JP5144993B2 - 主要設備に信号および命令インターフェースを備えた電力ネットワーク用保護制御システム - Google Patents

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Description

本発明の分野は、概して電力の商業的および工業的生産に関し、より具体的には電力ネットワークの保護および制御のためのシステムおよび方法に関する。
通常、典型的な配電網は、発電所、送変電所、特別高圧系統、および受変電所（power substation）を含む。発電所の回転発電機は三相交流（ＡＣ）電力を出力し、この三相交流電力は発電機を出て送変電所に入る。送変電所の変圧器は、発電機電圧を、電力を特別高圧系統を介して長距離伝送するのに十分な高電圧まで十分に高める。伝送された電力が家庭または産業で使用される前に、電力は受変電所を通る。
概して、受変電所は、発電機電圧を配電電圧に降圧する変圧器と、降圧された配電電圧を複数の方向に分離する１つまたは複数の配電「母線」と、受変電所（またはその一部）を電力網から切断するか、または１つまたは複数の配電線を受変電所から切断するように構成されることができる種々の回路遮断器および断路器とを含む。中圧から超高圧までの変電所においては、この主要設備（例えば、受変電所の構成要素である変圧器、回路遮断器、断路器、配電母線など）は、受変電所の開閉所として知られる領域に配置される。
受変電所の通常のレイアウトは、上述の主要設備を、それらの設備とインターフェースを取り、それらの設備を管理する保護制御設備から分離する。したがって、主要設備は概して開閉所にあるが、保護制御設備は概して別の制御用施設にある。
保護制御設備の例には、マイクロプロセッサを用いた保護継電器、メ―タ、制御スイッチ、遠隔端末装置、ヒューマンマシンインターフェース（「ＨＭＩ」）端末など（インテリジェント電子装置（ＩＥＤ）と呼ばれることが多い）が含まれる。従来のＩＥＤの例は、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ州ＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙにより製造されたＭｏｄｅｌ Ｄ２５ Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ ＩＥＤ ｆｏｒ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌである。この装置は、電圧の差、位相角の差、および滑り周波数を監視する。この装置は、プログラマブルロジックコントローラ、変電所のローカルエリアネットワークのノード、およびＩＥＤゲートウェイとしても機能する。多くのＩＥＤは、監視制御とデータ収集（ＳＣＡＤＡ）プロトコルを使用して通信する。
動作中、ＩＥＤは、主要設備に関連するセンサからのデータを監視することにより変電所の電力出力を管理する。所望の電圧レベルを維持するために、ＩＥＤは、電圧、電流、および／または周波数の異常が検出された場合に１つまたは複数の主要設備に命令を発行するように構成されることが多い。これらの命令は、予め決められた通りに動作するように（例えば、回路遮断器をトリップするように）１つまたは複数の主要設備に指示することができる。
従来のＩＥＤをそれらに管理される主要設備から分離することのデメリットは、主要設備と従来のＩＥＤとを相互接続するために何マイルもの銅配線が必要とされることである。多くの場合、中圧から超高圧までの受変電所は、数万を超える終端部および数百万を超える終端部、例えば制御ケーブルの末端を制御用施設に配置された終端部ラックに取り付ける場合に作られる接続部をそれぞれ有する。別のデメリットは、数百万もの入り組んだワイヤ終端部に起因する、そのようなシステムの構築または改造に関連する莫大なコストである。このコストの大半は、制御配線の設計、設置、試験、および文書化に関連する。国際電気標準会議（「ＩＥＣ」）標準６１８５０（変電所における通信ネットワークおよびシステム）が、電力供給システムにおける受変電所の自動化のために、産業界全体を巻き込む形で提案されている。しかし、この標準の実施および銅配線の影響の低減のための基本的アプローチは、具体的な教示または確固とした実現可能な構成を提供できていない。そのようなアプローチおよびその標準自体が、まだ埋められていない多くの欠陥を残している。ＩＥＣ６１８５０に関連する欠点の詳細な考察は具体的に、および従来のアプローチに関連するデメリットは概して、B. Kasztenny, J. Whatley, E. Udren, J. Burger, D. Finney, M. Adamiak, entitled "Unanswered Questions about IEC 61850 - What needs to happen to realize the vision?", Proceedings of the 32nd Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, Washington, October 25-27, 2005の論文に提示されている。
B. Kasztenny, J. Whatley, E. Udren, J. Burger, D. Finney, M. Adamiak, entitled "Unanswered Questions about IEC 61850 - What needs to happen to realize the vision?", Proceedings of the 32nd Annual Western Protective Relay Conference, Spokane, Washington, October 25-27, 2005
したがって、新たな受変電所の構成、新たな保護制御設備、および／または新たな受変電所の運転方法を提供する解決策が必要とされている。
本明細書に開示される技術は、数ある利点の中でもとりわけ、従来の受変電所の構成に関連する何百万もの銅線終端部の必要性を削減または排除し、受変電所の構築または改造のコストを大幅に削減し、ＩＥＤから主要設備へ制御データを中継する特別な装置の使用を排除し、マスタ装置およびスレーブ装置の外部時刻同期を排除し、冗長なフィールド機器の経済的な使用をもたらす新たな受変電所の構成を提供することによって従来技術に関連するデメリットを克服し、上述のニーズを満たす。加えて、本明細書に開示される方法の一実施形態は、数ある利点の中でもとりわけ、１つまたは複数の主要設備または制御設備の内部オンザフライ時刻同期を提供する。
一実施形態において、新たな受変電所の構成は、１つまたは複数の主要設備をＩＥＤに接続するための１つまたは複数の新たな装置（以降、これらの新たな装置を「ブリック」と呼ぶ）を開閉所内に配置する。各「ブリック」は、主要設備の銅回路に直接接続されることができ、光ファイバパッチパネルに直接接続されることができる。光ファイバパッチパネルは、制御用施設内に配置された１つまたは複数のＳＣＡＤＡ ＩＥＤと接続されることができる。各ブリックと主要設備との接続は、従来の受変電所の配線方法と比較してより短く、より単純で、より一定しており、労働力がより少なくて済む。一実施形態において、各ブリックは、例えば電流、電圧などのアナログ入力信号をデジタル表現に変換し、これらに限定されないが、１つまたは複数の回路遮断器をトリップするおよび再閉路するなど、保護制御システムによって生成された命令を実行することができる。
２地点間接続用の光ファイバケーブルを使用して各ブリックを１つまたは複数のＩＥＤに接続する一実施形態においては、新たな受変電所の構成は、データをあちこちに移動させるための、イーサネット（商標）スイッチなどの特別な装置を使用しない。さらに、そのような共有によって、受変電所の保護制御設備の総量（およびそれらの設置／維持コスト）が削減される。
本発明の一実施形態によってもたらされる技術的な効果は、各ブリックをそのブリックの１つ（または複数）の処理（マスタ）ＩＥＤと同期するために使用される仮想的な同期信号を生成し、出力することである。
本発明の一実施形態は、電力供給の保護、制御、および監視のためのシステムを提供することができる。このシステムは、主要設備と結合され、当該主要設備からフィールドデータを受信するように構成された入出力インターフェース装置（以降「ブリック」）を含むことができる。さらに、インテリジェント電子装置（「ＩＥＤ」）はブリックと結合されることができる。ＩＥＤは、ブリックからフィールドデータを受信するように構成されることができる。パッチパネルはブリックと結合されることができ、フィールドデータをＩＥＤにルーティングするように構成されることができる。第１の通信リンクは、ブリックとパッチパネルを結合することができる。第２の通信リンクは、パッチパネルとＩＥＤを結合することができる。
本発明の別の実施形態は、受変電所の運転方法を提供することができる。この方法は、１つまたは複数の種類の主要設備からフィールドデータ信号を入出力インターフェース装置（以降「ブリック」）で受信することを含むことができる。この方法は、当該フィールドデータ信号を１つまたは複数のインテリジェント電子装置（「ＩＥＤ」）に送信することをさらに含むことができる。この方法は、当該フィールドデータ信号から得られるバイナリ命令をブリックで受信することをさらに含むことができる。この方法は、受信されたバイナリ命令に応じて出力を操作することをさらに含むことができる。
特許請求の範囲に記載された発明の種々の実施形態の上述のおよびその他の態様は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて検討すればより明らかになるであろう。
特許請求の範囲に記載された発明の種々の実施形態を例示する、後で簡単に説明する添付の図面を本明細書において参照する。当業者は、他の実施形態も利用可能であり、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を逸脱することなしに、構造的、電気的、および手続き的変更が行われ得ることを理解するであろう。本明細書で使用される単数形（例えば「１つのブリック（ｂｒｉｃｋ）」）は複数形（例えば「複数のブリック（ｂｒｉｃｋｓ）」）を包含し、複数形は単数形を包含する。
図１は、本発明の一実施形態により構成された受変電所の構成１００の概略図である。図１を参照すると、２つの光ファイバパッチパネル１３０および１４０が、開閉所１５０と継電制御用施設１６０との間に配置されている。開閉所１５０は、これに限定されないが、高電圧装置１０２などの１つまたは複数の主要設備を含む。各主要設備は、当該主要設備を１つまたは複数のＩＥＤに接続するための少なくとも１つの新たな装置（「ブリック」と呼ばれる）に直接接続されることができる。例えば、図１においては、２つのブリック１０４および１１６が高電圧装置１０２に接続されている。ブリック１０４はブリック１０６、１０８、１１０、１１２、および１１４と共に、屋外光ファイバパッチケーブル１８０を介して光ファイバパッチパネル１３０に２地点間接続されている。同様に、ブリック１１６はブリック１１８、１２０、１２２、および１２４と共に、屋外光ファイバパッチケーブル１８１を介して光ファイバパッチパネル１４０に接続されている。ブリックは、光ファイバパッチケーブルに埋め込まれた１組の銅線を使用して給電されることができる。図１においては、各ブリック１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１８、１２０、１２２、および１２４に関連する主要設備は、図を過度に複雑にしないために図示していない。以上のことから、本発明の一実施形態は、高電圧装置１０２以外の他の種類の主要設備を含んでもよいことが理解される。
一実施形態において、光ファイバパッチパネル１３０は、屋内光ファイバパッチケーブル１７０を介して処理装置１９０に接続されている。同様に、光ファイバパッチパネル１４０は、屋内光ファイバパッチケーブル１７１を介して処理装置（例えば「ＩＥＤ」）１９０に接続されている。ＩＥＤ１９０は通信リンク１９５を介して、これらに限定されないが、コンピュータデータベース、ヒューマンインターフェース端末などの高レベル保護制御設備にそれぞれ接続されている。各種類の高レベル保護制御設備は、上述のＳＣＡＤＡプロトコルを使用して通信するように構成されることができる。
各ＩＥＤ１９０（および／または各種類の高レベル保護制御設備）は、コンピュータプロセッサと、当該コンピュータプロセッサを少なくともメモリおよび通信ポートにリンクするデータバスとを含むことができる。各ＩＥＤ１９０（および／または各種類の高レベル保護制御設備）が動作するとき、各ＩＥＤ１９０（および／または各種類の高レベル保護制御設備）に入力された第１の信号（または第１のデータ）が、受変電所（またはその構成要素）に対する所望の電圧レベルを維持するために受変電所の構成の他の構成要素によって使用されることができる第２の信号（または第２のデータ）として出力されるように、メモリに格納された機械実行可能なコードがコンピュータプロセッサによってアクセスおよび処理されることができる。
再び図１を参照すると、ファイバを用いた保護制御方式を効果的に使用するための有効な構成１００は、所与の電力システムに求められる厳格な信頼性基準を満たさなければならない。図２、４、６、および７を参照して以下でさらに説明するように、本発明の実施形態は、冗長性を提供すること、およびシステムの構成要素の総数を低く保つことによってこれを達成する。本発明の実施形態は、ブリックを使用し、複数のＩＥＤに対して機能を提供するように当該ブリックを構成することによって、少ない数のシステム構成要素を使用して冗長性を提供する。これは、ＩＥＤごとに１つまたは複数の入出力サブシステムを使用する従来の方法論とは対照的である。さらに、これは、その構成が信頼性を低下させ、構成、セキュリティ、データトラフィックなどの問題を生じる、ＩＥＤ間でデータを共有するためにイーサネット（商標）スイッチを使用する従来の方法論と対照的である。対照的に、本発明の実施形態は、予め成端された高密度接続部を有する既製のマルチファイバパッチケーブルを使用した２地点間放射状マルチファイバ直接接続を介してフィールドデータを全てのＩＥＤに提供する。したがって、図１に示すように、および以下でさらに説明するように、各ＩＥＤはブリックから個別に機能を提供されることができる。
図２は、ブリック２００の一実施形態の構成図である。図２を参照すると、ブリック２００は、主要設備からアナログ信号および２値信号を受信するための複数の入力２０２、２０４、２０６、および２０８を含む。これらの入力は、変流器、または小エネルギー電子回路用変成器などの等価な機器からの電流信号２０２と、変圧器、または小エネルギー電子回路用変成器などの等価な機器からの電圧信号２０４と、これらに限定されないが、回路遮断器位置（開または閉）、低ガス圧力、スプリングチャージの故障などのイベントを示す信号２０６とを含む。ブリック２００は、バイナリ命令をそのブリックの関連する主要設備に送信するための複数の出力２０８も含む。そのような命令の非限定的な例には、「トリップ」命令および「再閉路」命令が含まれる。例えば、電圧、電流などの異常が検出された場合に、「トリップ」命令により回路遮断器が特定の回路を遮断する。「再閉路」命令により回路遮断機が前にオフにされた回路をオンにする。ブリック２００は、単一の高密度コネクタ（図示せず）に統合されることができる複数の光ファイバ通信ポート２１０、２１２、２１４、２１６を含む。このコネクタは、１つまたは複数のＩＥＤとの独立した通信パスを提供するように構成されたマルチファイバ光ケーブルを受け入れるように構成されることができる。
図３は、保護制御ＩＥＤ３００の一実施形態の構成図である。図３を参照すると、保護制御（ＩＥＤ）３００は、やはり単一の高密度コネクタ（図示せず）に統合されることができる複数の光ファイバ通信ポート３０２、３０３、３０４、および３０５を含む。このコネクタは、複数のブリックとの独立した通信パスを提供するように構成されたマルチファイバ光ケーブルを受け入れるように構成されることができる。ＩＥＤ３００は、光ファイバパッチケーブルに埋め込まれた１組の銅線を使用して排他的にまたは冗長的に給電されることができる。
図４は、別の受変電所の構成４００の一実施形態の概略図である。図４を参照すると、４本の送電線４０１、４０２、４０３、および４０４と、２本の母線４０５、４０６と、６つの回路遮断器４０７、４０８、４０９、４１０、４１１、および４１２とを有する受変電所の構成４００の例示的な実施形態が図示されている。各送電線４０１、４０２、４０３、および４０４は、それぞれ１つの変圧器４１３、４１４、４１５、および４１６を含む。各回路遮断器４０７、４０８、４０９、４１０、４１１、および４１２は２つの変流器を含む。例えば、回路遮断器４０７は変流器４１７、４１８を含む。回路遮断器４０８は変流器４１９、４２０を含む。回路遮断器４０９は変流器４２１、４２２を含む。回路遮断器４１０は変流器４２３、４２４を含む。回路遮断器４１１は変流器４２５、４２６を含む。回路遮断器４１２は変流器４２７、４２８を含む。
変電所の構成４００は、６つの保護制御ＩＥＤ４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６と、制御用施設４４０の中に配置された２つのパッチパネル４３７、４３８とをさらに含む。変電所の構成４００は、所定の主要設備に隣接して配置された１０個のインターフェース装置（例えば「ブリック」）４４１、４４２、４４３、４４４、４４５、４４６、４４７、４４８、４４９、および４５０も含む。変電所の構成４００は、上述のブリック、パッチパネル、およびＩＥＤを結合する複数の通信リンク（これらに限定されないが、例えば通信リンク１、２、３、４、５、６、７、８、９、および１０）をさらに含む。一実施形態において、通信リンクを形成するためにマルチファイバ光ケーブル（または１つもしくは複数のその要素）が使用されることができる。パッチパネル４３７、４３８においては、ＩＥＤとブリックとをリンクする高密度ファイバケーブルとインターフェースを取るパッチパネルの部分に対して個別の物理的なアクセスが行われることができ、ＩＥＤとブリックの間のファイバの組を交差接続する部分に対して個別の物理的なアクセスが行われることができる。
各ブリックは、アナログ信号、２値信号、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを受信（および／またはデジタル化）することができる。アナログ信号の非限定的な例には、特に、変圧器により供給される交流電圧および交流電流と、計器用変成器により供給される低エネルギーのアナログ信号と、温度センサ、圧力センサ、動作センサなどのセンサからのアナログ出力とが含まれる。２値信号の非限定的な例には、特に、回路遮断器位置と、断路器および接地開閉器位置と、他のセンサおよび装置からの警告または状態指示とが含まれる。
図４に示すように、ＩＥＤ４３２は、ブリック４４１およびブリック４４３からデジタル化された電流信号および２値信号を受信し、ブリック４４２からデジタル化された電圧信号を受信する。また、ＩＥＤ４３２は、デジタル化された指令信号をブリック４４１およびブリック４４２に送信する。ＩＥＤ４３２は、複数の独立した通信ポートを含んでもよい。したがって、ＩＥＤ４２２とブリック４４１の間のデータ伝送は第１の独立した通信ポートを介して行われることができ、ＩＥＤ４３２とブリック４４２の間のデータ伝送は第２の独立した通信ポートを介して行われることができる。
一実施形態において、ＩＥＤ４３２の複数の通信ポートは、単一のマルチファイバ通信リンク１２を介して光ファイバパッチパネル４３７に接続されることができる。通信リンク１２は、複数の予め成端されたファイバ対コネクタを用いて光ファイバパッチパネル４３７で終端することができる。マルチファイバ通信リンク１２内で、１組のファイバが、ＩＥＤ４３２との通信を必要とする各ブリックとの通信のために占有されることができる。この例示的な実施形態においては、３つのブリック（４４１、４４２、４４３）との通信が必要とされる。したがって、マルチファイバ通信リンク１２の第１のファイバの組がブリック４４１との通信用に占有され、第２のファイバの組がブリック４４２との通信用に占有され、第３のファイバの組がブリック４４３との通信用に占有される。
図５は、受変電所の運転方法５００の一実施形態を示すフローチャートである。方法５００の段階は任意の好適な順序で実行されてよく、方法５００の変更形態は、図５に示され本明細書で説明される段階の他に１つまたは複数の段階を含んでよい。
図５を参照すると、段階５０１で、方法５００は、ブリックが１つまたは複数の変流器から電流信号を受信し、その信号をデジタル化するときに開始されることができる。段階５０２で、同様に、同じまたは異なるブリックが１つまたは複数の変圧器から電圧信号を受信し、その信号をデジタル化することができる。段階５０３で、同じまたは異なるブリックが、回路遮断器または他の種類の主要設備からの１つまたは複数の２値入力から２値信号を受信し、その信号をデジタル化することができる。段階５０４で、１つ（または複数）の当該ブリックは、受信およびデジタル化した電流、電圧、および２値信号データを１つまたは複数のＩＥＤに送信する。段階５０５で、１つ（または複数）の当該ブリックは、ＩＥＤからバイナリ命令を受信する。ＩＥＤは、１つ（または複数）の当該ブリックから先に受信したデジタル化された電流、電圧、および２値信号データからそれらのバイナリ命令を導出することができる。段階５０６で、１つ（または複数）の当該ブリックは、受信されたバイナリ命令にしたがって出力を操作する（例えば、動作が実行されるようにする）。その後、方法５００は終了することができる。
一実施形態において、出力を操作する段階５０６は指令信号を発行することを含んでよく、その指令信号は、回路遮断器および断路器に対する開／閉命令、変圧器のタップ切換器に対する降／昇命令、受変電所の主要設備の運転に適するその他の命令を含む。指令信号は、主要設備の直流（「ＤＣ」）制御回路とインターフェースを取る個体スイッチを介して当該主要設備に送信されることができる。
図６は、３つのＩＥＤ６３１、６３２、６３３と、光ファイバパッチパネル６３７と、３つのブリック６４１、６４２、６４３との間の通信パスのルーティング６００の一実施形態を示す構成図である。図６を参照すると、各ＩＥＤ６３１、６３２、６３３および各ブリック６４１、６４２、６４３は、４つの独立した通信ポートＣｏｍ−１、Ｃｏｍ−２、Ｃｏｍ−３、およびＣｏｍ−４を有する。各ブリックでは、１つのポートは単一のＩＥＤとの通信のために占有される。各ＩＥＤでは、１つのポートは単一のブリックとの通信のために占有される。各装置（例えば各ブリックおよび各ＩＥＤ）とパッチパネル６３７の間の接続は、各ＩＥＤ−ブリック接続に対して専用のファイバ対を有する。例えば、ＩＥＤ６３１は、ブリック６４１および６４２とリンクされる。したがって、ＩＥＤ６３１の通信ポートＣｏｍ−１はブリック６４１の通信ポートＣｏｍ−１とリンクされ、ＩＥＤ６３１の通信ポートＣｏｍ−２はブリック６４２の通信ポートＣｏｍ−１とリンクされる。さらに、ＩＥＤ６３２は、ブリック６４１、６４２、および６４３のそれぞれとリンクされる。したがって、ＩＥＤ６３２の通信ポートＣｏｍ−１は、ブリック６４２の通信ポートＣｏｍ−２とリンクされる。ＩＥＤ６３２の通信ポートＣｏｍ−２は、ブリック６４１の通信ポートＣｏｍ−２とリンクされる。ＩＥＤ６３２の通信ポートＣｏｍ−３は、ブリック６４３の通信ポートＣｏｍ−１とリンクされる。さらに、ＩＥＤ６３３は、ブリック６４２および６４３のそれぞれとリンクされる。したがって、ＩＥＤ６３３の通信ポートＣｏｍ−１は、ブリック６４２の通信ポートＣｏｍ−３とリンクされる。ＩＥＤ６３３の通信ポートＣｏｍ−２は、ブリック６４３の通信ポートＣｏｍ−２とリンクされる。特許請求の範囲に記載された発明の範囲内でＩＥＤ６３１、６３２、６３３とブリック６４１、６４２、６４３との間の接続の多くの他の構成が可能であることが理解される。
再び図４および６を参照すると、各ブリックは、そのブリックが機能を提供する各ＩＥＤからクロック信号を受信する。したがって、複数のＩＥＤに機能を提供しているブリックは、結果として複数のクロック信号を受信することになる。このことの例は、ＩＥＤ４３１、４３２に機能を提供する図４のブリック４４１、およびＩＥＤ６３１、６３３に機能を提供する図６のブリック６４２である。一実施形態において、各ＩＥＤは固有のクロック信号を個別に生成し、ＩＥＤにリンクされた各ブリックは、その同じＩＥＤによって生成されたクロック信号を使用してデータ伝送を同期する。従来のＩＥＤを同期するために使用される外部クロックを用いる方法とは対照的に、本発明の一実施形態においては、個々のＩＥＤの間のデータ同期に関していかなる要件も存在しない。その代わりに、データ同期は、各ブリックの１つ（または複数）のマスタＩＥＤから受信された１つ（または複数）のクロック信号を使用して各ブリックにおいて個別に実行され、各ＩＥＤは、そのＩＥＤの全てのブリックから同期されたデータを受信する。したがって、一実施形態においては、各ブリックは非同期的にＩＥＤにデータを送信し、非同期的にＩＥＤからデータを受信し、ＩＥＤとの１対１直接通信接続のそれぞれに対して位相ロックループを用いる。
位相ロックループは、機能を提供される各ＩＥＤに対する仮想的な同期サンプルホールド信号を確立し、次にデータを再サンプリングして、機能を提供される各ＩＥＤと同期した種々のデータを取得する。この特徴は、単一の外部クロック（例えば、単一の障害発生点）を排除することによりシステムの信頼性を向上し、各データ伝送を同期するコストを低減する（例えば、全てのブリックに対して外部クロック信号を同時的に配信する必要がない）。一実施形態において、ＩＥＤは、ＩＲＩＧ−Ｂ入力信号などのタイミング入力信号を備えることができ、全地球測位システムクロックを使用する場合などに、この信号を復号して、それらのＩＥＤのクロックを一変電所内でまたは変電所間で絶対時間基準に同期することができる。ＩＲＩＧ−Ｂは、報時信号を符号化し、その信号をマスタクロックから１つまたは複数の受信装置に配信するための標準フォーマットであり、当初は米軍よって開発され、現在は民間産業で利用されている規格であるＩｎｔｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ ｍｏｄ Ｂを意味する。一実施形態において、各ＩＥＤは、データおよび時間情報を１つまたは複数の関連するブリックに送信して、１つ（または複数）の当該ブリックのデジタルフィールドデータの正確なタイムスタンプを提供するように構成される。
図７は、１つまたは複数のＩＥＤ７３１に対する冗長なブリック７５１、７５２を有する受変電所の構成７００の一実施形態を示す概略図である。図７を参照すると、２つのブリック７５１、７５２は、冗長な信号測定および制御を提供するために主要設備７６０に接続されることができる。主要設備７６０は、回路遮断器、変流器、変圧器などを含むことができる。図７の冗長システムにおいて、各ブリック７５１、７５２は、主要設備７６０から電流信号、電圧信号、および２値信号のうちの少なくとも１つを受信し、その信号をデジタル化し、デジタル化された信号をＩＥＤ７３１に同期的に転送する。ＩＥＤ７３１は、各ブリック７５１、７５２から受信されたデジタル化された信号を比較して、データの完全性を保証し、ブリック７５１または７５２のいずれかの故障を監視する。ＩＥＤは、ブリック７５１から受信された第１のデジタルフィールドデータと、第２のブリック７５２から受信された第２のデジタルフィールドデータとの間の不整合を検出するとすぐに、完全なデジタルフィールドデータの組を識別するための追加のチェックを適用するように構成されることができる。ＩＥＤは、完全なデジタルフィールドデータの組に恒久的に切り換え、ブリック７５１またはもう一方のブリック７５２が故障したとしても運転を継続するようにさらに構成されることができる。
したがって、一実施形態においては、監視対象の主要設備から取得されたデータの２つのコピーは各ＩＥＤに送信される。これは従来の保護制御システムよりも信頼性を向上しながらも、複数のＩＥＤがデータを共有することができるようにすることによってシステムの構成要素の総数を少ないままに保つ。例えば、受変電所の開閉所内の所与の主要設備を監視するために、平均で３つの従来のＩＥＤが必要とされる。これは、銅線を介して制御用施設に送達される信号を処理するために、３つの入出力サブシステムが必要とされることを意味している。しかも、これらのサブシステムはいずれも冗長でない。対照的に、本発明の一実施形態は、所与の主要設備用に開閉所内に配置された２つの冗長なブリックのみを使用して入出力インターフェースを提供する。これら２つのブリックは３つのＩＥＤマスタに機能を提供することができるので、各ＩＥＤはもはや別々のＩ／Ｏサブシステムを必要としない。したがって、本発明の一実施形態は、システム全体に完全な冗長性を付加しながら、入出力サブシステム用の構成要素の総数を２／３削減する。
本発明の実施形態は、電力保護制御システムのエンジニアリングに対する従来のアプローチを保持する。特に、これらの実施形態は、保護範囲の概念を保持する。したがって、一実施形態において、１つのＩＥＤ（マスタ）は、主要設備内の単一の範囲（例えば、送電線、変圧器、コンデンサバンク、母線など）を保護するために配置されてよい。上述のブリックを使用することによって、フィールド信号の生成方法に違い（例えば、電流、電圧、２値など）があっても、これが行われることができるようにする。
複数のコンピュータソフトウェアアプリケーションが複数の保護制御装置（例えば、ＩＥＤおよびブリック）に分散されている電力システムの一実施形態においては、それらの装置の間の正確な相互運用が極めて重要である。本発明の実施形態は、以下の方法で相互運用性を提供する。ブリックは独立したファームウェアを有する必要がない。その代わりに、ブリックは、そのブリックの１つ（または複数）のマスタＩＥＤのそれぞれからコンピュータソフトウェアコードのダウンロードを受け取ることができる。したがって、それぞれがそのブリックの１つ（または複数）のマスタＩＥＤの要求に合わせて作られている複数のコード実装が、単一のブリック上で共存することができる。これにより複数のファームウェアのバージョンに関連する相互運用性の問題を軽減し、ひいては試験の必要性を排除する。したがって、本実施形態においては、ブリックは、受変電所の人間のオペレータが個別の装置としてのブリックと情報をやりとりする必要なしに、必要に応じてそれらのブリックの動作コードおよびその他のパラメータを更新することで、それらのブリックの関連する１つ（または複数）のＩＥＤによって完全に保守されることができる。別の実施形態においては、所与のブリックとＩＥＤの間の通信を確立すると、ＩＥＤは、所与のブリックのみの機能を制御するコンピュータソフトウェアコードを有効化および必要に応じて更新することができる。
一実施形態において、１つまたは複数のブリックは、主要設備に直接搭載されることができるか、または当該主要設備の近傍に取り付けられることができる。
一実施形態において、受変電所の試運転中または同等の動作中に、ユーザは、物理装置の所与の構成が妥当であり、コンピュータのメモリに格納されるべきであり、システムの次の動作に対して正常であると考えられるべきであることを確認することによって、ブリックおよび１つ（または複数）のＩＥＤを備えるシステムをロックすることができる。ブリックおよび１つ（または複数）のＩＥＤの妥当な構成は、通し番号などの一意な識別子によって、または同様の方法によって表されることができる。
一実施形態において、所与のブリックとＩＥＤの間の通信を確立すると、ＩＥＤはブリックの一意的な識別名をチェックすることができ、チェック結果が肯定的か否定的かに応じて、例えば警告を発行すること、一部の機能を抑止すること、または自動的にテストモードに切り換えることによって当該ＩＥＤの機能を変更することができる。ある機能は、入力の評価または処理を通じて出力を生成する。ある機能が抑止される場合、出力は強制的に所定の既定状態にされる。
一実施形態においては、アドレス指定または同等の方式と比較して、ブリックとＩＥＤの間の接続は物理接続を含む。さらに、２つ以上のＩＥＤが、共有されたブリックを使用して、それらのＩＥＤ間の通信を容易にすることができる。そのような実施形態においては、送信側のＩＥＤは、共有されたブリックに宛てられたパケット中に関心のあるデータ項目を含むことができる。ブリックは、受信された関心のあるデータ項目を、一部のまたは全てのその他の接続されたＩＥＤに対する当該ブリックの発信パッケージにコピーすることができる。
一実施形態において、ブリックに与えられる一部のまたは全ての銅線を使用した信号は、丈夫なマルチピンコネクタによって供給されることができる。別の実施形態においては、ブリックが取り外された状態で電力システムの連続運転を可能にするために、ショートキャップが設けられてＩＥＤコネクタの所で交流信号をショートすることができ、そうしなかった場合、電力システムは電流信号のパスを開いたままにする。
ブリックは、電力システムの装置を設置場所に運ぶ前に、電力システムの装置の製造業者または改修業者によって現場外で設置および予備テストされることができる。制御用施設が予め組み立てられる一実施形態においては、ＩＥＤおよびファイバパッチパネルは、制御用施設を設置場所に運ぶ前に制御用施設内に取り付けられ、予備テストされることができる。本発明の実施形態は、ファイバ媒体の使用に限定されない。それどころか、上述のファイバ媒体は電気または無線媒体によって置き換えられることができる。
本発明の種々の実施形態の詳細な説明がなされたが、本発明の範囲内の修正は当業者には明らかであろう。そのような当業者は、１つの実施形態に関して説明された特徴が他の実施形態にも適応され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に従って適切に理解されるべきである。
本発明の一実施形態により構成された受変電所の構成の概略図である。 ブリックの一実施形態を示す構成図である。 インテリジェント電子装置（「ＩＥＤ」）の一実施形態を示す構成図である。 １つまたは複数の制御設備に信号および命令インターフェースを備えた例示的電力ネットワーク用保護制御システムの一実施形態の概略図である。 受変電所の運転方法の一実施形態を説明するフローチャートである。 ３つのブリックと３つのＩＥＤの間の通信のルーティングの一実施形態を示す概略図である。 １つまたは複数のＩＥＤのための冗長なブリックを有する受変電所の構成の一実施形態を示す概略図である。
符号の説明
１ 通信リンク
２ 通信リンク
３ 通信リンク
４ 通信リンク
５ 通信リンク
６ 通信リンク
７ 通信リンク
８ 通信リンク
９ 通信リンク
１０ 通信リンク
１２ マルチファイバ通信リンク
１００ 受変電所の構成
１０２ 高電圧装置
１０４ ブリック
１０６ ブリック
１０８ ブリック
１１０ ブリック
１１２ ブリック
１１４ ブリック
１１６ ブリック
１１８ ブリック
１２０ ブリック
１２２ ブリック
１２４ ブリック
１３０ パッチパネル
１４０ パッチパネル
１５０ 開閉所
１６０ 継電制御用施設
１７０ 屋内光ファイバパッチケーブル
１７１ 屋内光ファイバパッチケーブル
１８０ 光ファイバパッチケーブル
１８１ 光ファイバパッチケーブル
１９０ 処理装置（ＩＥＤ）
１９５ 通信リンク
２００ ブリック
２０２ 電流信号入力
２０４ 電圧信号入力
２０６ 信号入力
２０８ ２値出力
２１０ 光ファイバ通信ポート
２１２ 光ファイバ通信ポート
２１４ 光ファイバ通信ポート
２１６ 光ファイバ通信ポート
３００ 保護制御ＩＥＤ
３０２ 光ファイバ通信ポート
３０３ 光ファイバ通信ポート
３０４ 光ファイバ通信ポート
３０５ 光ファイバ通信ポート
４００ 変電所の構成
４０１ 送電線
４０２ 送電線
４０３ 送電線
４０４ 送電線
４０５ 母線
４０６ 母線
４０７ 回路遮断機
４０８ 回路遮断機
４０９ 回路遮断機
４１０ 回路遮断機
４１１ 回路遮断機
４１２ 回路遮断機
４１３ 変圧器
４１４ 変圧器
４１５ 変圧器
４１６ 変圧器
４１７ 変流器
４１８ 変流器
４１９ 変流器
４２０ 変流器
４２１ 変流器
４２２ 変流器
４２３ 変流器
４２４ 変流器
４２５ 変流器
４２６ 変流器
４２７ 変流器
４２８ 変流器
４３１ 保護制御ＩＥＤ
４３２ 保護制御ＩＥＤ
４３３ 保護制御ＩＥＤ
４３４ 保護制御ＩＥＤ
４３５ 保護制御ＩＥＤ
４３６ 保護制御ＩＥＤ
４３７ パッチパネル
４３８ パッチパネル
４４０ 制御用施設
４４１ インターフェース装置（ブリック）
４４２ インターフェース装置（ブリック）
４４３ インターフェース装置（ブリック）
４４４ インターフェース装置（ブリック）
４４５ インターフェース装置（ブリック）
４４６ インターフェース装置（ブリック）
４４７ インターフェース装置（ブリック）
４４８ インターフェース装置（ブリック）
４４９ インターフェース装置（ブリック）
４５０ インターフェース装置（ブリック）
５００ 方法
５０１ 方法の段階
５０２ 方法の段階
５０３ 方法の段階
５０４ 方法の段階
５０５ 方法の段階
５０６ 方法の段階
６００ 通信パスのルーティング
６３１ 保護制御ＩＥＤ
６３２ 保護制御ＩＥＤ
６３３ 保護制御ＩＥＤ
６４１ ブリック
６４２ ブリック
６４３ ブリック
７００ 受変電所の構成
７３１ ＩＥＤ
７５１ 冗長なブリック
７５２ 冗長なブリック
７６０ 主要設備
Ｃｏｍ−１ 通信ポート
Ｃｏｍ−２ 通信ポート
Ｃｏｍ−３ 通信ポート
Ｃｏｍ−４ 通信ポート

Claims (8)

  1. 主要設備（１０２）に結合され、前記主要設備からフィールド信号を受信するように構成された第１のブリック（１０４）と、前記主要設備（１０２）に冗長的に結合され、前記主要設備からフィールド信号を受信するように構成された第２のブリック（１０４）とを含む入出力インターフェース装置と、
    前記第１及び第２のブリックからデジタル化された前記フィールド信号であるデジタルフィールドデータを受信するように構成されたインテリジェント電子装置（「ＩＥＤ」）（１９０）と、
    前記第１及び第２のブリック及び前記ＩＥＤに結合され、前記第１及び第２のブリックからの前記デジタルフィールドデータを前記ＩＥＤの選択された１つにルーティングするように構成されたパッチパネル（１３０）と、
    前記第１及び第２のブリックの各々を前記パッチパネルに独立して結合する第１の通信リンク（１８０）と、
    前記パッチパネルを前記ＩＥＤに独立して結合する第２の通信リンク（１７０）と
    を備え、
    前記第１及び第２のブリック（１０４）は、前記デジタルフィールドデータを前記ＩＥＤ（１９０）の選択された１つに送信し、前記デジタルフィールドデータの送信を前記ＩＥＤの選択された１つのサンプリングクロック信号と同期するように構成されており、
    前記ＩＥＤ（１９０）は、前記第１及び第２のブリックに関連する各通信リンクに渡って位相ロックループを独立に確立して、前記第１及び第２のブリックに前記サンプリングクロック信号を供給するように構成されている、
    電力エネルギー供給の保護、制御、および監視のためのシステム（１００）。
  2. 前記第１および第２の通信リンク（１８０、１７０）のそれぞれは、少なくとも１つの予め成端された高密度コネクタを端部に有するパッチケーブルである請求項１記載のシステム。
  3. 前記第１および第２の通信リンク（１８０、１７０）のそれぞれは、光ファイバ媒体、電気媒体または無線媒体である請求項２記載のシステム。
  4. 前記第１および第２のブリック（１０４）は独立したファームウェアを有しておらず、前記第１および第２のブリック（１０４）は前記ＩＥＤからコンピュータソフトウェアコードのダウンロードを受け取る請求項１記載のシステム。
  5. 前記ＩＥＤ（１９０）は、前記第１および第２のブリックとの通信を確立するとすぐに、前記第１および第２のブリック（１０４）の機能を制御するコンピュータソフトウェアコードを有効化および必要に応じて更新するように構成されている請求項１記載のシステム。
  6. 前記第１および第２のブリック（１０４）は、主要設備からアナログ信号又は２値信号を受信する請求項１記載のシステム。
  7. 前記ＩＥＤ（１９０）は、前記第１のブリック（１０４）から受信された第１のデジタルフィールドデータと、前記第２のブリック（１１６）から受信された第２のデジタルデータとを比較して、前記第１および第２のデジタルフィールドデータの完全性を保証するように構成されている請求項３記載のシステム。
  8. 前記第１および第２のブリック（１０４）が取り外された状態で前記システムの運転を継続することができるように丈夫なマルチピンコネクタの所で交流信号をショートするように構成されたショートキャップをさらに備える請求項１記載のシステム。
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