站中并且服从与保护控制监视(PCM)IED相同的安装要求。 特别地，它必须能够自动地起动并且在功率损耗或其他问题的情况下恢复。为了达到该效 果，代替IED在稳定存储装置、硬盘或其他中保存变电站的模拟过程值，并且在起动时(例 如在从电力断供恢复后)重新启动。它还监视来自真实IED的信息以便生成时间同步和拓 扑结构一致的值集。代替IED还可以通过代表不存在装置的状态序列和数据流用于操作员训练或试运行。为了达到该效果，代替IED像真实装置那样响应于命令，遵守从它的变电站拓扑结构的说明(如包含在SCD文件中)生成出的联锁规则，并且响应于操作之前选择命令。另外， 它可用模仿初级设备的行为并且特别地模仿错误状态的脚本执行操作。部件列表10 母线21-25 智能电子装置(IED)11 间隔26 操作员工作站(OWS)110 隔离开关27网关111 断路器30 代替IED112接地开关31 SCD文件20 SA通信网络301 图形用户界面(⑶I)
权利要求
一种操作具有标准化配置说明、具有连接到通信网络(20)的第一和第二智能电子装置IED(21、30)的变电站自动化SA系统的方法，所述变电站自动化SA系统还适用于操作具有第一和第二初级装置(111、111’)的电力系统的变电站，所述方法包括-由所述第二IED(30)生成并且在所述通信网络(20)上发送多播网络消息，其包括来自所述变电站的另外未在所述SA系统中被代表的第二初级装置(111’)的操作数据，-由所述第一IED(21)接收和评估所述网络消息，并且响应于此而控制所述变电站的第一开关装置(111)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在由所述第二IED(30)准备网络消息之前， 所述方法包括-连续地监视所述通信网络(20)，以及-识别包括来自所述第二初级装置(111’ )的操作数据的缺失网络消息。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括-将分配给所述第二初级装置(111’)的第三IED(22)结合到所述SA系统中，以及-打断由所述第二 IED(30)生成和发送包括来自所述变电站的所述第二初级装置 (111’)的操作数据的所述多播网络消息。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括-由所述第二 IED(30)生成指示所述变电站的整个间隔的状态的网络消息。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括-由所述第二 IED(30)存储由之前在所述通信网络上发送的多播网络消息指出的所述 第二初级装置(111’)的操作数据。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括-由所述第一 IED(21)基于包括所述第二初级装置(111’ )的状态的动态变电站拓扑 结构以及基于联锁规则确定指示所述第一开关装置(111)的释放或闭塞性质的联锁状态。
7.一种具有标准化配置说明、包括连接到通信网络(20)的第一和第二智能电子装置 IED(21、30)的变电站自动化SA系统，其特征在于，-所述第二 IED(30)适用于生成并且在所述通信网络上发送指示所述变电站的另外未 在所述SA系统中被代表的第二初级装置(111’ )的状态的多播网络消息，以及-所述第一 IED(21)适用于接收和评估所述网络消息，并且响应于此而控制所述变电 站的第一开关装置(111)。
8.如权利要求7所述的变电站自动化SA系统，其特征在于，它适用于-连续地监视所述通信网络(20)，以及识别包括来自所述第二初级装置(111’)的操作 数据的缺失网络消息。
9.如权利要求7所述的变电站自动化SA系统，其特征在于，它适用于-在将分配给所述第二初级装置(111’ )的第三IED(22)结合到所述SA系统中之后， 打断由所述第二 IED(30)生成和发送包括来自所述变电站的所述第二初级装置(111’ )的 操作数据的所述多播网络消息。
10.如权利要求7所述的变电站自动化SA系统，其特征在于，它包括用于存储由之前在 所述通信网络上发送的多播网络消息指出的所述第二初级装置(111’ )的操作数据的存储 器部件。
全文摘要
本发明关于变电站的操作，其中保护、控制和测量装置(智能电子装置IED)在数据网络上交换操作数据(例如根据IEC标准61850)。在维护、试运行和故障情况期间，当一个或若干IED是不可操作时，代替这些IED会产生的数据以确保变电站的可用性。为了达到该效果，永久地安装专用代替装置，其可以起任何IED的作用，并且其从描述SA系统的SCD文件中自动地配置而成。
文档编号G01R31/327GK101836122SQ200880113822
公开日2010年9月15日 申请日期2008年10月27日 优先权日2007年10月25日
发明者H·基尔曼, M·奥布里斯特 申请人:Abb研究有限公司