（电力电子与电力传动专业论文）数字保护装置的建模映射与实现.pdf

a b s t r a c t a b s tr a c t 、m t ht h eo f f i c i a lp u b l i c a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r do fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m i e c618 5 0a n dt h eg r a d u a l l ye x t e n d e da p p l i c a t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ， n e wr e q u i r e m e n t sa r er a i s e df o rt h ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e ，w h i c hi si e c618 5 0b a s e dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na b i l i t ym u s tb es u p p o r t e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t a n d a r di e c618 5 0a n dt h e m o d e l i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h ef o u n d a t i o n a lf u n c t i o n so ft h ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e b a s e do nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dt h eu s e rn e e d s ，t h ep o i n t so fi e c618 5 0a r e a n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fi e c618 5 0 ，o b j e c to r i e n t e dm o d e l si ns c lo ft h e b a s i cf u n c t i o n so fd i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c ea r eg i v e n ，i n c l u d i n gd a t am o d e l sa n dr e l a t e d c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sm o d e l s o fc o u r s e ，t h e s em o d e l sa p p l y o n l yt ot h ec o m m u n i c a t i o nv i s i b l e a s p e c t so ft h ed e v i c e d a t as 仃u c t u r e sd e s i g n so ft h ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c ea r ea l s od i s c u s s e d b r i e f l y h a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r eo ft h ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c ei si n t r o d u c e d ，a n da l s ot h e d e v e l o p m e n to fb s pa n dd r i v e r so fv x w o r k sf o ra r m r e a lt i m es o f h a r et a s k sd e s i g nb a s e do n v x w o r k so ft h ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c ei sg i v e n ，m m sp r o t o c o li sr e a l i z e do nv x w o r k sb y m i g r a t i n ga n dr u n n i n gt h ep r o j e c ts c ls e r v e ri nm m s e a s el i t eo nt h eo p e r a t i n gs y s t e m r e a l t i m es o l u t i o nf o rf a s tm e s s a g e so fp r o c e s s l a y e ro fi e c6 18 5 0o nv x w o r k si s d e s i g n e d p r o g r a m m ef r a m e w o r ko fs c ls e r v e ra n dh o wt om a pa c s it om m sb ym o d i f y i n gr e l a t e d f u n c t i o ni n t e r f a c e si si l l u s t r a t e d i e c618 5 0b a s e dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so fd i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c ea r ef m a l l yc o m p l e t e d s u p p o r t st ot h ef u n d a m e n t a lc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so fi e c618 5 0o fd i g i t a lp r o t e c t i o n d e v i c ea r er e a l i z e db u tn o tc o m p l e t e l y r e l a t e dw o r ka n de x p e r i m e n t ss h o u l db ed o n ef u r t h e r k e yw o r d s ：d i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e ；i e c618 5 0 ；s u b s t a t i o na u t o m a t i o t is y s t e m ；i n f o r m a t i o n m o d e l ；m a p p i n g ；v x w o r k s ；m m s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 4 乒日期：沙卜 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从2 0 世纪6 0 年代起步，经历8 0 和9 0 年代的发展应用成熟，再到2 0 0 0 年后高性能的 3 2 位微处理器逐步进入微机保护领域，数字保护装置( d i 罾t a lp r o t e c t i o nd e v i c e ) 历经几代 技术发展和更新，运行稳定，功能完善。但随着数字保护装置的广泛应用也产生了诸多问题， 其中影响较大的问题之一便是装置之间的互联互通和信息交换。为了实现不同厂商的保护装 置或同一厂商的不同装置之间的相互通信相互操作，通常需要增加额外装置实现这些功能， 如代理网关、协议转换器等，这增加了电力公司的投资和维护成本。基于用户需求和商业利 益的考虑，i e c ( 国际电j = 委员会) 提出了i e c6 1 8 5 0 标准以期解决上述问题，同时也带来 了一次变电站自动化系统的变革。 1 2 变电站自动化系统n 0 1 1 轷删 变电站是输配电系统的重要环节。传统变电站二次回路由继电保护、当地监控、远动装 置、故障录波和测距、直流系统与绝缘监视及通信等各类装置组成的。随着电压等级和电网 复杂程度的提高，传统变电站二次系统由于其本身一些固有的缺点，如结构复杂、可靠性不 高；供电质量不高；占地面积人，投资较高；设备可靠性不高，维护t 作鼍较大，管理自动 化水平较低；不适应电力系统实时控制的要求，无法满足降低变电站造价和提高其安全与经 济运行的要求。随着计算机技术、电力电子技术和通信技术的发展，为变电站自动化技术的 进步提供了基础与保证。 变电站自动化( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，s a ) 是将变电站内原本分离的二次设备( 包括 测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能组合和优化设计，集成 为少量的智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ，l e d ) ，并利用先进的计算机、现代电 子、通信和信号处理技术，实现对站内主要设备和输配电线路的自动监视、测晕、自动控制 和继电保护以及与调度通信等综合性的自动化功能。采用了s a 技术的变电站测控和保护系 统称为变电站自动化系统，简称s a s 。 国外从20 世纪7 0 年代末、8 0 年代初开始变电站综合自动化系统的新技术开发和试验 研究t 作。美国两屋电气公司和美国电力科学研究院( e p 砒) 联合研制了s p c s 变电站保护 和控制综合自动化系统；日本关西电力公司与三菱电气公司共同研制了s d s 1 、i i 保护和控 制综合自动化系统8 0 年代初已交付商业应用。目前，瑞士a b b 公司，法国阿尔斯通公司 ( a l s t h o m ) 、德国西f j 子公司( s i e m e n s ) 、美国通用电气公司( g e ) 等国际著名人璎 电气公司均开发和生产变电站臼动化系统，取得了较为成熟的运行经验。 国内对s a 技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末，经历了功能上由监测向测控、布置上由 集中向分布、管理上由有人向无人值守的发展历程。初始阶段主要研制和生产集中式s a s ； 9 0 年代中期开始研制分布式s a s ，如c s c 2 0 0 0 型、d c a p 3 2 0 0 型等；目前，国内较大厂商 已能够提供上比较成熟、先进的s a s 产品，如北京四方的c s c 2 0 0 0 型和国电南自的p s 6 0 0 0 型等。 上述国内外技术上较为先进的系统一般采用分层分布式结构，由变电站层和间隔层组 成，人部分变电站层和间隔层之间采用星型光纤连接，继电保护装置下放到就地，主控制室 与各级电压配电装置之间仅有光纤联系，没有强电控制电缆进入主控制室，这样：i 了约了大量 东南大学硕上学位论文 控制电缆，人大减少对主控制室内计算机系统及其它电子元件器的干扰，提高了运行水平和 安全可靠性。s a s 技术发展2 0 多年来，经历了从“面向功能”的集中式没计到“面向对象” 的分布式设计的转变过程，对变电站进行测控的观念也已经从局部转向整体。 1 3 数字化变电站和ie c6 18 5 0 标准5 “9 1 数字化变电站的概念是随着数字式过程层设备的产生山现的。在实现过程层数字化、信 息共享化的基础上，数字化变电站强调s a s 整体的信息化、统一模型化和站内l e d 之间、 变电站与控制中心之间协同操作、集成应用的能力。 目前，一般认为数字化变电站是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在 i e c 6 1 8 5 0 通信规范基础之上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代 化变电站。数字化变电站一般具有的特征和组成特点如下： ( 1 ) 智能化的一次设备与信息共享 随着电网容量和电压等级以及用户对供电质量和可靠性要求的不断提高，在传感器、电 力电子、信号处理和通信网络等技术日渐成熟的基础上，一次没备智能化成为发展趋势。日 前，电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n t t r a n s f o r m e r , e c t ) 电子式电压互感器( e l e c t r o n i c v o l t a g et r a n s f o r m c r ，e v t ) 、智能断路器( i n t e l l i g e n ts w i t c h g e a r , i s g ) 和集成型智能开关设备 等智能一次没备已广泛应用在新建的数字化变电站中，体现出明显的技术优势。 智能化一次设备一般采用信息就地数字化方式并通过光纤传送，不仅省去了测量、控制 电缆，提高了信号的抗干扰能力，而且促成了一次设备信息的共享，使得各种协同操作和分 布式功能得以实现；唯一的信息源确保了过程层信息的一致性，避免了冈为不同信息源造成 的判断误差；减少了设备之间的功能重叠，过程层和间隔层设备的数目得以精简。但过程层 信息共享形成较大的网络流量，对通信网络的性能提出了较高要求；同时，由丁：智能断路器 也直接连接在网络上，对变电站安全运行和保护系统的相对独立性提出了新的挑战。 ( 2 ) 网络化的二次设备与开放的通信系统 变电站内的二次设备，如继电保护、测量控制、防误闭锁、远动装置、故障录波装置、 电压无功控制装置、同期操作装置以及在线状态检测装置等全部基丁标准化，模块化的微处 理机设计制造，设备之间采用基于高速网络的通信方式进行连接，以取代传统的控制电缆等 硬接线方式。由于一次设备智能化、数字化，常规二次设备的开入开出、模拟量输入等外 部接口均被通信接口所取代，使得_ 二次没备的通信接口大为简化，可靠性人幅提高。网络化 通信也真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。 通信技术是s a 的关键，数字化变电站从站内信息交互到远方控制中心均采用通信方式， 人多数自动化功能的实施都依赖于通信网络，构建高速、可靠和开放的通信网络是建设数字 化变电站的先决条件和关键技术。为实现功能扩展、系统范围的信息集成和控制，通佰网络 需具备良好的扩展性和广域交互的能力，即是一个标准和开放的网络。作为现代通信网络技 术在数字化变电站系统这一特殊场合的应用实例，变电站通信网络受剑了现代网络通信技术 发展的深刻影响，如何将先进的通信网络技术应用到变电站自动化系统始终是变电站自动化 技术的一项重要课题。依据目前的通信网络技术发展情况，数字化变电站通信网络将采用以 太网。以太网，特别是交换式以太网已经在商用领域取得了广泛成功，但在工业过程控制领 域的实践才刚刚开始，为能使以太网更适用丁新型的数字化变电站( 特别是过程层) ，采取 什么样的组网、丁作方式，实时性、可靠性和信息安全措施需要结合数字化变电站的具体情 2 第一章绪论 况开展全面研究。 ( 3 ) 统一化的信息模型、通信协议和互操作 作为信息源，数字化变电站首先应能提供尽量丰富的信息，包括电网运行信息、一二 次设备监测信息、保护动作信息和故障信息等；其次，这些信息不应分属不同的应用系统， 而应建立在统一的变电站乃至电力系统信息模型的基础上，即采取统一的建模方法建立结构 化的模型来描述s a s 的所有信息，只有这样才能实现信息集成应用和易于维护的建设目标， 而这需要能够实现上述要求的通信标准的支持。为了适应变电站自动化系统对统一信息模型 和通信协议的要求，在1 9 9 8 年i e c 、l e e e 、美国电科院达成共识，启动了m c6 1 8 5 0 系列 标准的制订t 作。 互操作是数字化变电站的主要技术目标。作为执行终端，数字化变电站应能实现各种协 同功能，这要求l e d 之间能够互操作，而互操作依赖于对代表特定自动化功能的通信服务 准确无误的界定：数字化变电站自动化系统中的自动化功能是自由分布的，既可以几项功能 驻留丁1 个l e d ，也可以l 项功能分布于几个l e d ，只有借助信息化的方法才能把这些功能 从不同实体中准确的分离出来，继而加以标识并规范。因此，信息化和信息模型化( 即信息 标准化) 是实现互操作的手段。 ( 4 ) 自动化的运行管理 变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化、自动化； 变电站运行发生故障时，能及时提供故障分析报告，指出故障原因及处理意见：系统能自动 发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改为“状态检修”。 ( 5 ) i e c6 1 8 5 0 标准概要 为适应变电站自动化技术的快速发展，满足不同厂商设备集成应用的需要，国际电工委 员会认识到有必要制订一个更通用、更全面，能够涵盖整个变电站通信系统的通信标准。1 9 9 8 年，在与美国电力研究院( e l e c t r i c p o w e r r e s e a r c h i n s t i t u t e ，e p r i ) 、美国电气电子工程师学 会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，l e e e ) 的协调下，c 以u c a2 0 中的 设备模i 犁和应用服务模型为基础，同时参考i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 1 1 0 3 等标准，开始制订l e c6 1 8 5 0 标准：2 0 0 0 年6 月，l e ct c 5 7 在s p a g 会议上决定将l e c6 1 8 5 0 作为变电站通信网络与系 统的唯一国际标准和电力系统无缝通信体系( 变电站内、变电站与控制中心之间) 的基础： 2 0 0 3 年9 月至2 0 0 5 年6 月，i e c6 1 8 5 0 各部分的第一版陆续颁布，标准细节的完善至今仍 在进行中。 i e c6 1 8 5 0 标准借用了现代软件- 工程的思路和方法，系统地分析了现代变电站自动化系 统的技术背景以及通信需求；在此基础上对变电站内的通信网络和系统进行了抽象设计；在 现有通信技术的前提下，规定各种通信服务映射剑了基丁以太网的协议栈；最后给出了协议 一致性测试方法。同时，i e c6 1 8 5 0 也关注了变电站自动化系统项目质量管理以及环境、电 磁兼容性等方面的一般需求。总的来说，i e c6 1 8 5 0 是变电站白动化专业涉及面广泛、设计 较为完备的的最新国际标准。 m c6 1 8 5 0 具有3 项基本目标： 1 ) 真正意义上的互操作。允许同一厂商生产的不同型号的l e d 或不同厂商生产的l e d 进行信息的交换，并且利用这些信息实现设备本身的特定功能。 2 ) 功能自由分布。分配到智能电子设备和控制层的变电站自动化功能并非固定不变， 它与可用性要求、性能要求、价格约束、技术水平、公司策略等密切相关。i e c 6 1 8 5 0 标准 允许变电站自动化系统的功能在不同的设备自由分配。 3 东南大学顾十：学位论文 3 ) 良好的扩展性以适虑变电站自动化和通信技术的发展。i e c6 1 8 5 0 标准应具有面向未 来的特性，能够满足不断发展的通信技术与变电站自动化系统的需求二 为实现上述目标，i e c6 1 8 5 0 体现出相府的技术特征： 1 ) 功能分层的变电站； 2 ) 面向对象的信息模型； 3 ) 功能与通信解耦； 4 1 变电站配置语言； 5 ) 面向对象的数据白描述。 i e c6 1 8 5 0 主要罔绕以下四个方面展开： 1 ) 功能建模。从变电站自动化系统的通信性能要求出发，定义了变电站自动化系统的 功能模型。 2 ) 数据模璎。采用面向对象的建模方法，定义信息交换的抽象语法和语义。 3 ) 通信规约。定义了抽象通信服务接口( a c s i ) 剑具体通信协议栈的映射。 4 ) t 程和一致性测试。定义了基于x m l 的结构化变电站配置描述语言s c l ( s u b s t a t i o n c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，用于描述变电站自动化系统中i e d 和通信系统的配置， 使得通信系统配置数据可在不同厂商的i e d 和系统配置t 具之间相互交换。为验证系统互 操作性，标准规定了变电站自动化系统和设备一致性测试的方法，给出了设置测试的准则和 规定且操作性的等级。 i e c6 1 8 5 0 不应简单理解为通信协议，它没有给出具体的通信报文格式，而是通过分类 和抽象变电站自动化系统中的各类自动化功能，从规范功能服务入手实现目标。同时通过规 范的结构化信息模型使变电站内的通信信息标准化，以实现设备间的互操作。 i e c6 1 8 5 0 的先进性、完备性和开放性解决了s a s 产品协议转换和互操作的问题，促进 了电力系统信息化和数据集成，提高了s a 技术和变电站安全稳定运行的水平，：市约了工程、 现场验收、运行、监视、诊断和维护等的人力物力，必将在较深层次上推动s a s 的变革与 发展。 1 4 国内外研究现状陬4 7 “8 1 国外对i e c6 1 8 5 0 的实践始于标准制订之初。制订i e c6 1 8 5 0 的主要目的是实现互操作。 因此，实践_ 作集中在互操作实验及标准功能的验证上。按照时间可分为2 个阶段：2 0 0 2 年以前为研究探索阶段，主要是对标准草案的正确性、合理性进行验证和测试，并根据实验 结果对标准草案进行修改；2 0 0 2 年以后为上程实践阶段，主要是一些大的电气设备制造厂 商( 如a b b 、s i e m e n s 和a r e v a ) 对i e c6 1 8 5 0 进行上程化尝试和互操作实验，以确保 i e c6 1 8 5 0 在实际应用中的可行性。 变电站开放式通信项目。1 9 9 8 年1 月至2 0 0 0 年1 1 月在德国进行，参与者为a b b 、 s i e m e n s 和a l s t o m 。项目目的主要包括：从可行性、适用性和效率3 个方面对i e c6 1 8 5 0 和u c a 2 0 进彳j 测试和比较，测试i e c6 1 8 5 0 虑片j 与通信协议栈的独立性，测试互操作性。 间隔层设备之间的互操作。2 0 0 1 年，a b b 和s i e m e n s 的保护装置、a b b 的开关模 拟器之间通过g o o s e 报文实现了开入信息的识别、跳闸和重合闸功能，同时验证了使用 s c l 配置来自不同厂商设备的g o o s e 的能力。 采样值传输。2 0 0 2 年1 月，s i e m e n s 的合并单元按照i e c6 1 8 5 0 9 1 格式向a b b 和 s i e m e n s 的保护装置等传输采样值，演示了合并单元、保护装置和电能表之间的互操作， 验证了按照i e c6 1 8 5 0 - 9 1 以点对点方式传输采样值的可行性。 过程层通信。2 0 0 2 年9 月，a b b 和s i e m e n s 的保护装置、a b b 的合并单元、开关 4 第一章绪论 模拟器之间通过过程网络传输采样值和g o o s e 报文实现了从采样值报文判断短路电流、到 跳闸、变位事件和重合闸的完整过程。 2 0 0 2 年以后，在考虑：【：程应用的情况下，对各厂家的i e c6 1 8 5 0 系统进行验证，包 括模型、工程配置上具以及l e d 通信水平等与实际t 程应用密切相关的互操作性，最后实 现了几个大公司i e c6 1 8 5 0 系统之间的互操作，参与试验的几个公司的基t - i e c6 1 8 5 0 的系 统也达到了可以实际应用的水平。 国内研究现状： 目前为止，在国家电网调度中心的组织下，国内在北京共进行了6 次互操作实验 a o l ，为 国内开发i e c6 1 8 5 0 变电站自动化系统打下了良好的基础，对于国内电力自动化主要生产厂 家开展l e c6 1 8 5 0 研究和提高相关产品、系统开发水平起到了巨大的推动作用。 这6 次互操作试验为国内外主要厂家和检测单位提供了一个相互交流、学习的平台， 实现了在i e c6 1 8 5 0 大规模推j “之前尽早发现问题、解决问题、加快研发进程的目标。经过 这6 次试验的锻炼，国内主要厂商对i e c6 1 8 5 0 标准的研究和开发取得重犬进展，国内各厂 家所开发生产的设备已实现了i e c6 1 8 5 0 标准中规定的基本模型、服务和功能，顺利完成了 与国内外主要厂家设备的互联互通，这表明国内大多数厂家与国外厂家已处于同一研究水 平，为国内企业研发、生产具有自主知识产权的产品和系统奠定了基础。 总的来说，i e c6 1 8 5 0 的应用价值已在国内取得普遍共识，无论是自动化设备厂商、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。国内人多数参加试 验的厂家的研究水平已基本与国外厂家相当，并已具备向实际工程应用提供整套系统的能 力，为i e c6 1 8 5 0 在国内应用奠定了坚实基础。 1 5 本课题的研究内容 数字保护装置是数字化变电站内的主要二次设备之一。本文将基于i e c6 1 8 5 0 标准，以 面向对象的方法提出保护装置的信息模型和设计方案，并在基于a r m 和v x w o r k s 的数字 保护平台上实现整个软件系统。主要研究内容包括： ( 1 ) 从工程和用户需求角度出发，深入分析总结i e c6 1 8 5 0 标准的特点，加强对标准的 理解； ( 2 ) 研究i e c6 1 8 5 0 的信息模型，运用面向对象的建模方法，以s c l 语言为工具，建立 数字保护装置的数据与服务模型； ( 3 ) v x w o r k s 操作系统在基于a r m 的数字保护装置上的移植以及m m s e a s el i t e 在 v x w 研l 【s 上的移植与实现； ( 4 ) 基于v x w o r k s 的数字保护装置的软件设计； ( 5 ) 数字保护装置模型的映射，包括g o o s e s m v 在v x w o r k si - 的处理和a c s i 到m m s 的映射以及数据的关联方法。 5 第_ 二章i e c6 18 5 0 技术特征分析 第二章ie c6 18 5 0 技术特征分析 i e c6 1 8 5 0 国际标准是世界上迄今为止最为完善的关于变电站自动化系统的通信标准， 它基于美国的u c a 2 0 标准，在此基础上又有所发展。序论中简要介绍了i e c6 1 8 5 0 标准， 然而该标准分为1 4 个部分，文本超过1 0 0 0 页，体系十分复杂。本章将进一步对i e c6 1 8 5 0 的要点进行分析，以期使标准的脉络清晰早现，便于理解与应用。 2 1 标准制订的背景与出发点 2 1 1 工程背景 i e c6 1 8 5 0 标准制订之前，世界上已经有数千个变电站自动化系统投入运行。随着计算 机、通信、自动化技术在电力生产运营中应用，电力运营商( 电力公司) 获得了现实的好处。 但是相对开放的变电站自动化市场存在多家公司多种技术的竞争，世界各地的电力公司很快 发现这些来自不同厂商的技术很难兼容。不同厂商乃至同一厂商的不同设备间的互联互通问 题导致运营单位在设备采购时受到很多限制，甚至选择一些性价比较低的漫备，同时也给变 电站以后的改扩建造成很多困难。同时，多种变电站自动化技术并存也给运行维护人员带来 了许多困难，往往需要耗费较长的学习培训时间，技术的迅速更新使得学习和培训成本提高。 为了解决变电站自动化技术不统一的问题，适应电力系统的发展，i e c 第5 7 技术委员 会( i e ct c 5 7 ) 制订了远动设备及系统信息传输标准一一i e c6 0 8 7 0 5 ，其借鉴了i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r f a c e ，开放 式系统互联) 模型，将传输信息映射到o s i 模型的应用层和数据链路层。为满足不同应用 领域的需要，i e ct c 5 7 第3 工作组在i e c6 0 8 7 0 5 的基础上制订了一系列的配套标准，如 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 用于常规远动，i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 ( 简称1 0 3 协议) 用丁继电保护信息传输， m c6 0 8 7 0 5 1 0 4 则是i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 与t c p i p 网络协议的结合【6 蛐7 | 。 基于传统远动串行通信技术的1 0 3 协议将设备的互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 作为预期 目标 6 6 j 。为此，协议规范了信息语义和部分保护功能；此外，还通过“通用分类服务”提 供了信息扩展功能。然而由于网络通信技术的飞速发展，在使用中很快发现了它的诸多不足， 甚至有人认为该标准从一出现在技术上就已经过时，落后于当时国际上若干厂商的j 啊至化水 平【70 l 。另外，1 0 3 协议主要考虑了继电保护没备的通信需求，在变电站自动化系统的中还有 其它许多设备需要通信接口，为了实现功能，那些采用1 0 3 协议实现变电站自动化系统的厂 商往往进行了各自的私有扩充，而这些私有扩充加上协议本身的缺陷最终导致不同厂商间设 备很难直接接口。由于信息语义未采用结构化的描述方法，信息语义的理解不确定并依赖于 上下文，因此，1 0 3 协议在r ：程实践中不仅没有达剑预期的互换性，甚至采用同一协议的不 同厂商设备之间仍需要通过人量的约定和调试才能实现信息的互通。 然而1 0 3 协议的出现还是给不同厂家的继电保护设备相互接口提供了参考依据，在工程 中可以通过规约转换实现装置间的互联，给用户带来了实际利益。i e c6 1 8 5 0 总结了1 0 3 协 议的得失，放弃了具体的报文格式约定，通过建立结构化信息模型为通信信息提供完整和唯 一的语义，并严格定义了信息的扩展方法，避免了信息语义的不确定性，为真正实现i e d 之间的互操作奠定了基础【4 8 1 。 2 1 2 出发点 6 第二章i e c6 1 8 5 0 技术特征分析 基于i e c6 1 8 5 0 标准制订的工程背景，以用户需求为出发点，各方共同协商、协调，使 得i e c6 1 8 5 0 成功制订完成。事实上，任何一项技术的提出和应用都必须以市场需求为导向， 否则即使提出也不具备发展潜力和价值。 以用户需求为出发点，i e c 6 1 8 5 0 把降低变电站自动化系统的总体成本作为考虑目标。 推行i e c6 1 8 5 0 必然需要投入先期的软硬件开发费用，从短期米看，设备成本上升。然而， 从设备的整个生命周期来看，由于使用同一种技术，省去了协议转换、通信管理等过程，设 备集成难度大大下降，工程调试时间和成本显著降低；技术统一使得运行维护简单、降低了 人员培训成本，变电站改扩建成本也将降低。现阶段，由于使用规约转换实现异种信息模犁 的互联，引入了转换过程中产生信息损失的可能，而且规约转换必然带来延时也令用户难以 接受。使用i e c6 1 8 5 0 后，整个系统基于统一的信息模型，遵循该标准的设备将很容易进行 信息的共享。当i e c6 1 8 5 0 标准应用逐步稳定成熟并为大多数厂商和用户接受，那么不同厂 家的设备将很容易集成，相关人员只需要学习同一种技术，工程调试时间大大缩短。技术优 势转换为现实利益，先期投入也就完全值得了。 2 2i e c6 1 8 5 0 标准技术特征 2 2 1 功能分层的变电站n 1 2 町 变电站自动化系统( s a s ) 的功能指必须在变电站执行的任务。这些功能完成变电站设 备及其馈线的监视、控制和保护。另外，还包括一些变电站自动化系统维护功能，如系统配 置、通信管理或软件管理等功能。 与传统变电站的两层( 变电站层与间隔层) 不同，i e c6 1 8 5 0 根据变电站自动化系统的 功能，从逻辑上将s a s 系统分配在三个不同的层面上，即变电站层、间隔层和过程层。各层 及相互之间的逻辑接口图2 1 所示。 变电站层 间隔层 过程层 图2 - 1 变电站自动化系统功能分层和逻辑接口 各接口含义如下： 接口1 ：间隔层和变电站层之间保护数据交换； 接口2 ：间隔层与远方保护之间保护数据交换； 接口3 ：间隔层内数据交换； 接口4 ：过程层和间隔层之问电压互感器p t 和电流互感器c t 瞬时数据交换； 接口5 ：过程层和间隔层之间控制数据交换； 7 东南大学硕十学位论文 接口6 ：间隔和变电站层之间控制数据交换； 接口7 ；变电站层与远方j r 程师办公地数据交换； 接口8 ：间隔之间盲接数据交换，尤其是象联锁这样快速功能； 接口9 ：变电站层内数据交换： 接口1 0 ：变电站( 装置) 和远方控制中心之间控制数据交换。 其中，接口2 中的远方保护与接口1 0 中远方控制中心不在i e c6 1 8 5 0 的讨论范围之内。 过程层实现与一次设备接口相关功能，包括开入开出量采集、模拟苗采集等。i e c6 1 8 5 0 要求过程层的智能开关( i s g ) 通过通信网络( 如光纤) 将开关位置信息传送至间隔层保护 测控装置并接收间隔层装置下发的控制命令；电子式电流电压互感器( e c l 讵v t ) 将一次 侧电流电压模拟量采样值转换为数字信号并通过通信网络传送至间隔层。 间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护设备、间 隔单元控制设备和监视没备等就属于这一层。 间隔层与过程层之间通过逻辑接口4 、5 通信，分别完成2 层之间的采样数据和测控数 据的交换；间隔层内部通过逻辑接口3 完成数据交换。 变电站层的功能分为两类：一是与过程相关的功能，主要指利用多个间隔或全站的信息 对多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制，如母线保护或全站范嗣的联闭锁等，这些功 能通过逻辑接口8 完成通信；二是与接口相关的功能，主要是指与远方控制中心( n e t w o r k c o n t r o lc e n t e r , n c c ) 、人机界面( h m i ) 以及t 程师站的接口，其中逻辑接口l 、6 完成与 间隔层的保护、测控装置之间的数据交换；接口7 、l o 完成与工程师站、远方控制中心的数 据交换；变电站层内部则通过逻辑接口9 实现数据交换。变电站层的物理设备主要包括带有 数据库的变电站计算机、运行人员的操作平台、远方通信接口等。 i e c6 1 8 5 0 对变电站功能的分层与现有变电站自动化系统的主要区别在丁二：增加了过程 层和独立的逻辑接口4 、5 ，传统间隔层设备的某些功能下放剑过程层设备中实现，如模拟 量、开入开出餐的采集。随着基于i e c6 1 8 5 0 的全数字化变电站的不断新建，e c t e v t 、 i s g 广泛应用，真正数字化的过程层将成为必然的趋势。由此可见，i e c6 1 8 5 0 制订的过程 中充分考虑了一二次设备现有的先进技术和未米的发展趋势，指引了变电站自动化技术的发 展方向；标准的制订和应用又促成了新技术的成熟和推广。 2 2 2 面向对象的信息模型叭j 3 伽 i e c6 1 8 5 0 采用了面相对象的建模技术以描述数据模型和相应的服务模型。在这个建模 技术中，描述了类、类的特征以及类相应的服务( 方法) 。定义类的目的在于帮助理解i e c 6 1 8 5 0 的服务过程及其效果。 i e c6 1 8 5 0 提出智能电子设备( i e d ) 之间采用客户端朋艮务器( c l i e n t s e r v e r , c s ) 的通 信方式( 通用面相对象的变电站事件和采样值传输除外) ，保护、测控装置等l e d 一般作为 服务器端，故i e c6 1 8 5 0 主要将i e d 的服务器功能作为建模对象。 i e c6 1 8 5 0 的建模方法：糈应用功能分解至最小实体，称之为逻辑结点，它们是通信的 最小单位；逻辑结点包含了带有专用数据属性的数据，因此定义典犁的数据对象和数据属性 作为结构化的语义模型；由若干逻辑结点组合成具有特定功能实体称为逻辑没各；若干逻辑 设备组成服务器，进一步成为l e d 。各个层次对象以及它们提供的方法( 操作) 最终形成了 具有一致性和确定性的信息模型。建模过程中使用了面向对象的技术，各个层次的对象均可 称之为类，其不仅包含了成员数据，同时也具备操作数据的方法。此外，通过继承、派生、 重载等方法可生成新的类，类实例化后便是通信服务的对象。 i e c6 1 8 5 0 的信息模型中包含几个层次： 8 第二章i e c6 18 5 0 技术特征分析 1 ) 服务器，包括所有从通信网络可视和可访问的数据服务，提供设备的外部可视行为。 服务器实现逻辑节点和数据的封装并提供接口供外界访问。 一 2 ) 逻辑设备，包含1 组特定应用功能的产生和使用信息的虚拟设备，逻辑设备由逻辑 节点和附加的功能服务组合而成。 3 ) 逻辑节点，通信中交换数据的最小功能单元，代表逻辑设备的一项基本应用功能， 可以与其它逻辑节点( 同一逻辑设备内的或不同逻辑设备内的) 进行信息交互，执行特定的 操作，逻辑节点由数据对象、数据属性、数据集合以及相应的功能服务组合而成。 4 ) 数据对象，代表逻辑节点信息的某个特定部分，可以认为一个数据对象就是一个数 据类的实例。 5 ) 数据属性，数据对象的属性，数据模型中信息真正的承载者。 从模型构成语义可以看出，信息模型不是数据集合，而是数据与功能服务的聚合，是一 个面向对象的模型，模型中的数据和功能服务相互对应，数据的交换必须通过对应的功能服 务来实现。数据与功能服务的紧密结合使模犁具备了良好的稳定性、可重构性和易维护性。 i e c6 1 8 5 0 采用统一建模语言( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 描述信息模型。信 息模型层次化的结构，如图2 2 所示。 m o d e p o s 图2 - 2 信息模型的层次结构 图2 3 信息模型实例 图2 3 给出了一个简单信息模型的实例，从图中可以看出该服务器包含一个逻辑设备 l d ；逻辑设备下包含了三个逻辑结点，分别为l p h d ，l l n 0 ，c s w i ：c s w i 展开后可以看 到它的数据对象；数据对象m o d e ，p o s 等还可以进一步展开看到它们的数据属性。通过树 型图可以完整的展示i e c6 1 8 5 0 的信息模型。 i e c6 1 8 5 0 的第7 1 到7 - 4 部分分别给出了变电站没备的数据模型、通信服务模型、通 用数据类( c o m m o nd a t ac l a s s c d c ) 以及兼容逻辑结点类( c o m p a t i b l el o g i cn o d ec l a s s ) 的定义。通过这些模型工具可以将需要我们实现的功能进行分解、建模，最终实现相应的通 信功能。 需要指出的是，i e c6 1 8 5 0 要求对变电站以及其内部的各种一二次设备进行功能的分解 和面向对象的建模的意图在于实现不同设备间的信息交换，最终实现设备间的且操作。对装 置功能的建模仪具有通信层面的含义，即规范装置对外可见的信息和行为，并小要求装置实 现其它功能时采刚统一的模型或实现某种标准化l 。 2 2 3 功能自由分布帆弧删 功能自由分布是i e c6 1 8 5 0 追求的主要目标之一。设备互操作的目的就是为了协作完成 特定功能，如果不存在功能分布的要求，即单独的设备即可完成用户的所有需求，那么通信 将不再需要。 功能自由分布具有两层含义：一方面，逻辑节点和物理设备之间可以自由组合，即一个 9 东南大学硕上学位论文 物理设备可以有选择性的包含一个或多个逻辑：节点，也可以包含或者不包含某个逻辑结点， 这赋予了厂家在生产设备时充分的灵活性；另一方面，i e c6 1 8 5 0 没有规范特定的功能如何+ 实现，但为这些功能提供了可能的通信接口，这便把功能相关的 ：作留给到系统集成时来具 体完成。 图2 _ 4 给出了一个功能自由分别的示例。 问隔1 裂警雹控主机脚 交换机 翟远享 间隔2 图2 - 4 功能分布示例 从一次接线图中可以看到，间隔l 和间隔2 使用两种不同的综合自动化技术方案实现了 完全相同的功能。间隔l 中，使用三台物理装置实现了本间隔保护、监控的所有功能，其中： 监控装置中实现了开入、开出和模拟量采集等功能，使用了直接与一次设备相关的逻辑结点 x s w i 和x c b r ；保护装置中实现了保护功能( p 1 o c ) 和电流互感器功能( t c t r ) ；变压 器分接头控制装置将分接头设备( y u c ) 和控制( a t c c ) 聚合在一起。而间隔2 中，与一 次设备直接相关的逻辑结点( x s w i ，x c b r , t c t r 和y l t c ) 分别单独驻留在一个物理装置 中，测控、保护相关逻辑结点也单独成为一个物理设备，过程层设备与间隔层设备通过交换 机相连。 通过上面的例子可以很好的理解i e c6 1 8 5 0 支持的功能自由分布，即厂家或用户可以将 作为基本功能单位的逻辑结点根据实际需