（通信与信息系统专业论文）基于iec61850标准数字变电站ied的研发与实现.pdf

。 t 譬 l 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i e c 6 1 8 5 0 标准数字变电站i e d 的研发与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：塑亟逍日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 墨! 蔓望氢 导师签名： 日期： 盹孑珏 rt ， 一 华，j 匕电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 i e c 6 1 8 5 0 是国际标准组织发布的最新的变电站自动化系统标准，旨在统一目 前各成一体的变电站自动化通信系统，提高系统的维护性、开放性和扩展性，促进 电力系统网络化、信息化的发展。本文对i e c 6 1 8 5 0 系列标准进行了深入的分析和 研究，介绍了i e c 6 1 8 5 0 标准的主要内容、主要技术特点，变电站配置描述语言 ( s c l ) 等内容，并提出对标准的理解。分析o p n e t 网络仿真软件的特点及应用， 对过程总线和变电站总线进行仿真。分析网络带宽、网络负载、交换速率、采样频 率、c p u 利用率等因素和延迟的关系，并根据实验结果对硬件系统进行设计。 关键字：i e c 6 1 8 5 0 ，s e l ，o p n e t ，保护 a b s t r a c t i e c 618 5 0i st h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o nr e l e a s e dt h el a t e s t s t a n d a r d sf o rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，a i m e da th a r m o n i z a t i o no fc u r r e n ti n t oo n e o ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o no fv a r i o u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i m p r o v e s y s t e m m a i n t a i n a b i l i t y , o p e n n e s sa n ds c a l a b i l i t y , t h ep r o m o t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m n e t w o r k ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , i e c 618 5 0s e r i e so f s t a n d a r d si n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，i n t r o d u c e dt h em a i nc o n t e n t so ft h ei e c 618 5 0 s t a n d a r d ，t h em a i nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ( s c l ) a n do t h e r c o n t e n t ，a n d t o p r o p o s et h es t a n d a r du n d e r s t a n d i n g o p n e tn e t w o r k s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no ft h ep r o c e s sb u s a n ds u b s t a t i o nb u ss i m u l a t i o n a n a l y s i so fn e t w o r kb a n d w i d t h ，n e t w o r kl o a d ，e x c h a n g e r a t e ，t h es a m p l i n gf r e q u e n c y , c p uu t i l i z a t i o na n do t h e rf a c t o r sa n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nd e l a ya n d ，b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n f e n gm i n g j u a n ( e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f q iy u l i n k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ， s c l ，o p n e t ，p r o t e c t i o n j 华北电力人学硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题背景及其意义2 1 3 国内外i e c 6 1 8 5 0 标准研究及其应用现状4 1 4 本论文所做的主要工作5 第二章 le c 6 18 5 0 标准介绍7 2 1 引言7 2 2ie c 6 18 5 0 起源和发展7 2 3ie c 6 18 5 0 标准主要内容8 2 4ie c 6 18 5 0 标准理解1 l 2 4 1 变电站功能服务标准1 1 2 4 2 变电站信息化标准l l 2 4 3 变电站通信网络与系统标准。1 2 2 5 ie c 6 18 5 0 主要技术特征1 2 2 5 1 功能分层的结构一13 2 5 2 面向对象的信息建模。1 4 2 5 3 数据对象统一建模1 6 2 6ie c 6 18 5 0 标准的通信分析1 7 2 6 1 抽象通信服务接n ( a c s i ) 1 7 2 6 2 特殊通信服务映射( s c s m ) 1 8 2 7i e c 6 1 8 5 0 报文类型及性能要求1 9 2 8 变电站配置描述语言1 9 2 8 1 变电站语言介绍1 9 2 8 2s c l 对象模型1 9 2 8 3 变电站s c l 描述2 0 2 9 本章小结2 2 第三章o p n e t 仿真建模2 3 3 1o p n e t 网络仿真介绍2 3 3 1 1o p n e t 网络软件及其特点2 3 华北电力人学硕十学位论文目录 3 1 2o p n e t 网络仿真流程2 3 3 2 网络仿真建模过程2 3 3 2 1 数据分析2 3 3 2 2 建模2 4 3 3 网络延时分析一2 5 第四章仿真结果及总结2 6 4 1 过程层间隔层仿真2 6 4 1 1 过程总线仿真模型2 6 4 1 2 过程总线仿真结论2 6 4 2 变电站总线仿真2 8 4 2 1 变电站总线模型建模2 9 ， 4 2 2 节点配置介绍2 9 4 2 3 仿真结果2 9 4 3 本章小结31 第五章硬件设计3 2 5 1 引言3 2 5 2 硬件系统3 2 5 2 1m p c 8 8 5 微处理器介绍3 2 5 2 2 实时性内核要求3 4 5 2 3 编程方法简介3 5 5 3 双嵌入式以太网3 6 5 4 本章小结3 6 第六章结论3 7 参考文献3 8 致谢4 1 在校期间发表的学术论文和参加科研情况4 2 、 2 华北电力人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 所谓数字化变电站就是使变电站的所有信息采集、传输、处理、输出过程由过 去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统。作为一 门新兴技术，数字化变电站从提出开始就受到了极大的关注，目前已成为我国电力 系统研究的热点之一。随着相关软硬件技术的不断发展和成熟，数字化变电站将成 为变电站技术的发展方向。 由于缺乏统一和先进的通信标准，以及受高压电器设备非数字化的制约，现有 变电站自动化技术已不能完全满足现代电网发展的要求。在各种新技术的推动下， 利用通信网络实现全站信息数字化传输的数字化变电站试点应用被提上了议事日 程。 近年来，随着计算机技术和通信技术的飞速发展以及电力企业对提高工作效 率、降低运营成本的重视，变电站自动化系统也有比较快的发展。在这一发展过程 中，由于缺乏统一的电力系统标准，不同厂家生产的设备采用不同类型的通信规 约或者同一类型规约的不同版本，造成设备之间进行互操作之前需要花费相当的代 价进行规约转换，阻碍了变电站自动化系统的进一步发展。在这样的背景下，以实 现不同厂家的智能电子设备( 1 e d ) 之间的互操作性为目标的i e c6 1 8 5 0 标准应运而 生。 i e c 6 1 8 5 0 是国际标准组织发布的最新的变电站自动化系统标准，只在统一目前 各成一体的变电站自动化通信系统，提高系统的维护性、开放性和扩展性，促进电 力系统网络化、信息化的发展。 i e c 6 1 8 5 0 标准具有完全面向对象、抽象通信服务接口( a c s i ) 、配置语言、电力 系统统一建模、面向实时的服务等特点。其中，对整个电力系统统一建模，保证了 符合标准的不同厂家的l e d 工作于同一语义空间下；定义了统一的变电站配置描述 语言( s c l ) ，使得l e d 能够进行自我描述，而且这个描述信息是可以被系统和其它 l e d 提取和解析的。这两点保证了符合i e c 6 1 8 5 0 标准的不同厂家的l e d 之间的互 操作。因此对i e c 6 1 8 5 0 标准的模型和建模方式进行研究有重大的意义。 i e c 6 1 8 5 0 是迄今为止最为完善的关于变电站自动化系统的通信标准。它适应了 变电站应用功能的分布式实现和组合应用，真正意义上支持了变电站自动化相关设 备的互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。与一般通信规约不同，i e c 6 1 8 5 0 的通信机制与基于 华北电力人学硕十学位论文 面向对象方法建立起来的结构化模型密切相关。严格来讲，i e c 6 1 8 5 0 不单纯是传统 意义上的通信协议。 i e c 6 1 8 5 0 标准提供了兼容的逻辑节点类及数据类( i e c 6 1 8 5 0 7 4 ) 和共用数 据类( i e c 6 1 8 5 卜7 3 ) ，但其中包含大量可选数据对象和数据属性，同时标准也允 许按规则扩展逻辑节点、数据和共用数据类。i e d 通信配置描述语言s c l 也允许使 用私有部分( p r i v a t ep a n s ) 。因此，模型和基于模型的系统组态对于完成由多个厂商 智能电子设备( i e d ) 组成的变电站自动化系统来说是至关重要的。 互操作性是以信息共享为基础的，开放式的平台需要一个标准化的、先进的通 信网络作支持。在i e c 6 1 8 5 0 标准发布之前，还没有统一的国际标准来规范变电站 自动化系统内设备间的全部通信行为，造成多种通信协议并存的现象。多种协议的 采用使得不同制造商的设备之间交换信息必须通过协议转换装置，这样增加了系统 通信的成本，影响了系统的实时性能。专用设备和专用规约的使用，也降低了用户 选择系统解决方案的灵活性，不利于系统的升级和扩展。 i e c 6 1 8 5 0 的主要目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备( 1 e d ) 实现互操 作和信息共享，取消多种协议转换环节和转换设备，使系统调试更加便捷，节省调 试时间，实现大同世界的目的。 互操作性是指来自同一厂家或不同厂家的i e d 之间交换信息和正确使用信息协 调操作的能力。它体现了完善的互操作性支持和对通信技术发展的适应性，体现了 无缝通信的特性。标准从系统项目管理、功能要求、装置模型、通信配置语言、通 信结构、通信服务映射等方面对整个变电站综合自动化系统的通信进行了规范，使 二次设备的结构以特定功能为主向更高的灵活性变化，逻辑节点间按照特定的规则 进行数据交换并完成各自的功能，从而增强了设备的互操作性【l 】。 二次设备一般以面向过程的开发思路，完成特定的功能为目的，按照软硬件满 足功能需要的方式进行开发设计，目前绝大多数装置没有遵循i e c 6 1 8 5 0 标准的要 求，对过程层智能设备缺乏支持，实现互操作性困难，该标准是目前电力系统变电 站综合自动化系统的最新标准，而且近些年来还在不断更新中，成为变电站综合自 动化系统的唯一国际标准。 1 2 课题背景及其意义 1 9 9 4 年国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e c t c 5 7 ) 以公共通信体系u c a 2 0 的 数据模型和服务为基础，建立了世界范围的统一标准i e c 6 1 8 5 0 。在我国采用该 标准将大大提高变电站自动化系统技术水平、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、使实现互操作性成为可能1 2 】- 【6 1 。该标准规范 2 华北电力人学硕十学位论文 了变电站通信网络和系统，以此来实现变电站系统中来自不同厂家设备的互操作。 他明确提出了系统配置管理、信息分层、面向对象、映射的方法和数据对象统一建 模的方法，实现网络传输无缝通信系统的要求。 作为基于通用网络通信平台的变电站自动化通信标准，i e c 6 1 8 5 0 系列标准具有 如下特点：分层的智能电子设备和变电站自动化系统；根据电力系统生产过程的特 点制定了满足实时信息和其它信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、 特定通信服务映射以适应网络技术迅猛发展的要求；采用对象建模技术，面向设备 建模和自我描述以适应应用的需要和发展，满足应用开放互操作性要求；快速传输 变化值；采用配置语言，配备配置具，在信息源定义数据和数据属性；定义和传输 源数据，扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等。并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。 i e c 6 1 8 5 0 变电站在逻辑上分为三层，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义 了层与层之间的通信接i ：1 。i e c 6 1 8 5 0 将逻辑节点( l n ，l o g i c a ln o d e ) 、逻辑设备( l d ， l o 西c a ld e v i c e ) 及设备( d e v i c e ) n 分开来，将所有变电站已知功能进行标识并设定许 多逻辑节点，每个层有特定的设备，逻辑设备中包含逻辑节点，逻辑节点中包含逻 辑属性。 过程层的典型设备有数据合并单元，电压电流互感器等，主要完成开关量和模 拟量的采集以及控制命令的发送等一次设备完成的功能。变电站各个层次之间的联 系都将建立在串行通信的基础上，过程层与间隔层之间基于交换式以太网的串行通 信方式，也成为过程总线通信，间隔层与变电站层之间串行通信方式称为变电站总 线通信。 间隔层主要指二次设备，包括保护控制设备，主要汇总过程层采集的数据采集 信息和对一次设备的保护和控制，闭锁功能等，上承变电站层，下启过程层，同时 完成与过程层及变电站层的网络通信功能。 现有的大多数变电站自动化系统中，变电站是两层设计，与数字变电站相比， 没有独立的过程层。而是过程层大多数功能在间隔层设备内完成，过程层到间隔层 通常采用大量的电缆进行连接。过程层的出现，对电子式电流电压互感器、智能化 断路器( i s g ) 、组合开关等设备的应用和二次接线的简化起到很大的推动作用。 作为间隔层的重要组成部分，i e c 6 18 5 0 标准是一个对功能做出了规定的协议。 变电站系统中保护设备需要处理的数据量较传统设备有大幅度提高；通信方式由传 统的电缆通信变为串行光纤网络通信；在此标准下，变电站内数据量和程序更加庞 大和复杂。 华北电力人学硕十学位论文 1 3 国内外i e c 6 18 5 0 标准研究及其应用现状 国外针对i e c 6 1 8 5 0 标准的应用和研究开始较早，相应的示范工程在制定 i e c 6 1 8 5 0 的过程中就开始实施。美国、德国、荷兰等国都有示范工程，用以验证标 准，通过实践来促进标准的进一步完善。 此外，国外厂商也在开发符合i e c 6 1 8 5 0 要求的智能电子设备，不但有保护装 置，还有符合该标准的过程层设备，如智能断路器，带数字接口的光c t 、光p t 等。 从标准制订初期，就有数家大公司开始进行设备互操作试验，到目前为止已进行了 数次试验。 从1 9 9 4 年开始，i e c t c 5 7 委员会提出了制定变电站自动化系统通信标准的建 议，在广泛听取和采纳各国家委员会提出的制定关于功能体系、通信结构和一般要 求的标准、制定关于在单元( 间隔) 层和变电站层之内和之间的通信标准、制定关于 过程层和单元( 间隔) 层之内和之间的通信标准、制定关于继电保护信息接1 ：3 配套标 准的建议，制定了继电保护设备信息接口配套标准i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ( d l t 6 6 7 ) 。委 员会以公共通信体系u c a 2 0 的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结果纳入 i e c 标准，建立了世界范围的统一标准i e c 6 1 8 5 0 。 从1 9 9 8 年到2 0 0 0 年，在德国，a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 合作进行了o c i s ( o p e n c o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n s ) 计划，完成了间隔层设备和主控站之间的互操作 试验。试验中由a b b 完成主控站通过在以太网上实现i e c 6 1 8 5 0 8 1 来连接a b b 、 a l s t o m 和s i e m e n s 的设备。 i e c 6 1 8 5 0 标准是从2 0 0 2 年1 月才陆续发布的，不过a b b 和s i e m e n s 等公司 在此之前就进行了一系列成功的互操作实验，并推出了符合此标准的产品。针对基 于i e c 6 1 8 5 0 的过程总线通信，比较典型的互操作实验有三个。a b b ，s i e m e n s 和 o m e c r o n 在美国u c a 用户协会进行的跳闸命令的网络传输测试实验，并于当年 5 月在加拿大u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议上进行展示。实验结果证明了通用对象的变电站 事件( g o o s e ，g e n e r i co b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o ne v e n t ) 适合在网络上传输断路器跳 闸命令，并验证了使用变电站配置语言( s c l ， s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ) 配置来自不同厂商设备的g o o s e 的能力。此次演示活动被认为是1 e c 6 1 8 5 0 成为全 球标准过程中的一个重要里程碑。 2 0 0 2 年1 月在美国进行，由a b b 和s i e m e n s 参加采样值的网络传输测试。 此次演示前，这两个公司在2 0 0 0 年c i g r e 会议上就宣布共同支持i e c 6 1 8 5 0 9 ，并 于2 0 0 1 年1 1 月在k e m a 通过了一致性测试。实验结果证明：按照i e c 6 1 8 5 0 9 1 以点对多点连接到电子式电流电压互感器的方式是可行的，这种方式将被a b b 和 4 华北电力人学硕十学何论文 s i e m e n s 所支持；支持i e c 6 1 8 5 09 1 的应用连接到以太网交换机上是实现过程总 线解决方案的第一步。 2 0 0 2 年9 月，a b b ，s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议进行 采样值和跳闸命令经同一网络传输测试。该实验验证了采样值和跳闸命令经同一网 络传输的可行性。 2 0 0 2 年至u 2 0 0 4 年之间，在德国柏林，a b b 、a l s t o m 和s i e m e n s 进行了间隔层设备 的互操作试验，这次成功的试验证明了互操作性和简化工程难度的可行性【2 】。 在i e c 6 1 8 5 0 标准正式发布后，国外就有完全符合i e c 6 1 8 5 0 标准的设备出现， 国外无论在i e c 6 1 8 5 0 标准的研究和应用上都已非常成熟，产品也逐渐走向多样化。 就目前状况而言，国外无论是标准的研究还是标准的实际应用均远远领先于国内行 业界。 概括的说i e c 6 1 8 5 0 的应用价值己在国内取得普遍共识，无论是设备厂商、电 力科研单位还是相关高校都投入了相当的人力和物力对其进行积极研究。但由于 i e c 6 1 8 5 0 体系较为复杂、涉及面较广，受到技术、工具和测试手段等的限制，国内 对标准的研究和应用水平整体上与国外有一定差距。多数文献仍停留在对标准的认 识和理解层面上，能够直接指导工程实践的不多，具有深入研究的意义。 1 4 本论文所做的主要工作 本文通过对i e c 6 1 8 5 0 的深入研究，提出自己对该标准的理解。数字化变电站 就是在总结了现代化变电站的基础上，以i e c 6 1 8 5 0 标准为设计原则，采用了最近 的计算机通信技术，以达到设备问的互操作，信息共享及信息标准化和功能可扩展 等这样一个系统。 i e c 6 1 8 5 0 为数字化变电站提供了比较完整的通信解决方案它为从过程层与间 隔层，间隔层与变电站层，间隔层与间隔层之间整个的通讯方式做了较完整的规定。 它详细定义了曾与层间通信服务( 数据访问方法) 和模型( 数据内容) ，为数字化 变电站提供了完整的网络通讯解决方案。 基于i e c 6 1 8 5 0 标准下变电站是三层结构，比现在的变电站多了一层，即过程 层，即我们一般所说的诸如p t 、c t 、开关刀闸等一次设备，但与一次设备又有所 不同。i e c 6 1 8 5 0 要求所有一次设备都是智能化的。如p t ，c t 以前要通过r c 缆线 电流电压线接到间隔层的保护或测量装置上，而现在要求它不是通过电缆线，而是 通过通信线路。本身p t 、c t 具有采集电流电压的功能，也就是说把所有败绩功能 放在过程层里，信息采集完成后通过通信线路，一般指光线以太网传至间隔层，另 外，对开关刀闸的操作机构也是智能的，采集到的信息业是通过光纤传到间隔层设 5 华北电力人学硕十学位论文 备。 i e c 6 18 5 0 标准对全站通信采用以太网，不管是过程层与间隔层，间隔层与变电 站层，间隔层之间的通信，均是以太网方式。本论文首先进行网络仿真，根据仿真 结果设计保护设备的通信系统，具体工作如下： 1 深入研究i e c 6 1 8 5 0 标准及相关知识，为后期工作做准备。 2 使用o p n e t 网络仿真软件，分析不同采样速率下和不同网络带宽下数据流 的延时和网络负载，为继电保护设备选取合适的以太网接口，确定c p u 主频等参数。 3 设计满足i e c 6 1 8 5 0 标准的硬件通信开发。 6 华北电力人学硕十学何论文 2 1 引言 第二章 ie c 6 18 5 0 标准介绍 数字变电站技术通过功能组合和优化设计，将变电站内原来分离的保护、控制、 测量和监视等二次设备集成为少量的多功能l e d ，同时通过通信网络实现l e d 之间 的信息交互构成完整的s a s ( 数字变电站系统l 不仅简化了系统结构，提高了系 统的可靠性，而且大大减少了信号电缆的使用，提高了系统的经济性，长期运行经 验表明，s a s 为保障电网安全经济运行发挥了积极作用。因此s a s 一直是电力行 业的热点，国内外各电气设备制造厂商都相继推出了多种s a s 产品。 产品的多样性给用户带来更多选择的同时，也带来不同厂商之间互操作的问 题，所谓互操作( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 是指同一厂商或者不同厂商的多个i e d 之间具有 交换信息并使用这些信息进行正确协同操作的能力。i e d 之间的互操作不仅可以实 现复杂的集成应用和协同操作的功能，而且能够最大限度的保护用户原有软硬件投 资。但长期以来，由于通信介质和协议的差异导致不同厂商l e d 之间无法直接实现 互操作，往往只有通过规约转化器或规约转换软件才能实现的信息交互，这在很大 程度上消弱了s a s 应用的优点。 为了解决上述问题，i e c 6 1 8 5 0 标准应运而生，它为不同厂商i e d 之间的互操 作和不同系统之间的无缝集成提供一个统一的实现途径。与以往的变电站通信标准 不同，i e c 6 1 8 5 0 并没有停留在通信协议的层次上，而是对整个s a s 做出了全面的 规范。同时，i e c 6 1 8 5 0 并没有给出交互信息的报文组织规范，而采取通过规范变电 站的信息语义和自动化功能服务区实现互操作的方法。 i e c 6 1 8 5 0 的这些特点让我们不能再简单的将其视为传统意义上的通信协议，更 应该是理解为包括规约但又大于规约的套技术体系。 i e c 6 1 8 5 0 本身庞大而复杂以致难以理解，并且它对s a s 的设计规划和自动化 设备的软硬件水平也提出了较高要求，标准的全面实现具有相当的技术难度。因此， i e c 6 1 8 5 0 带来了一系列需要深入研究的问题。 2 2 le c 6 18 5 0 起源和发展 为适应变电站自动化技术的迅速发展，有必要制定一个更通用、全面的，能够 覆盖整个变电站通信网络和系统的标准。1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技术委员会 ( i e ct c 5 7 ) 成立了3 个工作组( w g i o 1 1 1 2 ) ，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。工作组 成员分别来自欧洲、北美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、电厂、操作运 7 华北电力人j ! ；乏硕十学位论文 行及电力企业的技术背景，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。 3 个工作组有明确的分工，第1 0 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体 功能要求；第1 1 工作组负责站级数据通信总线的定义；第1 2 工作组负责过程级数 据通信协议的定义。 i e c 以公共通信体系u c a 2 0 的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结果纳 入i e c 标准，建立世界范围的统一标准i e c 6 1 8 5 0 。除了u c a 2 0 以外，w g l 0 1 1 1 2 ， 3 个工作组参考和吸收了已有的许多相关标准。其中主要有：i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动 通信协议标准；i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 5 继电保护信息接口标准；i s o i e c 9 5 0 6 制造商信息 规范m m s ( m a n u f a c m r em e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。 1 9 9 9 年3 月，提出了委员会草案版本。而后，相继提出委员会投票草案c d v 版本( c o m m i t t e ed r a f tf o rv o t i n g ) 、国际标准最终草案f d i s 版本( f i n a ld r a f t i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) ，并定于从2 0 0 4 年开始陆续推出i e c 6 1 8 5 0 国际标准正式版。 2 3i e c 6 1 8 5 0 标准主要内容 i e c 6 18 5 0 包含了变电站自动化系统从性能要求、工程管理到数据建模和网络通 信的一系列内容。i e c 6 1 8 5 0 标准文档主要包含十部分内容，其中第七部分基本 通信结构的原理和模型是变电站邹东华系统上层应用和下层实现的借口部分，是此 标准的核心部分。 i e c 6 1 8 5 0 标准时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，是 我国制定电力行业相关标准的基础。i e c 6 1 8 5 0 标准时电力系统从调度中心到变电 站、变电站内、变电站见、配电自动化等的无缝通信体系标准的基础，还有望成为 通用网络通信平台的工业控制通信标准。 i e c 6 1 8 5 0 标准各组成部分具体内容如下【1 9 】- 【2 6 】： l 介绍和概述 介绍i e c 6 1 8 5 0 标准的制定目的、历史沿革，并对其它标准的核心内容作了一 个提炼并加以介绍，对以后的标准中涉及的核心概念作了初步的阐述。 2 术语 给出了整个i e c 6 1 8 5 0 系列标准所涉及的术语解释、缩写名词定义、规范性引 用文件。 3 总体要求 从质量要求、环境条件、供电条件三个方面对数字化变电站系统的性能进行了 规范。质量要求包括可靠性、系统可用性、可维护性、安全性、数据完整性；环境 华北电力人学硕十学位论文 条件包括对温度、湿度、大气压、振动、污染、腐蚀、电磁干扰的耐受能力；供电 条件包括对供电电源的电压、频率范围以及瞬时失电的耐受能力。 4 系统和项目管理 描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所用的专用工具调度 要求。主要包括：工程要求( 参数分类、工程工具、文件) ；系统寿命周期( 产品版本、 停产、停产后的支持) ；质量保证( 责任、测试设备、型式试验、系统测试、工厂验 收、现场验收) 。 5 功能的通信要求和设备模型 详细阐述了功能、逻辑节点和通信信息片三个概念以及三者的相互关系，对不 同等级的变电站内的不同种类的通信报文的通信时间提出了要求，以及如何验证整 个系统的通信性能要求。 6 变电站自动化系统配置描述语言 该标准描述了基于x m l l 0 的变电站自动化系统配置( s c l ) 语言的语法，并 在附录中提供了模式文档定义( s c h e m a ) 文件的文本，并给出了一个不完整的变 电站的s c l 文件的实例。 7 1 原理和模型 分别从应用、设备、通信的观点为对象建模，模型分别是逻辑节点及数据、逻 辑设备物理设备、客户服务器，另外简要介绍了6 1 8 5 0 7 2 ，3 ，- 4 的内容及相互 关系。 7 2 变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口 主要从三个方面进行描述了抽象通信服务接口：抽象通信服务接口、抽象通信 服务的规范、设备数据库结构的模型。 7 3 变电站和馈线设备的基本通信结构公用数据类 定义了和变电站应用有关的公共属性和公共数据类，这些公共数据类用于 6 1 8 5 0 7 4 部分。 7 4 变电站和馈线设备的基本通信结构兼容的逻辑节点类和数据类 规定了l e d 之间通信用的兼容逻辑节点名称和可能包含的所有数据名称。所定 义的名称用于建立分层对象引用，供l e d 内部以及l e d 之间通信使用。 8 1 特定通信服务映射( s c s m ) 一一在i s 0 8 8 0 2 3 上映射到m m s 该标准将a c s i 映射到m m s ，形成了基于8 0 2 3 ，传输层至少支持t c p i p 的应 用层协议，该协议适用于变电站层和间隔层设备，或间隔层设备问，或变电站层设 9 华北电力人学硕十学位论文 备间的通讯。 9 1 特定通信服务映射( s c s m 卜串行单方向多点共线点对点链接 该标准将6 1 8 5 0 7 中有关采样测量值传输的部分映射过来，形成了基于8 0 2 3 ， l l c 采用无应答无连接，不使用网络层、传输层、会话层及表示层的应用层协议， 该协议适用于间隔层设备和过程层设备问的通信 9 2 特定通信服务映射过程总线 定义了在局域网过程总线上完成s c s m 中采样值传输的方法，定义了局域网过 程总线电子式电流互感器、电子式电压互感器、合并单元、保护装置、间隔控制器 及间隔测量装置之间的采样值传输方法。 1 0 一致性测试 一致性测试是对通信以及因为通信组成了系统的i e d 的型式试验，为各厂家的 装置实现互操作做好测试基础。对采用i e c 6 1 8 5 0 协议的变电站二次装置或变电层 设备进行通讯规约的测试分析，包括正向、反向测试，最终给出一致性评估报告。 概括来说，从技术层面上，i e c 6 1 8 5 0 大致给出了5 类规范，即通信服务、通信 语义、通信实现、配置描述语言和一致性测试规范。 1 通信服务规范。i e c6 1 8 5 0 5 对s a s 的自动化功能做出了基本通信要求；i e c 6 1 8 5 0 7 2 定义了规范各种功能服务的抽象通信服务接口( a c s i ) ，作为设备之间信 息交互方式与过程的约定。 2 通信语义规范。i e c6 1 8 5 0 7 3 定义了具备s a s s c a d a 基本语义的公共数 据类( c d c ) ；i e c6 1 8 5 0 7 1 4 定义了表征基本自动化功能的逻辑节点( l n ) 及兼 容节点类( c p d c ，即逻辑阶段在不同功能对象中的继承) ，由c d c 细化来的兼容 数据类在c p l n c 实例中生成的数据对象( d o ) 和数据属性( d a ) ，构成了设备之 间交互信息的语义约定。 3 通信实现规范。i e c6 1 8 5 0 8 x 9 x 定义了a c s i 向具体的通信网络及协议映 射的方法，即特殊通信服务映射( s c s m ) 。其中i e c6 1 8 5 0 8 1 定义了向m m s 的映 射，i e c6 1 8 5 0 9 1 定义了向串行单向多路点对点传输网络的映射，i e c6 1 8 5 0 9 2 定义了向基于i e c8 8 0 2 3 的过程总线的映射。 4 配置描述语言规范。i e c6 1 8 5 0 6 定义了描述s a s 和设备配置、功能信息及 相对关系的变电站配置描述语言( s c l ) 。 5 一致性测试规范。为验证系统和设备的一致性，i e c6 1 8 5 0 1 0 作出了系统和 设备一致性测试的方法、等级、环境和设备要求等规定。 如前面所说，i e c6 1 8 5 0 不仅仅是通信协议，更应是理解为包括规约但又大于 l n 华北电力人学硕十学何论文 规约的一套技术体系。 2 4ie c 6 18 5 0 标准理解 2 4 1 变电站功能服务标准 i e c 6 1 8 5 0 的主要目标是实现变电站内i e d 之间的互操作。由于i e d 之间的信 息交互采用通信的方式，制定通信协议，统一报文传输格式似乎是实现互操作最直 接的方法，但实践证明仅仅依靠通信协议这种低层次的语义约定来实现互操作是困 难的，因为不同厂商、类型i e d 的功能结构和运行机制各不相同，如果只是在通信 环节中将信息转变成标准格式，转变后的信息必然是笼统或不完备的，不能准确代 表l e d 的自动化功能，也就无法实现互操作。所以，实现l e d 之间的互操作，需要 对整个s a s 做出系统和全面的规范。 s a s 由各种i e d 组成，它们的外部可视或者可访问行为总显现为一种或者多种 自动化功能，所以抽象的说，s a s 就是各类自动化功能服务的聚合。如果能规范这 些功能服务，就可以建立整个s a s 信息交互的标准，就有可能实现i e d 之间的互操 作。虽然各种i e d 的功能结构和运行机制千差万别，但s a s 的各项功能相对固定， i e d 提供的功能服务都可以准确分类和标识，规范i e d 的自动化功能服务是可行的。 i e c6 1 8 5 0 正式从分类变电站的自动化功能入手，通过约定自动化功能的语义和服 务模型，规范各类自动化功能服务，以达到实现互操作的目标。 i e c6 1 8 5 0 是自动化功能服务的标准，而不是自动化功能的标准，它没有去规 定s a s 自动化功能的内容和性能，s a s 自动化功能的内容和性能由相应的应用标准 规定。 2 4 2 变电站信息化标准 s a s 的功能是自由分布的，也就是说一个i e d 中可能实现几项功能( 例如保护 测控一体化装置) ，也可以只有一项功能( 如线路综差保护) ，也可以一项功能分布 在几个i e d 中，只有借助信息化的手段，才能将这些功能从不同实体中准确分离出 来，继而加以标识并规范。i e c6 1 8 5 0 完整知道了变电站信息化的过程，首先，总 结s a s 的基本功能并进行标准化描述，将它们作为基本信息元素；其次，归纳s a s 必需的通信服务，建立通信服务模型，将它们作为信息交互方式的模板；再次，将 l e d 外部可视的自动化功能分解成基本信息元素，并结合通信服务模型构成信息模 型。 信息模型是i e d 可视功能的虚拟镜像，i e d 的功能输出和对i e d 的访问都转移 到信息模型；借助通信映射，变电站内的信息交互直接在虚拟的信息模型之间进行， 华北电力人学硕十学位论文 如图2 1 所示。 信息模型 虚拟镜像 旧 c 1 a s s1i il _ l 一 实际的功 爿 通信映射 n y 。 。、j 旷 能服务 i 卜 c l a s s 2 l a s c i - 入c i 豁s3 | 功能的分解与抽象 图2 1 i e d 信息化过程 2 4 3 变电站通信网络与系统标准 为实现包括互操作在内的各项目标，i e c 6 1 8 5 0 采用了大量抽象化、信息化和逻 辑化的技术手段，而标准目标的最终实现都还要承载在现实的信息交互上。为此， 标准对变电站通信网络与系统做出了现实、全面和详尽的功能规范，包括通信方式 与过程、报文类别及数据传输性能要求等，并且提供了参考方案。这对s a s ，特别 是变电站通信网络、i e d 产品设计，性能指标甚至是使用习惯都起着指导作用。 与以往通信协议不同，i e c