（机械电子工程专业论文）基于iec6185091标准的光电互感器合并单元设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着现代自动化技术的飞速发展，越来越多的i e d ( 智能电子设备) 被投入到变电 站自动化系统s a s ( s u b s t a t i 蚰a u t o m a t i o ns y s t e m ) 使用中，尤其是新型电子互感器( 光电 互感器) 的问世，对变电站数字化通讯的要求更为迫切。不同厂家的电子设备由于缺乏统 一的通讯标准，难以实现互操作性，针对这一状况，国际电工委员会制定了i e c 6 1 8 5 0 标 准( 变电站通讯网络和系统) ，来对变电站的通讯进行规范化。 研究的主要内容包括：分析了i e c 6 1 8 5 0 9 1 合并单元的通讯模型a c s i ( a b s 仃a c t c o m m u n i c a t i o ns e n ，i c ei i l t e r f a c e ) ；系统总结了研究所涉及的光电互感器的数字输出格式， 依据i e c 6 1 8 5 0 中合并单元的定义和功能要求，提出了合并单元设计总体方案，及基于 f p g a ( f i e l dp r o 铲锄m a b l eg a t ea 玎a l y ) 和a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 的硬件设计方案；本 文参照光电互感器的光输出物理接口的要求，设计了合并单元的数据接收接口；提出了同 步异常判断方案和同步控制方案；从硬件上系统划分了合并单元所要求的功能，设计了数 据接收模块，发送模块，双口洲时序控制模块，以太网通讯模块等，并对模块的程序 进行了仿真验证，在测试板上完成了相关设计部分的测试，验证了设计合并单元的可行性 和可靠性。 由于i e c 6 1 8 5 0 标准良好的规范性，成为未来变电站自动化发展方向，该标准己开始 走出数字化变电站的范围，并向整个电力网络的通信领域开始扩散，以后新能源系统，如： 风力发电站、太阳能发电站、分布式能源控制系统等，所采用的监控通信都将基于这一标 准，本论文设计的合并单元为变电站间隔层和过程层之间的通讯网络设计提供了可行性设 计方案，并为同类通讯网络的搭建提供了参考。 关键词：i e c 6 1 8 5 0 ；合并单元；数字接口；a c s i 浙江理工大学硕l 学位论文 am e r 2 i n gu n i td e s i g no fo p t i c a le l e c t r o n i ct r a n s d u c e rb a s e do nam e r g l n gu n l tn e s l g n0 10 p n c a le i e c t r o n l ct r a n s n u c e rd a s e n0 n i e c 6 1 8 5 0s t a n d a r d a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e d m o l o g y m o r e 锄dm o r ei n t e l l i 跗l te l e c 仃o n i c e q u i p m e n t s ( i e d ) a r eu s e di ns a s ( s u b s t a t i o na u t o m a t i cs y s t 哪) ，e s p e c i a l l ym ea p p e a r a l l c eo f n e w t ) ，i ，co fe l e m i l i cc u l 獭l t 虹a 1 1 s d u c e f ( o p t i c a le l e c t r o n i c 仃a n s d u c e r ) ，t h ed 锄a n do fd i 西t a l c o m m u n i c a t i o nb e c o m em o r e 锄dm o r e 锄e r 馨m t b e c a u s eo ft l l el a c ko fo n eu n i f o 彻s t a n d a r d f o rc o m m u n i c a t i o n ，m a l l yp r o d u c t s 缸腿d i f j e r e n tc o 驴r a t i o nc a l ln o ta c h i e v ec 0 舢【1 1 u t a t i v e o p 盯a t i o n i i l t e n l a t i o n a le l e c t r 0t e c h i c a lc 伽姗i s s i o np u b l i s h e dad r a r p r o t o c o ln 锄e d i e c 6l8 5 0t 0s o l v et l l i sp r o b l 唧，锄ds 】p h e e i 母t h ec o m m u n i c a t i o ns t 孤d a r du s e di i ls u b s t a t i o n a u t o m a t i cs y s t e m t h i st h e s i sm a i na c h i e v 锄e n ti s 邪f o l l o w s ：t l l ea j l a l y s i so fc o m m 蛐i c a t i o nm o d e la c s i ( a b s t m c tc o m m u n i c a t i o ns e i c ei n t e r f a c e )i ni e c 6 l8 5 0 ，t l l e 阴m m a t i o no f d i 西t a lo u t p u to f e l e 咖n i c 打a n s d u c e ri i l v o l v e di n t h i st h e s i s ，r e f e r r i n gt 0t h ed e f i n i a t i o n 粕dr e q u i r e m e n to f m e 哂n g 吼i t ，t h ed 商驴o fm e r g i n gu i l i t 丘d mh a r d w a r et os o f i 、) l ，a r eb a s e do nf p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea 1 1 r a y ) 锄da i m i ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) f o rf a c i n gt h er e q u i r e m e n t o fp h y s i c a l o u t p u t o fe l e c t r o n i c仃a n s d u c e r t h i st h e s i s d e s i g n t h er a l a t i v e i n p u t i n t e r f a c e t h i st h e s i ss u b m i t t e ds y i l c h r o n i z a t i o nj u d g es c h e m ea n das y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls c h e m e f o rf a c i n gt h ef b n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fm e r g i n gu n i t ，t h i st h e s i sd e s i g n e d r e l a t i v ep r o g r a mi n c l u d i n gi n p u tm o d u l e ，o u t p u tm o d u l e ，t i m i n gc o n t r o lm o d u l eo fd o u b l e p o r t sr a m ，e t h e m e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n ds i m u l a t et h e s em o d u l e so nt h et e s t b o a r d s t h er e s u l to fs i m u l a t i o np r o v et h er e l i a b i l i t ya n dp f a c t i c a l b i l i t yo fd e s i g n e d 丘l n c t i o n b e c a u s eo fe f 五e c t i v en o 彻a l i z a t i o n i e c 618 5 0s t a n d a r di n f l u e n c e dt h ed i r e c t i o no f s u b s t a t i o na u t o m a t i cs y s t 锄1 l l i ss t 锄d a r di s s t a r t i n gt os p r e a d 丘o mt h ef i e l do fd i 西t a l s u b s t a t i o nt ot h ec o m m u i l i c a t i o no fw h o l ee l e c t r i cn e t t h es y s t e mo fn e we n e 玛yr e s o u r c e s i n c l u d i n g 丽n dp o w c rs u b s t a t i o n ，s o l a rp o w c rs u b s t a t i o n 锄dd i s t r i b u t e dc o n 仃o ls y s t e n lw i l la l l u s ei e c 6 18 5 0s t a l l d 莉f o rc o n l i l l u l l i c a t i o n n l em 弼i n g 砌td e s i 盟e di nt h j st h e s i ss u p p l y sa p r a c t i a l b i l i t ys c h 锄e ，a n da l lo f t h o s ec a nb eu s e da sr e f e r e n c em a t e r i a l t od e s i g nt h es i m i l a r i i 浙江理工人学硕上学位论文 c o m m u n i c a t i o ne l e c t r i cn e t w o r k k e y w o r d s ：l e c 6 l8 5 0 ；m e 晒n gu n i t ；d i 舀t a “m e r f a c e ；a c s i h i 浙江理工人学硕一l ：学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 伴随着现代变电站自动化技术的飞速发展，电网结构复杂度随之提高，越来越多的i e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd c v i c e ，智能电子设备) 问世并投入到实际应用生产中，特别是新一 代光学电子互感器o c t 【1 4 】( 0 l p t i c a lc v n 铋tt r a i l s d u c e r ) 和o v t 【5 捌( o p t i c a lv o l t a g c t r a l l s d u c e r ) 的出现，由于其独特的优越性【卜9 】开始逐步取代老式的电磁互感器，这一现状 一对于变电站化数字化系统提出了更高的要求【1 m 1 3 】；虽然这些i e d 设备具有强大的信息处理 能力，可以分析处理多种数据【1 4 】，然而由于其缺乏统一的通信标准，难以实现信息共享， 从而限制了其功能的有效发挥。为应对这一情况所带来的问题，i e c ( i n t 啪a t i o n a le 1 e c t r 0 t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 国际电工委员会) 第5 7 技术委员会在1 9 9 5 年成立三个工作组 ( w g l 0 ，w g l l ，w g l 2 ) 来负责制定统一标准，即i e c 6 1 8 5 0 标准。直至1 9 9 9 年，i e c 6 1 8 5 0 标准草案才得以问世，该标准吸收了很多先进的技术，不仅应用在变电站内，而且将运用 于变电站与调度管理中心之间以及各级调度管理中心 1 5 - 1 7 】之间；该标准借鉴了i e c 6 0 8 7 0 等标准，不仅对保护和控制等i e d 自动化产品，而且对变电站自动化系统s a s ( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns v s t e m ) 【搏1 9 】的设计都产生了深刻的影响。2 0 0 2 年中国也开始注意到此标准的 重要意义，责成对口单位“全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会”负责将这一国际 标淮转换为统一的国家标准，i e c 6 1 8 5 0 系列标准在中国的标准的名称为d 坍8 6 0 ( 变电 站通信网络和系统) 。2 0 0 7 年4 月i e c 6 1 8 5 0 6 的最后一部分审查通过后，整个l e c 6 1 8 5 0 标准总共包括十大部分，十四个分册，并且同等转化的国内标准d 坍8 6 0 已经作为国家标 准开始执行。 由于i e c 6 1 8 5 0 标准不仅涉及到从工业通信设备和仪器仪表设备，到继电器保护设备、 变压器设备和高低压开关成套等电气设备，而且中国电器工业协会c e e i a ( c h i n ae 1 e c t r i c a l e q u i p m e l l ti n d u s t r i a la s s o c i a t i o n ) 的会员生产商都想提供自己生产的支持i e c 6 1 8 5 0 标准功 能的产品，并且由于i e c 6 1 8 5 0 标准制定的良好规范性模型【2 0 2 ，该标准已逐步开始走出 数字化变电站的服务范围，并朝着整个电力网络的通信领域开始扩散，随之以后新能源系 统( 风力发电站、太阳能发电站、分布式能源系统等) 的监控通信都将基于这一标准，因 此i e c 6 1 8 5 0 标准成为目前各个协会和行业组织重点关注的技术领域。 变电站自动化系统功能是控制和监视，包括电网的数据采集、继电保护和监视，按功 l 浙江理工大学硕士学位论文 能i e c 6 1 8 5 0 协议标准把变电站分为三层【2 2 剀，变电站层( 站控层) ，间隔层，过程层：变 电站层设备由带数据库的计算机、操作员工作平台、远方通讯接口等组成；间隔层由间隔 的控制、保护、监视单元组成；过程层包括智能传感器、执行器和远方i o 等组成，如图 1 1 所示。i e c 6 1 8 5 0 对各层之间的通讯接口规格都予以了详细定义：站控层与问隔层之间 的通讯网络通过将抽象通讯服务接口映射给制造报文规范的方式，采用以太网或光纤网传 输控制协议，间隔层和过程层的通讯网络则采用单向传输以太网的方式，单点向多点传输。 变电站层 间隔层 过程层 高压设备 图1 1 变电站功能分层模型 合并单元作为连接电子式互感器一次设备与间隔层二次设备之间的连接点【m 7 1 ，主要 用于传输一次设备采集电压、电流和开关信号，控制命令的执行等，其中包括新型的光电 压互感器和光电流互感器采集信号，也可包含传统的电磁互感器信息的采集，相应间隔设 备的状态信息的采集，并且向间隔层输出数字信号，起着简化变电站二次设备，优化变电 站自动化通信控制系统，提高整个变电站系统准确性及可靠性的重要作用。 综上所述，设计基于i e c 6 18 5 0 标准的合并单元对于间隔层和过程层之间网络的组建 起着重要作用，作为实现过程层的关键设备，合并单元的稳定性，实时性和可扩展性对最 终实现彻底的数字化变电站起着至关重要的作用。 1 2 国内外发展现状 早在i e c 6 0 0 纠8 中就首次给出了合并单元的定义2 8 之明( 如图1 2 所示) ：合并单 元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的，其主要功能是包括采集多路e c t ( e l e c t r o n i cc u r r 锄tt r a l l s d u c e r 电子式电流互感器) e ( e 1 e c t r o n i c 、，o l t a g et r a n s d u c e r 电 2 浙江理工大学硕上学位论文 子式电压互感器) 测量一次侧设备后输出的数字信号，接收同步信号，然后按照标准规定 的格式发送给保护、控制等间隔层设备，i e c 6 1 8 5 0 中规定它与二次设备的接口采用单向多 路点对点以太网，由于合并单元作为电子互感器的数字接口，其自身的发展与电子互感器 的发展息息相关。 图1 2 合并单元的定义 从上世纪八十年代开始，欧洲首先在电子式互感器研究方面取得了突破性的进展， 1 9 8 6 年，a b b 公司( 瑞典的阿西亚公司a s e a 和瑞士的布朗勃法瑞公司b b cb r o w nb o v 喇 合并而成) 将光电互感器挂网运行。随后日本东京电力公司与同本东芝公司与1 9 8 7 年合 作研发出的o c t 和o p t 也实现了长时间挂网运行，实际测量得到的参数均达到i e c l 2 0 l 的标准。主要致力与无源电子式互感器研究的法国a l s t o m 公司，目前已研制出组合式 光学电流互感器，并且成功研制了用于1 2 3 k v - 7 6 5 k v 光学电流互感器投入变电站生产中。 1 9 9 6 年3 m ( m i i l i l e s o t am i n i n g 锄dm a l l u f a c t i l r i n gc o 叩o r a t i o n ) 公司研制的权光纤电流测量 模块可用于5 0 0 1 w 电压等级的变电站。 随着电子式互感器的逐步发展，国外的电子式互感器已经走出实验室，进入到了变 电站现场实用阶段，由于变电站内使用到的互感器以及其他i e d 智能设备种类很多，因此 i e c 颁布了i e c 6 0 0 4 4 标准，之后又颁布了i e c 6 1 8 5 0 标准，希望能够借此标准统一变电站 内部的通信标准，伴随着两个标准的出台，尤其是后者，各大电子互感器生产公司都针对 自己的产品研制了电子互感器及合并器部分，已经能够符合i e c 6 1 8 5 0 9 1 的标准。 a b b 公司研发和设计的i e d 设备r e f 6 1 5 ，适合国际标准i e c 6 18 5 0 的要求从而使产 品从根本上支持站内智能设备的互操作与水平通信等特性，提供7 种标准配置的应用，可 以满足用户特定的需求，在系统运行过程中所有智能装置间的操控信号不断通过通信总线 3 浙江理工大学硕士学位论文 以g o o s e 报文的形式传递。因此，这种互操作方案仅需通过装置内部设置实现，比传统 的屏柜问硬接线更加经济和高效。i 也f 6 1 5 外观如图1 3 ，该m d 设备根据正c 6 1 8 5 0 规约 在全新平台上研发，从根本上支持变电站内设备的互操作性和水平通讯等特征，不必通过 附加的通讯模块进行数据交换。 图1 3 i 也f 6 1 5 ：。 由于我国在变电站自动化技术研究方面起步比较晚，致使在电子式互感器领域的开发 研究比较晚，清华大学、华中科技大学，北方交通大学，湖南大学等高校以及国内电子部 2 6 所和3 4 所等研究院都有积极参与研发新型电子式互感器：1 9 9 1 年，清华大学和中国电 力科学院合作研发的电子互感器通过国家鉴定，开始挂网运行；1 9 9 4 ，华中科技大学成功 研制的2 2 0 k v 电子式电压互感器( e v t ) 和1 1 0 v 电子式电流互感器( e c t ) 通过国家技术鉴 定。国内各从事变电站技术开发的公司也与高校合作，开始从事电子式互感器的开发并投 入生产：1 9 9 7 年华中科技大学与华中电力集团合作研发的5 0 0 l ( v 电子互感器通过电子工 业部电器设备质量检测中心的测试：2 0 0 1 年广东顺德特种变压器厂、广东新汇电力局与华 中科技大学合作开发了2 2 0 k v 电子式互感器，在广东新汇挂网运行。 伴随着电子式互感器投入电网运行，合并单元的设计也在加快脚步，国内生产电子式 互感器的公司都针对自己的产品设计了对应的合并器装置： 由国电南京自动化股份有限公司和南京新宁光电自动化有限公司合作研发的互感器 的后级合并器系统如图1 4 ，功能包括接收采集器的数字信号以及电磁式互感器的模拟信 号，并且在合并器内部对这些信号处理合并后，通过光纤向外输送数据，合并器采用 i e c 6 1 8 5 0 9 1 的规约，而且能够通过u s b 进行信息配置，接收站端同步信号，同步各路的 a d 采样，采用激光电源模件，合并器对接收的数据合并处理后，配置由三路符合i e e e 8 0 2 3 规定的1 0 0 b a s e f x 或1 0 b a s e f l 接口对外提供数据采集信号还设计了备用c p u ，可 对安装保护模块的测量点实现保护或测控等功能。 4 浙江理工大学硕士学位论文 砌7 0 3 光电互感器合并器装置 。运行g 委篡g 委：耋g 蓁羹三：o o 告警o 采集嚣3o 采集器6o 采集嚣9 复位 二 国电南京自动化股份有限公司 u s b 南京新宁光电自动化有限公司 图1 4m u 7 0 3 南京南瑞继保电气有限公司研发的p c s 2 2 l 系列合并器如图1 5 ，具有可以支持不同 厂家和不同电子式互感器接口的优势，支持的类型包括g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a u r 气 体绝缘金属封闭开关设备) 电子式互感器、光供电型电子式互感器【姗l 】和老式的 c t ( c u 玎t m tt r 锄s d u c e r 电流互感器) 等；输出的通道数可以根据现场实地的系统要求进行灵 活增加，可以达到用于测量2 2 0 k v 、5 0 0 l ( v 及以上等级各种电子式互感器配置的需要。南 京南瑞继保电气有限公司生产的合并器主要用于发送一条线路三相：a 相，b 相，c 相测 量、保护电流和电压的数据，将通用数据帧通过光纤发送，包括保护和测量两种数据。其 采用的光纤发送协议符合i e c 6 0 0 咐8 所定义的点对点串行数据接口要求3 2 】；合并器还配 备了两个l o b a l s e t 1 0 0 b a s e t x 以太网接口；南瑞网络版规约基于i e c 6 0 8 7 0 可与变电站 自动化系统相连，可以向变电站自动化系统提供电网装置的状态、提供报警服务和远端服 务模块的状态，但是南京南瑞继保电气有限公司制造的产品没有不支持i e c 6 1 8 5 0 的兼容 模块。 图1 5 p c s 2 2 l 北京许继电气有限公司生产的合并单元d m u8 0 1 ( 如图1 6 ) ，其主芯片采用t i 公 司高性能的3 2 位d s p 处理器，主频高达6 0 0 m h z ，处理性能可达4 8 0 0 m i p s ；通讯协议 基于i e c 6 1 8 5 0 标准，采用全双工的自适应以太网网卡芯片；采用高性能的f p g a 芯片接 5 浙江理工人学硕上学位论文 收多路电子互感器的强实时性采样信号，可接收同步脉冲；并且提供u s b 接口，可根据 变电站现场状况需要对系统进行配置；自行设计的多层电路板及表面贴装技术，提高了装 置可靠性，可适用于需要数字量合并功能的场合。 a b c 图1 6 d m u 8 0 l 北京浩霆光电公司生产的智能电子设备产品已经挂网运行，但是所采用的采集设备都 是有源式电流互感器，其中所用设备的后级合并器系统还是采用老式接口协议标准，并不 具备与新型数字化变电站的数字接口设备进行通讯的能力，不得不再原有接口基础上自行 设计一个协议转换接口，来完成新老标准的转换，此举不仅增加了整个系统的不稳定因素， 而且新设计的协议转换接口直接导致产品的设计成本的提高，在变电站自动化技术飞速发 展的今天，不具备i e c 6 1 8 5 0 标准接口的i e d 设备缺乏和同类设备通讯的能力。 综上所述，基于新变电站自动化理念的合并单元已经在国内开始研究，并且已有部分 公司生产的合并器开始挂网运行，设计i e c 6 1 8 5 0 数字接口的m u ( m e 哂n gu n i t ) 适应今 后电力行业的发展需求，对变电站自动化技术的推动意义重大。 1 3 本文的主要内容 本课题来源于上海顺宇海逸光电技术有限公司，该公司从2 0 0 8 年起专门研制光电式 电子互感器，已经完成了产品关键部分测试，本人在公司实习期间，提出了电子互感器合 并单元的设计需求，由于该项目涉及变电站电力系统，网络通讯技术，交叉计算机控制技 6 浙江理工大学硕士学位论文 术等多方面，涉及内容较广，本人主要负责对合并单元进行设计，完成了以下工作： ( 1 ) 设计合并单元总体方案； ( 2 ) 研究i e c 6 18 5 0 标准对电子互感器传输帧格式的要求； ( 3 ) 设计了f p g a 数据解码传输控制电路及程序； ( 4 ) 提出了同步信号的接收判断方案； ( 5 ) 设计了a r m 与d m 9 0 0 0 接口电路以及合并单元的以太网输出； ( 6 ) 对设计中的数据接收发送部分进行了测试。 ，- 。 结合本人的主要工作，论文的具体章节部分如下： 第一章：绪论，介绍了研究合并单元的背景以及重要性，国内外在研究电子式互感器 方面取得的成果，阐述了论文的主要内容。 第二章：合并单元数字接口的分析，对研究对象i e c 6 1 8 5 0 所提出的理论模型和意义 进行了研究，分析了i e c 6 0 0 4 4 中要求的电子式互感器到合并单元的数据帧格式，比较分 析了上海舜宇海逸光电技术有限公司研制的光电互感器数字输出接口，以及i e c 6 1 8 5 0 标 准规定的数字输出，提出了合并单元应该具备的功能。 第三章：合并单元的硬件设计，提出了合并单元的总体设计方案，设计了数据接收， 数据交换，数字输出部分电路。 第四章：合并单元的程序设计，设计了f p g a 接口通讯模块，同步信号判断程序，数 据接收校验程序，s 3 c 2 4 4 0 部分的以太网通讯程序。 第五章：系统测试平台，设计了程序的测试平台，完成了多路数字接收部分，以太网 数据发送等部分程序测试。 第六章：总结与展望：总结了论文取得的研究成果，提出了需要深入研究的问题。 7 浙江理工大学硕： ：学位论文 第二章合并单元数字接口的分析 i e c 6 1 8 5 0 标准要求对过程层的访问实现数字化，由于目前技术和投资的限制，变电站 过程层完全实现“总线化”需要较长的阶段，而合并单元为过程层的数字化提供了部分解决 方案；将同一检测点的各电流，电压信号按照同一个协议规范进行传输的物理单元被称为 合并单元，其协议规范被包含在i e c 6 1 8 5 0 9 的标准体系中。本章先对涉及到的i e c 6 1 8 5 0 协议进行简单介绍。 2 1i e c 6 1 8 5 0 协议简介 由于功能强大，快速的微型处理器的问世，使得变电站自动化系统实现的可能性大大 增加，并且促使了变电站二次设备从电气机械式设备向数字式设备转变。这要求变电站采 用智能电子设备( i e d ) 去完成所要求的功能，如继电器保护，监控设备等，这些功能又 对i e d 之间高效通讯的提出了更高的要求。目前许多制造商，如国内的南瑞，许继，四方， 国外的a b b ，s i e m e n s 等公司生产的i e d 设备，各自制定了特有的通讯协议，导致在采 用不同厂家的i e d 设备时，将会面临进行复杂的协议转换，支付高额的的协议转换费用； 因此，国际电工委员会( 1 e c ) 制定了c o m m u n i c a t i o nn e 柳o r k sa i l ds y s t e l n si ns u b s t a t i o n s ( 变 电站通讯网络和系统) 标准( 即i e c 6 1 8 5 0 标准) 来解决目前出现的这一状况。 制定i e c 6 1 8 5 0 协议的目的并非是要标准化限制变电站运行的功能，也不是要标准化 限制变电站自动化系统内部的功能的分配；而是要统一标识变电站所应用到的功能，并且 定义了他们之间的通讯要求，借此来满足这些设备之间自由交换信息的要求。变电站通讯 网络和系统标准总共包括l o 个部分【3 3 】的内容： i e c6 1 8 5 0 1 第1 部分：介绍和概述； i e c6 18 5 0 2 第2 部分：术语： i e c6 1 8 5 0 一3 第3 部分：总体要求； i e c6 1 8 5 叫第4 部分：系统和工程管理； i e c6 1 8 5 0 5 第5 部分：功能和设备模型的通信要求； i e c6 18 5 0 6 第6 部分：变电站自动化系统结构语言； i e c6 1 8 5 0 7 1 第7 1 部分：变电站和线路( 馈线) 设备的基本通信结构一原理和模型： i e c6 1 8 5 0 7 2 第7 2 部分：变电站和线路( 馈线) 设备的基本通信结构一抽象通信服务 8 浙江理工大学硕士学位论文 接口( a c s d ； l e c6 l8 5 0 - 7 3 第7 3 部分：变电站和线路( 馈线) 设备基本通信结构一公共数据类； i e c6 1 8 5 0 7 4 第7 4 部分：变电站和线路( 馈线) 设备的基本通信结构一兼容的逻辑 节点类和数据类： i e c6 18 5 0 8 1 第8 1 部分：特定通信服务映射( s c s m ) 映射到m m s ( i s o i e c 9 5 0 6 第l 部分和第2 部分) ； 一 l e c6 1 8 5 0 9 1 第9 1 部分：特定通信服务映射( s c s m 卜通过单向多路点对点串行通 信链路的采样值； i e c6 1 8 5 m 9 2 第9 2 部分：特定通信服务映射( s c s m 卜通过i s o i e c8 8 0 2 3 的采 样值； l e c6 1 8 5 0 - l o 第1 0 部分：一致性测试。 十大部分主要内容包括：提出了变电站自动化系统分层概念；并依照电力系统生产过 程方面的特点，制定了相应的服务模型，以此来满足实时性数据和其他信息传输的要求； 为适应高速发展的网络技术采用了抽象通信服务接口和特定通信服务映射；通过对象建模 技术，采用面向设备建模和自我描述语言，以满足变电站应用功能的需要和发展，从而实 现应用开放系统中的互操性：快速传输实时性的采样值，利用配置语言和配置工具，在信 息源对数据和数据属性进行了定义，扩充数据和设备管理功能；i e c 6 1 8 5 0 还制定了变电站 通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准，覆盖了变电站的所有通 讯接口。按照所需要完成的功能，将变电站自动化系统分为三层：站控层( 变电站层) ， 间隔层和过程层，每层所具有的功能如下： ( 1 ) 过程层主要功能包括动作开关的控制，模拟量的采集等涉及到的一次设备的功能。 ( 2 ) 间隔层的主要功能是利用本间隔层的数据对本间隔层的一次设备产生控制作用，如 线路保护等。 ( 3 ) 站控层一方面利用各个间隔层的数据信息对多个间隔层的一次设备产生控制信号， 如全变电站范围内的闭锁，另一方面与远方控制中心进行通信，如寻求技术服务等。 合并单元负责本间隔层和过程层之间的通讯，其所在变电站自动化系统中的位置如图 2 1 所示，测量间隔层的合并单元( m u ) 仅负责本间隔层电子互感器的数据采集，保护控 制间隔层的合并单元负责控制信号的传递，一次设备开关量状态的采集等。 9 浙江理丁大学硕：l 学位论文 图2 1 合并单元系统位置图 2 2i e c 618 5 0 9 1 合并单元信息模型 l e c 6 1 8 5 0 标准的核心内容包括了设备模型的建立以及抽象通信服务模型a c s i 模型1 3 4 】 ( a b s t r a c tc o m i l l u n i c “o ns e r v i c ei n t e r f a c e ) 如图2 2 ，包括基本模型规范和信息交换服务 模型规范。a c s i 模型中利用基本信息模型，作为具体设备的信息模型结构和语义空间的 结构，并以此作为构建电子互感器与过程层设备交换相关信息数据的组织构造和数据类型 的基础。 信 息 模 型 信 息 交 换 a f s f 穗本信意模型 ( d l 厂r 8 6 0 7 2 ) l o g i c a ln o d e 几磊1 d a l a 服务 l n 服务 a c s i 信息交换 ( d l r 8 6 0 7 2 ) 特倒 特倒 信息模墅 ( d l t8 6 0 7 3 ，d l 丌8 6 0 7 4 ) 1 兼容l o g i c a in o d e 卜、 柏弱面：1l 徐1 n 和d a t a 之外的服务模型 例如d a l as e l 。r 印o r t i n 岛g o o s e 实际没蔷 图2 2 a c s i 模型 按分层思想，每个i e d 信息模型结构分为服务器( s e r v e r ) ，逻辑设备l d ( l o g i c d e v i c e ) ，逻辑节点l n ( l o g i cn o d e r ) ，数据( d a t a ) ，数据属性( d a t aa t t r i b u t e ) ，结构如图2 2 l o 浙江理t 大学硕上学位论文 所示。服务器代表了设备的外部可视性能，包含两种功能：一是和客户进行通讯，二是向 对等设备发送信息( 如采样值) ；l d 包含由一组特定应用功能产生和使用的信息；l n 包 含特定功能的信息，如由过压保护设备或断路器，互感器等产生和使用的信息；d 朋队提 供了包含在l n 内部的类型信息，如品质信息和时标的开关位置。 图2 2 信息模型分层 在i e c 6 1 8 5 0 协议中合并单元( m u ) 被看做一个逻辑设备( l d ) ，逻辑设备一般包括 至少一个物理设备逻辑节点l p h d ( l o 百c a ln o d ep l l y s i c a ld e v i c e ) ，一个逻辑节点零l l n 0 ( l o 百c a ln o d ez e r o ) 和一个或多个特定应用的逻辑节点，对于1 2 路输入通道的合并单元 来说，特定应用逻辑节点数为1 2 个，分别对应1 2 通道的电流电压量。 物理逻辑节点l p h d 包括物理设备的铭牌信息，设备运行状态等等信息。逻辑节点零 l l n o 代表逻辑设备的公共信息，不但包含了逻辑设备的运行模式m o d 和数据集d s ( d a t a s e t 将各种数据，数据属性编成组，用以直接访问) ，还提供了6 个可选的控制模 块，比如多路广播采样值控制模块等【3 6 】，其中的物理设备逻辑节点l p h d 和逻辑节点零 l l n o 二者为合并单元信息模型必须具备的。m u 所接受的互感器采样信息可作为特定的 应用逻辑节点，在i e c 6 1 8 5 0 7 4 给出了特定逻辑节点的命名标准，比如t v t r 表示电压互 感器，而t c t r 表示电流互感器，在数据集d s 中通过功能约束将t c t r 电流互感器和t v t r 电压互感器的数据及其属性进行有效汇合。 逻辑节点l n 需要用数据对象进行标准化描述，在i e c 6 1 8 5 0 标准中规定了3 5 5 中数据 类【3 7 1 ，以及2 3 多种公共数据类c d c ( c o m m o nd a t ac l 器s ) ，每种公共数据类都包含自身 特定的功能服务，并且c d c 公共数据在不同l n 逻辑节点中又派生了完整的数据对象，同 时数据对象又继承了公共数据类的服务，这样包含了变电站内部的所有功能和数据。合并 单元的数据对象如图2 3 ，其中继承的公共数据类含义如下：d p l 表示物理设备的铭牌名 称，i s i 表示为整数状态，i n c 代表可控整数状态，s a v 表示采样值，s p s 代表单点状态 浙江理工大学硕：l 学位论文 信息，a s g 表示模拟定值，其属性类型a m p 代表电流采样值( 强制数据) ，v o l t 表示电压 采样值，m o d 代表模式，b e h 代表性能h e a l t h 代表健康，a r t g 代表额定电流值，v r t g 代 表额定电压值，t c t r 和t v t r 的除a m p 属性节点以外可以按需要自行配置，属于可选数 据。 图2 3 合并单元数据对象 i e c 6 1 8 5 0 9 1 中规定了用于电子传感器间隔层和过程层之问通讯的服务映射，规定了 建立在与i e c 6 0 0 4 4 8 相一致的单向多路点对点连接的映射，还规定了模拟量采样值传输的 抽象服务映射，用于变电站内电子电流式互感器e c t ( e l e c 昀n i cc u 盯e n tt r a l l s d u c e r ) 和电 子式电压互感器e v t ( e 1 e 咖n i c v o l t a g et r a n s d u c e r ) 的合并单元与间隔层设备之间的通讯。 l e c 6 1 8 5 0 9 1 中定义的合并单元的输出，不仅包括1 2 路的电压，电流及其品质信息，还 包括反映开关状态输入及品质信息等。通过a c s i 模型，可以把特殊通信服务s c s m ( s p e c i 6 cc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em 印p i n g ) 映射到所采用的具体协议栈【3 9 1 ，当网络技术发 生改变时，a c s i 模型不需要改变，只要求改变s c s m 。 2 3 光电互感器数字输出接口的分析 由于i e c 6 18 5 0 对合并单元的接收数据方式和数据格式未作规定，使得不同的设计者 采用了不同的物理介质和信号接收方式，在l e c 6 1 8 5 0 标准以前光电互感器的数字输出接 口多是沿用i e c 6 0 0 4 4 中规定的标准，i e c 6 0 0 4 4 做为i e c 6 1 8 5 0 的前身，规定了从合并单 元输出到二次设备的两种数字方式：一为数字电输出，二为数字光输出。 1 2 浙江理_ t 大学硕上学位论文 数字电输出以铜线为物理层传输介质，屏蔽双绞线电缆，连接口使用d 型9 帧连接器， 传输长度约为2 5 0 m ，与r s 4 8 5 标准相兼容；数字光输出在链路层和应用层与数字电输出 完全相同，不同在于将数字输出按一定要求进行了对应的电光转换，物理层采用塑料光纤 或玻璃光纤。校准中还规定了这两种数字输出都采用曼彻斯特编码。对应两种不同的数字 输出方式，i e c 6 0 0 4 4 对二次设备接收方性能提出了要求：数字电输出的接收方要求输入阻 抗不小于1 2 k ，在幅值不超过2 0 0 m v 的干扰下应能正确接收信息；数字光输出的接收方光 驱动器和光接收器要求幅值从l o 转到9 0 的时间应小于2 0 i l s ，脉冲特性要求超调量应低 于光脉冲额定输出3 0 。 i e c 6 0 0 4 4 中规定了数据传输的数据链路层帧格式采用f t 3 格式，帧长度为5 6 字节， 服务为只发送，不要求应答，可连续不断的向接收方发送采样数据，不需要接收方发送任 何的应答信号。为保证传输数字的可靠性，校准规定两帧之间空闲位使用曼彻斯特编码传 输二进制1 ，每帧的前两个字节代表起始字符，1 6 个字节的数据后加根两个字节的校验码， 如数据码不足出现空位，采用填充字节o 补充，接收端负责检验起始字符，校验码，帧长 度。链路层的帧格式具体见表2 1 表2 2 和表2 3 ： 表2 1f t 3 帧格式 表2 2 数据集帧格式 表2 3 状态字格式 1 3 浙江理工大学硕上学位论文 本课题中间隔层一次设备为上海顺宇海逸公司研发的光电式电子互感器，以该互感器 的数字输出方式为来设计与之相兼容的合并单元，为此需对互感器的数字输出接口进行必 要分析。 上海顺宇海逸公司设计的光电互感器采用光纤传输系统，传输光纤采用8 5 0 i n 多模光 纤，光纤物理接头方式采用s t 接头，互感器数据在保证可靠接收的前提下，传输距离小 于l k m 。 数据传输格式为u a l 玎通信方式，采用典型的1 0 位，第l 位传输一位起始位0 ，后连 续8 位为数据位，最后一位为停止位l ，传输速率要求为2 m b i t s 。两帧之间应传输空闲位。 空闲位是二进制“1 ”，光纤内“o ”亮，“1 ”灭。 链接层帧格式：起始符( 2 字节) + 通道个数n ( 1 字节) + 数据( 通道个数n 2 字节) 1 4 浙江理t 大学硕十学位论文 + 状态( 2 字节) + 采样序号( 2 字节) + c r c 帧校验( 1 字节) 。合计8 + 2 n 字节，n 最多设 置为8 路，n 为预先配置值，运行中保持常量。传输双字节数据时，先传输高字节，每个 字节先传输低位。 起始符：通过双方约定，固定设置为0 5 6 4 h 。 数据：最前2 字节为第一通道数据；依次对应；最后2 字节为连接的最后一通道数据。 状态：长度两字节，包括设备的维修状况，数据的有效性，同步状况和运行状况等， 见表2 4 。 表2 4 状态字格式 浙江理工人学硕士学位论文 数据的帧校验：采用简单c r c 校验的方法。其中所用的c