CN101379671A - 协同式故障保护系统 - Google Patents

Abstract

一种利用通信来协同故障保护设备的操作的电力分配保护系统和方法。通信可以是按优先级排序的，其中，低优先级的消息被保留或者丢弃，从而有利于高优先级的消息，例如指示故障状况的消息。根据要被传送的消息的优先级，设备可以使用多信道接入方案。

Description

协同式故障保护系统

技术领域

本发明涉及电力分配系统，更具体地说，本发明涉及利用通信(communication)来提供协同式故障保护以及电力分配系统恢复的方法和系统。

背景技术

电力分配系统可以包括用以提供电路保护、故障隔离、电路重配置(通常用于恢复串联连接的负载侧用户的服务)和系统返回至正常功能的技术。例如，电力分配系统可以包括故障保护设备，故障保护设备包括：电源保护设备(例如断路器)、负载保护设备(例如保险丝)和故障保护设备(例如故障中断器、分段隔离开关、自动重合闸等)，这种故障保护设备分割配电线路并允许故障隔离。虽然可以采取各种策略来管理电力分配系统，以维持服务并保护该电力分配系统，但是通常情况下故障保护设备应该以协同方式来运行，以优化电力分配系统的性能并且最小化服务中断的机会(scope)和时长。也就是说，在最靠近故障的故障保护设备处隔离故障，以保护电源并且保持针对电源和该故障保护设备之间的负载的服务。

同时，电力分配系统应当是能够以降低的负担在高级别性能下管理、恢复和运行。配电系统极为普遍地配备有故障保护设备，因而这些目标难以实现。

作为增强电力分配系统的自动化以提供管理和系统恢复的装置，广域通信系统已经投入使用数十年了。这些系统负责对来自电源/变电站、经由中压馈电线/分配线路提供给用户的电力的分配进行控制，并且由于在广阔的地理区域内提供光纤或者其他固定通信介质的成本较高，因而在通常情况下这些系统是基于无线的。商用通信产品的例子包括Schlumberger公司销售的Utilinet radio。绝大多数这类产品都是与SCADA系统，或者其他低到中速通信应用系统(例如可以从伊利诺伊州芝加哥市的S&C电气公司买到的IntelliTEAM电路重配置系统)结合使用的。

另一方面，电路/设备保护系统需要高速(低延迟)和高可靠性的通信。这些系统中的一些是或也可以是基于无线的。这种系统的例子包括可以从S&C电气公司买到的HRDS系统。这些系统利用专用的点到点链路和专用于每一对通信设备的通信信道。一个名为FreewaveCommunication的公司提供了一种基于无线的成品，用以与SchweitzerEngineering Laboratories公司(SEL)镜像比特通信协议关联使用。借助这两种技术，数字状态点可以经由基于无线的通信基础设施在两个互连的配电自动控制设备之间传递。

这些基于无线的、专用的点到点系统存在多个缺点：

1)每个点到点链路都需要专用的基础设施，包括专用的信道以及通常为专用的无线对和中继器。这导致成本开销过高，并且安装和维护过程繁杂。

2)在网格式电力分配拓扑结构中，可采用大量这种点到点链路，以提供保护设备的充分协同性。

3)如果通信路径出现故障，则难以(在很多系统中不能)实时地(on-the-fly)创建备用通信路径恢复终端设备之间的通信。

4)这些路径不能用作通用的可路由通信路径来交换其他通信业务(traffic)，因为这样做有可能危及保护应用系统的低延迟消息递送要求。

网状拓扑通信系统或者基于互联网的Ad-Hoc路由方法的通信系统以及扩展频谱无线电技术只能解决以上关注问题中的几个，而不能解决全部。带宽和/或延迟相关问题仍然存在，特别是当这些系统被允许承载其他竞争通信业务时。

直观的带宽解决方法是相对于通信业务量而简单地增大无线电的波特率，直到能够确保适当的延迟性能为止。然而，很快就会达到极限，这是因为所有无线电设备的有效射程都会随着波特率的增大而缩短。在这种情况下增加中间设备的数量只会使延迟性能变得更差并且增加维护问题。增加额外的信道也可以减小通信业务的延迟，但是这需要增加额外的硬件，这将导致成本过高。

所需要的是一种可以快速且有效率地响应于优先或紧急通信业务的通信系统。这种系统可以响应于一个以上消息业务优先级，并且可以在这样做的同时不丢失低优先级业务。这种系统中的通信设备可以通过降低其自身在该系统上的负担来识别优先或紧急业务的存在，即使该设备不是通信交换中的主动参与者也是如此。该通信系统也可以支持复杂的互联和备用通信路径，用于提供稳定、可靠、高速的基于无线的通信。该系统应该无需复杂的、耗时的配置就能完成该任务。

附图说明

图1图示了结合有通信协同故障隔离的电力分配网；

图2a和2b是电力分配系统的示意性表示，它们例示了根据这里描述的本发明实施方式的基于通信的故障保护方案；

图3a和3b是电力分配系统的示意性表示，它们例示了根据这里描述的本发明实施方式的基于通信的故障保护方案；

图4a和4b是电力分配系统的示意性表示，它们例示了根据这里描述的本发明实施方式的基于通信的故障保护方案；

图5图示了通信协同的故障保护系统中的设备的故障保护特性；

图6是可用在图1所示的电力分配网中的通信协同故障保护设备的框图；

图7是例示了确定消息优先级的方法的流程图；而

图8是例示了响应于消息优先级的确定来处理消息的方法的流程图。

具体实施方式

这里所描述的示范性电力分配系统提供了额外的灵活性和可靠性，同时还提供了增强的协同操作以提供故障保护/隔离、系统重配置和返回至正常操作。这种示范性电力分配系统通过在故障保护设备(例如开关、故障中断器、分段隔离开关等)之间提供通信协同操作由此提供降低或者限制服务中断的机会，可以容纳更密集的这些设备。根据这里所述的各种实施方式，性能改善是利用一种可以仅使用单个通信信道或资源的高速通信方案来实现的。

图1例示了示例性开环或者放射状配电系统100，它可以并入根据这里所述一个或多个实施方式的通信和协同概念。应该理解，尽管将结合这里所描述的各个实施方式来描述各种通信和协同系统、技术和方法，但是系统组件和结构、技术和方法在各种实际实施中是可以适当互换的。因此，本领域普通技术人员应当理解，尽管没有结合每一个实施方式来描述各个元件、特征、结构或技术，然而它们可以按各种组合来实施，并且这些组合被认为是落入本发明公开范围内的。

配电系统100有助于说明典型的配电结构以及这种系统如何运行。系统100可以包括用于配电系统100的一个或多个变电站或者电源(S1-n)102。实直线104表示连接在电源102与闭合的开关(X1-n)106和断开的开关(O1-n)108之间的配电线路或者导体。每条直线104通常都代表一条三相配电线路，取决于配电类型其可以包括也可以不包括第四地线。虚直线110表示到相邻馈电线或相邻变电站(未绘出)的连接。弯曲的虚线112表示配电系统100的以开关106/108为界的部分(或段)114。对配电系统100的这种描述是与IntelliTEAM-II电路重配置系统的体系一致的，在IntelliTEAM-II电路重配置系统中，与这些段114中的每一个相关联的开关106/108被统称为“团队”(T1-n)。按可选方式设置的中继器/路由器(R1-n)116表示中继无线设备，如果源与宿控制之间不能获得直接连接，例如视线连接，或者由于其他通信因素规定，那么中继器/路由器(R1-n)116简单地将收到的消息传递到其他无线设备。这些中继器116通常情况下可以充当路由节点，能够智能地从一个通信设备接收消息并将消息路由至其他通信设备。还需要指出的是，直接与开关106/108相关联的通信设备可以充当中继节点，并且在路由功能的背景下，任意中继器/开关都可以路由消息，而不必关心配电系统100的电气配置。

通常，保护/故障隔离方案的目标都是对潜在的过流或者其他检测到的异常情况做出反应，以便仅操作最靠近的故障保护设备，例如断开最靠近故障的电源侧的开关、故障中断器等。在本公开的通篇内容中，故障保护设备、开关、故障中断器一般都是可互换使用的，是为了指代能够响应于命令而中断电路以中断配电系统的故障或者隔离配电系统的段(例如，隔离故障)的设备。操作最靠近故障的电源侧的故障保护设备，会使电源侧开关和变电站保护设备(例如，变电站断路器)远离闭合的故障线路段。如图1所示，作为故障118的结果，很高的短路电流将流经开关106:X1，X2和X5以及变电站102:S2。这些设备可以在安装或者初始系统配置时被编程为以协同的方式运行，以确保仅开关106:X5操作来隔离故障。共同转让的2005年11月2日提交的第60/732,475号美国专利申请“Fault Protection System and Method for an Electrical PowerDistribution System”(PCT/US2006/038470)中描述了使多个故障保护设备(例如故障中断器)协同的系统和方法的例子，在此通过引用将其全部内容并入于此。另选或另外地，设备106:X1，X2和X5以及变电站102：S2可以采用提供协同操作的通信技术。

开关106:X1，X2和X5以及变电站102：S2中的每一个都非常迅速地(通常在1/2周期或更短内)观察并检测异常电流作为故障结果。只要检测到异常电流，每个设备就会向它各自的团队114内的其电源发送消息。在保护中继中，该消息可以被称为“载波开始”信号、初始信令消息、延迟消息、故障检测消息等。该消息表示，负载侧设备已经检测到异常高电流，并且如果这种状况持续(基于多种普通过流保护算法的任何一种，如时间过流跳闸、有限时间等)，这将导致该设备操作其中断器/断路器机构以断开该电路。

在本发明的背景下描述该系统的几个设计原理是有帮助的。检测异常状况的设备在检测到异常状况时发送初始信令消息。初始信令消息发生在期望该设备进行操作以提供电路保护/故障隔离的时刻之前。因为这些检测到异常状况的设备是大约同时检测到的，所以这些设备基本“同时”地发送初始信令消息。即，各个设备在同一时刻或者在彼此之间很短的预定时间段内(当检测到异常状况或者出现了异常状况时，标称约为0至8ms)发送初始信令消息。这种保护系统设计方案使得电路保护设备/故障隔离设备在启动其电流保护/故障隔离操作之前，可以延迟至少一个预定时间段(标称为100ms，但是如这里所述也可以为更短或者更长的时间段)。初始信令消息的效果不是阻止上游设备的操作，也不是在情况需要立刻采取动作来防止设备或者系统受到损坏时阻止其操作，而仅仅是在适当的情况下延迟其操作。从本质上来说，只要接收到该消息，上游设备就选择较慢的响应曲线，从而在最靠近电源侧的故障保护设备没有成功操作情况下它可以充当备用保护设备。因为电源侧最靠近故障的设备将不会收到初始信令消息，所以可以假定它最靠近故障，并且可以准备好在检测到异常状况之后又经过了初始延迟间隔后的任何时刻进行操作。另选的是，如果该设备能够识别或者被编程以知晓这里不存在其他的负载侧的闭合的故障保护设备，那么由于它就是最靠近故障的设备所以它不需要延迟等候信令消息。

如上所述，初始信令消息的接收只是延迟了接收设备的可能操作。因此，该系统的需求在于，只要有可能就在所需的时间帧内将该消息递送出去，但是如果这是不可能的，就规定电路保护不会受到损坏。丢失消息的结果是一个以上设备将被断开(导致非协同)。期望这样一种系统，其将改进的通信系统应用于电路重配置系统，例如可以从S&C公司买到的IntelliTEAM^TM II(IT-II)系统。共同转让的2005年4月8日提交的第11/102,379号美国专利申请“Method and Apparatus for Control of an ElectricPower Distribution System in the Presence of Abnormalities”中公开并描述了IT-II系统，在此通过引用将该文献的全部内容并入。尽管电路重配置系统不是系统100所需的组件，但是系统100可以利用由例如IT-II系统的系统提供的团队114和开关106/108的组织，并且当可以确定出段114没有故障时，可以从该系统的恢复针对隔离段114的服务的功能而受益。这就是说，在以上识别的情况下，故障流经段114:T4到达相邻段114:T3，并且如果因为信令消息的丢失而导致多个开关106:X1，X2和X5断开，那么电路重配置系统将判定段114:T3没有故障，并将恢复来自正常电源102:S2的服务。即便该信令信号在去往其宿的途中被延迟，只要接收设备尚未被操作而隔离故障，在负载侧的设备首先操作的前提下仍可以实现正确的协同。

系统100的附加特征可以是，一旦任意设备收到了初始信令消息，就向相应的一个或多个电源侧设备发送第二信令消息，有可能使该接收设备切换到更进一步延迟的响应曲线，因此两级备用的提供将造成最靠近的设备无法清除故障。

多个通信协同的保护方案是可行的，图2a/2b、3a/3b和4a/4b例示了几种保护方案。图2a/2b、3a/3b和4a/4b例示了处于各种故障状态的简化配电系统200。为了例示通信使能协同保护方案的操作，系统200包括：具有段204a、204b和204c的单个分段的配电线路或者馈电线204，其经由保护设备206(例如：闭合的开关/故障中断器206:S1和S2)将电源202耦接至多个负载(未绘出)。配电线路204结束于断开的开关208。断开的开关可以将配电线路204耦接至备用电源。

参照图2a，两个故障保护设备(开关206:S1和S2)串联连接，而故障218处于第三段204c内。故障218出现在配电线路204的端部，并且是在电源202和两个常闭开关206:S1和S2处检测到的。只要作为故障结果的线路条件满足开关206:S1和S2的保护标准，但在操作开关以隔离故障之前，每个开关就基本同时地通过发送消息220来通知它们电源侧最靠近的邻居。消息220通知电源侧设备延迟操作一个预定时段，并且被配置并被发送以在预定时段(例如大约100毫秒)内抵达。响应于该消息，电源202和开关206：S1延迟其相应的隔离故障的操作。然而，在开关206:S2处，只要检测到故障，保护设备就立刻运行，也就是说，开关断开(图2b)以隔离故障。这是因为开关206:S2是配电线路204上最后闭合的开关。它不必为了与下游设备协同而延迟。开关206:S2还可以但是无需将故障通知给常开开关208，这是因为常开开关不会闭合，除非在压损(LOV)之前它核实了开关206:S2未发现故障电流。将开关206/208闭合以恢复负载是一种对电路重配置/恢复系统的自动重恢复能力控制算法进行的电路重配置/恢复系统操作。

在一种可能的实施中，只要检测到了例如高于最小跳闸设定的高电流的状况(经过一些简单的滤波来识别瞬时异常)，开关206:S2就将故障218通知给电源侧设备(如电电源202和/或开关206:S1)。另一种可能的实施是，针对开关206:S2，相对于最小跳闸设定，将该通报延迟与故障级别成比例的时间段。这种安排通过减少发送的延迟消息而降低了通信开销，并且很大程度上确保了异常状况(如高电流)不是瞬时的。

如上所述的顺序隔离了最靠近的邻近保护设备的故障。然后可以实施重新闭合处理，以确定故障的持续性，一旦该故障不复存在，就恢复服务。随着通信带宽的增加，可以及时执行的核实数量将会增加，因而增强了这里所述的保护/恢复系统的能力。

图3a例示了出现在中间段204b内的故障。设备以类似于结合图2a所述的方式运行，不同之处在于负载侧开关206:S2不观察故障，也不发送延迟信息。然而，其仍将被配置成参与故障隔离和恢复序列，稍后加以说明。只要检测到故障，开关206:S1就将检测到故障的消息报告给最靠近它的两个邻居。正如所述那样，开关206:S1向电源侧的通信使得电源侧设备(如电源202)进行延迟，以提供协同的故障隔离。如果在预定时段之后未从开关206:S2接收到表明故障不与开关206:S1相邻的延迟信息，则开关206:S1进行操作以隔离故障(图3b)。

如果开关206:S2观察到LOV而不存在故障电流，那么开关206:S1向负载侧开关206:S2的通信使得开关206:S2准备断开。只要开关206:S2断开了，那么几乎是在断开的一刹那，其负载的服务可以经由断开的开关208的操作，利用恢复逻辑和/或来自开关206:S2的通信从备用电源恢复。另选的是，除了在第一次LOV时开始服务恢复并断开开关206:S2以外，还可以在经由备用电源开始服务恢复之前等待一个时段以确认任意或者全部电源侧重闭合或重闭合尝试都已结束。如果电源侧在短时间内恢复了，那么开关206:S2才可以闭合以恢复服务，而不必依赖于备用电源选择。因此，图2a/2b和图3a/3b的情景之间的一个差别在于，在图2a中，开关206:S1仅向最靠近它的电源侧邻居发送故障检测报告，而在图3a中，其向两个方向发送该报告。发给负载侧的报告可以加快故障隔离和服务恢复的速度，然而这是以额外的通信开销为代价的。

参照图4a/4b，故障218存在于段204a内、电源202与开关206:S1和S2之间，开关206:S1和S2是与故障218串联的。操作类似于前面所述的例子，不同之处在于，现在是两个负载侧开关206:S1和S2，只要电源202保护装置运行它们就会观察到LOV。因此，开关206:S1现在将向开关206:S2报告没有故障情况下的LOV。这发生在检测到故障之后，但是在电源202将在开关206:S1的电源侧存在故障的情况通知给开关206:S1之前。这种情况可以导致多种可能的消息发送和重配置顺序。每一种都可以进行定制以最小化恢复时间和开关操作的次数，以降低通信依赖度。

结合图2a/2b、3a/3b和4a/4b所描述的故障保护方案都没有考虑这样的可能性，即，通信系统可能会运行变慢或者可能会由于通信干扰或其他因素而不可靠。在正常运行中，各个设备(如电源202和开关206/208)可以周期性地“Ping”它的邻居，以核实通信响应时间。如果响应时间不总是处于预定时间标准内，则所选开关的保护方式可以返回到缺省方案和/或返回到独立运行。

缺省或者独立场景下的运行将会导致非协同。从保护的观点出发，如果在最靠近故障的保护设备满足其目标之前，更靠近电源的保护设备满足其目标并且开始跳闸操作，那么将会出现非协同。延迟消息用于使靠近电源的设备慢下来，以使得靠近故障的设备有足够的时间进行操作。然而，如果通信是不可用的或者不可靠的，则可以采取额外的可选预防措施来降低非协同的几率。加速满足距离变电站/电源更远的设备内的故障目标，通常情况下将会使其更快速地操作。然而，对于低幅值的故障，检测时间的固有误差将会使其无法实施。可以采用基于导体尺寸以及设备之间的距离的可用故障电流的简单计算来协助故障设置选择的自动化，以便改善精度和可靠性。仅这样做不足以降低非协同的可能性，特别是当大量保护设备串联连接时。

一个附加的另选方式是在电源侧设备满足其故障目标时，延迟其操作，以使负载侧设备有足够的时间满足它的目标并发送通知。这种另选方式可以有几种变形方案。

延迟可以根据表示故障的电流等级来进行调整。电流越低，等待负载侧设备目标得到满足的延迟就越长。如果检测到高于最小跳闸电平的电流，甚至在目标尚未得到满足时，该延迟也可以与发出故障电流初始报告的负载侧设备关联起来。电源侧设备可以通知负载侧设备来确定该负载侧设备是否观察到了故障。负载侧设备可以返回使电源侧设备立刻操作或者使电源侧设备的操作延迟的报告。

系统操作人员在决定何时以及在哪种情况下允许或者不允许延迟跳闸时考虑各种因素。例如，对于满足即时跳闸设置的高电流故障(这些故障通常情况下是靠近电源的)，将会允许执行立刻操作，以防止电源侧和负载侧损伤。尽管这很可能导致多个故障保护设备的操作，但是可以采用电路重配置系统和方案来恢复系统。另选的是，操作人员可能希望采用节约保险丝策略，这将限制可能的延迟时段。

关于配电系统(如图1所示的系统100)的通信协同式保护系统的操作的指定存在多种考虑。保护系统的主要目的在于防止电源侧和负载侧器材以及支线保护设备(如保险丝)受到损坏。在不牺牲这个主要目的的条件下，可以考虑协同问题。以下讨论取决于两个参数的定义：最大故障清除时间T和故障保护设备在提供负载侧故障通知时可以延迟的最大时间量D。“D”值是故障保护设备达到过电流操作目标的时刻与必须将故障保护设备机构投入使用以清除故障并且安全地避免过流损坏的时刻之间的时间差。标称情况下“D”可以被设为100ms，但是也可以基于系统特有的需求而减少或者增加，将对其中的几种需求进行描述。

图5例示了故障保护设备的有效保护特性500。出于简化的目的，该图仅示出了地线的曲线，但是该原理也适用于相线和即时元件(instantaneous element)。从保护的观点出发，地线元件不允许超过上游变压器的常见故障损坏曲线502。地线曲线504自身对应于最小拾取电流(pickup)为240A、时间刻度盘(TD)为0.5以及瞬时设置为3000A的断路器设备。故障保护设备设置还必须解决冲击变电站网关(getaway)的过流事件，与此同时，这些电缆的损坏曲线还延伸至变压器损坏曲线502的右侧。因此，在很多实践情况下，变压器曲线502代表针对整个配电线路/馈电线的有效设备损坏上限。

低于变压器损坏曲线502的缓冲曲线506提供了100ms的安全缓冲。因此，保护反应时间加上故障保护设备的总故障清除时间，不允许超过该缓冲。

用于操作故障保护设备的信号也必须解决设备机构的清除时间(触点行程等)。对于该实施方式，假定在任何情况下清除故障电流所需的时间都是30ms，尽管该时间可能会基于特定的故障保护设备而有所不同。为了例示图5中的图的应用，假定流过了刚过1000A的故障电流(竖直点线508)。故障保护设备监视该电流直到时间“A”为止。为了满足其标称清除时间，通常故障保护设备不得不在该时间点启动操作。然而，也可以延迟启动，这是因为故障保护设备可能知道在背景中被监视的主要无线环境使得来自下游设备的消息在正常情况下将在发送100ms以内抵达，并且再等待100ms之后不会触及变压器损坏曲线502。

因此，故障保护设备等待100ms以观察是否从下游设备接收到了任何阻塞(blocking)信号。这100ms取决于用户需要或者改进的技术而可以变长或者变短。值得注意的是，例如如果采用了节约保险丝策略，那么可能需要50ms的延迟。针对高电流故障(其导致瞬时损坏的风险)，延迟可以为零。如果没有接收到阻塞信号，那么故障保护设备在时间点“B”操作并清除故障。

如果故障保护设备满足其目标，并且接收到负载侧故障保护设备已经发现故障的通知，则它的100ms延迟可以延长预定时间，例如50ms(3个周期)，以验证故障已被负载侧故障保护设备清除。如果在延长时段结束时，仍旧存在高于最小跳闸的故障电流，那么故障保护设备以不作进一步延迟的方式来操作。

通过监视无线环境，该故障保护设备认识到不可能出现非协同，这是因为消息通常会在所需的100ms内抵达。另一方面，如果其监视表示无线业务明显超过了配置的延迟时间，那么在抵达时间“A”处，其可以简单地操作以清除故障，即使在超过变压器损坏曲线周围的缓冲区域之前这里也存在足够大的余地以等待更长时间。

从图5的图中可以注意到，虚线510和点线506之间的时间差表示在故障保护设备要操作和其必须操作以保护装备之间的另一个安全余量。还要注意，在高电流级别下，该余量趋于零，并且是超界的(encroached)。换言之，如果延迟100ms(或者由用户设定的延迟时间)故障保护设备响应曲线将侵入缓冲区域，则故障保护设备就开始操作而与预定的延迟无关。需要注意，对于高于大约6700A的故障，线路512，甚至是正常的清除曲线也落入缓冲区域内，尽管它也不会与损坏曲线相交。结果，故障保护设备必须一满足其过流跳闸目标“C”就立刻开始操作。可以通过针对峰电流(在本例中为6700A)配置固定阈值(高于峰电流延迟被去除)，或者可以通过配置损坏曲线，使得故障保护设备可以计算出最大可允许延迟，来实现这种强制操作。

考虑到通信延迟的效果和满足过流跳闸目标的时刻，用虚线510示出设备的基于通信的清除时间。故障保护设备的固有清除时间仍旧是其标称清除曲线。因为基于通信的曲线仅为意义上的，所以如果下游存在设备，那么在串联的多个故障保护设备的系统内，在大多数情况下，唯一一个总是按照其标称清除曲线运行的故障保护设备是最靠近故障的那个故障保护设备，或者是在给定配电段上最靠近常开点的最后一个故障保护设备。

尽管可以为整个配电段配置单独一条曲线，但是有多少可以协同就配置多少“固有”曲线，这不存在任何障碍。事实上，可以使用这样的曲线在掉话(communication breakdown)的情况下提供一些协同。

理论上讲，如果因为通信失败，或者因为通信消息没有或者不能足够快速地抵达而协同失败，则存在故障保护设备的至少两种类型的非协同：多个电源侧故障保护设备进行操作，其中一个是在电源侧最靠近的故障的故障保护设备；或者一个或多个电源侧故障保护设备进行操作，但不是最靠近故障的故障保护设备。

当最靠近故障的故障保护设备进行操作时，某些非协同是可以接受的，但如果有可能应该加以避免。在这种非协同的事件中，电路恢复系统进行操作以恢复对于电源侧负载的服务。其他类型的非协同(最靠近故障的故障保护设备不进行操作)很可能是由于设置错误，应该能够相应地得到解决。

在带有多个支路的段中，通知规则是相似的，不同之处在于，尽管多于一个故障保护设备能够发送初始的“检测到故障”消息，但是实际中仅有一个故障保护设备将会发送该消息，这是因为若故障在该故障保护设备的负载侧，那么将仅位于单个支路内。此外，该消息将传播至预定的、为该电路馈电的电源侧故障保护设备。

一旦实现了故障段的隔离，就可以通过重新接通最靠近该故障的故障保护设备而消除该段上的暂时故障。另选的是，可以使用“故障Ping”来确定故障是否是暂时的，从而避免对该段的负载进行额外的中断。

在本质上以及从前面的讨论中认识到，这里描述的保护协同系统和方法利用最近的邻居通信来提供实质上无限数量的故障保护设备的协同。这些保护协同系统和方法并不单独依赖于传统的协同技术，例如通常受限于协同两个或三个设备的时间过流协同。在所述系统和方法中，各个相应段内在与电流方向相反的方向上基本同时地从每个电路异常检测负载侧设备到电源侧设备发送初始信令消息，仅允许最靠近的电源侧设备进行操作。可选的是，从电源侧向负载侧发送信令消息将允许负载侧设备准备在LOV情况下进行操作，并且提供快速系统恢复。

再次参照图1，从设计通信系统的角度出发，在开关106/108的任何给定团队114内，最多只有一个设备106将会向其电源侧团队成员设备106发送初始信令消息，并且在任意给定馈电线内，需要同时或者接近同时递送的消息总数将对应于变电站或电源102与故障118之间的团队114的总数。此外，因为保护序列是不常见的，所以通信系统在任何一个时刻仅需要适应这些正在进行中的保护序列中的一个。在多个馈电线或者馈电线的支路同时发生故障的罕见情况下，唯一的冲击可能是一些消息经历了延迟递送。

尽管如此，这种消息应该包含不多于预定数量(标称为300字节)的应用数据，因为非常长的或者不受限制的消息可能会妨碍信令消息访问通信介质。此外，信令消息可以被限制为尽量短的消息，以缩短其递送时间。在一个或多个这里描述的实施方式中，可以采用50字节的消息尺寸限制。

在系统100中，为了提供所需的通信延迟，消息可以被配置为传送处理优先级，使得背景或者较低优先级业务对信令或者相关重配置业务施加最小的干扰。对于在系统100内实现的示例性应用，可以赋予下述优先级：

故障信令消息(优先级1)

这是最高优先级的消息业务。

故障测试消息(优先级2)

类似于故障检测消息。如下所述，周期性地发送这些消息，以测试消息传送路径的性能。

重配置消息(优先级3)

这些消息用于根据电路重配置系统来恢复对于系统100的断电但无故障的段114的服务。在本系统中，如果电路重配置系统所驱动的恢复正在进行中，那么相关的通信业务就以该优先级来发送。

背景业务(优先级4)

不重要的应用和例如SCADA业务(其总是经过网络来传递)，就像系统和无线维护使用这种低优先级。

当然，也可以采用更少或更多的优先级级别，或者任何特定优先级的内容或用途都可以改变。表1内给出了根据各个指定优先级的消息的示范特征。

表1 业务概要

 

参数	故障信令消息	故障测试消息	重配置业务	背景业务
					优先级	1-高	2-中高	3-中低	4-低
应用最大消息长度	50字节	50字节	最多300字节	最多300字节
					最大期望延迟	99％的消息在94毫秒内从一个团队成员递送到另一个(最多途径两个中间跳)。在一个事件中，最多有10个设备可以发送这些消息。	99％的消息在94毫秒内从一个团队成员发送到另一个(最多途径两个中继段)。	未指定	未指定
消息频率	不常用、不确定	不常用、确定	仅在恢复/重配置过程中	最常用。包括SCADA业务、系统维护和无线维护
					源/宿限制	在一个段内。但是多个段同时(5ms内)进行通信。	在一个段内。通常某一时刻仅有一个段进行通信。	几乎在一个段内。	没有限制。

当然任何特定消息类型的特征，例如长度、延迟、频率和源/宿都可以被改变或者适应于特定应用和可用通信资源。

对于系统100，所实现的通信体系必须适于处理优先业务，具体来讲，优先级1业务。关于这方面，系统100可以应用基于7层的开放系统互连(OSI)通信模型的通信体系。如已知的那样，围绕该模型组织的系统可以由软件和硬件模块来构造，其中，每个模块都封装了协议栈的给定层的功能。此外，通过物理通信介质发送并被构造为与模型一致协议帧被封装成，使得与协议栈的每个较高层相关联的通信协议数据被该模型的低一层的协议数据在一侧包裹或者在两侧环绕。为了满足系统100的应用需求，并且适应优先通信业务，以非常规的方式来改变由OSI模型指定的无线和相关通信系统的多个特征。

无线/通信系统实现了“Adult Swim”特征。这种特征保证了对于提升的或者非缺省(非优先级4)消息的接收在适当层(例如OSI模型的层2到3)上的优先级排序和建立发送业务队列方面有直接效果。该效果就是在能够以较低的优先级发送任何业务之前施加最小的预定延迟，以及将输入的消息置于适当的队列内以进行处理或者重发。优先级是在第一层(比如层3)的优先级字段内指定的，但是在较低层处理(如层2链路层处理)过程中遇到时才被截取并立刻发挥作用。无线/通信系统还可以实现这样一种处理，即，接收到非缺省优先级消息时按照与Adult Swim特征相同的效果对该消息进行处理，而不必关心协议帧的链路层(层2)或网络层(层3)地址(广播、多播或者设备特有)。该无线/通信系统还可以包括用于处理链路层介质访问竞争解决方法(其是基于活动的优先级来选择的)的协议。并且，该无线通信系统可以实现用于处理最高的两个业务优先级的协议，所述最高的两个业务优先级适于基于消息尺寸和波特率来减少最坏情况延迟。

图6例示了故障保护设备600，例如开关106/108。故障保护设备600可以包括耦接至电路中断设备或者开关设备606(如真空故障中断器)的控制器604。控制器604可以包括内部存储器或者可以耦接至存储器(未示出)，在该存储器内控制器604使用控制程序和操作参数来影响故障保护设备600的操作。故障保护设备还可以包括电源，电源可以由外部电源、存储源、配电线分接头或其他任意合适的电源(未示出)来提供。

故障保护设备600耦接至关联的通信设备602，通信设备602具有与这里描述的实施方式一致的通信体系。另选的是，通信设备602可以包括在故障保护设备600内。一种可能的通信设备602是NovaEngineering公司的NovaRoam EH900 900MHz扩谱跳频无线电的软件修改版本。通信设备602可以通过10/100MBS以太网络连接608连接至控制器604，并且无缝地建立让控制器604看起来是网际协议(IP)广域网的网络。通信设备602可以提供OSI兼容TCP/IP通信协议栈的层1-3，并且可以允许利用AODV ad hoc路由协议(RFC3561)智能地路由消息。

根据OSI体系进行操作，以将消息发送到另一台设备，控制器604建立应用消息并将它以IP网络层数据帧或者“IP数据报”的格式呈现给通信设备602，该应用消息是通过链路608发送到通信设备602的。通信设备602的相应物理层和链路层接收该消息，验证其与各个相应协议层的需求是否一致，并将其置于消息队列中以进行后续处理。应当明白，在消息可以从一个层发送到另一个层之前，可能需要各种基于应用的队列以及处理步骤。

通信设备602和与系统100内的其他设备相关联的通信设备之间的消息交换，即通信，是通过将消息通过多个层发送到物理层(由合适的RF介质610组成)来实现的。

根据这里描述的实施方式，并且为了实现系统100的按优先级排序的通信体系，通信设备602可以识别何时提升的或者非缺省的优先级消息正在被发送，以便进入优先级通信状态。响应于优先级通信状态，通信设备602使较低优先级的竞争业务(即，优先级低于当前优先级通信状态的业务)暂停预定时段。暂停较低优先级竞争业务，将会减少竞争，并且允许优先业务更快速地抵达其宿。通信设备602可以在生成较高优先级业务的事件之前，将当前系统100内可能存在的较低优先级业务列队。较低优先级业务可能会被系统100内的没有听到广播频道上的有线业务的设备，或者被不知道出现了启动较高优先级业务的事件的设备或者控制设备或者其他业务源(诸如SCADA系统或者其他应用)继续插入到流内。通信设备602可以实现这种业务的合适队列，或者可以简单地丢弃较低优先级业务，并且例如有望利用生成应用在稍后再次尝试通信。

通信设备602可以应用多个定时器，每个定时器对应于一个高于最低(缺省)消息优先级级别的消息优先级级别。例如，通信设备602可以应用三个定时器，每个定时器都专用于三个提升(非缺省)消息优先级中的一个。每当接收到处于各自优先级或者更高优先级的消息，各个定时器就被初始化或者重新初始化为各自预定的可配置值。当定时器为活动状态时，例如通过将较低优先级级别业务保持在其相应的处理队列内而不是处理该业务而暂停处于较低优先级级别的所有通信业务。每个定时器都自动地递减至零，并且如果它超时，就恢复较低优先级业务或者缺省优先级业务。

从发送或者接收消息的应用的观点出发，IP数据报内的TOS(服务类型)字节被用于在该应用和通信系统之间传递应用优先级。经过无线电装置的以太网端口从应用接收到非缺省优先级消息时，该无线电装置将该消息在其层3内按优先级排序，即IP处理队列。当最高优先级层3消息被发送到该无线电装置的链路层时，其消息优先级也被传递。经由该无线电装置的RF通信信道发送出去的所有层2消息都含有当前活动(最高)的优先级，作为MAC层消息字段。

图7中所示的流程图例示了通信设备602可以用来实现层2处理的消息处理方法700。在方框702，经由无线接口210从空中接收一帧。在方框704，根据指定的OSI层(例如层2)的协议来核实该帧的完整性，并且如果它是无效的，那么在方框705拒绝它。这种核实发生在检查宿地址之前。在方框706，根据该消息是否寻址到该接收通信设备，对该帧的优先级进行有利处理。早期检查消息优先级可以不必额外传送消息来通知其他无线电装置：该系统内有高(非缺省)优先级消息。需要注意，该帧可以包括消息(IP数据报)或者其可以包括消息确认。因为所有的链路层业务都包括活动的优先级，所以收到该确认但不是被确认的原始数据的其他无线电装置也将转变到按优先级传送消息的状态。因此，这些其他无线电装置也将暂停较低优先级消息传送，以避免来自“部分隐藏节点”的可能竞争。在方框706，将会检查有效荷载，以确定该帧是否具有非缺省的优先级。需要注意，该处理可以被看作为从典型的协议处理中分离出来的一部分，因为无论该帧是否寻址到当前设备，都要处理优先级字段。如果该帧内存在非缺省优先级(即，提升的优先级)，那么在方框708，将与检测到的优先级级别相关联的处理优先级排序定时器和针对所有较低优先级级别的定时器设定/重设定为它们的预定值。在方框707，在检查完优先级排序之后，在方框710消息被置入相应的队列内，或者在方框709消息将被丢弃。在被置入到相应的队列内的情况下，与该帧关联的优先级信息将被保留。

图8所示的流程图例示了响应于优先级信息的存在的消息处理方法800。在方框802，初始帧处理层(例如层2)进行操作以检查其要执行处理的运行环境。这种处理循环将一直持续。只要有可用的处理资源，该层就维护(service)其队列。在方框804，如果任何提升的优先级定时器是活动的，就调用方框806来仅执行与最高活动优先级相关联的消息。

有这种可能：所有优先级定时器都超时，而队列内有剩余有提升的优先级消息。例如，如果在优先级1消息的长流之前接收到了优先级3消息，则这种情况可能会发生。因此，在方框808，检查这种情况，并且在方框810重新设立(重新初始化)已超时的定时器。需要注意，如果定时器是活动的，并且接收或发送队列内不存在任何该优先级的业务，则该通信设备将在网络上保持沉默。因此，网络将很少受到较低优先级的竞争业务的影响。当所有优先级定时器都超时时，在方框812恢复对较低或者默认优先级消息的处理。

其他层处理(例如，层3的处理)使用相同的方法，当然也有一些可能的例外。例如，上层可以具有唯一的队列，但是优先级定时器是与下层共享的。因此上层的处理可以导致定时器以如图7所示相同的方法被设定/重设定。类似的是，对于层3的IP帧(由针对无线电装置的应用所表示的)，只要层3接收到无线电装置内的处理，就检测包括优先级信息的IP TOS字段。如果优先级是非默认的，就将该优先级信息立刻作为通知发送到层2处理，以使得层2的定时器根据方框708的方法而被更新。

还需要注意的是，与其他消息优先级排序方案一样，消息优先级排序不能保证任意固定时间段内的递送。优先级排序用于改进在所期望时帧内接收到消息的似然率。该应用应该被设计成可以容忍这些非完美。

如上所述，系统100可以采用这样一种处理，即，提供系统100内所应用的各种电路保护/故障隔离设备的协同操作。可以利用无线通信技术来提供电路保护/故障隔离设备的协同，其中，应用优先级排序系统来增强与故障的出现相关联的高优先级消息的可靠性。优先级排序方案可以由接收到包含优先级指示的消息的设备来提供通信的暂停，而不管该消息是否寻址到该特定设备。这样，所有接收到优先级指示的设备都可以采取动作以限制无线系统内的业务，以便解决与传送优先级消息相关的延迟问题。

为了仅用五个组来使能大量的网络节点，必须反复使用组分配。在大多数情况下，节点将仅在其直接的、允许频繁地反复使用时隙组的邻居的范围内。然而，在某些情况下，节点到其直接邻居具有强连接，而到远距离邻居具有弱连接。可以采用冲突检测和竞争解决处理。这种处理会考虑在一个时隙组内抵达的消息的信号强度，拒绝弱信号并完善对正确的相邻发送器信号的高概率相关。在大多数情况下，弱信号将被简单地拒绝，这是因为强信号将首先被相关。通过将网络定时精确度维持成小于时隙的载波和独特字的持续时间(这可以通过扩展前导码、载波和独特字的总长度来实现)，这种概率还将进一步增大。

因此，系统100可以应用这样的通信协议，其定义了用于高优先级业务的第一有限接入信道接入机制，以及用于低优先级业务的第二通用接入信道接入机制。例如，对于高优先级业务，由TDMA协议提供的信道分配方案减少了同时传送消息的节点的数量，并且分配节点在特定时隙内通信，以保证一个或多个无竞争的时段用于发送，从而减少和/或消除了可能会添加在延迟上的竞争问题。对于低优先级业务，如果延迟要求的严格程度较低，那么节点可以采用通用竞争接入协议，例如CSMA/CA。有限接入信道接入机制和通用接入信道机制中的每一个都更为有利地允许各个节点在单个无线信道内通信，从而降低了硬件和维护的复杂程度。

尽管已经就电路分配保护系统和恢复系统以及相应方法的若干优选实施方式描述了本发明，但是应该认识到，本发明不限于这些系统和方法。可以与用于提供协同式配电系统保护的任意数量的系统、装置和方法相关联地采用本发明的概念。

尽管这里公开的内容可以进行各种修改和替换，但是在附图和此处描述的实施方式中通过举例的方式示出了某些实施方式。然而，应当理解，本公开并不旨在将本发明限制为所描述的特定形式，而是与此相反，本发明旨在涵盖由所附权利要求限定的所有修改、替换和等同。

还应该理解，除非在本专利中使用语句“如这里所使用的，术语‘＿’在此被定义为意味着......”或类似语句明确地定义了该术语，否则就不是要限制(显式或隐式地)该术语的含义超出其普通的或通常的含义，因此这样的术语不应基于该专利的任何部分中进行的任何陈述(除了权利要求书的语言)而解释为在范围上受限。一定程度上，在本专利结尾处的权利要求书中陈述的任意术语在本专利中都被认为与单个含义一致，这样做仅仅是出于清楚目的，以免混淆读者，而并不旨在表明将这些权利要求术语暗示地或以其他方式限定为单一含义。除非权利要求要素通过引用词语“手段”和功能而没有引用任何结构来限定，否则任何权利要求要素都不应基于35U.S.C.§112第六段来进行解释。

Claims (27)

1、一种电力分配保护系统，该电力分配保护系统包括：

电源，其通过配电线路耦接至负载，该配电线路由多个故障保护设备进行了分段；

这多个故障保护设备和该电源中的每一个都包括用于允许发送或接收信令消息的通信设备，并且这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可确定通信系统内故障的存在，其中，

在检测该配电线路的故障状况时，检测到故障状态的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都将该信令消息传送给相邻电源或者这多个故障保护设备中的一个，而接收到该信令消息的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以调整故障保护特性，使得这多个故障保护设备和该电源中的最靠近该配电线路上的故障的那一个执行操作以将该故障从该配电线路的其余部分中隔离出来。

2、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，接收到信令消息的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以向相邻的故障保护设备发送第二信令消息，而接收到第二信令消息的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以进一步调整故障保护特性，使得这多个故障保护设备和该电源中的最靠近该配电线路上的故障的那一个执行操作以将该故障从该配电线路的其余部分中隔离出来。

3、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，该信令消息包含优先级指示符，并且接收到该信令消息的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以进入与该优先级指示相对应的优先级通信状态。

4、根据权利要求3所述的电力分配保护系统，其中，这多个故障保护设备中的每一个和该电源可以根据该优先级通信状态来暂停与优先级状态不对应的消息传送。

5、根据权利要求3所述的电力分配保护系统，其中，该初始信令消息先于与该优先级状态相对应的其他通信。

6、根据权利要求3所述的电力分配保护系统，其中，这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以从另一个非相邻的电源或者这多个故障保护设备中的一个接收该信令信息，并且在从该另一个非相邻的电源或者这多个故障保护设备中的一个接收到该信令信息后进入该优先级通信状态。

7、根据权利要求3所述的电力分配保护系统，这多个故障保护设备和该电源中的每一个的通信设备都符合至少包括物理层、链路层和网络层的通信体系，其中，该优先级指示包含在该物理层、该链路层和该网络层中的一个内。

8、根据权利要求7所述的电力分配保护系统，其中，该优先级指示包含在该物理层内。

9、根据权利要求7所述的电力分配保护系统，其中，该优先级指示包含在该链路层内。

10、根据权利要求7所述的电力分配保护系统，其中，该优先级指示包含在该网络层内。

11、根据权利要求3所述的电力分配保护系统，其中，这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以丢弃与该优先级通信状态不相对应的消息。

12、根据权利要求3所述的电力分配保护系统，该通信设备包括与该优先级指示相关联的用于记录该优先级通信状态的持续时长的定时器。

13、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，故障保护特性包括第一操作时间值和与第一操作时间值不同的第二操作时间值，其中，这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以响应于该信令消息的接收而选择第二操作时间值。

14、根据权利要求13所述的电力分配保护系统，其中，第二操作时间值是相对于第一操作时间值的操作延迟时间值。

15、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，该相邻电源或这多个故障保护设备中的一个包括电源侧设备。

16、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，该相邻电源或这多个故障保护设备中的一个包括负载侧设备。

17、根据权利要求16所述的电力分配保护系统，其中，该信令消息包括不带故障指示的压损。

18、根据权利要求17所述的电力分配保护系统，其中，该相邻电源或这多个故障保护设备中的一个响应于该信令消息和压损指示来进行操作。

19、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，这多个故障保护设备被分为包括电源侧故障保护设备和负载侧故障保护设备的多个组，该电源侧故障保护设备和该负载侧故障保护设备界定了该配电线路的连续部分。

20、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，其中，这多个故障保护设备中的每一个都包括从由开关、故障中断器、分段隔离开关、断路器和自动重合闸构成的故障保护设备的组中选出的故障保护设备。

21、根据权利要求1所述的电力分配保护系统，该故障保护特性包括故障量级操作参数。

22、根据权利要求21所述的电力分配保护系统，该故障量级操作参数包括取决于故障量级的延迟值。

23、根据权利要求22所述的电力分配保护系统，其中，该延迟值是与接收到信令消息之前的设备操作相关联的延迟时间段。

24、一种电力分配保护系统，该电力分配保护包括：

电源，其通过配电线路耦接至负载，该配电线路由多个故障保护设备进行了分段；

这多个故障保护设备和该电源中的每一个都包括用于允许在共享通信信道内发送或接收信令消息的通信设备，并且这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可确定通信系统内故障的存在；

该共享通信信道是根据针对具有第一优先级的消息的第一信道接入协议和针对具有第二优先级的消息的第二信道接入协议而指定的；并且其中，

在检测该配电线路的故障状况时，检测到故障状态的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都利用第一优先级和第一信道接入协议将该信令消息传送给该通信信道内的相邻故障保护设备，而接收到信令消息的这多个故障保护设备和该电源中的每一个都可以调整故障保护特性，使得这多个故障保护设备和该电源中的最靠近该配电线路上的故障的那一个执行操作以将该故障从该配电线路的其余部分中隔离出来。

25、根据权利要求24所述的电力分配保护系统，第一信道接入协议包括受限的接入通信协议。

26、根据权利要求24所述的电力分配保护系统，第二信道接入协议包括通用的接入冲突检测通信协议。

27、根据权利要求24所述的电力分配保护系统，该信令消息包含与第一优先级或者第二优先级相对应的优先级指示。

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