（电力系统及其自动化专业论文）利用电力系统宽带网建立故障信息系统.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章 引言 选题的背景和意义 近年来，我国经济发展迅猛，电力供应缺口 加大，电网规模也急剧扩大。作为 电网安全稳定运行的卫士，各类微机保护装置、自 动装置、故障录波器以及综合自 动化系统被普遍采用。但由于电力系统的运行方式日 趋复杂，保护设备数量和类型 都大大增加，对继电 保护及各类自 动装置的要求更高、反应更快、管理更复杂，要 在更高的水平上满足速动性、灵敏性 、选择性、可靠性的 “ 四性”要求，以及无人 值班和减人增效的要求，从技术上、管理上都急需建立集继 电保护、自动装置、故 障录波器的信息采集、计算、维护、管理于一体的继电保护与故障信息管理系统。 国家电力公司电网二次系统 “ 十五” 规划也明确提出，要提高电网安全运行的 调度系统信息化、智能化水平，在电网 发生故障时能为调度提供实时故障信息，以 提高调度的 自动化水平。继电保护与故障信息管理系统就是其中的重要内容之一。 目前， 建立继电保护故障信息系统的时机已经成熟， 主要体现在以下几个方面。 ( 1 )新建和改造的保护设备儿乎全部微机化、通信智能化，无论是中低压站、 高压超高 、 站还是发电厂，无论是进口 设备还是国产设备，均采用微机型保护设备 或综合自动化系统，具有强大的通信功能和多种通信规约，为p f 工 m s 系统提供了基 础信息采集及传输的条件 。 ( 2 ) ti c a d a / e m s / d m s 系统的大量普及以 及实用化的经验， 为建立故障信息系统 尤其是主站端提供了充分 的技术支撑。 ( 3 )电力企业管理水平与人员素质的提高，对建立故障信息系统提 出了迫切 需求。 ( 4 )基础通信设施的完善提高，为故障信息系统提供了高速、可靠、便捷的 通信手段。随着微机型继电 保护在电网中的普遍使用，在电力系统发生故障时保护 和故障录波器具备了以数据通信方式向电网调度 中心传输信息的能力。 本课题源于兰州供电公司电网运行实时决策系统的实际工程项 目。根据兰州电 网的通信 系统的运行现状、继 电保护装置的运行现状以及变电站综合 自动化 的现 状，提出为兰州电网建立电网故障信息系统。 建立 电力系统故障信系统必将为电网调度提供更加丰富的电网信息，也必将使 继电保护装置的管理发生革命性 的变化，继 电保护智能化、网络化管理，又必将使 当前继电保护的检修方式由故障检修转变为状态检修，极大地提高继电 保护工作的 生产 效率 。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 故障信息系统 的现状 近少 匕 年，变电站综合自 动化迅速发展，利用电力通信网， 站内 远动信息能够实 时上传到调度端，极大的推进了电网 调度自 动化的发展。然而，由 于受到通信协议 和通道带宽的限制，综合自 动化装置只能上传一些电网静态时的信息量。但是，在 实际工作中，当电网发生故障时，调度员最关心的是电网故障处的 暂态信息。由于 电网故障时，需要上传给调度端的信息量较大，由 于受到通道带宽的限制，长期以 来，电网的故障信息一直不能及 时上传给调度端，如故障录波的一些重要的图表文 件不能上 传，只能通过人工到现场去抄读数据信息。故障信息系统一直处于研究阶 段。 目前，我国变电站自 动化系统得到了 相当大程度的发展， 变电 站与调度主站之 间通过专用远动通道通信，通信规约采用的是国际电工委员会 ( i e c )于 1 9 9 5 年发 布的 工 e c 6 0 8 7 0 - 5 -1 0 1 标准。但是，欧美一些国家调度主站与变电站 r t u的通信 已逐步采用以太数据网。为此，国际电工委员会 ( 工 e c ) 第 5 7 技术委员会 ( 丁 c 5 7 ) 的第 3 - l _ 作组 ( w g 0 3 )于 1 9 9 8年 8月制定了 i e c 6 0 8 7 0 -5 -1 0 4标准 ( c d v ) a 2 0 0 0 年意大利i一 !-1 家电力公司 ( e n e l )新建的能量管理系统 ( e m s ) 与 3 个区调和 2 4 5 个 变电站之间就是通过 工 e c 6 0 8 7 0 -5 -1 0 4 标准在专用以太数据网上进行通信的。 随着我国电力系统宽带通信网的建成，一直制约故障信息传输的 通道问题基本 解决， 那么如何利用电力系统宽带通信网， 把变电站内的故障信息上传给调度端， 将是今后 一 段时间内，变电站综合自 动化所要研究的课题。 目前一 些高等院校以及生产厂家都在着手研究故障信息系统。 在湖南省电网 公司、吉林省电网公司、华北电网有限公司以及国家电网公司等电网公司都在试运 行一些厂家提供的故障信 息系统 。在华北 电网中，部分 5 0万站安装、试运行了由 北京四方继保自 动化有限公司、南京南瑞继保电 气有限公司、武汉中元华电科技有 限公司等生产厂家的故障信息系统。各家设备都有其出色的一面，但由于在一个变 电站内，各种保护装置的生产厂家不只一家。在建立故障信息系统时，普遍存在着 故障信息系统和继电保护装置之间的通信和规约转换的问题。和变 电站 自动化系统 的网络标准化的要求相比， 数据传输规约统一标准化的要求更为迫切。 目前，各种在广域网上传输的规约发展很快，如 i e c 6 1 8 5 0和 i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4 规约都被不同的厂家所认可。这些规约基本都是基于 t c p / i p协议的传输协议 。 i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4规约是在 6 0 8 7 0 - 5 协议系列基础上发展起来的，该规约与 6 0 8 7 0 - 5 系列的协议有较好的兼容性，实现起来比较简单。实用性较强，所以，有不少厂家 在着手研究采用 1 0 4规约开发继电保护故障信息系统。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 3 本课题完成的主要任务 近几年来，随着电力系统宽带通信网的发展， 利用宽带通信网将变电 站内的大 量信息传送到调度端已经成为可能。继电保护装置在电力系统安全稳定的运行中起 着非常关键的作用。随着微机保护的普及和宽带通信网的发展，对各种保护装置的 运行情况进行监控， 远程访问保护装置所记录的各种故障信息，以及录波装置记录 的故障信息成为实际生产中所面临的急需解决的问题。 本课题主要是在建立兰州电网的故障信息系统工程中，结合电力系统宽带通信 网和继电保护装置的运行现状，提出建立故障信息系统的可行性解决方案，重点研 究故障信r= i、 系统在电力系统广域网的基础上的组网方案和基于 t c p / i p协议的数据 传输协议， 在确保数据准确性的基础上，运用 d l 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4 规约，把变电站内的 故障信 息上传给调度端的可行性方案。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 第二章 宽带通信网 2 . 1 s d h 光同步传输系统原理 光纤通信作为宽带通信主要指的是光纤通信的宽带传输能力。它又分为 p d h和 s d h 两种通信技术。 p d h 是准同步数字通信系统，这种通信技术在 8 0 年代时得到了 一定的应用，但没过多久，这种技术就被 s d h技术所代替。s d h是同步数字传输系 统，是在p d h 的 基础上逐步发展起来的。目前，电力系统的光纤通信主要指的就是 s d h光纤通信系统。s d h 光纤通信网具有很强的组 网能力，它能够组成链形、星形 、 树形、环形、网孔形等各种网络拓扑结构。尤其是 s d h光纤通信所特有的自愈网的 功能，自愈功能使光纤通信网具备较强的网络生存性。由于兰州电力通信 网主要由 s d h光纤通信网组成，要建立故障信息系统，必须对光纤通信网有一个比较深入的 了解 。 2 . 1 . 1 s d h 帧结构 图 2 . 1 表示基本速率为 1 5 5 . 5 2 0 m b / s 的基本 s d h 帧结构。从图 2 . 1 可以 看 出，最低级的 s d h帧是 s t m - 1 ，它由 9 行 2 7 0列构成，共 2 4 3 0 b 。传输该帧的周期 是 1 2 5 u s ,所以速率是 1 5 5 . 5 2 0 m b / s 。 它被分为不同的 部分来完成各自 特定的 功能:传输 j 销 ( t o f i ) 、段 开销 ( s o h ) 、线路开销 ( l o h ) 、通道开销 ( p o h ) . s t s 同步净荷 ( s p e )及净荷包封。 ( 1 )传输) 几 销 图2 . 1 中s t m 的头 3 列是传输开销 ( t o m，它是留给传送信息用的。 ( 2 ) 段i f 几 销 段升销包含只有段单元 ( 如中继续器 )才需要的信息。段开销可以提供的功能 有 s t m - 1定位检测、 段运行监视和故障隔离、 用于 o a m 的数据通信通路及用于维护 人员话音通信的通路。 ( 3 )线路 ) 阵肖 线路 1 1 销包括线路终端站需要的信息。它可提供的功能包括: s t m 净荷指针、线 路性能监t a . 和信 号 姓 能枕测、自动保护倒换 ( a p s )信令通路 ( 双向) 、用于告警采 集、 远端监规和其他 o a m p 的数据通路及用于维护人员 话音通信的通路。 ( 4 )通i i 川 二 梢 通道斤销是安排给净荷并与其一起传送直到净荷解v用。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 1 2 5 u s 帧 传输开销 图2 . 1 s t m- 1帧结构 冲裕r . . 列 争 i 1 - -j j , 是 引汹帧内分配 以来传送 s t h 1 s i l l . 的j带宽 ， 2 . 1 . 2 s d h 的基本复用原理 在 s d i i i i i 采用了 净负荷指针技术。它通过指针指示净负荷在 s t m - n帧内第一个 字节的位 片，因而净负荷在 s t m - n 帧 内是浮动的。对于净负荷的不大的频率变化， 只需要增加或减小指针值即可。这种方法可以避免滑动及其带来的数据丢失，阅读 一下指针即可知道同步净负荷的相位。 s d i 的具体复用过程， 是由一些基本单元组 成若干中间复用步骤进行的。 一般复 用结构如图 2 . 2 一一一. s 7- 1 -4 7 - 卜 . a l-q 0 才 粉 针 处理 复1 1j 定 位 校 准 吵毖鹉 翌巨 半 黔甘 一回 匹1. y (- 困 呼 诬 14 0 m h 八 a 4 / : s 4 n b / s z m h / s i . .5 m h / s 图2 .2 s d h复用过程 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 首先，各种速率等级的数字流先进入相应的不同接口 容器 c 。这些容器是一种 信息结构，主要完成适配功能 ( 如速率调整) ，让那些最常使用的准同步数字体系 信号进入有限数目的标准容器。目 前， 针对常用的准同 步数字体系信号速率， g . 7 0 7 规定了 5种标准容器 :c - 1 1 , c - 1 2 , c - 2 , c - 3和 c - 4 。其标准输入比特 率如图 2 . 2 所示。山标准容器出来的数字流加上通道开销后就构成了 所谓的虚容器 ( v c ) ，这 是s d h 中最重要的一种信息结构，主要支持通道层连接。 除了在v c 的组合点和分解点外， v c 在 s d h 网中 传输时总是保持完整不变的， 因 而，可以作为一个独立的实体在通道中任一点取出或插入， 进行同步复用和交叉连 接处理， 一 分方便和灵活。 由v c 出来的数字流再按图中规定路线进入管理单元 ( a u ) 或支路单元 ( t u ) a a u是种为高阶通道层和复用段层提供适配功能的信息结构，它由高阶 v c和 a u p t r 组成。一个或多个在 s t m - n 帧内占有固定位置的 a u 组成管理单元组 a u g 。它 由 若干a u - 3 或单个a u - 4 按字节间 插方式组成。 同理， t u 是一种为低阶通道层与高 阶通道层提供适配功能的信息结构，它由低阶v c 和t u p t r 组成。一个或多个再高 阶 v c 净负荷中占有固定位置的t u 组成支路单元组t u g . 在 a l 和 t u中要进行速率调整，因而低一级数字流在高一级数字流中的起始点 是浮动。为了准确地确定起始点的 位置，设置 a u p t r 和 t u p t r分别对高阶 v c 在 相应 a u 帧内的位置以 及 v c - 1 , 2 , 3 在相应 t u 帧内的 位置进行灵活动态的定位。最 后，在n个a u g 的基础上再附 加段开销 ( s o h )便形成了最终的s t m - n 帧结构。 2 . 1 . 3 s d h的自愈方式 网络采用s d h 技术最主要原因是可以 提高 服务可用性和增加网络的灵活性。提 高网络可川性可采用保护或恢复两种方式，s d h 传送网提供了一整套保护与恢复策 略。目 前的s d h 网络主要采用保护方式来提高网络的生存型。 s d h 保护分为子网连接保护 ( s n c p ) 和路径保护，路径保护包括线路系统的复 用段保护、环网的复用段保护、环网的通道保护。 目 前生产厂商采用的主要保护方法是线性复用段保护 1 + 1 、复用段共享保护环 ( m s - s p r i n g )、子网连接保护方法。 ( i ) 线9 t 复用段保护 线性k 用 段保 护是一 种 专用 或共 用的 保护 机制。 它对复 用康 层 提供保 护， 适用 于点到点的物理网络。 一个复用段保护用于保护一定数量 ( n )的工作复用段，但 不能对节点故障提供保护，它可工作于单端或双端方式， 此外复用段保护在备用状 态时还可用来开通无需保护的 额外业务。 ( 2 )复用段共享保护环 华北电力大学 c 北京)硕十学位论文 复用段共享保护环的工作通道传送业务，其保护通道则留作业务信号的保护之 用， 复用段共享保护环需要使用a p s 协议， 其保护倒换时间为 5 0 m s ，分为二纤双向 复用段共享保护环和四纤双向复用段共享保护环两种保护方式。 复用段共享保护环的主要优点是: 在业务量呈均匀分布的情况下有些容量可重 复利用，这种情况下，同 样的保护容量适用于不同的故障情况，故复用段共享保护 环保护方式能提供高容量使用效率。 ( 3 )通道保护环 通道保护环的业务保护是以通道为基础的，是否进行保护倒换要根据出、入环 的个别通道信 号质量的优劣来决定。通道保护环一般采用 1 + 1 保护方式，即工作通 道与保护通道在发送端永久性地桥接在一起，接收端则从中 选取质量好的信号作为 工作信号。在进行通道保护倒换时只需在接收端把开关从工作通道倒换到保护通道 上，所以不需要使用 a p s倒换协议，其保护倒换时ia 小于 5 0 m s 。常用的通道保护环 有二纤单向通道保护坏和二纤双向 通道保护环两种。这种保护方式是电力系统光纤 通信网常川的一种保护方式。 ( 4 )户网连接保护 子网连接保护是指对某一子网连接预先安排专用的保护路由， 这样一旦子网发 生故障，冬 少 月 保护路由便取代子网担当在整个网络中的传送任务。子网连接保护包 括利用固丫 i 的子网 连接保护( s n c 八) 和利用非介入式监测的子网连接保护( s n c / n ) a 固有监测足指利用网络的固有可用信息如连接状态、性能数据等， 来间接地检测连 接情况， 能防止服务层故障。 非介入式监测是指利用对原来特征信息的只听监测( 非 介入)来直接地监测连接情况，能防止连接性故障。 子网连接保护在网络中的配置保护连接方面具有很大的灵活性，特别适用于不 断变化、对未来传输需求不能预测的、根据需要就可以灵活增加连接 的网络，故而 它能够应川 厂 干线网、中继网、接入网等网络， 以及树形、环形、网状的各种网络 拓扑， 其保护结构为 1 + 1 方式， 即每一个工作连接都有一 个相应备用连接保护可任意 置于v c 1 2 , v c 2 , v c 3 , v c 4 各通道，同样，运营者也能决定那些连接需要保护，那 些连接不需要保护。当同时在复用段实行保护时，传输信号将有可能被双重保护。 2 . 2 a t m传输原理 a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 顾名思义就是异步传输模式，采用快速 分组地交换方式，实现数据的快速交换与传输。该技术被推荐为宽带综合业务数据 网b 一 工 s d n 的信息传输模式。 a t m 是一种传输模式， 在这一模式中， 信息被组织成信 元， 因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现， 这种传输模式是异步的。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 a 丁 m信元结构 a t m 信元是固定长度的分组，共有 5 3 个字节， 分为2 个部分。如图2 . 4 前面 5 个字节为信头，主要完成寻址的功能;后面的 4 8个字节为信息段，用来装载来 自 不同用户，不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割， 封装成统格式的信元在网中传递 ，并在接受端恢复成所需格式。 gf cvp i vpi v ci v ci vc ip tclp h e c l vp i vp i vci vci vcip tcl p he c a t m信) g g f c :一般流量控制 p t :净荷类 刑 u nj 信头结构 v p i :虚通道标识 c l p :信元丢弃优先级 n ni 信头结构 v c i : h e c : 虚通路标识 信头校验 图2 .4 a t m信元格式 2 . 2 . 2 a 丁 m分层结构 a t m协议结构基于国际电联的标准产生。如图 适配层 ( a a i ) 、a t m层和物理层 。 a t m端系统 所示，它分为三层，即 a t m a丁 m 端 系统 at m 适 配层 at m 交换 at m 层al ，m 层 物 理层物 理层 a t m 适配层 a t m 层 物理层 物理媒体 图2 .5 a t m协议结构 a t m层主要执行交换、路由选择和多路复用功能。a t m网实际是在终端用户间 提供端到端 a t m层接续。所 以，a t m 层主要执行网中业务量的交换、路由选择和多 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 路复用功能，它不涉及具体应用。这就使网络处理和高速链路保持同步，从而保证 网络的高速性。a a l主要功能是将业务信息适配到 a t m信息流。应用特定业务在用 户终端用 a t m 适配层提供。 a a l 在用户层和 a t m 层间 提供应用接口，但是它不是网 络a t m 中间交换用户面部分。 现在已经定义了各种 a t m 适配层协议支持不同类型的 业务量。物理层在相邻 a t m 层间传递 a t m 信元。a a l 主要功能是将业务信息适配到 a t m 信息流。 物理层主要是传输信息。 2 . 2 . 3 a 丁 m 业务种类的介绍 我们先来看一下 a t m 简化的协议分层示意图，如图 2 . 7 高层信令a级b级c级d级 a t m适配层信令 a a la a l a a l 3 / 或 a a l 5 a t m层 物理层 图2 . 7 a t m 协议参 考模型 a t m 业务的种类主要取决于a t m 不同的适配层的所具有的 各种业务种类。 a t m 采 用了 a a l i , a a l 2 , a a l 3 / 4 , a a l 5多种适配层 ，以适应 a 级、b 级、c 级、d 级四种 不同的) u p业务，义务描述如下: a 级一c b r ( c o n s t a n t b i t r a t e s e r v i c e ) 固定比 特律业务: a t m 适配层 1 ( a a l i )支持面向连接的业务，其比特率固定，常见业务为 6 4 k b i t / s 话音业务，固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。 b级- v b r ( v a r i a b l e b i t r a t e s e r v i c e ) 可变比特率业务: a t m 适配层 2 ( a a l 2 ) .支持面向连接的业务，其比 特率是可变的。常见业务为压缩 的分组语音通信和压缩的视频传输。该业务具有传递界面延迟特性，其原因是接收 器需要重新组装原来的非压缩话音和视频信息。这个问 题 a a l 2目 前还没有完全解 决 c 级一u b r ( u n s p e c i f i e d b i t r a t e s e r v i c e ) 面对同连接的数据业务: 该业务为曲向 接续的业务适用于文件传递和数据网业务，其间序是在数据被传送以 前建立的。 他是可变比 特率的， 但是没有界面产的延迟。 国际电联开始建议两类a t m 适配层协议支持此业务等级， 后来这两类协议合并为一位， 称为a a l 3 / 4 。 由于 a a l 3 / 4 现 已技术复杂，于是就提 出a a l 5用来支持此业务。 d级一a b r ( a v a i l a b l e b i t r a t e s e r v i c e ) 无接续数据业务: 常见业务为数据包业务和数据网业务。在数据传递前，其接续不会建立。 正是山于a t m采用 了适配层 的技术，a t m能够把各种不同种类的业务接入到同 一个平台进行通信。 9 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 2 . 3 计算机局域网原理 2 . 31 局域 网的组成 简单地说一个局域网络主要包括计算机和网络通信系统两部分。由于计算机的 性能和分丁不同，计算机又分为服务器和工作站两种。服务器是网络上计算机的共 享设备，网络用户都要访问 他。各中计算机，包括大型、小型和微型计算机都可作 为服务器。服务器可以是专用的，也可以是非专用的， 专用的服务器由于 p c处理 机的处理仟务专一，因此比非专用服务器稳定可靠。工作站主要是性能相对较低的 计算机，完成主要的处理任务。网络通信系统主要包括网卡，l a n互联设备如中继 器 、网桥、路由器，网线。 2 . 3 . 2 局域网的拓扑结构 网络拓扑是网络上节点的几何和物理布局。 节点靠电缆段连在一起。 简单地讲， 网络可着成是 一 个许多节点和线路组成的集合体。网络的最后结果布局在很大程度 上取决 f . 包含网络的建筑物。网络拓朴主要包括三种典型的拓扑结构总线拓扑、环 状拓朴、呆状拓扑。 ( l )总线拓扑 总线拓扑结构是最通用的拓朴 ，多用在 e t h e r n e t网络上。把各个计算机和其 他设备均接到一条公用的总线上，各个计算机共用这一总线，而在任何两台计算机 之间不再有其他连接。这就形成了总线的计算机网络结构。 总线 ! 传送的信息，通常 以基带形式串行传送，它 的传送方向总是从发送信息 的起点川如向两端扩散。在同一时刻，只能有一台计算机发送信息，网络上其他 的 计算机接收信息。 总线 网络结构简单、易于安装并且价格低廉、是最常用的局域网络拓扑结构之 总线网 络的主要缺点有:如果总线断开，网络就不可用; 如果发生故障，则需 要检测总线在各个计算机处的连接， 不易管理; 由于总线网络受到信号损耗的影响， 总线的 长度受限制，设备分布的范围不可能很大。 ( 2 )环状拓朴 环状网 络是将各个计算机以公共的缆线连接，缆线的两端连接起来形成一个封 闭的环，数据包在环路王以固定方向流动。 信号沿环路的一个方向 进行传播，通过 环路上的姆 一 台计算机的。每台计算机都接收信号，并且把信号再生放大后再传给 下一台计算机。 将如环路中的某一计算机发生故障， 坏状网络将不能正常地传送信 息，从) ( u 影响到整个 网络。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 在环状网络中，一般通过令牌来传递数据。令牌依次穿过环路上的每一台计算 机，只有获得了令牌的计算机才能发送数据。当一台计算机获得令牌后，就将数据 加入到令牌中， 并继续往前发送。 带有数据的令牌依次穿过环路上的每一台 计算机， 直到令牌 中的 目的地址于某个计算机的地址相符合。收到数据的计算机返回一个消 息，表明数据己被接受，经过验证后，原来的计算机创建一个新令牌，并将起发送 到坏路 : 。令牌传送数据的方法也经常用于星状网 络， 此时各计算机形成一个逻辑 环路。 环状网络中信息流控制的要简单，信息流在环路 中沿固定的方向单向流动的， 两个计算机节点之间既有唯一的通路，故路径选择控制非常简单。 所有的计算机都 有平等的访问机会，用户多时也有较好的性能。 环状网络也有一些缺点，例如环路中一台计算机发生故障会影响到整个网络， 重新配置网络时会干扰正常的工作，不便于扩充。 ( 3 )星状拓扑 这种拓扑结构 由一中心点 ( h u b )和计算机连接成 网。集线器是网络的中央布 线中心， 11 计算机通过集线器与其它计算机通信 ，星状网络又称 为集 中式网络。 集线器是 一 种特殊的中继器，它可 以把多个 网络段连接起来 。如果一台计算机 或 该机与集线器的连线出现问题 ，只影响该计算机的收发数据，网络 的其余部分可 以正常_ l 作;但如果集线器出现故障，则整个网络瘫痪。 星状 网络便于管理、结构简单、 扩展网络容易，如果想增加和去掉某的计算机 ， 不影响网络的其余部分，更改容易，也容易检测和隔离故障。 2 . 4三种通信 网络的性 能比较 ( 1 ) s d h 光纤通信 网 光纤通信具有传输距离远， 带宽比较宽， 速率高、 可靠性高、 实时性好等特点。 s d h通信网组网灵活，它能够组成链形、星形、树形 、环形、网孔形等各种网络拓 扑结构。尤其是s d h 光纤通信所特有的自 愈网的功能，自愈功能使光纤通信网具备 较强的网络生存性。 正是由于光纤通信网的这些优越的性能， 光纤通信网己经成为 建立电 力系统广域网的首选网络平台。 但是，光纤通信网也有其不足之处，就是光 纤通信的通道利用率不高，不能动态的分配通道资源。组建计算机网络还需要配备 额外的计算机网络设备。 ( 2 )a t m通信网 a t m 作为b 一 工 s d n 中的信息传送方式具有明显的优势， 它能够动态的分配带宽， 提供宽带传输，提供窄带和宽带服务，它能把多种不同的服务汇集到一个使用一种 传输和交换模式的网络上， 通过综合化可以 减少设备的成本，降低操作成本、减少 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 维护的成本。a t m通信弥补了帧中继和 s d h光纤通信的不足之处，因此，a t m通信 网是建设故障信息系统的最佳平台。但是，由 于光纤通信技术在电 力系统通信中得 到了广泛的应用，如果仅仅为了实现宽带交换，在现有的 光纤通信网络的基础上， 再花费大量资金组建 a t m 综合业务数字网，势必会造成不必要的重复建设，造成通 信成本过高。 因此， 在一些电网中， 在具备光纤通信网后， 短期内不会考虑建设a t m 交换网。 ( 3 )计算机局域网 计算机局域 网主要是计算机本地网络的组网方式， 只适合于计算机之间的数据 通信，一般来说， 传输距离短，只有几百米的 通信范围，不能用作数据信息远传的 首选网络。但是， 要采用光纤通信网实现计算机数据的远传，就必须借助计算机局 域网，才能组建成计算机广域网。因此组建广域网，必须充分考虑通信网络和计算 机 网络的特 点，刁一 能找到组建广域网的切实可行方案。 2 . 5 电力系统宽带通信网的现状 随肴电力系统的发展，电 力系统的通信水平有了显著的提高，经过近十年的建 设， 电力系统通信手段从五六十年代的载波通信、 数字微波通信迈入了以光缆为主， 一点多址微波通信、载波通信为辅的多种通信手段并存的数字化通信时代，实现了 有线通信、无线通信多种通信方式并存的空间立体交叉模式的通信网络结构。电力 通信网已经建设成多媒体、多业务、宽带化、综合化信息通信网络平台， 满足了电 力系统对电力通信实时性、准确性、可靠性的 特殊要求，在电力生产中起着非常重 要的作用。电力系统 宽带通 信网主要由光纤通信网和 a t m综合业务数字网组成。 2 0世纪 9 0 年代初，光纤通信开始在电力系统得到应用，经过十年的发展，光 纤通信已经儿乎遍及到每一个变电站，它已 经成为电力系统的主要通信方式。光纤 通信作为宽带通信网来使用还是近两年才开始兴起。这主要是由于电力系统规模的 不断扩大，电网的调度管理所需要的信息量已不是夕日可比，一次、二次系统的逐 步计算机化，网络化和智能化也使遥信、 遥测、遥调、遥控成为可能。如何将变电 站内大 量的 信息 及时、 准确地 传 送到调 度 端， 是目 前 提高电 力 系 统自 动化 水平和 生 产效率所要解决的一项重要课题。光纤通信设备能够提供符合 g . 7 0 3协议的 e - 1 , e - 3的高速率数字接 口，同时还能提供 6 4 k b i t / s的二线电话、四线载波通道以及 3 8 4 k b i t / s , 6 4 k b i t / s , 1 9 . 2 k b i t / s以 下的 低速 率的 数字 接口 ， 可以 传输 工业电 视 图 象， 普 通电 话， 远动及 功 率总 加、 继电 保护信 号 和计算 机 连网 等综 答数 字业务。 正是由于具有标准统一、传输容量大、传输速度快、传输距离长、误码率低、可靠 性高、有 1 富的开销 比特、能进行智能化管理等特点，随着电力生产 自动化水平的 不断提高，光纤通信在电力生产中，发挥着越来越大的作用。一般来说，由于电力 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 系统通信业务种类多、数量少的 特点，电力系统的光纤通信网主要是以程控交换中 心为中心，以花瓣的形式向外辐射的环网结构， 一般包括一个或多个光纤自 愈环。 每个环的传输容量都是有限的，一般为 1 5 5 m - 6 2 2 m 。在传输的业务方面，光纤通信 主要传输的是语音 、远动和继电保护信号等低速数据业务，随着这两年的发展，无 纸办公在企业生产中的应用，光纤通信开始传送 2 m b / s 的计算机数据信号以 及工业 电视等高速数据信号。光纤通信作为传输媒介无疑是最佳的选择，但 由于光纤通信 没有数据交换 能力，在计算机网络通信中，光纤通信还显得力不从心 。 近两年，a t m在电力系统开始逐步兴起。a t m又a l 异步转移模式， 它是在光纤 通信的基础 七发展起来的。随着人们对在同一平台是实现语音和数据业务等综合业 务的交换 、传输功能的需求，a t m得以孕育而生。s d h光纤网络虽然有宽带传输的 能力， 但缺乏交换机构， a t m 正好填补了 这项空白。 它被设计成支持远程通信技术， 特别是支持宽带 工 s d n , a t m 将网络带宽分配给各种服务，各个用户可灵活的共享带 宽和时间。山于a t m 不与某一种媒体和传输速度相关联，因而，它能以多种速度提 供交换，a t m是每当 服务请求带宽时，就传输固定长度的信息分组或信元。它能传 输连续的位速率通信，例如语音和视频。也能传输不连续的通信，例如l a n 通信经 常遇到的突发数据。a t m的引入，将逐渐代替语音交换网、x . 2 5 数据 网和帧中继， 实现真正意义上的综合业务数字网。随着 电力系统数据业务的大量增长，在同一平 台上实现语裔 业务、数据业务的交换、 传输，建立宽带通信网以支持宽带数据通信 业务成为电力生产的主要需求。目前，在电力系统中， a t m综合业务数字网已经或 正在建设， 扫 ，正逐渐成为电力系统的数据通信和计算机远程通信的首选平台。 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 第三章 电力系统继电保护和故障信息系统简介 3 . 1 继 电 保护装置简单介绍及通信接口 继电保护装置的现状 电力系统的飞速发展对继电 保护不断提出新的要求，电 子技术、计算机技术与 通信技术的飞 速发展又为继电保护技术的发展注入了新的活力，因此，继电保护技 术得天独厚，在 4 。余年的时间里继电 保护装置先后经历了电磁式继电保护、晶体 管继电保护 、集成运算放大器的集成电路保护阶段，逐渐发展到今天的计算机继 电 保护。日前，电力系统的 1 1 0 k v 以上的变电站以及新建站基本上都采用了 微机型继 电保护装置。一些老变电站的电磁式继电保护装置也正在逐渐被微机型继电保护装 置所替代。微机型继电 保护装置在硬件方面实际上就是 一 台计算机，各种复杂的功 能是由 相应的软件 ( 程序)来实现。微机保护具有以下几个特点:1 、维护调试方 便 2 ,可靠性高 3 、易于获得附加功能 4 、灵活性大 5 、保护性能得到很好改善 6 , 具有丰宙的通信接口，能够实现计算机联网。 随 f 1 l l. 力 系统对微机保护的要求不断提高，微机保护装置除了 保护的基本功能 外，还具有了大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大 的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以 共享全系统数据、信息和网络资 源的能力高级语言编程等功能。微机保护装置 己经相当于一台 p c机。在实现继 电保护的计算机化和网络化 的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的 计算机，足整个电力系统计算机网 络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统 运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传 送给网络拧制中心或任一终端。 因此， 每个微机保护装置不但可完成继电保护功能， 而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、 控制、 数据通信功能， 亦即实现保护、 控制、 测最、 数据通信一体化。 微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性， 这是微机保护发展的必然趋势。 3 . 1 . 2 站内继电保护装置的通信接 口 变电111 ; 内继电保护装置不但数量多而且种类也是多种多样，继电 保护装置种类 众多，从i fil 造成保护装置的通信接口 众多。目 前微机型继电 保护装置的通信接口 主 要包括 r s - 2 3 2 , r s - 4 8 5 , r s - 4 2 2 , c a n b u s接口、6 4 k b i t / s 和光纤接口等。 r s 4 2 2 和 r s 4 8 5 组成的网络主要用在小规模的 3 5 k v 变 电站和 1 l o k v 终端变电站， 华北电力大学 ( 北京)硕十学位论文 r s 4 2 2 和 r s 4 8 5串口 传输速率指标是不错的，在 1 0 0 0 m内传输速率可达 1 0 0 k b / s , 短距离速率可达 i o m b / s , r s 4 2 2 串口为全双工，r s 4 8 5串口 为半双工， 媒介访问方 式为主从问答式，属总线结构。 这两个网络的不足在于接点数目比 较少，无法实现 多主冗余，有瓶颈问题，r s 4 2 2的工作方式为点对点，上位机一个通信口 最多只能 接 1 0 个节点， r s 4 8 5 串口 构成一主多从，只能接 3 2 个节点， 此外有信号反射、中 间节点问题 。 l o n w o r k s网、 c a n 网均为中速网络，5 0 0 m时l o n w o r k s 网传输速率可达 1 m b / s , c a n 网 在小于4 0 m 时 达1 m b / s , c a n 网 在 节点 出 错时 可自 动 切 除与 总 线的 联 系， 卜 o n w o r k s 网 在监 测网络省 点异 常时可使该节点自 动脱网， 媒介访问 方式c a n 网为问 答式， l o n w o r k s 网为载波监 听多路访问/ 冲撞检测 ( c s m a / c d )方式，内部通信遵循l o n t a l k 协议。 c a n 网络的节点数理论上不受限制，一般可连接 1 1 0 个节点。 主站和子站之间的通信接口 在故障信息系统中，主站和子站之间的通信一般选用以 下物理接口: . 经电力数据网采用 t c p 八p 通信: j . l i i 、子站 负责通信的计算机应具备支持 t c p / i p的网络接 口，一般采用 l o m / i o o n以 太网接口。 i i 前电力数据网中调度与变电站间的通信信道一般有: s d h , a t m 和以太网。 变电1 i 中提供的网络接口 也各不相同，有 1 0 m以 太网接口、 有 e l 通信 2 m 接口、 有曰 信道 n x 6 4 k 的接口。 而每个变电站有一台故障信息系统子站计算机， 子站 计算机的联网接口一般是标准的以太网口 ( 1 0 / 1 0 0 m ) 。 因此， 针对不同的接口情 况需要分别处理。 . 变电 站网 络接口为1 0 m 以 太网 接口:子站计算机直接联网。 . 变电站网 络接口 为 2 m 接口 : 子站计算机必须先通过2 m / 1 0 m 转换器， 才 能将 1 0 m 以太网接口 转换到 2 m g . 7 0 3 信道上， 至于2 m 信道如何联接到不同的调 度端， 应 山 数据网 所配置的交换机、 路由 器来实现。 . 变电站网络接口为 e l 信道 n x 6 4 k接 口:子站计算机必须先通过 2 m / 1 0 m( 具备 时隙分插功能) 转换器，才能将 l o m以太网接口 转换到n x 6 4 k 信道上，至于n x 6 4 k 信道如何联 接到不同的调度端， 应由 数据网 所配置的 交换机、 路由 器来实 现 。 . 串行通信方式: 可 采用经m o d e m 接电 话网或专用串 行通道接口; 原 则上采用点 对 多点结构。子站一般应具备与三级调度主站的逻辑上独立的通信接口。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 3 2 故障信息系统 电网故障信息系统主要是采集继电保护、故障录波器、安全自动装置等变电站内智 能装置的实时非实时的运行、配置和故障信息，对这些装罱进行运行状态监视、配置 信息管理和动作行为分析，在电网故障时则进行快速的故障分析，为运行人员提供处理 提示，为电网调度值班员安全、准确、迅速处理电网事故提供信息支持与决策参谋；为 继电保护人员对保护、安全自动装置及故障录波器的动作行为分析和现代化运行管理提 供必要的支持。 32 1故障信息系统的组成 3 21 1主站的构成及其功能 主站端一般是由通信服务器，工作站，打印机，数据处理器和网络设备组成。 通信服务器：主要用于实现和各个子站之间的应用层的数据通信。根据调度端 发出的指令选择和各个子站的不同请求，选择和不同的子站进行数据通信。在特殊 情况下，通信服务器还充当一台规约转换器，实现和其他计算机系统的通信。一般 来说，通信服务器采用主备用的方式运行。 1 ：作站：主要是实现服务器和调度员之白j 的人机对话，进行人机对话的信息与 处理。 ，数据处理器：主要是进行数据库管理。数据处理器对收到的各种数据进行存储、 筛选、分类管理等数据管理，根据调度员的指令，为调度员提供相应的信息。 网络设备：主要包括网络交换机，路由器、集线器等网络通信设备。主要进行 物理层、链路层、网络层和传输层的协议处理，进行数据的传输、收集、交换等功 能，并且袱据不同的情况，采取不同的路由，不同的优先等级与相应的子站进行数 据通信。 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 3 21 2 通信网络的组成及其功能 电力系统通信网主要由光纤、a t m 、微波通信、载波通信设备和交换设备组成。 一般来说，绒波通信设备属于模拟设备，传输的是模拟信号，只提供二线和四线接 口，传输i l ! | l 离短，频带窄，不适合传输数据信号。因此，在一般情况下是不采用载 波通信来传输数据信号的。光纤通信网在电力系统中得到了广泛的应用，光纤通信 以其频带c ：c ，传输距离远，误码率低，通信接口丰富等特性，加上光纤通信技术成 熟，标准统一，光纤通信在电力系统宽带数据通信中占据了主导地位。由于光纤通 信不具备交换能力，不能提供l a n 网口，频带利用率低，不适合于充当数据通信网， 进而出现了a t m 技术。a t m 技术弥补了光纤通信不能交换数据和动态分配带宽的不 足。a t m 能够通过编程提供各种通信接口，由于采用了分组交换的交换技术，a t m 更加适合充当数据通信网。由于在电力专网中，光纤通信网已经得到了广泛的应用， 基本满足了电力通信的需求，再花巨资建设a t m 通信网，从成本上考虑是不经济的， 所以，在嘲内一些电网中，主要采用光纤通信网作为本局的宽带通信网。 3 2 ，13 子站的构成及其功能 在厂站端，故障信息系统的子站是由保护工程师站、通信管理机组成。子站主 要负责数掂采集和规约转换。子站与继电保护、故障录波器、安全自动装嚣等智能 电子设备( ) ) 通信，收集这些装置的f 常运行、异常告警及故障信息，经过初步 华北电力大学( 北京) 硕十学位论文 处理之后卜传到位于调度端的主站。另外子站还需将一些开关量数据采集到服务 器。 保护工程师站：能完成对各个保护和录波装置的f 常查询、动作报告和自检报告的 采集整理，定值及定值区号改变情况的检查、开关量变位信息、装置以保护工程师站通 信异常等，此并按照预先确定的传送原则自动向主站和监控中心上传有关告警信息。当 子站系统故障时，能在主站和监控中心发出告警信号。 通信管理机：能对各微机装置的报告搜集；并能根据信息内容的重要性和实时性要 求，采用优先级别传送的主站和监控中心( 也可在人机界面上自动设置) ，并能实现断 点续传。 另外，在站内数据处理量比较少的情况下，保护工程师站和通信管理机的功能可以 全部由保护l ：程师站来实现。 3 2 2 变电站内的网络分层情况介绍 变f u 站f 【勺网络主要分为间隔层、通信层、变电站层三层，如图3 2 所示。 变电站层 通讯层 间隔层 f 锄嘲鬻黼信 f j f 站内智能设备互联 f 萎皇i 挲霉耋蓊护、信息 图3 2 系统结构图 间隔层：间隔层保护测控装置选用高性能单片机为核心元件，采用模块化设计，可 根据实际要求灵活方便地配置，独立完成对间隔层设备的保护、测量、控制以及通 讯的功能。通过现场控制总线( l o nw o r k s ) 与