智能变电站通信网络的仿真研究 毕业论文.docx

智能变电站通信网络的仿真研究摘要：通信网络的性能对智能变电站自动化有很重要的影响。 由于通信系统数学建模的复杂性和现场测试的局限性，仿真成为研究变电站网络性能的一种合适方法。本文将介绍变电站通信协议标准iec 61850，变电站的接线方式，以及几款仿真工具。关键词：通信网络， iec 61850， 仿真 ；research of simulation about intelligent substation communication networkabstract : the performance of communication network has a major impact on intelligent substation automation. due to communication model complexity and locale test limitation,simulation becomes a suitable method to research substation communication network. this article will introduce substation communication protocol standards iec 61850,the mode of substation wiring,and several simulation tools.key words : communications network,iec 61850, simulation;1 引言通信网络是变电站自动化的关键环节，也是影响变电站当地监控系统性能的重要因素。通信网络是子站与母站之间信息交换的通道，起着一个信息传送的枢纽作用。因此，通信网络在智能变电站自动化中得地位是至关重要的。智能变电站自动化对通信网络的要求主要有两方面，一是可靠性，二是速度。可靠性要求是指网络上传送的重要报文不会因各节点争发报文而发生碰撞或因其他原因而丢失，以及报文丢失后可以通过重发等手段来保证可靠传送。速度要求是指单位时间内网络传输的信息量要瞒住变电站内通信，尤其是发生故障时通信的要求。因此，对于智能变电站通信网络的性能研究是很有必要的。研究智能变电站通信网络性能的方法有很多种，比如数学建模，现场实测以及仿真研究。而根据智能变电站通信网络的本身特点以及研究参数只有在电力系统发生故障时才能得到的特点，数学建模和现场实测远没有用仿真来研究智能变电站通信网络来的切实可行。文章将介绍现行的基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准iec 61850，以及变电站的几种布线方式，还有目前常用的仿真方法和它们优缺点地分析。 2.iec 61850当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种ied的管理以及设备间的互联,就需要一种通用的通信方式来实现。iec61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化， 使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。iec61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准,它是由国际电工委员会第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准，iec61850标准吸收了iec60870系列标准和uca的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统（sas）的设计产生深刻的影响。它将不仅应用在变电站内，而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向，力图和新的国际标准接轨，以适应未来的发展方向。变电站通信体系iec61850将变电站通信体系分为3层:变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范、传输控制协议/网际协议(tcp/ip)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(ied,测控单元和继电保护)均采用统一的协议,通过网络进行信息交换。iec61850的特点是1)面向对象建模; 2)抽象通信服务接口; 3)面向实时的服务; 4)配置语言; 5)整个电力系统统一建模。iec61850建模了大多数公共实际设备和设备组件。这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制,例如变电站和馈线设备(诸如断路器、电压调节器和继电保护等)。自我描述能显著降低数据管理费用、简化数据维护、减少由于配置错误而引起的系统停机时间。iec61850作为制定电力系统远动无缝通信系统基础能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成,减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用,节约大量时间,增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用的特性，极大的方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。在我国采用该标准系列将大大提高变电站自动化系统的技术水平、提高变电站自动化系统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现完全的互操作性。iec61850具有如下特点：(1)定义了变电站的信息分层结构 变电站通信网络和系统协议 iec 61850 标准草案提出了变电站内信息分层的概念，将变电站的通信体系分为 3 个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层和层之间的通信接口。 (2)采用了面向对象的数据建模技术 iec 61850 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个ied包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，ied 同时也扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口（acsi）和服务器通信可访问数据对象。 (3)数据自描述 该标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则；采用面向对象的方法，定义了对象之间的通信服务，比如，获取和设定对象值的通信服务，取得对象名列表的通信服务，获得数据对象值列表的服务等。面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简化了对数据的管理和维护工作。 (4)网络独立性 iec 61850 标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口（asci）。在 iec61850-7-2 中，建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型。客户通过 acsi，由专用通信服务映射（scsm）映射到所采用的具体协议栈，例如制造报文规范（mms）等。iec 61850 标准使用 acsi和 scsm技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动 scsm，而不需要修改 acsi。3.变电站的布线方式变电站的布线方式有很多，如线路变压器组接线，桥形接线，多角形接线，单母线分段接线，双母线接线，双母线带旁路接线，以及双母线分段带旁路接线等。本文将介绍单母线分段接线，双母线接线，双母线带旁路接线，以及双母线分段带旁路接线。(1)单母线分段接线：单母线分段接线就是将一段母线用断路器分为两段，它的优点是接线简单，投资省，操作方便；缺点是母线故障或检修时要造成部分回路停电。(2)双母线接线：双母线接线就是将工作线、电源线和出线通过一台断路器和两组隔离开关连接到两组（一次/二次）母线上，且两组母线都是工作线，而每一回路都可通过母线联络断路器并列运行。与单母线相比，它的优点是供电可靠性大，可以轮流检修母线而不使供电中断，当一组母线故障时，只要将故障母线上的回路倒换到另一组母线，就可迅速恢复供电，另外还具有调度、扩建、检修方便的优点；其缺点是每一回路都增加了一组隔离开关，使配电装置的构架及占地面积、投资费用都相应增加；同时由于配电装置的复杂，在改变运行方式倒闸操作时容易发生误操作，且不宜实现自动化；尤其当母线故障时，须短时切除较多的电源和线路，这对特别重要的大型发电厂和变电站是不允许的。(3)双母线带旁路接线：双母线带旁路接线就是在双母线接线的基础上，增设旁路母线。其特点是具有双母线接线的优点，当线路（主变压器）断路器检修时，仍有继续供电，但旁路的倒换操作比较复杂，增加了误操作的机会，也使保护及自动化系统复杂化，投资费用较大，一般为了节省断路器及设备间隔，当出线达到5个回路以上时，才增设专用的旁路断路器，出线少于5个回路时，则采用母联兼旁路或旁路兼母联的接线方式。(4)双母线分段带旁路接线：双母线分段带旁路接线就是在双母线带旁路接线的基础上，在母线上增设分段断路器，它具有双母线带旁路的优点，但投资费用较大，占用设备间隔较多，一般采用此种接线的原则为：当设备连接的进出线总数为1216回时，在一组母线上设置分段断路器；当设备连接的进出线总数为17回及以上时，在两组母线上设置分段断器。(5)3/2(4/3)断路器接线：3/2(4/3)断路器接线就是在每3（4）断路器中间送出2（3）回回路，一般只用于500kv（或重要220kv）电网的母线主接线。它的主要优点是：运行调度灵活，正常时两条母线和全部断路器运行，成多路环状供电；检修时操作方便，当一组母线停支时，回路不需要切换，任一台断路器检修，各回路仍按原接线方，不需切换；运行可靠，每一回路由两台断路器供电，母线发生故障时，任何回路都不停电。2/3(4/3)断路器接线的缺点是使用设备较多，特别是断路器和电流互感器，投资费用大，保护接线复杂。4.目前的仿真方法(1)网络仿真软件opnetopnet是由美国的mil3公司开发，是一种著名的商用网络仿真软件。它是一个网络仿真技术软件包，它能够准确的分析复杂网络的性能和行为，在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头，以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察、或者输出到第三方的软件包去。其产品结构有三个模块组成，能为用户提供一系列的仿真模型库。其中的opnet modeler是专门用于可视化原型设计的软件，采用离散事件驱动的仿真机理支持面向对象的建模方式，提供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行。其强大得功能几乎可以模拟任何网络设备，支持各种网络技术，能针对个款交换机和路由器的时期产品来搭建网络，为网络性能的分析提供了有效而直观的手段。因此，将opnet仿真技术运用于智能变电站通信网络的研究，能够有效地提高研究效率。(2)pspicepspice是由spice（simulation program with intergrated circuit emphasis）发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。spice(simulation program with integrated circuit emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序。随后，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年spice被定为美国国家工业标准。目前微机上广泛使用的pspice是由美国microsim公司开发并于1984年1月首次推出的。它是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、monte carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。它在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析,并且不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；同时其集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。(3)simulink simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点它已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink.在 simulink 中，对智能变电站通信网络仿真模型的简历将会变得非常简便，快捷。(4)epochs电力通信同步仿真软件（electric power and communication synchronizing simulator, epochs)使用实时部件rti将电力系统电磁暂态仿真软件edmtdc/pscad,机电动态仿真软件pslf及网络仿真软件ns2结合在一起，为智能变电站通信网络提供了一个基于iec 61850标准的同步仿真平台。6. 分析opnet有许多突出的特点。它提供了一个比较齐全的的基本模型库，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、atm设备、dsl设备、isdn设备等等，采用离散事件驱动的模拟机理（discrete event driven），与时间驱动相比，计算效率得到很大提高，适用混合建模机制，把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来，既可得到非常细节的模拟结果，也大大提高了仿真效率。与此同时opnet具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真报告。最后它还提供了和网管系统、流量监测系统的接口，能够方便的利用现有的拓扑和流量数据建立仿真模型，同时还可对仿真结果进行验证。而opnet 在网络规划和设计以及对现有网络的性能分析和评估方面有着非常出色的表现，随着智能变电站所处的电力系统通信网络的复杂性和电力系统自动化发展对网络通信性能的要求日益提高，opnet 将被更加广泛地应用于电力系统的通信研究中。当然opnet自身也存在很多不足，当仿真网络规模和流量很大时, 仿真的效率会降低，而且目前变电站内部通信数据的仿真普遍利用不同负载的ftp业务作为背景流量来模拟变电站过程网络数据变换，这种方法无法准确地模拟实际变电站内部多种数据混杂传输的情况。同时基于iec 61850 标准中，goose 报文是直接从应用层面映射到数据链路层和物理层，而目前opent 中还没有与之类似的通信协议可以模拟这类情况，如何在 opent 中设计扩展模块以实现 goose 报文传输模拟量，这方面的技术还不完善。pspice的元器件模型库提供了几千种常用的元器件，使用者可以直接调用，迅速地画出所需仿真的电路原理图。同时它也支持建模，使用者可根据需要建立自己的元器件模型库，或对元器件库中已有元件进行修改，可以随时调用。利用其图表功能，不仅可以得到仿真运行时的参数还可以描绘出它们的动态模拟图，以观察参数变化对研究对象性能的影响。pspice仿真系统还为使用者提供了极其方便的节点访问。同时它也是一个多功能的电路模拟试验平台，pspice软件适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力，这使它在电路系统仿真方面具有其他软件无法比拟的优势。在pspice中，对元件参数的修改很容 易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。其内还集成了许 多仿真功能和诸多的数学运算，使他具有很强的功能和很高的集成度。但由本身特性决定了它不适用于大功率器件的仿真，因其采用变步长算法导致计算时间延长，仿真的收敛性也较差。simulink 不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系统仿真或两者的混合系统仿真，为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式。同时它支持具有多种采样速率的系统仿真，该工具对系统进行建模将变得非常简单，而且仿真过程是交互的，因此，可以灵活地改变部分方正参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果，并对结果进行分析和可视化，同时该工具的界面设计非常简洁，当系统偏大，模块较多是，视觉不会觉得繁杂，有利于整个仿真系统的检查。它还具有丰富的可扩充的预定义模块库，交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。但因为matlab-simulink运行时占用计算机很大内存，所以它对于计算机的配置要求很高，同时也导致了它仿真运行的速度很慢，较大程度上影响了仿真的效率。基于epochs构建的仿真平台，epochs 能够同时仿真变电站的电气部分和通信系统部分，该平台能够模拟各种工况下包括发生故障时通信网络的动态性能，其中负责模拟通信传输的部件，其源代码开放，可根据需要扩展协议模块，如增加报文优先级传输机制的模块，这些是其他网络仿真软件不具备的优势，同时采用电力通信同步仿真软件epochs构建的仿真模型较好地实现了变电站电气部分与通信部分的同步仿真，但是过程采样值sav报文传输，以及未考虑综合传输情况下其他数据流对网络性能的影响，因此如何保证sav和goose快熟和优先地传递是网络传输的重要问题。7. 总结对于变电站通信网络的研究本文基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准iec61850进行论述，同时在各种变电站的布网方式下我们必须考虑这些方式对于仿真方法的要求以及对仿真过程和结果的影响，以期能得到一个较为接近实际只能点电站通信网络的工作现状。而文章介绍的这四款仿真软件它们都有其各自优缺点，对于智能变电站通信网络的研究都有其现实意义。opnet在网络研究方面的优势以及随着电力系统的发展对于智能变电站通信网络的要求越来越高将会被越来越多的用于通信网络的仿真研究中。而pispic作为一款对电路及其系统的专业的仿真软件它内含许多功能可以让我们更加全面的了解仿真过程中出现的问题，同时它也以快速，准确地仿真模式广泛的应用于电力系统方面的仿真研究。matlab是当今国际上最具影响力