Topology based safety relevant and operational substation interlocking using graph theory

Abstract

Topologie-basierte Verriegelung von Schaltanlagen bietet einige Vorteile verglichen zu einer Verriegelung mit binären Gleichungen. Mit Hilfe Topologie-basierter Verriegelung ist es möglich mit geringem Aufwand eine sichere Verriegelung für Schaltanlagen zu erreichen und gleichzeitig die Fehlerwahrscheinlichkeit zu reduzieren. Regeln für Topologie-basierte Verriegelung lassen sich unabhängig von der Schaltanlagenkonfiguration formulieren und können dadurch für beliebige Konfigurationen angewendet werden. Die zentrale Idee ist es Topologie-basierte Verriegelung in Feldleitgeräte zu implementieren. Die dezentrale Realisierung in Feldleitgeräten stellt auch gleichzeitige eine redundante Lösung dar. Die Umsetzung in diesen Geräten erfordert eine robuste und vor allem performante Lösung der Topologie-basierten Verriegelung. Die dezentrale Lösung in Feldleitgeräten erfordert aber auch, dass diese Geräte die Schaltstellungen der angeschlossenen Schalter untereinander austauschen. Deshalb werden in dieser Dissertation folgende neue Lösungen für Topologie-basierte Verriegelung vorgestellt: - Die Verwendung des Standards IEC 61850 stellt eine standardisierte Beschreibung von Schaltanlagen zur Verfügung. Dadurch ist es möglich mit geeigneten Programmen ein Abbild der Schaltanlage grafisch zu erstellen und die Topologie in einer standardisierten Form den Feldleitgeräten zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren kann mit Hilfe dieses Standards die Kommunikation zwischen den Feldleitgeräten konfiguriert werden und wie in der Arbeit vorgestellt automatisiert erfolgen. - Für Knoten werden neue Potentiale definiert. Mit Hilfe dieser Potentiale ist es möglich den Typ eines Schalters automatisch zu erkennen und neue betriebsbedingte Verriegelungsbedingungen zu realisieren. - Für Knoten wird die zusätzliche Eigenschaft -Netzwerkgruppen- eingeführt. Dadurch ist es möglich Abgänge zusammenzufassen und so Verbindungen zwischen bestimmten Abgängen aus betrieblichen Gründen zu ermöglichen beziehungsweise zu verhindern. - Für betriebsbedingte Verriegelungsbedingungen wird die Länge paralleler Pfade als Kriterium für die Entscheidung zur Schaltfreigabe oder Schaltverriegelung herangezogen, da sich dieses Kriterium einfach ermitteln lässt. In dieser Arbeit werden daher für verschiedenen Schaltgerätetypen die Längen möglicher paralleler Pfade diskutiert und Regeln für Freigabe und Verriegelung der Schaltgeräte aufgestellt. - Um die Länge der parallelen Pfade auch für beliebige Konfigurationen verwenden zu können, ist es notwendig diese für ausgewählte Schaltgeräte zu definieren. Deshalb wird die Länge als neue Eigenschaft für Schaltgeräte in dieser Arbeit eingeführt und für die Schaltgeräte entsprechend definiert. - Modifikationen für die in der Arbeit verwendeten Suchstrategien Breitensuche und Tiefensuche werden vorgestellt. Änderungen sind für die Breitensuche notwendig, um bei unterschiedlich definierten Längen von Schaltelementen trotzdem noch den kürzesten parallelen Pfad identifizieren zu können. Die Tiefensuche muss angepasst werde, um überhaupt in einer Schaltanlagenkonfiguration alle relevanten parallelen Pfade finden zu können. - Zusätzlich wird analysiert inwieweit sich die Topologie einer Anlage reduzieren lässt, wenn die Verriegelung dezentral in Feldleitgeräten gelöst wird. Für die reduzierte Topologie werden deshalb nur jene Schaltgeräte ausgewählt, die für die Verriegelungsentscheidungen in benachbarten Feldleitgeräten benötigt werden. Die Reduktion der Topologie verringert den Suchaufwand und die Auslastung der Kommunikationsleitung, da nur jene Schaltgerätestellung ausgetauscht werden müssen die auch für Verriegelungsentscheidungen notwendig sind. - Für die Identifizierung des Schaltanlagentyps werden in der Dissertation Kriterien zur automatischen Detektion eingeführt. Diese Kriterien werden auch verwendet, um die Gültigkeit der Schaltanlagenkonfiguration zu testen. Zusätzlich werden weitere Algorithmen vorgestellt um die Topologie zu testen und um sicherzustellen, dass die modifizierten Suchverfahren zu gültigen Lösungen kommen.

Topology based interlocking provides reasonable advantages for switchgear interlocking. Compared to Boolean equations used for interlocking, topology based interlocking is able to reduce engineering demand and to reduce the source of errors. If the rules for topology based interlocking are defined and verified, they can be applied to any configuration. The idea is to implement topology based interlocking in bay controllers because that provides decentralised and redundant interlocking decisions. But interlocking in bay controllers requires robust and performance solutions and needs communication to keep the topology in all bay controllers current. Therefore following new solutions for realisation are presented in this thesis: - The standard IEC 61850 is used to provide a standardised description of substations. Suitable editors can be used to draw the single line digram of a substation and store the standardised description of the substation. This standard can also be used to configure the communication for bay controllers to exchange switch positions. This fact is used for realisation to set up the communication to exchange switch positions automatically. - New node potentials are introduced for automatic detection of switches and to allow a large variety of operational interlocking conditions. - Network groups are used as an additional criterion for nodes. This allows to group feeders and prevent connections between feeders that must not be connected. - For operational interlocking the length of parallel paths is used as criterion to generate enable or interlock signals. This criterion is easy to evaluate but requires some extensions. The length of paths are discussed and differentiated for possible switch types. - Therefore switches are assigned with a new property - the length. The length of switches is normally set to one. For special types of switches a description is given of how the length has to be set depending on the configuration. - The length of switches and in general the substation configuration requires a modification for the search strategies breadth-first search and Depth-first search. The modifications guarantee that the shortest parallel paths and all relevant parallel paths for operational interlocking will be found. - Additional analyses is done on the reduction of the topology. Switches that are not taken into account in other bays for interlocking are identified. Eliminating these switches from the topology increases the performance. Therefore the reduced topology decreases the search time and the load on the communication bus of substations to make the system more efficient. - Criteria are defined to automatically detect the substation type. - These criteria can be used to check the validity of the configuration as well. Additional algorithms and needed adaptation are presented to check the reachability and validity of the configuration to guarantee that the proposed search algorithms are working.