（电力系统及其自动化专业论文）变电站远动工作站软件的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t t h et h e s i ss u m m a r i z e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ef u t u r eo fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e ma n da n a l y z e dt h es t m c t u r eo ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si n t h es u b s t a t i o n s a i s os e v e r a lc o m m u n i c a t i o nm o d e l sb a s e do ne t h e m e tw e r e d i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sf o rs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e ma sw e l la st h ee x p e r i e n c eo fl a r g es u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m si nr e a ld e v e l o p m e n tp r o j e c t s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e da n e ws o l u t i o nw i t h i n t e r n a ie t h e r n e tt e l e c o n t r o lw o r k s t a t i o nb a s e do na ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m f u t h e r m o r e ，ad e t a i l e de x p a t i a t i o no fs o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o ni sg i v e n t h es o f t w a r em o d e lo ft h et e l e c o n t r o lw o r k s t a t i o nb a s e do ni e c 6 1 8 5 0a n ds o m e k c yt e c h n o l o g i e si sa l s od i s c u s s e d t e l e c o n t r o lw o r k s t a t i o ni st h ek c yd e v i c eo fs u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c hi st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es u b s t a t i o na n dt h ec o n t r o lc e n t e r t h e t h e s i sd i s c u s s e dt h es t r u c t u r ea n dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo ft h es 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 k sb a s e do ne t h e m e t t h es o f t w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n w a se x p a t i a t e di nd e t a i lb a s e do nt h ea r m 9p l a t f o r ma n dt h ew i n c e n c t o p e r a t i o ns y s t e m t h et e l e c o n t r o lw o r k s t a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e di nm o d u l e s 1 1 i cm o d u l ee x c h a n g e st h ed a t at h r o u g ht h er e a l t i m ed a t a b a s e t h cd a t a b a s e m o d u l ei sd e s i g n e da sad l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) o t h e rm o d u l eu s e dt h ea p i t ov i s i tt h ed a t a b a s e t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u lu s e dt h ea p c io f i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 4a n dt h ea s d uo fi e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 3 t h ei e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 r u n n i n go nt h ee t h e r n e tw a sr e a l i z e d i e c 6 1 8 5 0h a sb e e nt h et r e n do ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h e s u b s t a t i o n b u ti ti sn o tf i tf o rt h ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h e s u b s t a t i o na n dt h ec o n t r o lc e n t e lb e f o r et h es e a m l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s b u i l t ，t h e r ew i l lb eal o n gt i m et h a ti e c 6 1 8 5 0a n dt h et r a d i t i o n a lp r o t o c o l ss t a y t o g e t h e r a c c o r d i n gt o t h eo b j e c to r i e n t e di d e aa n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h e t e l e c o n t r o lw o r k s t a t i o nb a s e do nt h et r a d i t i o n a lp r o t o c o l s t h et h e s i ss h o w e da s o f t w a r em o d e ib a s e do ni e c 6 1 8 5 0 i nt h em o d e l t h ei n t e m a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lj si e c 6 1 8 5 0a n dt h et e l e c o n t r o lp r o t o c o l sa r et h et r a d i t i o n a lo n e sw h i c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a r eo r g a n i z e db yt h ed o tn u m b e r t h et h e s i sa l s od i s c u s s e dt h ec o n v e r tm e t h o d s b e t w e e nt h ei e c 6 1 8 5 0a n dt h et r a d i t i o n a lp r o t o c o l sa n dt h ec o m m u n i c a t i o n m a p p i n g s k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ；t e l e c o n t r o lw o r k s t a t i o n ；s o f t w a r e ； i e c 6 1 8 5 0 ；m o d e l 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 i 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：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 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已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。 本学位论文的主要创新点如下： 分析了基于以太网的变电站通信网络的结构模式以及各种通信方式，完 成了远动工作站设备的软件设计与实现工作。根据i e c 6 1 8 5 0 的特点，分析了 基于传统通信协议的远动工作站的实现方法，在此基础上提出了一个符合 i e c 6 1 8 5 0 标准的远动工作站软件模型，并对其中的关键问题进行了探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 变电站自动化系统s a s ( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 是一项多专业 综合技术，是通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次 设备系统。其功能是实现对全变电站主要设备和输、配电线路的运行监视、 正常和事故操作、继电保护、变电站电压和无功功率自动控制、事故和动态 过程的记录等“1 ，其中通信技术是分散式变电站自动化系统的关键技术之一。 1 1变电站自动化系统的发展及其现状 1 1 1变电站自动化技术的发展及其现状 国外变电站自动化技术的发展是从8 0 年代开始的。以德国西门子公司为 例，该公司于1 9 8 5 年投运了第一套变电站自动化系统l s a 0 6 7 8 0 1 ，此后陆续在 德国及欧洲投运的该型变电站自动化系统达3 0 0 多套。在中国，1 9 9 5 年亦投 运了该公司的l s a 0 6 7 8 变电站自动化系统。日本在9 0 年代亦新建和扩建了多座 高压变电站，采用了以计算机监控系统为基础的运行支援系统。目前，日本 日立、三菱、东芝、德国西门子( s i e m e n s ) 、a e g 、瑞土a b b 、美国通用电气( g e ) 、 西屋电气( w e s i n g h o u s e ) 、法国阿尔斯通( a l s t h o m ) 、瑞士l a n d i s & g y r 等国际 著名大型电气公司均开发和生产了变电站自动化系统，并取得了较为成熟的 运行经验。 我国变电站综合自动化技术的起步虽然比较晚，但是发展非常迅速0 1 。 8 0 年代由于微机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置相继更 新换代，实现了微机化。这些微机化的设备虽然功能各异，但其数据采集、 输入输出回路等硬件结构大体相似，因而统一考虑变电站二次回路各种功能 的集成化自动化系统，自然受到人们的青睐。但当时的变电站自动化系统实 际上是在r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 基础上加上一台微机为中心的当地监 控系统，不但未涉及继电保护，就连原有的传统的控制屏台仍予保留。这可 以说是国内变电站自动化技术的第一阶段。 9 0 年代数字保护技术( 即微机保护) 的广泛应用，使变电站自动化取得实 质性的进展。9 0 年代初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设置 计算机系统作为变电站自动化的心脏，另设置一数据采集和控制部件用以采 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 集数据和发出控制命令。微机保护柜除保护部件外，每柜有一管理单元，其 串行口和变电站自动化系统的数据采集和控制部件相连接，传送保护装置的 各种信息和参数，整定和显示保护定值，投停保护装置，此类集中式变电站 自动化系统可以认为是国内变电站自动化系统的第二阶段。 9 0 年代中期，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展，同时 结合变电站的实际情况，各类分散式变电站自动化系统纷纷研制成功和投入 运行。分散式系统的特点是各现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关 柜或高压一次设备附近，现场单元部件可以是保护和监控功能的二合一装置， 用以处理各开关单元的继电保护和监控功能，亦可以是现场的微机保护和监 控部件分别保持其独立性。在变电站控制室内设置计算机系统，对各现场单 元部件进行通信联系。通信方式可以采用常用的串行口如r s 一2 3 2 ， r s 一4 2 2 4 8 5 。但近年推出的分散式变电站自动化系统更多地采用了网络技术， 如l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 或c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 等 现场总线型网和以太网，至于变电站自动化的功能，则将遥测遥信采集及处 理，遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些 信息通过网络送至后台主计算机。而变电站自动化的综合功能均由后台主计 算机系统承担。此类分散式变电站自动化系统可视为第三阶段。 1 1 2变电站自动化系统通信协议的发展及其现状 和变电站自动化系统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。无论是站内不同厂家设备之间还是在和远方调度的连接中， 由规约转换问题引起的软件编程成为实际工程调试量最大的项目，既耗费人 力物力，也不利于运行维护，是目前自动化技术发展的一大问题“1 。早在1 9 8 7 年，德国电力行业协会( v d e w ) 就为电子制造协会( e v e i ) 制定了关于数字式变 电站自动化系统的推荐草案，使它成为i e ct c 5 7 工作组在起草保护与控制标 准时的参考。 当前国内采用的标准除了有等效的国际标准如i e c 6 0 8 7 0 系列外还有诸 多厂家自定的标准： 1 变电站和调度中心之间的传输协议目前各个地方情况不一，现场大 多采用各种形式的规约如c d t 、x t 9 7 0 2 、x t 9 7 1 2 、s c 一1 8 0 1 、u 4 f 、d n p 3 0 、 i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 1 、i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 4 等一些规约。 1 9 9 5 年i e c 为了在兼容的设备之间达到互换的目的，颁布了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 传输规约，为了使我国尽快采用远动传输的国际标准，1 9 9 7 年原电力部颁布了国际1 0 1 规约的国内版本d l t 6 3 4 1 9 9 7 ，并在1 9 9 8 年的 桂林会议上进行了宣贯。该规约为调度端和变电站端之间的信息传输制定了 标准。随着网络技术的迅猛发展，为满足网络技术在电力系统中的应用，通过 网络传输远动信息，i e ct c 5 7 在i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 基本远动任务配套标准的 基础上制定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 传输规约，采用i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 1 的平衡传输 模式，通过t c p i p 协议实现网络传输远动信息，它适用于p a d ( 分组装和拆 卸) 的数据网络。今后变电站自动化设备的远方调度传输协议上应采用 1 0 1 ( 串行通信) 和1 0 4 ( 网络通信) 规约”1 。 2 变电站内通信协议变电站内通信规约种类繁多，如l f p 、d i s a 、 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 等等，还有众多厂家自定义的私有规约。多种规约间不兼容， 导致了不同厂家设备间互操作性差。i e c 在1 9 9 7 年颁布了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约作为继电保护设备信息接口，国家经贸委在1 9 9 9 年颁布了1 0 3 规约的国 内版本d l t 6 6 7 1 9 9 9 ( 以下简称1 0 3 协议) 。1 0 3 协议在实现互操作性上有了 很大的进步，但由于各个厂家对1 0 3 协议的理解不一致，而且1 0 3 协议本身 存在定义的选项太多的问题，应此在实际的应用中效果并不是很好。同时1 0 3 协议不适用于基于以太网的变电站内部通信系统。 国际电工委员会t c 5 7 制定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 以后，开始制定变电站通 信网络和系统的系列标准。1 9 9 8 年2 月，i e c 和i e e e 、e r p i 开会达成协议， 由美国提供u c a 2 0 技术，i e c 牵头组织专家制定i e c 6 1 8 5 0 标准。i e c 6 1 8 5 0 标准将成为基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一的国际标准”1 。 该标准具有一系列特点如定义了变电站信息模型以及作用其之上的服务模 型，抽象模型与具体的通信映射分离等。i e c 6 1 8 5 0 采用了结构化的路径索引 数据的方式，而其他远动通信协议和变电站内通信协议如i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 、 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 、x t 9 7 0 2 、i e c 6 0 8 7 0 一5 一1 0 3 协议等均是基于点号进行数据的 索引，本文中对此类协议统称为传统通信协议。 当前国内外厂家采用的变电站内部通信协议主要以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 为 主，也包括各个厂家自定义的私有协议。但i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 本身不是基于以 太网传输的，所以各个厂家定义了各种i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 的变种使之运行于以 太网之上，称之为网络1 0 3 协议。基于以太网通信的变电站自动化系统中， 一般站内通信协议较为单一，一般采用网络1 0 3 协议。对于不符合网络1 0 3 协议的保护测控装置或其他智能设备，需要经过规约转换器接入系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 网络1 0 3 协议毕竟不是正真意义上的基于网络通信的国际标准，为统一 标准，国际电工委员会制定了新的变电站通信网络和系统标准i e c 6 1 8 5 0 。国 内外主要的厂家均已推出或即将推出基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化装置。基 于以太网的变电站内部通信系统将来将基于i e c 6 1 8 5 0 建立。 变电站内通信协议和远动通信协议，无论是i e c 国际标准之间或厂家标 准之间均无法完全兼容。因此从变电站内数据到远动通信数据的转换是必要 的。众多不兼容通信协议的存在不仅增加了产品的开发成本、设计和调试的 难度，也使得各个厂家间产品的互操作性不好。i e c t c 5 7 予2 0 0 0 年6 月6 日在德国n u r e m b e r g 召开s p a g 会议，会议讨论了4 个问题：制定惟一通 信协议和统一对象建模的必要性；可能的技术途径；转移策略：时间 表。提出了无缝远动通信体系结构( s e a m l e s st e l e c o n r o lc o m m u n i c a t i o n a r c h i t c c t ur e ，缩写为t c a ) 的概念【们，并赞成制定统一的通信协议。 控刳中心 i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 l ! ：i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 2 ； ；磋舔i 葡j i 生! 堕j jl 垫塑! 皇 商葡；丽弭面1 i s o l 一3 层网络 i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 4 ： 变电站层 r 话石i 诱菇一j 间隔层 l ! ：照砸颡：j h v 瓜f v 设备 图1 1当前电力系统通信体系结构和远动无缝通信体系结构 i e ct c 5 7 正在制定的无缝通信系统体系标准是以i e c 6 1 8 5 0 为基础，就 是变电站内、变电站到控制中心之间的协议都是i e c 6 1 8 5 0 ，这样的通信体系 才能是无缝的。文献 8 对基于i e c 6 1 8 5 0 的远动无缝通信体系结构进行了说 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 明，如图i - i 所示。 其中左图描述的当前的电力系统通信体系结构，无论是变电站内部通信 协议i e c 6 1 8 5 0 或i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ，以及变电站到控制中心的通信协议 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 、i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 等之间都是无法完全兼容的。因此不同协 议之间的设备通信必然涉及到协议转换的问题。变电站内部通信网络由于 i e c 6 1 8 5 0 的出现，开始有了逐渐统一的趋势，但要完全替代旧的系统还需要 很长的时间，因此规约转换器还将长时问存在。而远动通信协议目前还没有 能与i e c 6 1 8 5 0 兼容的协议，所以作为变电站和远方控制中心通信的远动工作 站是必不可少的。i e c 提出的无缝远动通信体系如图卜1 右图所示。将来的 无缝远动通信体系结构是建立在i e c 6 1 8 5 0 之上的，可以称之为i e c 6 1 8 5 0 + 。 变电站内部通信协议和变电站到控制中心的通信协议统一到i e c 6 1 8 5 0 。这 样，从控制中心到变电站的过程层可以采用相同的协议。 建立远动无缝通信体系结构需要经过多年的努力才有可能实现。在相当 长的时期内还是i e c 6 1 8 5 0 和传统的远动通信协议共存的局面。当前基于以太 网通信的变电站自动化系统内部通信协议还是以网络1 0 3 为主，远动通信协 议则是主流的i e c 6 0 8 7 0 - 5 一1 0 4 、i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 1 、x t 9 7 0 2 。 1 2问题的提出 随着通信技术的进步，变电站自动化系统的功能得到增强和扩充，给用 户带来了极大的方便，而这些系统功能的增强和扩充反过来又对变电站自动 化系统中的通信网络无论从数据量还是通信速率、可靠性上都提出了更高的 要求。目前，国内变电站自动化系统中基于通信控制器和r s 一4 2 2 4 8 5 或c a n 总线通信的模式还存在较多，但基于嵌入式以太网构建的变电站通信系统也 开始大量出现，并且已经成为变电站通信系统的发展趋势。因此迫切需要提 出一套基于以太网通信的完整的变电站自动化系统解决方案。而远动工作站 设备作为连接变电站和远方控制中心的关键设备，开发一个新的基于嵌入式 操作系统的远动工作站设备是非常必要的。 1 2 1 基于嵌入式操作系统的远动工作站设备 远动工作站设备是变电站通信系统中的核心设备之一。其主要功能是实 现变电站内的四遥信息到远方控制中心之间的传输，同时对控制中心的调节 控制命令实现正确的转发。随着变电站自动化系统的发展，远动工作站设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的实现方式也历经了很大的变化。 8 0 年代的变电站自动化系统实际上是在r t u 基础上加上一台微机为中心 的当地监控系统“1 。这一阶段的远动信息传输功能主要是由r t u 实现的。r t u 直接收集采集设备的信息( 如交直流采样、开关量采样、电能表脉冲采集等) 上送控制中心。9 0 年代初研制出的变电站自动化系统是在变电站控制室内设 置计算机系统作为变电站自动化的心脏，另设置一数据采集和控制部件用以 采集数据和发出控制命令，同时完成远动信息的传输。这两个阶段的变电站 自动化系统中均不存在独立的远动工作站设备，远动信息传输的功能由r t u 或数据采集控制部件充当，直接从采集设备中获取四遥信息发送远方控制中 心。 9 0 年代中后期计算机和通信技术飞速发展，中低压开关柜或高压一次设 备附近开始安装各种单元部件，各单元部件通过串口( r s - 2 3 2 ，r s - 4 2 2 4 8 5 ) 同变电站控制室的计算机进行通信。近年，网络技术开始更多的运用于变电 站自动化系统中，如l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 或c a n ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) 等现场总线型网。在变电站自动化系统的功能上，遥测遥信的 采集处理、遥控命令执行和继电保护功能均由现场单元部件独立完成。为实 现变电站内通信的管理和调度功能，通信管理机或总控单元开始出现。通信 管理机实现对各个保护测控装置或其他单元部件的信息收集，经过规约转换 后上送当地监控或远方控制中心。这一阶段中，远动信息传输的功能由通信 管理机完成，变电站内部通信多采用串口或总线型网络，而到控制中心的传 输多采用串口+ m o d e m 的方式。 近年来嵌入式以太网技术飞速发展，以太网具有网络速度快，带宽较宽， 与后台监控p c 机、工作站等接口方便的特点，能够较好地满足变电站自动化 系统对通信网的要求。目前，嵌入式以太网技术是变电站自动化通信系统的 热点和方向。在基于以太网通信的变电站自动化通信系统中，各种保护测控 装置可以实现直接上网，当地监控系统直接从网络上获取信息，而无需再经 过通信管理机设备。远动工作站开始成为独立的交电站层设备，负责交电站 和控制中心之间的通信接口。变电站内部通信网络开始逐渐统一到以太网， 而远动信息的传输也逐渐开始向基于t c p i p 协议的网络传输方式发展。 在以太网技术逐渐成为变电站自动化系统主流的今天，急需一套完整的 基于以太网通信的变电站自动化系统解决方案。本文所讨论的即是关于变电 站和控制中心通信关键设备的远动工作站的设计与实现技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 远动工作站的设计工作与系统的结构、数据流等都息息相关。在清楚了 分析了变电站的通信网络结构和通信方式后，才能明确远动工作站软件的设 计思路。因此本文首先对变电站网络结构模式和通信方式进行了分析。 本文论及的远动工作站设备处于变电站层。其主要功能是将变电站内信 息进行适当的处理后上送远方控制中心或本地监控。远动工作站对变电站内 部主要提供以太网接口，通信规约也是单一的变电站内部通信规约。同时远 动工作站需要向多个远方控制中心或当地监控提供不同的通信接口( 如串口、 以太网接口等) 和不同的远动通信协议。为保证远动工作站在大量数据处理 运行工作下的实时性和可靠性，需要可靠快速的硬件平台和操作系统平台。 本文论述的远动工作站系统基于a r m 9 硬件平台和w i n c e 。n e t 操作系统平台。 1 2 2 i e c 6 1 8 5 0 应用于远动工作站 现阶段设计与开发的远动工作站设备兼容的协议主要以 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 、x t 9 7 0 2 、c d t 等协议为主这些协议有个共同的特点即数 据以点号组织，各数据点之间没有联系，数据点代表的意义需要额外的配置 文件说明。可以称这些协议为传统变电站通信协议i e c 6 1 8 5 0 同传统的通信 协议有较大的区别，其针对互操作性建立了完整的技术支持体系，主要包括 如下要素1 ：面向对象的结构化信息模型；一致的、确定的信息语义及语义 约定规则；与信息模型进行了面向对象封装的通信服务：针对现有通信技术 和性能要求的通信协议栈映射。国内外各大设备公司均已开展了对i e c 6 1 8 5 0 标准的研究工作，部分厂家已经研发出符合i e c 6 1 8 5 0 标准的设备，i e c 6 1 8 5 0 的应用价值已经在国内外得到了肯定，其取代传统的通信协议成为变电站内 部网络的唯一标准将是必然的趋势。因此如何使得远动工作站符合i e c 6 1 8 5 0 标准，如何实现i e c 6 1 8 5 0 到传统通信协议的转换将是非常有必要讨论的问 题。 1 3 本论文的主要工作 本论文依托于实际的变电站自动化系统研发项目，通过分析变电站自动 化系统的特点、现状及发展要求，得出远动工作站的现实需求，在a r m 9 硬件 平台和w i n c e n e t 操作系统平台上完成了对远动工作站软件主要模块的设计 与实现的工作。在完成基于传统通信协议的远动工作站软件设计与实现的基 础上，分析了i e c 6 1 8 5 0 的特点，提出一个符合i e c 6 1 8 5 0 标准的远动工作站 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 软件模型，并对其中的关键技术进行了论述。论文的主要章节安排如下： 第一章首先论述了变电站自动化系统的发展与现状，从而给出本课题研 究的必要性及内容、安排及技术手段。 第二章阐述变电站通信网络的结构模式，并详细分析了在基于以太网通 信的变电站自动化系统中各种通信方式的优缺点，对多播技术在系统中的应 用进行了讨论。 第三章详细论述的远动工作站软件的设计与实现。主要包括数据库模块 和网络1 0 3 协议模块。 第四章对符合i e c 6 1 8 5 0 标准的远动工作站模型进行了探讨。对其中的关 键技术如模型的建立、协议的转换、底层映射的实现等进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章变电站自动化系统通信模式 远动工作站是变电站自动化通信系统中的关键设备，远动工作站软硬件 完成的功能、设计与实现方法都和变电站自动化系统的通信模式有很大的关 系。本章从变电站自动化系统通信网络结构入手。提出了一个完整的基于以 太网通信的变电站自动化系统解决方案。然后分析了基于以太网通信的变电 站自动化系统的通信协议和基于u d p i p 的通信方式的选择，目的是为远动工 作站软件的设计做好前期的准备工作。 2 1 变电站自动化系统通信网络结构 2 1 。1 集中式网络结构 如图2 1 所示，在这种结构下在变电站层、间隔层之间存在一个以通信 管理机设备为主的通信控制层。间隔层设备通过r s 一4 2 2 4 8 5 ，c a n 总线等技 术向通信管理机上送实时数据，通信管理机进行信息的整合与统一编址后， 转化为相应的多种通信协议将实时数据上送当地监控或远方控制中心。通信 管理机充当了规约转换器及远动工作站的角色。这种情况下通信管理机成为 全站数据通信的瓶颈，一旦通信管理机损坏，将导致全站以及到控制中心的 通信中断。通信管理机模式早期得到了广泛的应用，现在仍存在于很多低压 变电站中。 中心 图2 - 1集中式网络结构示意图 2 1 2基于嵌入式以太网的分布式网络结构 以太网技术应用于变电站自动化系统是变电站通信技术发展的趋势 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 2 - 1 4 。在采用以太网、t c p i p 网络技术构成的分布式网络控制系统中，以太 网传输的实时性随着快速以太网和交换式以太网技术的发展而得到解决。但 是底层网络的实时性只是为控制系统的实时性奠定了基础“”，而通信协议的 执行策略仍然影响着系统的实时性和可靠性，因此采用恰当的通信协议和通 信方式是变电站网络通信的关键。 在基于t c p i p + 以太网的变电站内部通信网络中，有多种协议( t c p 、u d p ) 和通信方式( 单播、多播、广播) 可供选择。本章后面将基于图2 2 所示的 系统具体研究基于u d p 协议的多播技术“耵在低压变电站自动化系统中的应用 和实现。 站控层 双以太罔 间隔层 l f p d i s a 等 图2 - 2 基于以太网的分布式系统结构示意图 在图2 - 2 所示的结构下远动工作站作为独立的设备存在，间隔层设备或 规约转换器将变电站实时数据发送到网络上，监控设备或远动工作站从网络 上获取需要的信息。网络上数据流获取方式灵活，可采用先进的网络技术， 如多播，虚拟局域网技术等。单个设备的损坏不会影响整个系统的功能，同 时由于传统的通信管理机功能分散到了多个具有独立c p u 的规约转换器和远 动工作站上，大大提高了系统的实时性。系统一般采用双机双以太网冗余配 置。其中以太网上的数据采用网络1 0 3 协议“”“1 传输( 本论文将在第3 章对 网络1 0 3 协议进行说明) 。对于具备双以太网接口和符合网络1 0 3 协议的i e d ( 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 ) ，可以直接挂在以太弼上运行。对于采 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 用其他通信协议或没有以太网接口的设备，需要通过规约转换器接入网络。 图2 - 2 所示的变电站自动化系统的主要设备包括： 1 远动工作站远动工作站处于变电站层，其主要功能是从间隔层设备 如保护测控装置或规约转换器收集遥信、遥测、遥脉等信息，经过规约转换 后以各种远动通信协议发送到远方控制中心。同时对接收到的来自控制中心 的调节控制命令能正确的转发到相应的设备上。远动工作站还要提供一些简 单的界面显示和历史数据存储功能。对变电站内部，远动工作站提供两个以 太网接口，直接从以太网上获取数据，采用的协议是网络1 0 3 协议。同时为 实现远动信息的传输，远动工作站提供了多个r s - 2 3 2 串口和以太网接口，远 动通信协议以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 、c d t 、x t 9 7 0 2 或基于网络传输的 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 为主。为方便组屏，远动工作站和规约转换器均采用插件式 设计，一个基于a r m 9 的远动工作站主插件、多个基于a r m 7 的规约转换器插 件以及一个电源插件共同组合到一个机箱中。规约转换和数据整合的功能分 散到各个功能插件，使得每个插件的负担较小，且某个插件的故障不会影响 全站的实时数据传输。本文将在第三章对远动工作站的设计与实现进行详细 的论述。 2 当地监控系统当地监控系统需提供两个以太网接口，直接从网络上 获取数据。对于没有提供以太网接口的监控设备，可以通过串口连接到远动 工作站上。监控系统提供专业的历史数据库和复杂的界面图形显示( 包括接 线图的制作与显示等) ，其功能与远动工作站部分重合，但不提供远动功能。 3 间隔层保护测控装置保护测控装置提供两个以太网接口，采用信息 主动上送的方式，不需要接受变电站层设备的轮询，因此突发信息能够得到 及时的传输。对于不提供以太网接口或不符合相应规约的的设备，需要经过 规约转换器接入通信网络。 4 规约转换器如果说远动工作站是变电站内规约到远动通信规约转 换的关键设备，那规约转换器则是变电站内部通信规约转换的关键设备。规 约转换器负责将不符合网络上通信协议或非以太网接口的设备接入到网络 中。对数据流的处理不同，规约转换器可以分为两类： ( 1 ) 透明传输变电站层设备如远动工作站可以看到规约转换器下面所接 装置的信息，规约转器对于变电站层层设备来说是透明的。如图2 - 2 所示， l f p 保护装置的实时数据经过规约转换器转化为网络1 0 3 协议后，发送到后 台和远动工作站，由后台和远动工作站进行遥信、遥测等信息的整合。此方 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 式下，后台和远动工作站均需要对全站的设备进行集中配置，特别是对于规 约转换器接子站的情况，将会有大量的配置工作。 ( 2 ) 信息整合后上传规约转换器对下面所接的信息进行整合后，以网络 1 0 3 报文上传。这种方式下规约转换器及下接装置被看作了一个子站处理， 自行进行信息的收集与处理，同时将整合的信息上送站控层。变电站层设备 只需对直接接入以太网的装置和规约转换器进行配置，而对规约转换器下面 接的装置和子站不需要进行配置。此时规约转换器已经类似于处理单个通信 协议的通信管理机，其本身对下面的装置信息需要进行详细配置。 由于基于以太网的变电站通信协议，多是采用主动上送的方式，而传统 的协议多是p o l l i n g ( 论询) 方式( 如串口1 0 3 协议) 。通信规则的不同导致 规约转换器在2 - 2 所示的系统中不能作为透明的通道传输。如图2 3 所示： 实际系统 主动上送 规约转换器 对多个装置进行轮询 图2 3规约转换器原理示意图 2 2通信方式的选择与多播技术的应用 2 2 1 基于u d p i p 的多种通信方式的比较 在基于图有2 - 2 所示的变电站通信系统结构下，可以选择t c p 或u d p 进 行站内数据的传输。以太网具有良好的兼容性、可扩展性以及异步工作方式 下很适合处理突发数据，因此t c p i p + 以太网已经成为变电站通信技术的发 展趋势。t c p 具有可靠性高但启动慢的特点，在一对多的通信模式下需要维 持多个连接，并不适合变电站内的大量实时数据传输。因此在变电站自动化 系统中多采用效率更高u d p 协议。文献 2 0 1 2 1 对变电站内部通信中t c p 或 争罱 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u d p 的选择问题进行了讨论。本文主要基于u d p i p 协议展开论述。 变电站间隔层网络上的信息主要分为三类：第一类为间隔层设备向站控 层设备发送的周期性数据，如遥信、遥测、脉冲量等：第二类为扰动时产生 的变位信号、s o e ( s e q u e n c eo f e v e n t s ) 及扰动记录等，此类信息突发性强， 需要快速可靠的传输。这两类数据一般由各个保护测控装置产生，同时需要 变电站层的多个后台或远动工作站接收第三类数据为交电站层设备向装置 发送的调节控制等命令。此类数据一般以一对一的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模 式进行。 在基于u d p 变电站通信系统中，有单播、多播、广播通信方式可供选择： 1 单播是点对点的单一目的的数据包传递。在每个发送者和接收者之 间需要单独的数据通道，如果想给不同的目的地址发送相同的数据包，则需 要不断地重复相同的工作。若目的地址太多，则会给发送方带来很大负担， 造成过大的延迟和网络阻塞。对于间隔层的保护测控装置。采用单播发送多 个副本给多个后台或远动工作站将给装置c p u 带来较大的处理负担，同时网 络上出现同一报文的多个副本，无谓消耗了网络带宽。单播只适合于一对一 的通信，如变电站层对间隔层设备的遥控命令、调定值命令以及对丢失报文 的重传请求等的传输。 2 广播同时给同一子网中所有主机发送数据包，会增加非接收者的开 销。 在高压变电站中常采用广播通信方式进行实时数据的传输。间隔层设备 将保护、测量信息以广播方式发送到网络上，网络上的所有设备，包括变电 站层设备和间隔层设备都将收到广播报文。对于报文接收方的变电站层设备， 报文达到应用层后被规约程序解析。对于间隔层设备，如保护装置和规约转 换器等非接收方，此无用报文应该丢弃，但由于采用的广播方式，报文在协 议栈中会有两种处理方式：报文会通过设备驱动、i p 层到达u d p 层，u d p 层将搜索所有的u d p 协议控制块，如果没有应用程序注册了此端口号，那么 u d p 将丢弃该报文( 图2 - 4 中所示) ；若有应用程序注册了此端口号，u d p 层不会丢弃该报文，而直至保护装置的应用层规约解释程序才会丢弃该报文 ( 图2 - 4 中所示) 。所以对于非数据接收方的保护装置和规约转换器而言， 最有利的情况也是在u d p 层才丢掉报文。 广播相对实现简单，网络i p 报文的地址也是单一的广播地址。高压变电 站一般采用高端c p l 3 或专门的通信c p u ，应用层对不关心的报文可以迅速解 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 码并丢弃而不影响保护功能。特别是对于校时命令等需要全站设备接收的信 息，广播是很好的选择。 丢弃 丢弃 应用层规约 解释程序 4 l1 l u d p f l l f - 鱼 。播 1 设备驱i q l 动程序i 不 i 接口卡i 的期 多播 图2 - 4 侨议栈各层对收到帧的过滤过程 低压变电站由于保护测控装置的硬件平台配置较低，例如保护装置一般 采用1 6 位单片机( 如i n t e l 公司的8 0 2 9 6 s a ) 作为主处理器，通信、人机界 面、保护逻辑都由一个c p u 负责。如果采用高压变电站的通信方式，网络上 频繁出现的广播报文将会使主c p u 不堪重负，甚至影响到保护功能，而且对 于大量的需要一对多传送的间隔层保护测量信息，同样难以用单播方式实现。 本文根据低压变电站硬件配置低但实时性与可靠性要求高的特点提出基于多 播方式的低压站实时数据传输策略。 2 2 2多播的应用 在i p v 4 中，d 类地址范围2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 划分为多播地 址，划分如下”“：局部链接地址：2 2 4 0 0 0 2 2 4 0 0 2 5 5 ，用于局域 网，无论t t l ( 生存时间) 怎样变化，多播路由器不转发属于此范围的i p 包： 预留多播地址：2 2 4 0 1 0 2 3 8 2 5 5 2 5 5 2 5 5 ，用于全球范围或网络协议； 管理权限地址：2 3 9 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2