专利名称：用于变电站自动化系统的系统级测试的制作方法
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，它涉及在SA系统的智能电子装置(IED)中的联锁(interlocking)功能 性的实现和测试。
背景技术：
电力系统(electric power system)包括互连地理上分开的区域的电力传输和/ 或配电网，和在电力网的节点处的多个变电站。变电站包括用于变换电压和用于切换电力 网的各个线路之间的连接的设备。发电和流向用户的负载由中央能量管理系统(EMS)管理 和/或由位于网络控制中心(NCC)的监控控制与数据采集(SCADA)系统监控。在高压和中压电力网中的变电站包括例如电缆、线路、母线、电力互感器、仪表互 感器(instrument transformer)以及开关装置(断路器或隔离开关)互连母线和/或间 隔(bay)(馈电器)等初级装置。这些初级装置采用自动方式通过负责例如控制、保护、测 量和监视等各种变电站特有任务的变电站自动化(SA)系统操作。SA系统包括次级或过程 装置，也称为数字继电器，它们在SA通信网络中互连，并且通过过程接口与初级装置相互 作用。次级装置一般分配给三个分级级数中的一个，该三个分级级数是(a)站级，其包括具 有人机界面(HMI)的操作员工作站(OWS)以及到网络控制中心(NCC)的网关、(b)间隔级， 其中它的装置用于保护、控制和测量和(c)过程级，其包括例如用于电压、电流和气体密度 测量的电子传感器以及用于感测开关装置状态和互感器抽头变换器位置的接触探头或位 置指示器以及控制开关装置或抽头变换器的驱动的致动器。在过程级，智能致动器可结合 在各个初级装置中并且通过串联链路或光学处理总线连接到间隔单元。间隔单元通过间隔 间总线或站总线彼此连接并且连接到站级上的装置。更详细地，在IEC61850标准中也称为智能电子装置(IED)并且控制特定开关装 置的保护、控制和测量(PCM)次级装置基于来自附连的用于开关位置、温度、电压、电流等 传感器的信号、来自其他IED的指出它们的被控制元件的状态的信号和来自监控系统的信 号而操作。相反地，IED生成信号以作用于它的开关元件以将它的状态传送到其他IED或 通知监控系统。这些信号或是硬连接的或作为网络消息发送(例如根据IEC61850-8或 IEC61850-9-2 消息)。在它的保护功能中，PCM IED监视变电站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则自发地断开分配的断路器。在它的控制功能中，PCM IED执 行来自监控级的命令，特别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。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。 任何定制SA系统要求经历系统检验和确认。期望SA系统的供应商向客户证明在 所有可能的情况下所有部件的正确协调的操作，以及还在高负荷下的像吞吐量和及时响应 的期望的质量或性能。由于特定PCM IED的操作还取决于由其他PCM IED生成的信号，这 样的信号必须是适当准备的以便重现变电站的所有期望的状态。从而已经设计出实现操纵 其他IED生成的信号的大范围测试(在下文中称为系统级测试)，例如系统联试或系统验证 测试(工厂接受测试(FAT)，现场接受测试(SAT))等。前面提到的系统级测试一般在测试环境或测试装备中执行，其中安装了许多IED。 然而，由于十足数量的IED需要越来越复杂的测试装备并且由于成本和空间限制，特定变 电站的不是所有IED都安装用于FAT。因此，测试配置的程度和覆盖范围是有限的，并且特 别地如上文详细描述的联锁功能性在工厂中是仅部分可测试的。测试的IED仅代表变电站 的典型的一部分并且仅准许访问作为到它们各自的联锁逻辑的输入的最小数量的必需信 号。根据专利US 4767941，只要IED知道变电站的实际拓扑结构，即所有开关装置的 实际开关状态和用于联锁操作的完备的规则集则联锁功能性的实现可以自动化。从联锁规 则中去耦合变电站的拓扑结构配置允许独立地更新它们每个从而增加灵活性。指示关联的 开关装置的开关状态的信号通过专用数据总线和数据链路向集中数据采集和处理单元供 应。通过评估信号则推断变电站的实际拓扑结构，并且基于联锁规则，确定并且存储释放 (release)模式。后者指示每个开关装置的释放或闭塞(blocking)性质，即特定的开关操 作请求命令是将被接受还是拒绝。
发明内容
本发明的目的是便利化和扩展变电站自动化(SA)系统的联锁功能性的系统级测 试。该目的分别根据权利要求1和7通过测试智能电子装置(IED)的联锁功能性的方法以 及通过智能电子装置(IED)实现。另外的优选实施例从附属专利权利要求是明显的。根据本发明，实现待测试的联锁功能性的第一 IED(也称为测试中装置(DUT))准 备指示释放或闭塞性质的联锁响应，即第一 IED是否打算断开或闭合分配给第一 IED并且 由第一 IED控制的第一开关装置。同时，可能是具有适当处理能力的工业计算机并且在上 文给出的意义上自身可认为是IED的测试装置独立地确定第一开关装置的联锁状态。联锁 状态然后与来自第一 IED的响应比较。在两者之间不符的情况下，断定并且报告存在错误。 为了便利化并且提供更灵活的测试过程，给予测试装置关于包括第一开关装置的邻近区域 的变电站的一部分的动态或目前拓扑结构的信息。该信息协同预先建立的普遍的联锁规则 集使第一测试装置能够代表第一或任何其他开关装置执行联锁判断，并且与各个开关装置 中每个的功能图表类型逻辑的在测试装置处的程序化相比需要少得多的配置付出。也就是 说，待测试的第一或任何另外的真实IED的联锁功能性或逻辑由测试装置采用可升级的方 式模拟或仿真，其中的益处随IED的数量增加。
在本发明的优选变化形式中，测试装置采用数字形式存储关于静态变电站拓扑结构的信息，并且自己生成从静态变电站拓扑结构获得变电站的相关动态状态需要的信息。 因此，在第一步骤，采用标准化说明或格式给予测试装置关于变电站的静态拓扑结构或结 构，该标准化说明或格式例如根据变电站通信标准IEC 61850的变电站配置说明(SCD)文 件的变电站部分，其特别指出第一 IED在变电站中的作用。在第二步骤，在实际测试期间， 利用关于在变电站中除分配给第一 IED的第一开关装置之外的至少一个另外的开关装置 的状态的信息。同样地，SCD文件的部分是关于配置的IED说明(CID)的信息，即待模拟的 第一 IED的实现的装置功能的标准化说明。该信息由测试装置有利地使用以便从第一 IED 适当地分配或链接数据到变电站的各种初级装置。在本发明的有利的实施例中，第一 IED接收针对第一开关装置的开关请求并且用 包括联锁响应的命令响应消息响应。该消息发送到测试装置，由测试装置接收和评估。也 就是说，测试装置负责测试中的IED的联锁行为的模拟以及负责随后它们的联锁响应和联 锁状态的比较。同时，SA通信网络(S卩，网络消息的正确寻址和交换)也可以测试。由于 在一个IED处的开关状态的任何变化也影响另外IED处的联锁状态(即使分配给其他间 隔)，测试装置可通过来自第一以及另外真实IED的命令响应消息而获得整个变电站的连 贯和时间分辨的联锁响应并且将其与它自己的模拟进行比较。在另外的优选变化形式中，测试装置代表第一 IED通过合适的网络消息和/或二 进制信号准备关于在变电站中至少一个另外的开关装置的状态的信息。网络消息在SA通 信网络上发送到第一 IED，并且优选地是面向通用对象变电站事件(GOOSE)。在另一方面， 二进制类型的铜信号由测试装置自己生成或由连接到测试装置的专用信令装置生成，并且 通过硬连线到第一 IED的专用铜电缆发送。在真实变电站自动化系统中，这样的铜信号报 告直接连线到第一 IED的端子的另外的开关装置的状态，并且甚至可源于除了包括第一开 关装置的那个之外的间隔。为了正确地生成和发送二进制信号，测试装置必须知道在第一 IED的端子分配给二进制信号的逻辑信号名称，并且该信息可通过上文提到的变电站配置 说明(S⑶)文件的非IEC 61850信号的专用连线部分提供给测试装置。通过示例，CBR. 2 = Χ. 101/X. 102指出端子101和102接收开关装置的双指示状态CBR. 2。必须注意基于铜的 二进制信号还可传输其他信息，例如在第一开关装置中足够的SF6压强。第一测试装置可 生成对应于多个另外的IED的信号，并且仿真变电站的整个间隔或甚至全部变电站。上文的优选变化形式的方面不仅可应用于由测试装置仿真的或嵌入在测试装置 中的模拟的IED，还可应用于真实过程装置或专用保护、控制和测量(PCM) IED，其提供或实 现在电力系统的变电站中的开关装置的联锁功能性。因此，真实IED提供有并且存储(采 用数字形式)关于静态变电站拓扑结构的信息以及使IED能够执行联锁安全的联锁规则的 完备集。在第一步骤，例如作为工程设计过程的部分，采用标准化说明或格式给予IED变电 站的静态拓扑结构或结构，其中特别指出在变电站中它自己的作用。在第二步骤，在SA系 统的测试或正常操作期间，指出在变电站中的至少一个另外的开关装置的状态的消息由SA 系统的第二 IED生成并且在SA通信网络上发送到IED。优选地并且在变电站通信标准IEC 61850方面，所述标准化说明是变电站配置说明(SCD)文件，同时所述网络消息是面向通用 对象变电站事件(GOOSE)。因为SCD文件是大的，来自包括基于拓扑结构的联锁需要的所有 信息的SCD文件的摘录可以采用压缩形式传送到IED。在操作期间，IED评估静态拓扑结构和实际开关状态以产生变电站的动态拓扑结构，基于该动态拓扑结构连同联锁规则，来处 理并且接受或拒绝通过具有选择/操作服务的MMS接收的来自监控级(操作员、遥控或本 地人界面)的开关请求。优选地，IED通过它的二进制I/O端子连线到导体或过程总线连接，它经由此来接 收指示开关状态的二进制信号。在该情况下，IED提供有关于从静态变电站拓扑结构获得 变电站的相关动态状态需要的这些二进制信号的信息，以及特别地端子的分配(如例如包 括在变电站配置说明(SCD)文件的非IEC 61850信号的专用连线部分中)。变电站自动化(SA)系统的智能电子装置(IED)的联锁功能性的实现以及后来对 例如改变的静态拓扑结构的修改通过本发明的上述方面相当大地简化。此外，用于处理针 对分配给IED的开关装置的开关请求的准备有利地在最前面实施，生成合适的释放模式待 当接收开关请求时被咨询并且对应于从相邻IED接收最实际的开关状态信息而待以例如 5-10ms的合适时间间隔周期地刷新。必须注意包括如上文的“拓扑结构引擎”的真实IED可同样是如之前描述的联锁 测试的对象。在该情况下，IED和测试装置的输出是相同的，因此联锁响应和状态之间的任 何不符肯定是由于不正确的“缆线连接(cabling)”。后者可包括当配置GOOSE消息时的寻 址错误，或二进制信号的错误连线。在总结实施例中，本发明提出在变电站中的保护、测量和控制IED根据联锁规则 或物理原理以及对变电站的动态拓扑结构的了解而对每个它们控制的开关(如果该开关 可安全地操作)计算，这与每个IED的联锁逻辑的常规和独立程序化相反。为了该目的， IED有权访问变电站电拓扑结构、访问由其他IED生成的实时信息和访问联锁的规则。本发 明利用SA系统计划的变电站的标准化变电站配置说明(SCD)，以及利用个体IED的实现的 装置功能或能力的标准化说明。特别地，变电站拓扑结构可从变电站配置说明(采用IEC 61850格式的SCD文件)获得，并且关于开关的位置的实时信息和线路电压/电流可以在 IEC 61850协议上读取，同时联锁规则采用如在US4767941中公开的脚本形式(如专家系统 规则)或采用任何其他适当编码的形式是可获得的。该概念适用于模拟和真实装置两者， 并且通过支持模拟的高效率配置大大增加系统测试可能性。 本发明还涉及计算机程序产品，其包括用于控制连接到变电站自动化系统的通信 网络并且配置成测试第一智能电子装置(IED)(它自身适用于控制电力系统的变电站的第 一开关装置)的联锁功能性的测试装置的一个或多个处理器的计算机程序代码工具。当执 行时，计算机程序使测试装置执行步骤-基于代表变电站的至少一部分的动态变电站拓扑结构以及基于联锁规则确定指 示第一开关装置的释放或闭塞性质的联锁状态，以及-比较联锁状态与由第一IED准备的联锁响应。
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示出变电站的单个线路图的摘选，以及图2示意地示出测试环境。
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IlOkV的假设电压水平的示范性变电站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。在单线路级(single line level)的 开关站(switch yard)的模型包含初级设备之间的分别拓扑型电连接。变电站包括双母线 配置，其中两个母线10、10’通过隔离开关IlOa至110’ b对两个间隔(bay)ll、ll’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IED21、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IlOa至112’中 的一个。还描绘了操作员工作站23。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IlOb正闭合时，隔离开关IlOa将不断开，即将避免 两个开关过程之间的相互作用。图2示出根据本发明的测试环境或测试装配连同测试中的第一 IED 21。后者连接 到SA通信网络20，其作为具有专用处理部件用于模拟或仿真测试中的IED 21(由模拟的 IED21’指示)的测试装置30。测试装置还模拟另外的IED，其在测试环境中可能是或可能 不是物理存在的。测试装置30包括用于推断动态变电站拓扑结构的拓扑结构引擎(TE)模块31和 用于存储联锁规则(IR)32的存储器。TE模块31至少提供有变电站的以及包括静态变电站 拓扑结构的SCD文件33的摘要，并且基于此而创建动态拓扑结构。根据后者，生成网络消 息并且在SA通信网络20上发送到测试中的第一 IED 21。监视并且评估后者的响应以断定 IED 21是否如期望地操作。信令装置34或遥控信号发生器示出在测试装置30外部并且与测试装置30通信， 其中前者还可是后者的一部分或是其的模块。31生成代表传感器或开关状态信息的二进制 信号，这些模拟的过程信号通过专用铜导线应用于测试中的IED21的二进制输入端。部件列表10 母线23操作员工作站11 间隔22 第二 IED110隔离开关30测试装置111断路器31拓扑结构模块112接地开关32联锁规则20 SA通信网络33 SCD文件21 第一智能电子装置(IE D) 34信令装置
权利要求
一种测试连接到通信网络(20)并且适用于控制电力系统的变电站的第一开关装置(110、111)的第一智能电子装置(IED)(21)的联锁功能性的方法，包括-由所述第一IED(21)准备指示所述第一开关装置(110、111)的释放或闭塞性质的联锁响应，-由不同于所述第一IED(21)的测试装置(30)确定指示所述第一开关装置(110、111)的释放或闭塞性质的联锁状态，以及-比较所述联锁响应和所述联锁状态，其特征在于，所述方法包括-基于代表所述变电站的至少一部分的动态变电站拓扑结构以及基于联锁规则由所述测试装置(30)确定联锁状态。
2.如权利要求1所述的方法，包括-由所述测试装置(30)从代表所述变电站的至少一部分的静态变电站拓扑结构的标 准化说明以及从所述变电站的第二开关装置(111、110)的动态开关状态推断所述动态变 电站拓扑结构。
3.如权利要求1或2所述的方法，包括-由所述第一 IED(21)在所述通信网络(20)上接收针对所述第一开关装置(110、111) 的开关请求，-由所述第一 IED(21)在所述通信网络(20)上发送包括对所述开关请求的联锁响应的 命令响应消息，以及-由所述第一测试装置(30)接收所述命令响应消息。
4.如权利要求1或2所述的方法，包括_从所述第一测试装置(30)在所述通信网络(20)上发送网络消息到所述第一 IED (21)，它们是关于所述变电站的第二开关装置(111、110)的动态开关状态的指示，以及-由所述第一 IED(21)基于所述网络消息准备所述联锁响应。
5.如权利要求1或2所述的方法，包括-从所述测试装置(30)或连接到所述测试装置(30)的信令装置(31)在连线到所述 第一 IED(21)的端子的导体上发送二进制信号，它们是关于所述变电站的第二开关装置 (11U110)的动态开关状态的指示，以及-由所述第一 IED(21)基于所述二进制信号准备所述联锁响应。
6.如权利要求4或5所述的方法，包括-由所述测试装置(30)执行测试脚本从而产生所述变电站的多个开关装置(111、110) 的多种动态开关状态组合。
7.一种向电力系统的变电站的第一开关装置(110)提供联锁功能性的第一智能电子 装置(IED) (21)，其适用于基于动态变电站拓扑结构信息以及联锁规则处理针对所述第一 开关装置(110)的开关请求，其特征在于，所述IED(21)适用于-接收作为关于所述变电站的第二开关(IlOb)的动态开关状态的指示的网络消息，以及_从代表所述变电站的至少一部分的静态变电站拓扑结构的标准化说明和所述动态开 关状态信息推断所述动态变电站拓扑结构。
8.如权利要求7所述的IED，其特征在于，它适用于连接到导体从而提供二进制信号， 它们是关于所述变电站的第二开关装置(111)的动态开关状态的指示。
9.如权利要求7所述的IED，其特征在于，它适用于基于最实际的开关状态信息计算当 接收开关请求时待咨询的释放模式。
10.一种包括第一测试装置(30)和通信网络(20)的测试环境，其用于执行如权利要求 1至6中任一项所述的测试连接到所述通信网络(20)的第一智能电子装置(IED) (21)的联 锁功能性的方法。
全文摘要
本发明提出在变电站中的保护、测量和控制IED根据联锁规则或物理原理以及对变电站的动态拓扑结构的了解而对每个它们控制的开关(如果该开关可安全地操作)计算，这与每个IED的联锁逻辑的常规和独立程序化相反。为了该目的，IED有权访问变电站电拓扑结构、访问由其他IED生成的实时信息和访问联锁的规则。本发明利用SA系统所计划的变电站的标准化变电站配置说明(SCD)，以及利用个体IED的实现的装置功能或能力的标准化说明。特别地，变电站拓扑结构可从变电站配置说明(采用IEC 61850格式的SCD文件)获得，关于开关的位置的实时信息和线路电压/电流可以在IEC 61850协议上读取，并且规则采用脚本形式是可获得的。该概念适用于模拟和真实装置两者，并且通过支持模拟的高效率配置大大增加系统测试可能性。
文档编号G01R31/327GK101842713SQ200880113831
公开日2010年9月22日 申请日期2008年10月17日 优先权日2007年10月25日
发明者H·基尔曼, M·奥布里斯特, W·威默 申请人:Abb研究有限公司