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CN101931231A - 间隔间变电站自动化应用 - Google Patents

间隔间变电站自动化应用 Download PDF

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Abstract

本发明关注间隔间变电站自动化(SA)应用的接口说明或结构。所述应用到SA系统的其他元件(例如到间隔控制器、IED、OPC服务器、HMI和/或网关)的接口表示重要方面以便使间隔间SA应用配置和实施完全自动化。根据本发明，如例如包括在IEC 61850SCD文件中的基本SA系统的正式说明或结构用于产生待设计的间隔间SA应用的接口的正式说明，即根据IEC 61850将接口数据结构化至逻辑节点中。后者进一步连接到过程单线图并且结合进入基本SA系统的SCD文件，由此产生增强SCD文件。到开关场对象的链路可通过LN的适当命名而记录以及记录在增强SCD文件的变电站分节中。

Description

间隔间变电站自动化应用
技术领域
本发明涉及具有标准化配置表示的变电站自动化(SA)系统的领域。更加具体地，它涉及实施对设置在电力系统的多个变电站间隔(substation bay)中的主要装置进行控制的间隔间SA应用(inter-baySA application)的方法。
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、开关、电力互感器(power transformer)和仪表互感器(instrumenttransformer)等主要装置，其一般设置在开关站和/或间隔中。这些主要装置采用自动方式通过变电站自动化(SA)系统而被操作。SA系统包括辅助装置，其中智能电子装置(IED)负责主要装置的保护、控制和监测。这些辅助装置可分级地指派给SA系统的站级或间隔级。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)并且运行站级监控与数据采集(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(也称为间隔单元)进而互相连接以及连接到在站级上的IED(通过间隔间或站总线)，主要服务于交换命令和状态信息的目的。
用于变电站的辅助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“communication networks and systems insubstations(变电站中的通信网络和系统)”的标准IEC 61850的一部分。对于非时间苛刻的报告报文，分节IEC 61850-8-1基于减少的开放式系统互连(OSI)协议栈(具有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)和以太网和/或RS-232C作为物理介质)规定制造报文规范(MMS，ISO/IEC 9506)。对于时间苛刻的基于事件的报文，例如跳闸命令等，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的变电站事件(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)，分节IEC 61850-9-2规定采样值(SV)服务，其像GOOSE那样直接建立在以太网链路层上。
基于IEC61850的SA系统通过标准化配置表示或叫做变电站配置说明(SCD)的正式系统说明来配置。SCD文件包括在“每报文”基础上的(即对于每个报文源的)IED之间的逻辑数据流、目的地或接收器IED的列表、按照数据集定义的报文尺寸，以及对于所有像报文、GOOSE和SV的周期性业务流(traffic)的报文发送率。
变电站自动化(SA)系统包括许多基本SA功能用于变电站的保护、控制和监测，并且这些功能关系到各件主要设备或整个变电站间隔。另外，提供更高级的应用，它们至少涉及站级操作员HMI和/或通过网关到远程操作场所或网络控制中心的连接。典型的应用用作操作员支持或用于自动化处理站内的紧急情况。它们需要来自超过一件主要设备的操作信息，典型地甚至来自超过一个间隔的操作信息，以及因此称为“间隔间”、“站级”或“分布的”。除可能的主要功能或操作目的之外，这样的间隔间应用的配置因此还依赖动态开关场配置或拓扑，以及基本SA功能(用于从开关场收集数据并且在它上面执行命令)。典型的间隔间功能是站级联锁(interlocking)、站和间隔级开关序列、互感器并行控制、互感器自动关闭功能和甩负荷(loadshedding)。
常规地，间隔间功能在现有SA系统的顶部被设计或实施，后者提供过程状态信息和控制过程的某种部件。该设计人工完成，通过例示需要的功能块并且将它们以信号方式连接到现有SA系统。对于像开关序列的一些站级功能，甚至完整的新IED可以被使用，包括专用于以及因此至少部分复制、连线(wiring)或布线(cabling)到开关场。
根据专利申请EP-A1191662，SA功能的设计向导可以基于已知开关装置参数值和到开关装置的功能块分配(如从变电站配置说明获得的)自动生成IED和功能配置之间的数据流。特别地，第一SA功能的配置涉及分配该功能给主要装置和IED。接着，主要装置模型和拓扑模型用于自动确定第二更基本的SA功能，第一SA功能在运行期间需要该第二更基本的SA功能的数据和程序。如果需要的话，第一SA功能和第二SA功能之间对应的通信链路基于表示通信部件的通信模型而被自动确定。
根据专利US 4767941，联锁功能性的实施可以基于变电站的实际拓扑(即所有开关装置的实际开关状态)并且基于用于联锁操作的规则的完备集而被自动化。从联锁规则去耦合变电站的拓扑配置允许独立地更新它们中的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供应至集中式数据采集和处理单元。通过评价信号，推断变电站的实际拓扑，并且基于联锁规则，确定并且存储释放模式(release pattern)。后者指示每个开关装置的释放或阻断性质，即特定开关操作请求命令将被接受还是被拒绝。
在本发明的上下文中，间隔间SA应用应理解为涉及并且协调设置在多个变电站间隔中的变电站主要装置(并且限定对应于在变电站、单个变电站或多个变电站内的特定电压级的协调范围)。
发明内容
本发明的目的是便于特别地采用自动化方式向变电站自动化(SA)系统的间隔间应用或在变电站自动化(SA)系统的间隔间应用内的数据交换。该目的通过分别根据权利要求1和5的实施应用的方法以及通过智能电子装置(IED)实施。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，用于主要装置的协调的控制或操作的间隔间SA应用通过自动产生功能实例和必需的配置数据来实施。读取或分析SA系统的标准化配置说明以便获得变电站的静态拓扑以及关于主要装置的信息。协调功能块产生以用于间隔间SA应用的应用领域的控制，包括开/关、操作模式(测试/模拟/运行)或功能目的。在标准化变电站说明中该协调功能块被指派给分级地位于间隔级上面的并且对应于上文限定的协调范围(即对应于电压级、变电站级、或变电站间或网络级)的组织协调级。用于数据或报文在SA系统的通信网络上交换的接口功能块在标准化变电站说明中产生以及指派给分级接口级，其对应于正接口的变电站组成部分。取决于正涉及的变电站组成部分的种类，即正交换的数据涉及的是变电站、变电站的电压级、间隔还是单件主要设备，所述接口级分别对应于站级、电压级、间隔级或装置级。根据IEC 61850，产生的功能块对应于逻辑节点(LN)实例，它们被包括在SA系统的增强变电站配置说明(SCD)文件中并且根据如在SCD文件的变电站分节中证明的结构级而被指派或分组给逻辑装置(LD)。
当工程师请求时，上文的步骤采用自动化的方式由SA应用设计工具执行，并且可在任何时间重复(特别在SA系统的维护和扩展期间)。在SA系统的操作期间，触发另外的实施步骤，例如由操作员或由在开关动作之后的改变的动态拓扑来触发。特别地，基于SCD外部应用逻辑或IEC 61131代码部分和基于如包括在增强SCD中的前面提到的接口定义(而且可选地涉及如从SCD和实际开关状态获得的动态变电站拓扑)，来执行应用专家程序。其结果进一步指派给在接口LN中的特定数据对象以用于随后转移或下载到SA系统的各种IED中。
在本发明的优选变化形式中，接口级功能块包括控制块和数据集定义，其一起限定应用内的数据流，即主管接口功能模块的IED和主管基本SA功能性(指派给分级地较低等级上的变电站组成部分)的IED之间的通信链路。优选地，该数据流由独立的应用设计向导或系统设计工具的部件自动设计。
在另外优选实施例中，在集中式实施的情况下，所有应用相关的功能块实例可由中心IED主管，但是在分散式实施中，所有等级的分布的功能块可在若干能够执行适当的功能块功能的IED上例示。然而，本发明不依赖于间隔间SA应用部件的物理分布(该应用可在独立IED上完全隔离地运行，或可以采用分布的方式在基本SA系统的已经存在的IED上实施)。
也就是说，完全使间隔间SA应用配置和实施自动化的重要方面是对SA系统的剩余部分(例如，对间隔控制器、IED、OPC服务器、HMI和/或网关)产生间隔间SA应用的接口说明。根据本发明，如例如包括在IEC 61850SCD文件中的基本SA系统的正式说明或结构用于产生待设计的间隔间SA应用的接口的正式说明，即根据IEC 61850将接口数据结构化至逻辑节点中。后者进一步连接到过程单线图并且结合到基本SA系统的SCD文件中，由此产生增强SCD文件。到开关场对象的链路可通过LN的适当命名而记录以及记录在增强SCD文件的变电站分节中。
包括主要装置相关数据对象的接口LN类型或种类按每个主要装置地例示(根据应用所要求的)，并且涉及间隔间功能性的协调功能块或LN类型按照每个协调范围来例示，这可以是每个变电站分组、每个变电站或每个电压级一次(根据应用所要求的)。采用对于协调级功能的额外需要的IED和分配给开关场对象的LN实例的所得的增强SCD文件然后由设计向导来操纵以完成站级功能需要的任何数据流定义。这包括规定作为输入或者输出的命令(到开关场对象的)所需要的基本数据，以及该数据可以通过其而传送的例如MMS或GOOSE等的服务。
在本发明的另外的细化中，增强的SCD文件通过配置向导转变为更加实施友好的格式，像从SCD文件中描述的拓扑产生的用于联锁的布尔公式，或另一个语法表示(例如对于计算昂贵的单线数据的元件阵列)。这对于中心功能性的分布的实施将是大部分有用的，其中给每个部分的分布的功能指派它的相关的配置部分。
本发明还涉及包括用于控制装置的一个或多个处理器的计算机程序代码的计算机程序产品，该装置适合于连接到SA通信网络，特别地涉及包括在其中包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品。
下列详细说明集中在站级联锁和开关序列，如两个例子说明了该类站级功能性怎样可以自动配置的两个例子(如果基本SA功能性和它与单线图的关系以及单线图本身例如通过IEC 61850SCD文件采用正式的方式被描述)。然而，如提到的，例如互感器并行控制、互感器自动关闭功能和甩负荷等其他站级应用同样可从本发明受益。
附图说明
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描绘具有双母线和三个间隔的变电站的单线图，
图2描绘对应的SA系统，以及
图3形象化对应的SCD的摘录。
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。原则上，在图中相同的部件提供有相同的标号。
具体实施方式
图1描绘具有双母线配置和三个间隔Q2、Q3、Q4的变电站的单线图。每个间隔包括断路器QA1和许多开关QE3。
图2示出用于根据图1的变电站的控制的对应变电站自动化SA系统，其包括中心或站级智能电子装置IED1(命名为TOP1KA1)、间隔IED2(命名为P2KA1)和SA通信网络3。
图3a至图3c形象化根据图2的SA系统的增强变电站配置说明SCD的摘录，特别地变电站分节(图3a)、中心IED1的配置(图3b)和间隔IED2的配置(图3c)。变电站分节列出命名为P2并且指派给单个电压级J1的变电站的主要装置。在图3中描绘的元件由圆角/标准矩形环绕并且在下列说明中通过圆角/正方形括号被参照(假使它们分别属于下文提到的第一/第二个例子)。
第一个例子集中于集中式站级联锁(centralized station levelinterlocking)，其额外包括间隔级联锁功能性并且从而可以仅用作中心联锁功能，或作为站级“插件(add-on)”到在间隔控制器中的间隔级联锁。
对于联锁，IEC 61850标准提供逻辑节点LN种类CILO，必须对每个有关的开关装置例示该逻辑节点LN种类CILO。通过分析SCD文件变电站分节，发现具有CSWI LN的所有开关并且对这些中的每个添加CILO LN种类的实例。该实例也必须分配给IED。在中心联锁的情况下，它分配给中心IED(TOP1KA1)。为了管理实例命名，开关名称QE3取作CILO名称前缀，实例号优选地等于1，并且一个间隔Q4的所有实例(例如QE3CILO1)指派给涉及该间隔的逻辑装置LD(J1Q4)。这使操作员能够每个间隔地打开和关闭站联锁(例如通过在J1Q4(没有展开)的LLN0中的数据对象DO“MOD”)。另外创建LD(命名为LD0)，其允许打开/关闭整个站级联锁，例如通过在LD0(没有展开)的(LLN0)中的DO“MOD”。属于每个CILOLN的信号或DO已经在CILO类型定义中准备，使得在SCD文件中的实例定义仅须引用该类型。
通过举例方式，对于在变电站P2中的电压级J1的间隔Q2中的示范性可控开关(QA1)
-对于间隔Q2创建LD(J1Q2)并且将其分配给中心IED(TOP1KA1)，
-类型MyStationLevelCilo的LN实例QA1CILO29指派给该LD，
-并且LN实例(QA1CILO29)也分配给在增强SCD的变电站分节中的开关P2J1Q2QA1(图3a)。
作为产生的LN实例QA1CILO1的功能配置，应用逻辑(例如如在US 4767941中提及的联锁规则)与变电站单线图和CILO接口定义(来自增强SCD文件)一起包括在联锁专家程序中。
在操作期间和特别当通过改变开关位置而被触发时，联锁专家程序从分配给开关装置的XCBR和XSWI LN取得当前开关状态(QA1CSWI3.Pos)，并且从那里得到实际开关场拓扑用于拓扑联锁实施。释放模式基于联锁专家规则来计算，然后使其通过产生的接口LN CILO对其他IED是可见的，即计算的结果指派给接口LN的适当的CILO DO(EnaOpn，EnaCl)。
这些值随后转移到主管上文接口-LN实例的IED(P2KA3)。对此最便利的设置是通过自动化数据流产生(如在EP-A 1191662中详细说明的)，自动化数据流产生的输出存储在IEC 61850控制块(联锁)和数据集(联锁)(其包括待交换的数据项(C1.QA1CSWI3.Pos.stValFC＝ST))中。这同样包括在增强SCD中，如对于间隔级联锁的情况对图3c中的IED P2KA1部分描绘的那样。对于站级联锁，主管控制级功能LN的中心IED(TOP1KA1)的通信栈然后使用SCD通信定义以分发计算的CILO状态给间隔级IED。
通过比较，间隔Q4的开关QB2的示范性母线环站领域的联锁可导致在单线注释中的布尔联锁逻辑，列举如下：
P2.J1.Q4.QB2BBRing:＝
P2.J1.Q4.QB1*(P2.J1.Q2.QB1*P2.J1.Q2.QB2+其他项)。
在自动化数据流产生之后其转化成
P2KA3CTRL/QB2CILO1.BBRing:＝
P2KA3CTRL/Q1CSWI1*(P2KA1C1/QB1CSWI2*P2KA1C1/QB2CSWI4+其他项)。
这里，人们可以意识到LD P2KA1C1必须从LN QB1CSWI2发送DO到LD P2KA3CTRL。在前面例子中的LN和LD的直观命名惯例明确地使站级联锁功能能够仅仅基于名称推断它的接口信号与开关场的关系。然而，由于对变电站分节的分配，同样也可以使用其他较不直观的命名惯例。
第二个例子集中于集中式开关序列实施，其使用标准命令以按需要改变开关的状态。开关序列将导致特定功能目的，像间隔被隔离[OpnA11]、间隔CBR打开[OpnCB]，间隔连接到母线N[ClsBBN]，或间隔接地。操作员必须能够选择该目的，并且选择它应用到的间隔或多个间隔。这导致具有中心部分的功能架构(其允许对所有待操纵的间隔选择共同目的并且控制运行序列)并且导致每个间隔一个部分(其允许对序列[Sel]选择间隔)，并且额外示出该间隔的状态，例如不可能开关、间隔本地状态、阻断序列[BlkSeq]等等。
由于IEC61850对序列不具有标准化逻辑节点，一般功能种类GAPC用于两种类型的逻辑节点。备选地可以限定私有LN种类。中心功能性处于逻辑装置LD LD0中的类型GeneralSeqGAPC的实例GeneralGAPC1后面，逻辑装置LD LD0额外还主管逻辑节点LLN0以启用/禁用开关序列应用。额外地，每个间隔有逻辑装置[J1Q4]，其主管LN类型BaySeqGAPC的实例BayGAPC1中的间隔相关的功能部分，包含示出间隔是否被阻断序列并且允许对序列选择间隔的数据对象[BlkSeq，Sel]。如在图3b中证明的，集中式开关序列应用的所有功能块由中心IED[TOP1KA1]来主管。
此外，所有这些实例通过分析SCD文件的变电站分节来创建，从而发现待由定序器(sequencer)操纵的所有变电站的所有间隔，并且例示适当的LN实例。从而对于在变电站P2的电压级J1中的间隔Q2，创建逻辑装置P2J1Q2，和在它中的LN类型BaySeqGAPC的逻辑节点实例BayGAPC1。
基于拓扑的定序器实施然后可以通过由定序器专家程序读取增强SCD文件来完成。它从变电站分节推断开关场拓扑，并且发现涉及开关场以及控制开关需要的数据对象的所有间隔的开关状态数据对象。它知道它通过哪些Bayname/BayGAPC1实例的数据对象来接收对间隔的选择请求，然后它通过LD0/GeneralGAPC1逻辑节点获得目的和序列开始命令以运行序列。从开关场拓扑(其也用于计算间隔类型从而确定它们的基本操纵)并且从目的，它计算序列步骤，然后一个接一个地执行这些步骤(使用分配给间隔的开关的CSWI逻辑节点以监控进展并且命令下一步)。
部件列表
1站级IED    3SA通信网络
2间隔IED

Claims (5)

1.一种实施涉及设置在多个变电站间隔(Q2、Q3、Q4)中的主要装置(QA1、QE1)的间隔间变电站自动化SA应用的方法，包括：
-读取变电站的SA系统的标准化配置说明，并且从那里获得变电站的静态拓扑以及主要装置信息，
-产生用于所述间隔间SA应用的控制的协调功能块(LLN0、GAPC1)，以及在所述SA系统的标准化配置说明中指派协调功能块给间隔级上面的协调级，以及
-产生接口功能块(QA1CILO3；QE3CILO1，GAPC1)用于在SA通信网络(3)上交换与变电站组成部分(QA1、QE1；Q2、Q3、Q4)有关的数据，以及在所述SA系统的标准化配置说明中指派接口功能块给变电站组成部分相应的接口级。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述协调级是电压级、变电站级或变电站间级中的一个，并且其中所述接口级是站级、电压级、间隔级或装置级中的一个。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括
-基于包括所产生的接口功能块的所述SA系统的增强标准化配置说明来设计所述SA系统的智能电子装置IED(1、2)之间的应用相关的通信流。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括
-产生多个协调功能块用于所述间隔间SA应用的控制，以及
-在多个IED上分发所述多个协调功能块。
5.一种变电站自动化SA系统的智能电子装置IED(1)，其适用于连接到SA通信网络(3)用于与其他IED(2)的数据交换并且主管：
-协调功能块(LLN0、GAPC1)，其用于涉及设置在多个变电站间隔(Q2、Q3、Q4)中的主要装置(QA1、QE1)的间隔间变电站自动化SA应用的控制，所述协调功能块在所述SA系统的标准化配置说明中被指派给间隔级上面的协调级，以及
-接口功能块(QE3CILO1，GAPC1)，其用于在所述SA通信网络(3)上交换与变电站组成部分(QA1、QE1；Q2、Q3、Q4)有关的数据，所述接口功能块在所述SA系统的所述标准化配置说明中被指派给变电站组成部分相应的接口级。
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