外文翻译译文-继电保护装置的电力系统监测与控制

1继电保护装置的电力系统监测与控制SMHadenandRSquiresGECALSTHOMProtection&ControlLtd,Stafford,UK摘要：现在可以考虑将电力系统保护系统的功能与本地及远程数据采集和控制系统的功能集成起来。结构化的集成方法是必要的。然而，如果要实现所有的效益，一个可以解决先前与这个集成有关的许多问题的办法将与它将来将会如何应用于典型的变电站的实例一起被提出来。关键词：数字通讯，集成1引言电力系统输配电环境目前的做法是单独的局部控制，保护与监测控制和数据采集系统的功能区分开来。原因之一是技术上约束限制了可以被确实地实现的集成的数量。包括硬板在内的本地控制设施，占用了太多的控制室空间。控制逻辑由硬连线的触点或者可编程的逻辑控制器构成。直到最近，许多设备的保护（包括模拟设备），又占用了很多空间。大多数使用电子和微处理器技术的现代保护装置迄今仍集中在减少实现传统保护功能时所占用的空间。一般来说，监测控制和数据采集系统已经增加了许多，并提供了他们自己的传感器，接口单元和接线。这些都与局部控制和保护系统并行增长，尽管这往往导致在许多功能的重复。涉及保护操作的信息已被源于次要的方式的SCADA系统所必需。例如，保护的输出流回SCADA系统的数字输入单元。最近的技术进步已经使人们认识到这种重叠度越来越没有必要的。由于无限的计算能力可以说履行保护职能的必要的信息都可用的或可使其在SCADA网络上可用。可以想像到那时的SCADA系统可以通过控制网络完成它自己的保护的算法并发出跳闸信号。在实践中的可靠性要求和快速故障清除的需要限制了一些像长时间热过载保护等的专门的实例的实现。一个更可行的办法是使继电器内信息和控制设备能够访问SCADA网络。如果这个实现了，与SCADA系统的模拟和数字转换输入/输出系统的成本将会降低。此外，如果保护设备提供的控制设施利用被利用，中央变电所计算机也可以被用来取代大部分本地控制系统。在一个全面控制包内集成保护功能失败的原因之一是巨量的处理需要。现代数字保护继电器用目前最先进的微处理器提供复杂的保护功能。很显然，当这些中很多都2是围绕一个变电站展开，在一个中心点中，囊括他们的功能的所有处理能力是强大的。另一方面，用于SCADA系统的模拟和数字传感器和数字输出单元一样都是相对简单的设备。他们的同等设备已经存在于保护中，并使得他们访问SCADA系统时仅仅需要增加一些通讯设施。该保护装置取代大多数本地控制和SCADA的I/O系统的能力取决于其以有组织的和确定性的方式进行通讯的能力。使保护性能不受损害，同时还满足当地的控制和SCADA系统的要求是至关重要的。从本地控制和SCADA系统的观点来看，最主要的要求就是为模拟输入测量和记录数据，为信号器和报警器提供数字输入数据，以及控制设备的数字输出。对于一般指示而言，大多数测量数据只要超过5的精度就足够了。用于可视化显示的模拟和数字数据需要每秒钟扫描一次，事件记录顺序的相对精度要求超过全系统比绝对精度要重要。通常需要达到1ms的分辨率。控制响应时间应在200毫秒左右。2继电保护通讯2.1通讯哲学保护继电器的首要职能仍然是电力系统的保护。因此，至关重要的是继电器的保护性能不受数据的监测和控制的要求妥协。正是由于这个原因，提供分离于任何继电保护通讯系统的要求的监视和控制系统的通讯系统被认为是必须的。例如在一个封闭的体制下，阻塞信号将会通过他们自身的保护传输的信号链路如试线验，而不是在监视和控制通信链接。通过这种方式保护的决定性的行为被维持下来。此外，仍然存在着这样的用户，他们不需要部分或所有可用的功能。对这些用户来说，继电器的操作不依赖于通信链路监测和控制，而全面的保护功能当这样的链接尚未安装时仍可以实现是非常重要的。如果它们能在所有的公用事业的电力系统的相关要点安装，继电通信的所有好处才能实现。这不会在一夜之间发生的，因此，当它变成必需的的时候，任何被选择的系统可以在整个系统零碎的基础上安装是非常重要的。影响一个中继通信注册的采取的主要因素之一是用户成本。这个成本不仅包括继电器硬件上的额外成本，还包括布线成本，设置和配置成本和持续运营成本。因此，采取措施来控制这些地区的所有费用是重要的。减少这些成本应该是通过SCADA系统及从系统提供数据业务的运行储蓄增加来实现的。2.2通信拓扑使用大量的不同的通信拓扑来连接到SCADA系统和保护继电器是可能的。拓扑3结构的选择是非常重要的，因为它和系统的通信效率有直接的关系。图1简单的保护/SCADA系统拓扑结构一个简单的连接形式是单独连接每个中继远程终端单元（RTU的）的数字通信装置的设施。这些RTU依次连接到SCADA网络见图1。这些RTU的作为网络交换机的行为，主要的SCADA系统负责真实的信息轮询。在这种拓扑结构的保护继电器实际上变成了智能传感器。有一个依据被取代的传感器的对SCADA系统的节省，但是这可能是被更复杂的RTU所抵消。即使在这个简单的水平上，从继电器获得的额外数据量仍对SCADA系统有好处。遗憾的是，正是由于同样的数据量的增强最终限制了这种系统的性能。图2多点连接的使用4改善的通讯拓扑结构如图2所示。几个继电器连接到一个RTU的单一通信的一种鞭策。这依赖于保护继电器的与通信链路多点连接的能力。这个方案中的RTU主要负责所有连接的单元的轮询。信息可以通过这种方式进行预处理，并且所有的数据传输速率可以减少。这需要一个更复杂的RTU，但单一的RTU的可以处理更多的继电器，因此可能需要更低的布线复杂度。这一原理在理论上可以扩展到整个变电站，只用一个RTU与所有保护继电器进行通信。在实践中，出于数据速率的考虑，并且从可靠性角度来看这是不可能的。单一通道上可以连续检测到的设备的数量，取决于波特速率和传输的数据量。图3变电站中央计算机的使用一个更复杂的拓扑结构如图3所示。该拓扑结构采用IBMPC作为一个变电站计算机兼容的计算机。可靠性被认为是一个难题时次要从动计算机与第一计算机并行添加。该变电站的计算机取代了上述的RTU，并给用户提供了许多便利。首先，现在除了SCADA网络远程控制设备之外，在变电站内还有个本地控制点。可以采取模拟图表方案的形式，用面板计量，报警器等完成，假若需要的话，可以释放的本地控制系统面板的大部分空间。该变电站计算机负责所有连接设备的连续监测工作，并且对主要的SCADA系统的制定出大量的预处理数据。特别是在下列的故障情况下电脑立即执行本地数据记录到自己的磁盘，减轻了SCADA系统大量的数据处理负担。随后，根据需要，此数据不论是在变电站本地计算机还是SCADA系统的远程终端都是可用的。在所有继电器的调试时期，该变电站计算机也可以用来作为一个接入点。独立的通讯激励可能被用于的每一个变电站地区，每一个都具有可以支持32个继电器的能力。单一的计算机可以提供多达八个端脚，理论上提供256个继电器的容量。在这样的系统中，一个现代计算机仍有可能从每个继电器中以高于每秒一次的速5率获得数据。万一这种继电器的数量不够，变电站计算机可能进一步增加。这些可能被单独连接到SCADA系统中。另外，一个可选的额外层次的变电站计算机的相同控制设施可以如图4添加。注意：现在，每个变电站计算机可能物理上是远程的。不值得一提的是这最后的拓扑结构实际上已经以自己的方式成为一个小型的SCADA系统。对许多更小的单元来说，这一解决方案可提供所需的所有远程设施。图4多层次的拓扑结构2.3通信硬件数字通信的硬件可以采取多种形式，其中大部分是不适合在电力系统环境中使用的。首先要在平行和串行系统中作出选择。同时并行系统涉及了几个（通常是八或十六）单独电线若干位的信息传输。这样的系统比串行系统提供更快的数据传输速率，但涉及到更高的布线成本。基于这个原因，他们不适用于作为电力系统的监视和控制的通用解决方案。串行通信涉及一个比特的数据流在一单对电线上一次一比特的数据流的实时传输。显然，布线成本减低了按比例降低的整体数据传输速率。用于监测和控制应用的速度较慢的数据传输速率仍然保持可以接受的和几乎专用的串联式通讯。目前被普遍用于保护继电器的通讯硬件遵守美国电子工业联合会的RS232标准，这采用所熟悉的9路或25路“D”类连接器。这通常被用来将继电器连接到私人电脑（有时直接，或通过调制解调器），使得继电器被设置，并允许将故障信息后被提取。由于他们几乎通用的实用性，RS232的连接非常方便。RS232连接也有它的局限性使他们使用的监测和控制应用软件数量较少。其中最6严重的是，RS232是为点对点系统而设计。一个单一的设备只能通过给定的链接与一个其他的设备进行通讯。如果需要与其他的设备进行通讯，如果他们是用于对变电站内的数据进行监测和控制，必须提供单独的链接。另外，多路转接器或代码开关可以被添加，尽管这将普遍增加一些关于这些链接是如何实现的限制的种类。RS232也增加刚刚超过15，最大数据速率是19.2千波特的通讯链接的物理长度的限制。这也可以克服，但是又需要额外的设备。最后的RS232不提供任何有效地绝缘水平。光隔离的RS232端口可以被制造出来，但这些都很昂贵。更合适的通信标准是RS485。这使得单一总线可以连接一个多达32个节点的多点连接系统，足以连接至少一个海湾的继电器.RS485的最大传输距离是1200米，超过这个距离的最大数据传输速率超过l00千波特，明显地比RS232更快更进一步。它采用比用于RS232的以地为参考的不平衡驱动器更少受到干扰影响的平衡驱动器和差分信号。RS485需要一个成本低且易于终止的铠装的双绞线电缆。在电力工业中通常典型地采用与用于RS232的相同的用25路或9路“D”类连接器终止，在变电站环境中，这些连接器并不真正适合，而传统终端才是首选。对大多数用户来说，光纤在直接连接两个继电器之间的使用仍然是昂贵的。尤其是在配压水平。然而光纤适用于连接距离超过1200米或者受干扰的风险很高的继电器的本地网络到远程主站。在这种情况下调制解调器被用于将一组继电器连接到光纤上。对于电气通信，有狠多不同的解决方案可供选择。对于长达四，五公里的距离，850nm的多模光纤是相当适用，并提供相对低的复杂性。对于更长的可达25公里左右距离的，1300nm的单模光纤都可以使用。这些都需要更复杂的发射器和接收器，然而他们在电信业界的广泛使用意味着甚至在短距离内很可能比850nm的纤维更经济。串行数据通信可分为异步或同步的。RS232通信继电器的端口总是异步的。在异步系统中，定时或同步信息传输每个字符一起传输。在同步系统中的一种独立的时钟被发送，或者接收器从数据本身中获取时钟信息。同步系统比异步系统更复杂，但大约可提高20的效率。更重要的是字符间的同步系统之间的差是固定的。这使得调频（FM）的编码方法可用，从而导致信号中没有直流分量。因此，RS232系统的隔离问题，可以用简单的隔离变压器很容易地克服。调频编码的第二个好处是，这两个信号线都是非极化的，可以自由地在整个系统互换。现代串行控制芯片使得在不增加成本的吸收的情况下增加同步传输系统额外的复杂性。总之，一般的通信接口，使用调频编码的某种形式的多点同步RS485传输是目前在电力系统数据的测量和控制应用中最适合使用的。这可以为电力电子干扰免疫系统环境提供足够、快速的经济交流。72.4通信语言成功的数字通信不仅仅取决于兼容的通信硬件，也取决于所用的通讯语言和协议。传统的继电器制造商（与在其他领域的相同）已经开发出自己的语言。当没有必要将继电器整合到控制系统时，这已经变得不那么重要。当继电器已经被整合，定制的解决方案对每个不同的继电器的定制的项目是必须的。他的成本对大多数的用户来说是不经济的。到现在为止，还没有提出适用于所有的护继电器的语言。大多数语言的主要缺点是，他们假设主站必须对继电器都了如指掌。如果需要一个特定的数据块，则要求使用的继电器的内存位置或一些设备的特定代码。这个地址必须明确编码到主站软件。此外，该继电器典型地响应未格式化的数据。主站必须假定响应的范围并相应地进行转换。大量数据必须从提取的继电器一系列的问题中提取出来，并进一步整合。即使在通讯是基于一对一，如果主站软件版本与那个继电器的不匹配，错误仍然会发生。这里介绍的语言克服了这些问题。它适用于所有继电器和其他的I/O设备，而且它并不要求主站对每个继电器类型都了如指掌。这一语言设计用于存储于每一个个别的继电器的数据库。继电器使用该数据库来存储所有数据和设置。该数据库的内容继而可以通过通信链路访问。数据库的结构非常类似于一个电子表格，由行和列组成的单元格构成。一个单元格是在数据库中可以访问的最小单位，因此可以只包含一个数据项。该系统与以前的系统不同，因为现在整个系统的数据库分布在各个独立的继电器，而不是集中在主站。这样做的好处是，继电器特定的信息嵌入在继电器中，而不是在一些专门的主站软件中。此外，该通讯语言可以被减少为在分布式数据库上执行特定操作的一系列通用的命令。图5数据库布局和单元格类型该数据库包括了三个不同类型的单元格，每一个都是以前的超集。见图5。三种单元格类型是标题单元格、值单元格和设置/控制单元格。标题单元格包含一个简单的文8本块。这些都是作为分割标签将数据库分成不同的领域。最常见的标题单元格是数据库列标题单元格。值单元格包含一段文字来描述他们的内容以及一项可读的值。这个值最本质的是一个指导主站如何进行数据转换数据类型。典型的值单元格是测量的值如：相电流，如型号等的设备信息，波形记录等。设置/控制单元格与值单元格非常相似，但它们的内容可以被改变。此外，这些单元格额外地包含单元格和有效的步骤的最大最小值的信息。典型设置控制单元格是如电流阈值、如断路器控制系统的控制单元格等的继电保护的设置。单个单元格组合在一起成为相关信息的列。每一列中第一行的单元格是描述列内容的标题单元格。这一组织结构在所有继电器中是不变的。因此，任何继电器的内容可以以同样的方式阅读。首先列标题被提取并以菜单的形式呈现给用户。从这个菜单中，用户可以选择一个特定的列。在选定列中的每个单元格的文本和数值被提取并再次以菜单的形式呈现给用户。单元格可以被选定来进行进一步的操作。通常情况下这可以改变设置，在模拟显示中分配测量值，记录到光盘或实时绘图。实际上，所有的继电器类型都包含一定量的公共信息。这包括继电器类型，型号和序列号，位置以及通讯地址等。这通常是继电器首次被连接时主站所需的信息。一个特殊的命令可以用来提取这些数据，但是一个更好的解决办法是把所有的数据组成一组放在保留的列。列的格式是固定的，但数据现在可以和所有其他数据一样用同样的方式提取出来。所描述的访问方法可以用简单，直观，无需用户手动访问特定的数据块的方法来执行。此外，该方法在任何数量的继电器时都是始终如一的，如果进一步添加继电器到系统中也无需升级。从主站的观点来看，访问数据库所用的命令是非常少的。最常见的有：获取列标题获取列中的文本获取列值获取单元格文本获取单元格数据获取单元格范围预加载新设置执行设置中止设置依据需要，更复杂的序列将会根据这些简单的命令建立起来。92.5时间序列和事件序列记录现存的SCADA系统的最重要职能之一就是事件的记录次序。这给系统工程师根据系统中事件发生的先后顺序提出了宝贵的见解。旧系统的精度为10ms。这个功能是目前是由采用数字输入监控系统事件的SCADA系统的远方终端单元来运行的。这些事件通常是使用分布在变电站周围的系统同步脉冲进行实时追踪的。通常比事件的绝对时间更为重要的是系统中与其他事件相关的时间。新一代的保护继电器的现在包括他们自己的事件次序记