（电力系统及其自动化专业论文）iec61850变电站自动化通信仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t w i t hr e s e a r c ho fi e c6 18 5 0s t a n d a r da n dd e v e l o p m e n to fr e l e v a n ts u b s t a t i o n a u t o m a t i o np r o d u c t ，i e c6 18 5 0a p p l i e dc o s th a sb e e na p p r o v e da l lo v e rt h ew o r l d i t i sa 1 1i n e v i t a b l et r e n dt h a ti e c618 5 0w i l lr e p l a c et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l t ob e c o m em a i n s t r e a mo fs u b s t a t i o ni n t e r n a ln e t w o r kp r o t o c 0 1 g r e a tc h a n g eh a s o c c u r r e di nb o t ha s p e c t so fn e t w o r kf r a m e w o r ka n dd a t at r a n s m i s s i o nm o d ei n s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m s o u n d e r s t a n d i n g i e c618 5 0s u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp e r f o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tn e t w o r kf r a m e w o r ka n d c o n f i g u r ew i l lb e n e f i ts u b s t a t i o na u t o m a t i o nd e v i c e s d e v e l o p m e n ta n dn e t w o r k d e s i g n d u e t oc o m m u n i c a t i o nm o d e lc o m p l e x i t ya n dl o c a l et e s t l i m i t a t i o n ， s i m u l a t i o nb e c o m e sas u i t a b l em 或h o dt or e s e a r c hs u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。 e l e c t r i cp o w e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z i n gs i m u l a t o r ( e p o c h s ) i sa n e f f e c t i v et o o lf o rs i m u l a t i o ns t u d yo ni e c618 5 0s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i e c618 5 0s t a n d a r d sb a s i cc o n c e p ta n dk e m e lt e c h n o l o g ya r ee x p o u n d e di nt h i s t h e s i s ，i n c l u d i n go b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n g ，a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e i n t e r f a c e ( a c s i ) ，s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p p i n g ( s c s m ) a n ds oo n b a s e do nd e e pr e s e a r c ho np r o g r a mf r a m e w o r ko fe p o c h sp l a t f o r m ，i e c618 5 0 s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o nf r a m e w o r k si ss e tu po nt h i sp l a t f o r m a s c h e m eo fd a t ae x c h a n g eb e t w e e ns i m u l a t i o nm o d u l e sf o rp h y s i c a ld e v i c ei s p u t f o r w a r d ，a n di n f o r m a t i o nm o d e la n dc o m m u n i c a t i o nm o d e lf o ra l ik i n d so f 瑾d sa r e m a d eu p a l lk i n d so fm e s s a g e s p r o t o c o ls t a c km a p p i n g sa r ea n a l y z e d ，a n dad e s i g n s c h e m ef o rm m se n c o d i n g d e c o d i n gm o d u l ei sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hi su s e df o r c o n v e r s i o nb e t w e e na s n 。la b s t r a c ts y n t a xa n dt r a n s f e rs y n t a xo fm m sp r o t o c o l d a t au n i t s ( p d u ) t or e a l i z e 陋c6185 0s i m u l a t i o n s e v e r a le x t e n s i o n sa r ec a r r i e d o u ta sf o l l o w s ：i e e e8 0 2 。1qp r o t o c o li sa d d e dt os i m u l a t ev i r t u a ll a n ( v l a n ) m u l t i c a s t ，a n ds a m p l ev a l u e ( s v ) m e s s a g ea n dg e n e r i co b j e c t o r i e n t e ds u b s t a t i o n e v e n t ( g o o s e ) m e s s a g ea r er e a l i z e d ；e t h e r n e tb o t t o mc h a n n e ls i m u l a t i o np r o g r a m i sm o d i f i e d a n dt h i sp l a t f o r mc a ns i m u l a t eb o t hs w i t c h e da n ds h a r e de t h e m e t ；b u f f e r q u e u ew i t hm u l t i p r i o r i t yi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d ，a n dm e s s a g e sa r et r a n s m i t t e dw i t h p r i o r i t yt a g 。 s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mo fas p e c i f i cs u b s t a t i o ni ss e tu pa n di t si e c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 618 5 0c o m m u n i c a t i o ni s e x p e r i m e n t e d t h ee f f e c t i v i t y o fe x t e n d e de p o c h s p l a t f o r mf o ri e c6 18 5 0c o m m u n i c a t i o ni sp r o o f e d m e s s a g ed e l a y , j i t t e ra n dp a c k e t l o s sa l ec o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s b a s e do ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t ， a d v i c e sf o rs u b s t a t i o nd e v i c ed e v e l o p m e n ta n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e s i g na l e o f f e r e d k e yw o r d s ：s a s ；i e c6 1 8 5 0 ；e p o c h s ；c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o n ；n s 2 ；d e l a y ； p a c k e tl o s s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 。保密口，在年解密后适用本授权书； 2 。不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：了力 星期：z 抛g ；。2 0 指导老师签名：似 日期：2 叠客。2 o 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明i 所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成莱。对本文的研究做出贡献的个入和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文创新点如下： 1 在e p o c h s 平台上构建了实现i e c6 1 8 5 0 变电站通信仿真的框架，提出 变电站物理设备在不同仿真模块之间数据交互方案，建立各种智能电子设备 ( 瞧d ) 信息模型和通信模型。 2 对e p o c h s 平台进行以下扩展：添加难e e8 0 2 1 q 协议，用于模拟虚拟 局域网v l a n 多播报文，实现采样值( s v ) 报文帮通用变电站事件( o s e ) 报文仿真；修改以太网底层信道类( c h a n n e l ) ，使该平台既可以仿真共享式以太 两，也可以仿真交换式以太潮；设计并实现了多优先级缓冲队列，报文在网络 中携带优先级标签传输。 3 共享式以太网的采样值报文传输时延抖动比较明显，导致电流电压基波 幅值抖动，保护测量值波形畸变；对多线路电流求和的差动保护的通信链路存 在瓶颈问题，同时通信处理器负担加重，对此本文提出了差动保护多通信插件 板的方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 变电站是电力系统的一个重要组成部分，变电站的运行状况直接影响到电 力系统的安全稳定运行。变电站自动化系统实现变电站线路、变压器等设备的 保护、控制、当地监控和远动等任务，以保证变电站的安全稳定运行。变电站 自动化技术发展到今天，分层分布式的系统结构和面向间隔的设计理念己成为 主流。透信技术是变电站鲁动化的关键n 。5 3 ，现场总线和工进以太网的应用提升 了变电站自动化技术水平。以实现互操作性为首要目标的i e c6 1 8 5 0 是迄今为 止最为完善的变电站自动化系统通信标准，它代表了变电站自动化的未来发展 方向，其实施必将给变电站自动化水平带来巨大的推动作用旧圳，研究i e c6 1 8 5 0 变电站自动化通信有着十分重要的意义。 。 1 。1t 变电站自动化系统的发展及其现状 i l 。1 1变电站自动化技术的发展及荚现状 变电站自动化系统设备按功能可分为六大类：继电保护，测控装置，自动 装置，故障录波，当地监控和远动。六大类产品的不断发展及其功能相互渗透， 推动了变电站自动化系统的发展，产生了多种多样的系统模式，按系统模式出 现的时间顺序可将变电站自动化系统的发展分为三个阶段： 第一阶段：面向功能设计的集中式r t u 加常规继电保护模式 8 0 年代以r t u 为基础的远动装置及当地监控为代表。该类系统是在常规的继 电保护及二次接线基础上增设r t u 装置，功能主要为完成与远方调度主站通信实 现“四遥 ( 遥测，遥信，遥调，遥控) ，继电保护及自动装置与系统联结采用 硬接点状态接入。此类系统特点是功能简单，整体性能指标较低，系统联结复 杂，不便于运行管理与维护，为自动化系统的初级阶段。 第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式 9 0 年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控装置得以广泛应用，保护 与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到当地监控计算机 或调度主站。此类系统的出现是由于当时国内电力系统保护和远动分属于不同 部f 了和专业，另外对继电保护与测控装置在技术上如何融和没有达成一致的认 识，故相当一部分尤其是l l o k v 及以下电压等级自动化系统采用此类模式。该模 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 式没有做到面向对象设计，信息共享程度不高，另外系统的二次电缆互联较多， 扩展性不好，不利于运行管理和维护。 第三阶段；面向间隔和对象( o b j e t o r i e 瓣t e d ) 的分层分布式结构模式 9 0 年代中期，随着计算机技术、网络和通信技术的飞速发展，行业内对计 算机保护与测控技术不断争论和探讨达成了一致的认识，采用面向设备或闻隔 为对象设计的保护及测控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义 上的分层分布式自动化系统。该系统特点是针对ll o k v 以下电压等级的设备或闻 隔采用保护测控一体化设计的装置，针对l l o k v 及以上电压等级的设备或间隔采 用继电保护装嚣与测控装置分别独立设计但共同组屏的原则，故障录波功能下 放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先进的网络逶信技术，系统配置 灵活，扩展方便，非常方便运行管理和维护。 分层分布式系统结构已经成为当前变电站自动化系统设计的主流思想，设 计时将变电站分为三个层次，即变电站层，间隔层和过程层，在设计理念上不 是以整个变电站作力设备确定昏标，而是以闻隔和设备作为设计对象。分层分 布式系统在现场控制系统中越来越显示出其强大的生命力：( 1 ) 现场级单元按 一次设备组织，使得控制和故障相对分散，从根本上提高了系统长期运行的能 力和抗故障能力。( 2 ) 俣护下放就地，减小了负担，大大节省强电控制电缆和 占地面积，既方便老站改造，又适于新站扩建，使系统组态和操作更为方便， 提高了系统排除故障及调整操作的速度。( 3 ) 各保护单元通过总线连至站控层设 备，保护工程师站承上启下，使现场维护过程概念清晰、责任明确。继电保护 重要的快速决策功能在现场即可实现，丽涉及多点的综合保护及与系统结构相 关的自适应功能则由工程师站及现场总线协调完成。 1 1 2变电站自动化通信协议的发展及其现状 变电站自动化系统的通信协议是实现变电站自动化系统可靠、快速通信的 重要保证。在一个变电站内一般存在多个自动化设备厂家的产品，例如谣门子、 a b b 、南瑞、许继等，常常存在多种不同的通信协议，常见的有d n pv 3 0 0 、m o d b u s 、 c d t 、s c l 8 0 1 、珏4 f 、c d c t y p ei i 、u c a 、t a s e 2 、d l 4 7 6 、l f p 等。不同厂家的产 品进行互操作时，没有一个统一的信息接口，实现难度很大，需要在不同系统 之闻加装网关设备( 来对不同的通信协议进行转换) 。而且系统中采用的协议种 类越多，所需的网关也就越多，数据经过多次的转换后，极有可能导致部分数 据的失误，以及失去实时性。所以这种通过增添通信网关来建立个多种通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 协议进行通信的环境的解决方案，有时还不一定能够真正解决问题。另外，由 于些早已颁布的远动通信协议，当时可能没有考虑到今后电力系统的新的应 用要求，对电力系统新的业务的扩展带来不便。此外，随着王零技术的不断发展， 面向对象技术等新的技术已广泛应用到多个领域，部分旧的远动通信协议是面 向节点，磊不是面向对象( 如电力设备) 的，不能利用这些薪技术带来的方便， 基于这些技术开发出来的系统，难免失去较好的灵活性和扩展性，不能适应时 代要求。变电站自动化的通信协议的标准化和统一化，不仅成为用户的要求， 也成为各自动化设备生产厂家的共同要求h j l 1 2 1 。 我国电力部和国际电工委员会先后制订了c d t 、p o l l i n g ，i e c6 0 8 7 0 5 系 列等规约，缓解了变电站自动化系统协议不兼容的问题，在定程度上实现了 变电站自动化产品的互操作。 圭。c d t 、p o l l i n g 规约 1 9 9 1 年电力部颁布了循环式远动规约。c d t 规约( c y c li cd i g i t a l t r a n s m i t ) 是典型的循环式远动规约，适用于点到点的通道结构。它定义了以 循环字节同步方式传送信息的远动系统，对循环式远动功能、帧结构、字结构 和传输规则等作了具体规定。规约支持可交帧长度、多种帧类别循环传送、变 位遥信信息优先传送、缩短重要遥测量更新时间、循环量的区分、随机量和插 入量采用不同形式传送等功能。 我国的问答式远动规约( 试行) 中，规定信息传输采用异步通信方式， 是一种主从的远动规约。由调度端不断地发出召唤代码发动通信，变电站只有 在响应后才上送本站信息。闻答式主流规约p o l l i n g 规约传送的报文以八位字 节为单位，附加起始停止位，但不带奇偶位。在此方式下，主站可以请求被控 站发送某一远动信息，也可以要求发送莱些类型的其他信息，工作方式灵活。 它的缺点是通信仅限于多从站和单主站之间的数据传输：询问回答的方式使得 系统响应时间慢；同时p o l l i n g 采用整帧校验，出错后整帧丢弃所以速度较慢。 以上无论哪种通信规约都是采用的传统的串行工作方式，为低速网络设计， 并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，独占通信信道，已经不能满足 现代电力自动化系统的通信要求。 2 i e c6 0 8 7 0 5 系列规约 i e c6 0 8 7 0 5 系列瓣哇霹通信协议体系是国际电工委爱会第5 7 技术委员会第3 工作组( i e ct c 5 7w g 0 3 ) 制订的一套用于变电站远动通信的协议体系。它借鉴 了网络通信协议的分层技术，将协议分为链路层和应用层两层。链路层由i e c 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 6 0 8 7 0 5 1 、i e c6 0 8 7 0 5 2 描述；应用层的基础部分由i e c6 0 8 7 0 - 5 - 3 、i e c 6 0 8 7 0 5 4 、i e c6 0 8 7 0 5 5 描述。应用层直接映射到链路层。i e c 6 0 8 7 0 5 系列 协议根据应用领域定义了一系列配套标准：6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 用于常规远动( 等同采 用) ；i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 用于电能计量信息的接入；i e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 定为电力 行业标准( 非等同采用) 。6 0 8 7 0 5 系列规约在国内已经得到一定程度的推广， 将在一段时间内逐步取代原先的部颁c d t 规约的地位，成为新的国家电力行业标 准。但是i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 1 仍然只适用于传统串行通信工作方式的变电站与调 度信息交换，网络结构多为点对点的简单模式或星形模式。目前，我国变电站 自动化系统与调度主站的通信一部分是通过专用远动通道采用该通信规约( 我 国行业标准d l t 6 3 41 9 9 7 ) 实现的。 为了充分利用以太网资源，i e ct c 5 7 的第3 工作组( w g 0 3 ) 于1 9 9 8 年8 月制 定了i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准，名称为“用标准传送文件集的i e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 网络访问 ( n e t w o r ka c c e s sf o ri e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1u s i n gs t a n d a r dt r a n s p o r t p r o f i l e s ) 。此协议是将i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 1 标准用于t c p i p 网络上，对应我国 的行业标准是d l t6 3 4 5 1 0 42 0 0 2 。 3 i e c6 0 8 7 0 - 6 ( t a s e 2 ) 规约 i e c6 0 8 7 0 6 系列通信协议是i e ct c 5 7w g 0 7 制定的一套旨在与i s o 和i t u - t 兼容的用于电力系统控制的计算机数据通信协议n 副。i e c6 0 8 7 0 - 6 系列先后出了 t a s e 1 和t a s e 2 两个互不兼容的通信协议体系。现在t a s e 2 已经取得了主导 地位，获得广泛的应用。 t a s e 2 主要用于电力自动化系统之间信息共享。并已被我国等效采用为国 家标准( g b t1 8 7 0 0 1 ) 。有意见表示赞成采用t a s e 2 作为调度中心之间的计 算机通信和变电站与调度中心之间的远动信息网络访问协议。t a s e 2 是 s c a d a e m s 等电网调度控制中心之间的通信协议，但实际上这套协议不只用于电 力调度控制中心之间的通信，也可用于大型枢纽变电站与电网调度控制中心之 间通信。我国已有超高压枢纽电力变电站使用t a s e 2 通过中国电力数据网 ( c e d n e t ) 与网调中心和国调中心通信的成功范例，但因t a s e 2 是调度中心之 间交换信息的协议，用t a s e 2 作为r t u 和调度中心之间的网络传输协议在性能 上不能完全满足要求，且t a s e 2 比较复杂，价格较高并且在和变电站自动化系 统其他部分的无缝连接方面存在问题。 1 2i e c6 18 5 0 标准研究现状 西南交通大学颂研究生学位论文第5 页 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、全西的， 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 个工作组王0 、l 圭、圭2 ( w g i o 1 1 1 2 ) ，负责制定 i e c6 1 8 5 0 标准。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 ti 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 c6 1 8 5 0 国际标准正式舨。我国电力系统控制及其通信标准化技术委员会， 己经将i e c6 1 8 5 0 标准翻译完毕，对应的电力行业标准d l t8 6 0 也出版发行。 在i e c6 1 8 5 0 理论研究方面，标准制订、翻译的过程中以及标准引进以后， 各大高校，变电站自动化设备生产商和电力运行部门对协议及其应用进行了深 入的分析和研究，国内目前关于i e c6 1 8 5 0 标准的研究及其文献有以下这些： 圭i e c6 1 8 5 0 系列标准介绥及其内涵分析疆_ 蜉嗡1 。这些文章对标准的各个部 分进行了系统的介绍，对其内涵进行了系统而详细的分析，重点是对标准 提出的一些新的思想及其内容进行了介绍分析，并与i e c6 0 8 7 0 5 部分进 行了比较，论证了标准的先进性，促进了对标准的理解，加速了基于标准 的产品开发。 2 原有囱动化装置的通讯改造口m 。当前国内的装置大部分还是基于串口( 1 0 1 协议) 或t c p i p ( 1 0 4 协议) 的连接方式，如何将通讯方式转换为i e c6 1 8 5 0 标准要求的通讯方式是这些文章讨论的重点，此外还提出了一些具体的方 案，如采用嵌入式系统实现，或者是采用增加一个i e c6 1 8 5 0 1 0 1 ，1 0 4 网 关实现系统的过渡。 3 系统建模的论述与分析心7 叼别。文章集中讨论了如何在现有设备功能的基础 上采用标准定义的逻辑节点、公共数据类来建立其模型。重点是如何理解 标准提出的逻辑节点与国内现有的自动化装置功能的对应。系统建模包含 i e d 设备建模和主站及予站的建模，这些文献在讨论如何建模的过程中还 提出了实现建模过程的配置系统的实现。 4 通信服务及其协议栈映射的研究分析。婚。3 8 l 。主要分析采样值传输、核心服 务砭p 王p + 灏s r & 圭e 0 6 方面的协议栈映射，健没有涉及对m m s 服务的实现。 5 基于标准的扩展应用口 州。在继电保护、故障信息系统和广域保护方面信 息模型的设计与实现上，包括逻辑设备，逻辑节点名字空闻的扩展，新语 义的定义。 6 。变电站配置语言的研究汹删。文献中重点提出了如何实现i e d 配置，基于 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 x v i l 的s c l 的应用扩展，讨论了x m l 的先进性及其应用过程。 在i e c6 1 8 5 0 产品的研发方面，国外变电站自动化设备制造商a b b 、s i e m e n s 、 a l s t o m 等厂家，作为i e c6 1 8 5 0 标准的制订者，早在2 0 0 2 年就已经推出i e c6 1 8 5 0 产品，并相互之间进行了一致性测试。国内一批领先的变电站自动化设备制造 商，经过引进消化吸收，目前，南瑞、南自、四方等厂家已经研制出符合i e c6 1 8 5 0 的变电站自动化设备和系统。 2 0 0 5 年9 月1 6 日，西门子满足i e c6 1 8 5 0 规约的计算机监控系统在上海 南桥站5 0 0 千伏变电所投运，成为我国i e c6 1 8 5 0 标准的第一个工程实例。2 0 0 6 年3 月2 7 日，国电南自满足i e c6 1 8 5 0 标准的p s 6 0 0 0 变电站自动化系统在西 安11 0 k v 少陵变电站顺利投运。该系统包括保护、测控、监控、远动等技术领 域中共1 0 多种型号的产品，是国产第一套全变电站运行的完全满足i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统，说明我国自主研发的满足i e c6 1 8 5 0 标准的变电站 自动化系统已具备推广应用条件。2 0 0 6 年1 0 月2 7 日，国电南瑞科技股份有限 公司研制的北京顺义5 0 0 k v 变电所应用i e c6 1 8 5 0 标准的n s 2 0 0 0 自动化系统通 过出厂验收，标志我国自主研发能够满足i e c6 1 8 5 0 标准的高等级电压变电站 自动化系统获得基本成功。2 0 0 8 年1 月2 3 日，四方公司6 大类间隔层设备在 i e c6 1 8 5 0 权威机构荷兰k e m a 公司顺利通过了i e c6 1 8 5 0 一致性检测与认证。 2 0 0 8 年2 月2 7 日，四方公司收到了k e m a 公司发来的i e c6 1 8 5 0l e v e la 认证 证书。 1 3变电站自动化通信的仿真研究 变电站自动化系统作为变电站二次系统，需要采集一次设备各种数字量和 模拟量信息，二次设备之间互相传递状态信息，向一次设备发送控制命令信息 改变运行状态，完成对变电站一次设备的监测和控制任务。这些信息的传输都 是通过变电站通信网络完成的，变电站网络通信的质量对变电站安全经济运行 具有重要影响。由于电力生产的特殊性，要求变电站网络通信具有强实时性和 高可靠性，i e c6 1 8 5 0 标准的第5 部分对各类报文的时延提出了具体要求。因此， 很有必要对网络的性能进行研究和评价，然后根据设计要求来选择合适盼网络， 配置网络参数，选择适当的网络报文服务类型。这样，一方面可以充分发挥网 络的性能，满足变电站i e d 对通信的要求：另一方面，充分了解网络的传输性 能，对于分析研究整个系统的可靠性和可用性也有重要帮助。同时，这也可以 为以后设计建造性能价格比优异的变电站通信网络提供理论依据和设计思想。 西南交通大学硕士鞣究生学位论文第7 页 研究网络性能的方法有许多种，如数学建模、现场实测以及建立仿真模型 等。由于变电站内的通信网络非常复杂，网络行为具有随机性，如果采用数学 建模法来磅究网络性能，对系统作精确的描述是十分困难的，或者虽然能建立 相应的数学模型，却因模型过于复杂庞大而根本无法求解，而对系统进行大量 简化后得擞的结果又难以令入满意。结合现场硬件进行实测得出的结果比较精 确，但对变电站内的通信网络来说，在现场进行测量研究不仅得不到运行人员 的支持，而且也很难观测到故障时的网络性能。因此，用建立仿真模型的方法 来研究网络性能就成为一种切实可行的方法旧1 。 文献 4 9 分析了变电站通信网络的随机性行为，建立了通信网络的离散事 件仿真模型系统，对l o n w o r k s 通信网络进行了仿真，但是把各类不同内容的报 文混合按随机事件处理，无法评估网络通信对电力系统的影响。文献 5 0 - 5 2 中 对变电站底层通信霹络以太网的报文传输实时性进行了不同程度的研究，但对 高层协议影响下的报文端对端的实时性的研究都不够深入详细。文献 5 3 将c a n 总线应用于变电站过程层通信，推导出了端到端时延的表达式，但没有进行定 量分析。文献 5 4 使用了h u b 链接的传统以太网构成了一个间隔内的过程层网 络，进行了仿真分析，但其网络流餐配置不够明确。文献 5 5 构建了变压器差 动保护间隔内的过程总线通信实验平台，验证了传输实时报文的可行性。 文献 5 6 5 9 采用o p n e t 仿真平台来研究i e c6 1 8 5 0 变电站自动化系统的通 信，该平台不能添加新的透信协议，采样值和g o o s e 报文v l a n 多捶只能用王p 多播来替代，通信流量人为计算假设，而不是由电力系统真实产生。通信仿真 产生的结巢时延和丢报率，又无法评估对电力系统产生的具体影响。 由于变电站通信网络涉及高压和低压的诸多设备，若在包含这些设备的实 际网络通信环境中进行性能研究、网络设计和开发，不仅耗资大，而且统计数 据的收集和分析也存在一定困难，客观条件也不允许进行单独测试。为解决这 些问题，出现了专用的网络仿真软件。目前商用软件有m e l 3 开发的o p n e t 、 c a d e n c ed e s i g ns y s t e m 公司下属的a 王t a 小组的b o n e s 和融e 王公司开发的 c 0 删e ti i i ：科研用软件有u c b l b n l v i v n 开发的n e t w o r ks i m u l a t o rn s 2 和 s s f n e t 等。 本文同时仿真电力系统及其通信系统，需要考察电力系统不同运行状况下 的通信流量和不同的通信网络参数对电力系统的影响，因此选择了e p o c h s ( e l e c t r i cp o w e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z i n gs i m u l a t o r ) 引仿真平台作为 i e c6 1 8 5 0 变电站通信的仿真工具。该平台利用h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 技术集成了电力系统电磁暂态仿真软件e m t d c p s c a d 、机电暂态仿真软件p s l f 、 网络通信仿真软件n s 2 和实时部件r t i ，可以实现电力系统和网络通信的同步仿 真。该平台包含了通用的网络仿真构建库和广泛使用的通信协议，但是不包含 i e c6 1 8 5 0 标准中的逻辑节点、逻辑设备等信息模型，用于采样值报文、g o o s e 报文传输的v l a n 多播协议，并且只能仿真共享式以太网，不能仿真交换式以太 网，本文在以上方面对该平台进行了扩展，并仿真了某一具体变电站。 1 4本论文的主要工作 本论文在e p o c h s 平台上构建了实现i e c6 1 8 5 0 变电站通信仿真的框架，提 出变电站物理设备在不同仿真模块之间数据交互方案，建立各种智能电子设备 ( i e d ) 信息模型和通信模型。为了实现i e c6 1 8 5 0 标准的仿真，对e p o c h s 平 台进行以下扩展：添加i e e e8 0 2 1 q 协议，用于模拟虚拟局域网v l a n 多播报文， 实现采样值( s v ) 报文和通用变电站事件( g 0 0 s e ) 报文仿真；修改以太网底层 信道类( c h a n n e l ) ，使该平台既可以仿真共享式以太网，也可以仿真交换式以 太网；设计并实现了多优先级缓冲队列，报文携带优先级标签传输。在扩展后 的e p o c h s 平台上进行了i e c6 1 8 5 0 变电站自动化通信仿真实验，比较了各种不 同条件下的报文传输时延、时延抖动和丢报率。根据仿真实验结果，提出改进 建议。论文的主要章节安排如下： 第一章论述了变电站自动化系统的发展历程与现状，指出了i e c6 1 8 5 0 标 准的研究现状和i e c6 1 8 5 0 变电站自动化产品研发投运情况。阐明基于e p o c h s 平台研究变电站通信网络的可行性和优越性。 第二章对i e c6 1 8 5 0 标准的目的和内容进行了介绍。分析了i e c6 1 8 5 0 标 准的新技术、新方法和技术特点，剖析了标准的实现机理。对本文仿真的变电 站及其i e d 建立i e c6 1 8 5 0 模型。 第三章介绍了e p o c h s 平台的同步原理和网络仿真原理，在该平台上实现 i e c6 1 8 5 0 变电站设备和通信的仿真。对该平台进行了以下扩展：添加虚拟局域 网v l a n 多播协议、实现交换式以太网、多优先级缓冲队列，解决了i e c6 1 8 5 0 变电站通信仿真中采样值多播、报文优先级等问题。 第四章对某一具体变电站进行通信仿真，验证扩展后e p o c h s 平台仿真i e c 6 1 8 5 0 变电站通信的有效性。仿真比较了交换式以太网和共享式以太网的性能， 接收不同数目合并单元采样值对保护的影响，多优先级报文在变电站通信中的 作用，在变电站自动化设备的研发和通信网络的设计方面提出建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章i e c6 18 5 0 变电站自动化设备建模 2 1l 乏c6 18 5 0 标准的冒标和内容 i e c6 1 8 5 0 标准的主要鬓标是实现变电站蠹i e d 之闻的互操作，是目前国 际上关于变电站自动化系统的第一个通信标准体系，其发展方向是实现“即插 即用 ，在工监控制逶信上最终实现“一个邀界、一种技术、一个标准 。标准 以面向对象方法建立变电站i e d 统一的数据模型和服务模型，解决变电站自动 化系统中不同供应商提供的i e d 之闻的数据交换、信息共享。 i e c6 1 8 5 0 的优点在于统一的对象模型和标准的通信协议使 ! 导不同厂商的 i e d 之间能够实现良好的互操作，从而降低系统的集成费用，提高系统的利用率， 保护用户的投资，提高整个电网的安全稳定运行水平。主要内容围绕变电站自 动化应用领域的功能模型、基于x m l 的变电站配置描述语言s c l 、变电站数据模 型及其服务、变电站体系层次之间的映射关系四个方面，由以下兰0 部分组成 6 5 - 7 5 第一部分基本原理，主要介绍了i e c 6 1 8 5 0 产生的必要性，以及标准各部分 主要内容的简介。 第二部分术语，这部分内容为该标准中变电站自动化系统专门术语词汇表。 第三部分总体要求，介绍了变电站自动化系统内通信系统的质量要求，包 括可靠性、可用性、可维护性和安全性等。 第四部分系统和工程管理，包括变电站杰必备硬件配置的定义、功能和信 号质量的适应性以及所有具体定义的文档。 第五部分i e c6 1 8 5 0 - 5 功能和设备模型的通信要隶。规定了变电站自动化 系统所要实现功能的通信要求与设备模型，阐述了逻辑节点、逻辑通信链路、 通信信息片的概念；逻辑节点和相关的通信信息片、性能、功能等。 篇六部分变电站智能电子装置语言，主要介绍变电站配置语言s c l 的对象 模型和语言内容。 第七部分基本通信结构，该部分是整个标准的核心内容，分为四个部分：7 一l 原理和模型；7 - 2 抽象通信服务接口a c s i ；7 - 3 公共数据模型；7 4 兼容逻辑节 点和数据类。 第八部分变电站层与间隔层具体通信服务映射，将变电站层的服务映射到 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 具体通信服务，目前标准规定映射成m m s 。 第九部分间隔层与过程层具体通信服务映射，这一部分说明了间隔层和过 程层之间通信的具体通信服务映射。 第十部分一致性测试，确保不同厂家i e d 的互操作性。 2 2 ie c6 18 5 0 的技术特点 i e c6 1 8 5 0 为变电站自动化系统的信息交换设计了一套完整、灵活的通信 体系，下面分别从系统和设备结构、信息建模方法、通信服务模型等方面对其 特点进行深入分析，以便在透彻把握i e c6 1 8 5 0 核心思想、方法的基础上在 e p o c h s 平台中研究其通信性能。 2 2 1 分层分布的体系结构 变电站自动化系统所要完成的主要功能有控制、监视、设备及其馈线保护 以及系统配置、通信管理、软件管理等维护功能，i e c6 18 5 0 从逻辑上将系统的 功能分配在3 个层次上，即变电站层、间隔层和过程层，其中：过程层主要完 成开关量i o 、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能；间隔层 主要使用一个间隔的数据并对该间隔内的一次设备进行操作，完成如线路保护、 间隔单元控制等功能；变电站层的功能分为2 类：一是与过程层关联的变电站 层功能，使用多个间隔或整个变电站的一次设备信息并对该范围内的一次设备 进行监视和控制，如母线保护或全站范围内的闭锁等，二是与接口相关的功能， 主要是与远方控制中心( t c i ) 、远方监视和维护工程师站( t m i ) 以及本地人 机接口( h m i ) 的通信，而变电站自动化系统的装置可被安装在这三个不同的 功能层上。同时定义了l o 种逻辑接口来完成各层之间的通信，其中：i e c6 1 8 5 0 中的变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模型如图2 1 所示，其中的i f 是指 接口( i n t e r f a c e ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 问黼层 图2 - 1变电站自动化系统功麓层次和逻辑接口 图中各接口的含义分别为： i f l ：间隔层与变电站层之间保护数据的交换； i f 2 ：间隔层与远方保护之间的保护数据交换； i f 3 ：间隔内数据交换； i f 4 ：过程层和间隔层之间p t 和c t 瞬时数据交换( 尤其是采样) ； i f 5 过程层和间隔层之间控制数据交换； i f 6 ：闻隔期变电站层之间控制数据交换； i f 7 - 变电站层与远方工程师站数据交换： i f 8 ：闻隔之间直接数据交换( 如连锁) ； i f 9 ：变电站层内数据交换： i f i o - 变电站设备与远方控制中心之间控制数据交换。 2 。2 。2 面向对象的信息模型和通信服务模型 与以往的远动通信捺议采用面向点的信息描述方式不同，i e c6 1 8 5 0 标准 的一个显著特点是采用面向对象的方法描述变电站及设备信息，它为变电站设 备、通信体系及服务建立了基于对象的数据模型，这些模型描述和定义了大多 数公共实际设备和设备组件的公共数据标识、格式、行为、控制以及设备之间 进行信息交换所需要的服务，因此面向对象的信息模型和建模方法是i e c6 1 8 5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 的核心。 1 信息模型 i e c6 1 8 5 0 标准将整个变电站的物理对象( 包括若干一次设备和测量、控 制、保护等二次设备) 以及通信网络抽象为相应的逻辑系统，每个逻辑系统中 包含一个服务器，一个服务器由一个或多个逻辑设备组成；逻辑设备中的功能 模块分为若干个相关子功能，对应为各种逻辑节点；一个逻辑节点又包含一个