（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850变电站自动化通信网络的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i 也t h ed e v e l o p m e n to ft h ce t h e m e ta n dt i mn o v e le l e c t r o n i ct r a n s d u c e r 订s d u 哪a n d i n t e l l i g e n ts w i t c b g e a t ，t h ep a r a l l e lw i r i n gt ol i n tt h ew n e e s sl e v e l a n dt h eb a yl e v e lo fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mw i l lb er e p l a c e db ys e f i a lo p t i c a lc a b l e 。d i g i t a ls u b s t a t i o nw i l lb e c o m ep o p u l a r ，t h e c o n f i r m a t i o no f1 e c 6 1 8 5 0w i l ld e l e t et h eo b s t a c l eo ft h et e c h n i q u ea n ds t a n d a r df o rt h eo p e r a t i n go fd i g i t a l s u b s t a t i o n 。 t b et h e s i ss t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c ao ft h es t r u c t u r eo fs u b s t a t i o na n dd a 扭s i t r i g s , p r o v et h e p o s s i b i l i t ya n du s i n go fe m b e d d e de t h e m e t i nt h ec o m m u n i c a t i n gs y s t e mo fs u b s t a t i o n ，i n c l u d i n g “a i n o n en e t a n dt h et r a i s i e n tm e t h o d ，t h em e t h o di n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e b g a t em o d e l ： c h a s i n g ，s t u d y i n g a n da b s o r b i n g h es t u d y i n gf r u i to ft h ei e c 6 1 8 5 0 , w i t ht h ep sm o d e la n d1 e c 6 1 8 5 0 s t a n d a r d s t h r o u g hu s i n gt h e n c e p to f c l a s s i nt h et h e o r yo fm o d e l i n gf a c i n gt oo b j e c t td i s c u s s e dt h e t r a n s m i s s i o nm e t h o do fs a m p l e dv a l t i e so fs u b s t a t i o np r o c e s sl e v e l t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec o n c t e t e u a n s m i s s i o n m o d u l ea 他d i s a i s d i n t h i s d i s s e r t a t i o n 。1 kc o n f i g u r a t i o n a n d m a p p i n g o f t h es a m p e d v a l u e t r a n s m i s s i o nm o d e l ，f u n e t i o nm o d e lo ft h em e r g i n gu n i t t h et h i s i sp i f o p o s c dt h es c h e m eo fs a sn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nb a s e do ni b c 6 1 8 5 0 + 吣l s + t c p i p ： w i t ht h es t u d yo f p u b l i s h s u b s c r i b em o d e l p r o p o s et oh s ei ti ns u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d t r yt ob u i l dam o d e lo ft h es u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s o l v e ds o m ei m p o r t a n tp r o b l e m si nu s i n g p r o c 搬，s t u d i e dt h er e l i a b i l i t yi n 坤a l - t i m ee n v i r o n m e n ta n dr e a l i z et h ep r lc o n t r o l ，i tm a y b ei r e p r o v et h e e f f i c i e u c yo fc o m m u n i c a t i o no fs u b s t a t i o nt h a n1 1 址s e r v e r c l i e n tm o d e lu s e di ns u b s t a t i o n s c o m m u n i c a t i o n k e y w n e d s s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，e t h e m e t ，c o m a n m i c a t l o n ，r t p s ，e v e n t n o t i f i c a t i o n s 盯y 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。 研究生签名：缝螽乏兰 e l期：旦善- r 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、缩印或其它复制手段保存论文。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。 研究生签名：刍! 宣丝导师签名：_ f j 一 第一章绪论 1 1 变电站自动化技术概述 l i 1 变电站自动化的概念 第一章绪论 变电站是输配电系统的重要环节，传统的变电站二次回路部分是由继电保护、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以往它们各自采用独立的 装置来完成自身的功能且均自成系统，由此不可避免地产生各类装置之间功能相互覆盖，部件重复 配置，耗用大量的连接线和电缆。近年来，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：( 1 ) 结构复杂、可靠性不高；( 2 ) 供电质量缺乏科学的保 证；( 3 ) 占地面积大，增加征地投资；( 4 ) 维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行管理 水平和自动化水平；( 5 ) 不适应电力系统快速计算和实时控制的要求。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高速发展，为变电站 自动化技术的发展提供了基础和保证从2 0 世纪8 0 年代初开始，国内外纷纷开始变电站自动化系 统的研究与开发。 变电站自动化的内容应包括电气量及某些非电气量的采集和电气设备( 如断路器等) 的状态监 视、控制和调节，实现变电站的正常运行和管理，保证变电站的正常运行和安全：在发生事故时， 进行瞬态电气量的采集、监视和控制( 由继电保护、故障录波等完成) ，迅速切除故障，完成事故 后的变电站恢复正常运行的操作。从长远的观点看，还应包括高压电气设备本身的监视信息( 如断 路器、变压器、避雷器等的绝缘和状态监视等) ，需要将变电站的信息除传送给调度中心、运行方 式科、继电保护工程师之外，还需要传送到检修或维修中心，为电气设备的监视和制定维修计划而 提供原始数据。变电站自动化可以实现变电站内的信息资源共享，减少变电站的费用和造价，提高 变电站运行和管理水平，减少维护工作量。提高维护水平，带来巨大的经济效益l l “ 1 1 , 2 变电站自动化系统的结构形式 目前国内外变电站自动化系统大体可分为三种结构：集中式、分散式、以及集中和分散结合式。 1 )集中式结构：初期的变电站自动化系统设计都是采用集中式结构。这种结构的设计方法是 将设备按不同功能进行归类划分，形成若干个独立系统，各系统分别采用集中装置来实现 自身的功能，这种方式的缺点是资源不能共享，设备设置重复、且运行的可靠性低、功能 有限、也不能大量节省电缆、屏框和占地面积因而这种结构方式并没有得到广泛的推广 应用。 2 )分散式结构：这种结构方式一般是按一次回路进行设计。首先梅设备按一次安装单元划分 成若干单元。将控制单元、微机保护单元、数据采集单元安装在户外高压开关附近或户内 开关柜内。然后将各个分散单元用网络电缆互连，构成一个完整的分散式自动化系统。这 种分散式结构具有很多的优点：各个功能单元上有通信联系，又相对独立便于系统的扩展， 便于维护管理，当某一环节发生故障时，不至于互相影响。此外，它的可靠性强，可以把 电度计量、测量表记、控制、保护、远动合为一体。可使数据统一，避免设备重复设置 在二次设计上能最大限度的减少二次设备的占地面积和节省大量电缆及接线。 3 ) 集中与分散结合式结构：这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形式较多。但 是目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构具有分散式结构的全部优点， 由于采用了集中式组屏，非常有利于系统的设计。安装与维护管理。因为中低压变电所的 一次设备比较集中，所以这种结构方式比较适合用于中低压变电站。 1 1 3 数字化变电站自动化系统 随着智能化开关、光电式电流电压互感嚣、一次运行设备在线状态检测及自诊断、变电站运行 操作培训仿真等技术日趋成熟，一些传感器和控制器基于新的物理测量原理为一次设备增添了新的 功能，提高了测量精度，降低了电流电压动态测量范围的误差。这些新技术的广泛应用，必将对己 东南大学硕士学位论文 有的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现，目前，国内已有 数字化变电站投入试运行。 数字化变电站自动化系统的特征 数字化变电站自动化系统大致有以下几个特点： n智能化的一次设备：一次设备被检涮的信号回路和被控制的操作驱动回路。采用微处理器 和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信 号网络取代传统的导线连接。换言之变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编 程控制器代替常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。 网络化的二次设备：变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、防误闭 锁装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制，同期操作装置以及正在发展中的在线 状态检测装置等全部基于标准化，模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用 高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复的工程现场接口，通过网络真正实现数 据共享，资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。 3 1自动化的运行管理系统：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对，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”。 数字化变电站自动化系统的结构 在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关。光电式互感器机电一体化设备 的出现，变电站综合自动化技术迈进了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测 控装置、故障录波及其他自动装置的f o 单元，如a g o 变换、光隔离器件、控制操作回路等将割裂 出来作为智能一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器，数字化控制回路代替 了常规继电保护装置。测控等装置的i o 部分：而在中低压变电站则将保护，监控装置小型化，紧 凑化。完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计数字化变电站自动化系统的结构在物 理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备。在逻辑结构上分为三个层次，根据 i e c 6 1 8 5 0 标准定义，在逻辑结构上数字化变电站自动化系统分为三个层次，分别是“变电站层”， “间隔层”，“过程层”。各层次内部和层次之间采用高速网络通信。三个层次的关系如图1 - 2 所 示： 1 1变电站层：变电站层的主要任务是：通过高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实 时数据库，按时登录历史数据库：按既定协约将有关数据信息送往调度或控制中心；接收 调度或控制中心有关控制命令并转间隔层，过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁 控制功能；具有( 或备有) 站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等 功能以及图像声音等多媒体功能；具有对间隔层，过程层设备的在线维护。在线组态， 在线修改参数的功能；具有( 或备有) 变电站故障自动分析和操作培训功能 筋问隔层：闻隔层的主要功能是：汇总本闻隔过程层实时数据信息；实施对一次设备保护控 制功能；实施本间隔操作闭锁功能：实施操作同期及其他控制功能；对数据采集，统计运 算及控制命令的发出具有优先级别的控制 承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程 层及变电站层的网络通信功能，必要时，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通 道的冗余度，保证网络通信的可靠性。 翁过程层：过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能化电气设备的智能 化部分，其主要功能可分为三类：( 1 ) 电气运行的实时电气量检测。即利用光电电流、电 压互感器及直接采集数字量等手段，对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测。( 2 ) 运 行设备的状态参数在线检测与统计。如对变电站的变压器、断路器、母线等设备在线检测 温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。( 3 ) 操作控制的执行与驱动。 在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精 度进行控制，如能使断路器定向合闸、选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关台和开 断，要求操作时间限制在规定的参数内 数字化变电站自动化系统和国际标准接轨，系统结构更趋合理。符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自 动化体系结构逐步建立。显然，随着这种符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化体系结构的建立，原来 的以太网加现场总线的站内网络结构已经不能适应这种。一网到底”的通信模式。难c 6 1 8 5 0 是一个 规范统一的标准，它将站内的所有数据通信单元都规范为标准的接口，即所有智能i e d 的生产商都 2 第一章绪论 必须按照i e c 6 1 8 5 0 的标准生产过程层或间隔层的设备，因此，我们可以考虑用以太网技术将变电站 层、间隔层与过程层的所有设备都直接连接到以太网上，从而实现“一网到底”为了保证数据传 输高可靠性，采用取以太网冗余配置如图1 - 1 所示。 从系统结构可以看出变电站自动化系统中重要的自动化设各都直接上以太网，避免经过变电 站层的数据处理和l e d 的i o 单元上以太网，从而减少了通信处理及转换的中间环节。增加了系统 的可靠性 6 - 图1 - 1 基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站通信系统模型 1 2 变电站自动化通信网络 随着变电站自动化水平的提高，随着变电站从以前的3 5 k v , 1 1 0 k v 等中低压变电站向2 2 0 k v 甚 至5 0 0 k v 高压超高压大型变电站发展，系统的通信量大为增加，这是因为：一方面变电站自动化 系统要监视和控制的对象数目剧增：另一方面，高压、超高压变电站自动化系统会使用比中、低压 系统更多的数字式继电保护等智能化电子设备( i e d ) ，这些设备需要通过内部通信网络传输大量的 遥测、故障录波等信息，特别是在发生故障时需要传输的信息量会更大，因此变电站内的通信能力 成了变电站自动化的关键，通信网络的快速性，可靠性与确定性决定了变电站系统的可用性。高压、 超高压变电站自动化系统对内部通信网提出了更新、更高的技术要求，目前在变电站自动化系统中 广泛使用的现场总线通信网络由于速度和带宽上的限制，满足不了这些要求，必须使用新的通信技 术，研制出高性能的通信网络来满足高压，超高压变电站自动化系统发展的需要。 1 2 i 变电站自动化系统与主站的通信 变电站自动化系统应具有与电力系统控制中心通信的功能，不另设独立的远动装置，而由变电 站自动化系统的上位机( 或称集中管理机) 或通信控制机执行远动功能。集中管理机把变电站所需 测量的模拟量、电度量、状态信息和s o e 等测量和保护信息传送至主站( 这些信息是变电站和主站 共用的，不必专门为送主站而单独采集) ，并接收主站的远方控制命令。同时这一通信网络可通过直 接与变电站或间隔内总线接口而实现，无需另建通信网络。 变电站和调度中心之间的传输规约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 、s c - 1 8 0 1 、d n p 3 0 等一些规约，1 9 9 5 年正c 为了在兼容的设备之问达到互换的目的，颁布了 m 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 ，该规约为调度端和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 c y r 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 1 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i i “。 1 2 2 变电站内的通信结构，数据流及报文分类 变电站内的通信结构与接口 东南大学硕士学位论文 根据国际电工委员会( m c ) 指定发布的变电站通信网络和系统系列标准m c 6 1 8 5 0 ，变电站自 动化系统按功能在逻辑上分为三个层次：变电站层、间隔层和过程层。过程层包括变压器、开关、 电压互感器、电流互感器等一次设备；问隔层包括保护设备、监控设备等智能电子设备( 皿s ) ；变 电站层通常由配有数据库的计算机、操作场所，远方通讯接口等组成。具体结构如图l 所示： 变蝴 同孺，j i j e 层 鼍禽彝妒 匡重虱匡亘画 f l1 l _ _ 争l高压设备_ 争_ 。：- 圈1 - 2 变电站自动化功能层与逻辑接口 罩才， 在具有疋c 6 1 8 5 0 的分层分布式变电站自动化系统中，主要的通信层次如下： 1 过程层与问隔层问的通信接口 间隔层的设备有控制测量单元或继电保护单元，或两者都具有。过程层的高压断路器可能有智 能传感器和执行器，可以自由地与间隔层的装置交换信息。间隔层的设各大多数需要从设各层的电 压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息， 这些信息包括：断路嚣和隔离开关位置、主交压器分接头位置、变压器、互黪器、避雷器的诊断信 息以及断路器操作信息。 目前这一接口常用的是采用串行接入的方式实现，随着m c 6 1 8 5 0 的推广，光p r 、光c t 在过 程层的应用和间隔层某些功能下放，过程层直接接入以太网将成为发展方向。 2 闯隔层之间的通信接口 不同间隔之间的数据交换主要有：主、后备继电保护工作状态、互锁、相关保护动作闭锁、电 压无功综合控制装置等信息。 3 间隔层和变电站层问的通信接口 闻隔层和变电站层通信内容很丰富，概括起来有以下3 种： 1 )测量及状态信息。正常和事故情况f 的测量值和计算值，断路器，隔离开关，主变压器分 接头开关位置、各单元运行状态、保护动作信息等。 甜操作信息。断路器和隔离开关的分、合命令主变压器分接头位置的调节，自动装置的投 入与推出等。 参数信息。微机保护和自动装置的整定值等。 此通信接口的实现按照不同的变电站规模，目前现场总线和以太网是主要方式。在实际应用当 中两层之间有时还会多一个通信管理层，以太网的普遍应用和通信管理层的取游将是发展的趋势。 变电站内的数据藏及报文分类 数据流失指在一个给定时间间隔内的数据交换，这种数据交换可能是连续的或由事件驱动的。 4 第一章绪论 分布实时应用在它的不同部分有不同的数据流类型，数据流类型可以简单到传感器送来的温度值， 也可以复杂到几百个传感器通过网络进行数据交换以保证控制过程正常运行。在分析这些不同的复 杂数据时。我们必须理解这些不同数据的类型，属性和模式。 在i e c 6 1 8 5 0 标准下，变电站分为三层，需要传输的数据流有以下几种： 1 1 间隔层内的通信3 间隔层的设备有控制测量单元或继电保护单元，或两者兼备 在一个间隔层内的相关间隔功能间或设备间的数据流即是在继电保护和控制、监视、测量之间 的数据流。或是两个或多个继电保护功能，设备间的数据流。这类信息有测量数据，断路器状态，器 件的运行状态，同步采样信息等。 间隔层之间的通信8 不同间隔层之间的数据交换有：主，后被继电保护工作状态，互镇，相关保护动作闭锁，压力 无功综合控制装置等信息。 3 1 问隔层变电站层通信1 ，6 间隔层和变电站层的通信内容很丰富。概括起来有以下3 类： a 测量及状态信息。正常和事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔离开关、主变压器分 接开关位置，各间隔层运行状态，保护动作信息等。 b 操作信息。断路器和隔离开关的分，合命令，主变压器分接头的位置的调节，自动装置的投 入和退出等。 c 参数信息。微机保护和自动装置的整定值等 铆过程层间隔层通信4 ，5 在间隔层和高压一次设备的智能传感器和执行器之间的数据流。间隔层的设备大多数需要从过 程层的电压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊 断信息，这些信息包括：断路器和隔离开关位置，主变压器分接头位置、变压器、互感器、避雷器 的诊断信息以及断路器操作信息。 5 、站问通信2 在当地和远方站继电保护单元之间的模拟信号或二进制信号的数据流。为了互锁，这一种数据 流也可能存在于控制单元间。 6 )站电网控制中心之间的通信1 0 变电站和一个远方控制，监视中心之间的数据流。远方中心可能是一个具有固定的链路连接的同 络控制中心，或具有通过公共网络的拨号链路的维修中心，事件可以由一个外部时钟或集成到系统 中的时钟和变电站同步。 n 站工程师站之间的通信7 变电站层与远方工程师工作站之间的交换数据 8 ) 变电站层的内部通信9 变电站层的不同设备之间的通信，要根据各设备的任务和功能的特点，传输所需的铡量信息， 状态信息和操作命令等。 从上述对数据流的分析可以看出，变电站自动化网络通信系统是一个典型的实时系统，其不同 部分，不同时期的数据流具有不同的实时性要求。1 e c 6 1 8 5 0 定义了7 种报文类型即：快速报文、 中速报文、低速报文，原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。 通过分析和研究，从时域的角度，可以把上述变电站自动化系统中7 种类型的报文分为3 种类型： 周期性数据，随机性数据和突发性数据。 1 、周期性数据：周期性数据稳定，连续且变化量小。原始数据报文属于周期性数据，主要是 过程层通过接口4 ，周期性地向间隔层传递过程采样数据。根据i e c 6 1 8 5 0 标准的规定，对 于不同性能级别，该类数据传输一般要求在3 m s 或1 0 m s 内完成。 劲随机性数据：低速报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文属于随 机性数据，这类通信一般符合泊松分布，传送报文的数据量大，但时间稍宽松。 卦突发性数据：快速报文，中速报文属于突发性数据，报文数量少，但时限要求高 变电站内局域同的通信规约目前各生产厂家基本上各不相同，造成不同厂家设备通信连接的困 难和以后维护的隐患 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，国家经贸委在1 9 9 9 年颁雍了 1 0 3 规约的国内版本d l t 6 6 7 1 9 9 9 ，1 0 3 规约为继电保护和间隔层( i 功) 设备与变电站层设备问的 5 东南大学硕士学位论文 数据通信传输规定了标准，今后变电站自动化站内协议要求采用1 0 3 规约1 1 “6 1 1 2 j 变电站自动化通信的特点与要求 1 变电站通信网络的功能要隶 通信网络的根本任务是解决综合自动化系统内部以及与其他系统之间的实时信息交换，而网络 是不可或缺的功能载体，构建一个可靠、实时、商效的网络体系是通信系统的关键之一，2 0 0 0 年国 际大电网会议第3 4 组保护与控制讨论和介绍了变电站自动化及其通信系统，其基本一直的思想就是 通信技术是变电站自动化系统的关键。 网络通信网络是连接站内各种智能电子设备( i e d ) 的纽带，因此它必须能支持各种通信接口， 满足通信网络标准化。 随着变电站的无人化以及自动化信息量的不断增加，通信网络必须有足够的空间和速度来存储 和传送事件、电量、操作、故障以及录波等数据。为改善电压运行质量。无人值班变电站要求通信 网络具有电压无功自动调节功能、系统对时功能等。另外自诊断、自恢复以及远方诊断在线状态 检测是针对运行维护提出的几项功能要求。 2 变电站通信网络的性能要求 由于数据通信在变电站自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的技术核心。 而由于变电站的特殊环境和变电站自动化系统的要求，使变电站自动化系统内的数据网络具有以下 特点和要求： 1 ) 快速的实时响应能力变电站自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和 操作控制信息。在电力工业标准中对系统的数据传送都有严格的实时性指标，网络必须很 好地保证数据通信的实时性。 2 )很高的可靠性。电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行，通信网络的故障 和非正常工作会影响整个变电站自动化系统的运行，设计不合理的系统，严重时甚至会造 成设备和人身事故，造成很大的损失，因此变电站自动化系统的通信子系统必须保证很高 的可靠性。 3 ) 优良的电磁兼容性能。变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存在电源、雷击、跳闸等强 电磁干扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须采取相应措施消除这些干扰 的影响。 4 ) 分层式结构。这是由整个系统的分层分布式结构所决定的，也只有实现通信系统的分层。 才能实现整个变电站自动化系统的分层分布式结构，系统的各层次又各具有特殊的应用条 件和性能要求，因此每一层都要有合适的网络系统 3 信息分类和传输响应速度的要求 变电站内不同类型的信息要求传送的时闻差异很大，其具体分类如下： 1 )周期性传送的数据。主要是正常运行时，间隔层设备按一定周期定时发送给变电站层设备 的开关状态信息和模拟量数据( 或者是变电站层设备按一定的轮询周期定时召唤) 。若考虑 问隔层与过程层之间的过程总线，则过程层的电子式互感器传递给问隔层设备的采样数据 也属于周期性数据。这类数据相对稳定、变化量小，但数据量大、时间要求严格。 2 )随机性传送的数据。随机性数据属于外部事件驱动的数据。由外部事件触发，主要包括以 下两类： 九 开关操作命令、保护功能联锁、时间同步、变压器分接头调整、电容器投切等，这些 数据长度较短，传输性能需满足快速报文( i e c 6 1 8 5 0 ) 要求。 b 保护定值修改、事件记录查看、录波数据传输、文件传输等，这些数据长度较长，但 传输时间实时性要求相对较低。 c 突发性传送的数据。突发性数据主要是故障情况下间隔层设备上传的保护动作信息、 开关变位信息和事件顺序记录( s o e ) 信号，传输事件需满足快速( 中速) 报文要求 这类数据报文长度较短，但要求传输的时间集中，具有突发性特点。 根据i e c 6 1 8 5 0 中5 一1 2 定义变电站报文可分为7 类，包括快速报文、中速报文、低速报文、 原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和存取控制的命令报文。按性能报文分为两类，一类 是保护和控制相关的，一类是计量和电能质量相关的。报文根据功能要求进行定义，与变电站大小 6 第一章绪论 无关。 与保护控制相关的性能级分为p l 、p 2 、p 3 ( 计量类为m l 、峨、m 3 ) ，不同的性能级对时间考求 指标不同。p 3 等级要求最高，它应用于输电线路间隔层的保护控制功能，具有极高的时钟同步性能。 电流、电压采样值信息是变电站原始数据报文类型的信息，对于此报文的不同性能分类其信息性 能要求差异也比较大，如对于保护的性能级p 1 ，要求其采样率为4 8 0 点s ，同步采样准确度是士2 5 us 而对于性能级p 3 ，要求其采样率为1 9 2 0 点s ，同步采样准确度是土1i ts 。如表1 - 1 。 表1 - 1 互感器用标准电子装置l e d 时间同步报文性能要求 对阃性能类精度( 1 s )；俑相角( ) 5 0 h z褶角( ) 6 0 l t z故障定位( | ) t 3士2 5p i2 73 27 5 0 0 t 4 4p 2m 1451 2 0 0 t 5lp 3舷3ll3 0 0 1 , 2 a 变电站内自动化通信方式 在变电站自动化系统十多年的发展历程中，其通信技术的发展大致可分为三个阶段：即简单的 串行通信技术、现场总线技术以及以太网通信技术。 1 串行通信方式 早期的变电站自动化系统中，广泛采用简单串行通信技术来构建通信网络。使用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线将保护设备联在一起，用主从方式通信，这种方式简单，实际上是串行点对点通信，随着变电 站电压等级和变电站规模的变大，在实践中暴露出以下问题： 1 ) 通信速率低。一般不超过9 6 k b s ，无法满足实时传输大量数据的要求。 2 )数据通信方式为命令响应式，系统构架灵活性和通信实时性差，在超高压变电站中情况更 为严重。 3 ) 网络上只能有1 个主接点，无法构成多主冗余系统，系统可靠性低。 4 ) 各从站之间无法直接通信，只能通过主站中继才能相互通信。 5 ) 节点数目比较少，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l o 个节点，r s 4 8 5 串口构成一主多从，只能接3 2 个节点 随着用户对变电站自动化系统的功能和性能不断提出新的要求，上述问题显得日益突出备厂 商便把目光转向在工业控制中使用的现场总线技术。 2 现场总线技术 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是8 0 年代末发展起来的新技术，由于基于网络技术的现场总线无论 在通信速率和实时性，还是在可靠性和组网的灵活性上，均远高于简单的串行通信技术。在很短时 间内便成为变电站自动化系统主流通信技术，同时也使变电站自动化系统的整体结构发生了本质的 变化。 中型枢纽1 1 0 k v 变电站节点数一般为4 0 个左右，多主冗余要求和节点数量增加使r s 4 2 2 和 r s 4 8 5 难以胜任。现场总线却能得心应手，总线网将网上所有节点连接在一起，可以方便的增减节 点：具有点对点、一点对多点和全网广播传送数据的功能；常用的有l o n w o r k s 网、c a n 网。 l o n w o r k s 网上的所有节点是平等的c a n 网可以方便的构成多主结构，不存在瓶颈问题，两 个网络的节点数比r s 4 8 5 扩大多倍，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。 两个网络均为中速网络，5 0 0 m 时l o n w o r k s 网传输速率可达 m b s ，c a n 网在小于4 0 m 时达1 m b s ， ( m n 网在节点出错时可自动切除与总线的联系。 l o n w o r k s 网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网，嶷介访问方式c a n 同为问答式， 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n t a l k 协议。据近 年变电站应用的经验，l o n w o r k s 网可作为目前一般中型1 1 0 k v 枢纽变电站自动化通信网络。 但是，随着变电站自动化系统功能和性能要求的迅速提高，现场总线技术的诸多局限性在超高 压变电站中逐渐暴露出来，通信技术又一次成为变电站自动化系统发展的关键问题 7 东南大学硬士学位论文 现场总线是专为小数据量工业控制领域的通信设计的廉价网络，当作为变电站自动化的主干网 时，总体性能随节点数的增长迅速下降。由于强调专用性而牺牲了通用性，长期缺乏统一的国际标 准在通信节点多、通信数据量大的变电站中，以下不足较为突出： 幻当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率迅速下降，不能适应大型变电站对通信的要 求。 坊由于标准不统一，许多网络设备和软件需专门设计，因而变电站自动化的通信网络标准很 难开放，目前的状况是各厂家都有自己定义的通信协议。 曲通信网络的抗干扰能力受到严峻挑战，其电磁兼容性能值得关注。 d 1有限的带宽，使大量数据的传输延迟大到不能令人满意。 现场总线的成功和不足，让我们认识到变电站自动化通信系统需要网络技术更需要宽带、通 用和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠性、经济性、通用性等方面的综合评估中。 以太网凭借其压倒性的优势成为变电站自动化系统通信技术发展的趋势。 3 以太网技术方集 变电站自动亿系统向2 2 0 k v ，3 3 0 k v ，5 0 0 k v 超高压大型变电站发展，现场总线的一些局限性也逐 渐表现出来，不能满足超高压大型变电站自动化系统的要求。随着计算机软、硬件的发展，工业控 制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件，设计者可以在单片机系统上实现以太网技术即嵌 入式以太网。嵌入式以太网的出现为变电站自动化系统的设计者提供了实现站内通信网络的新途径。 目前国外一些著名大公司已经利用嵌入式技术将以太同用于它们最新推出的变电站自动化系统，如 g e 公司将以太网接口傲在保护装置中，g e - - h a r r i s 公司推出了带双以太网接口的d 2 5 测控单元装置， a b b 也推出了带以太网接口的间隔控制器r 5 8 0 。 嵌入式以太网是基于p p m c u 的软硬件环境的。利用嵌入式设计技术在微控制器( m c u ) 或微 处理器( p ) 和以太网控制器上实现的以太网与传统以太网在物理上都遵循i e e e8 0 2 3 标准，逻 辑上大都选用广泛使用的t c p i p 协议族嵌入式以太网与传统以太网的最大区别在于：后者是基 于p c 机或工作站的软硬件环境的，与p c 机、工作站的硬件直接配合，使用的网络协议( 如t c p i p 等) 内嵌在w i n d o w s n t 、u n i x 等操作系统之中，总脱离不了p c 机或工作站的软、硬件环境，因而 使其在工业控制领域的应用受到限制；而嵌入式以太网是基于微控制器微处理器的软、硬件环境 的，使用的网络协议族( 如t c p i p ) 内嵌在r t o s 之中，因而使其应用于工业控制领域大为方便【l + 刈。 1 2 5 变电站自动化通信网络发展趋势 以上三种通信方式的应用。在时间上虽有一定的先后性，但并不存在前后替代的关系。由于三 种方式各有特点，到目前为止，这三种通信网络方案还在不同的变电站自动化系统中得以运用，只 是使用的场合和组合方式不同而已 由于以太网所具有的高带宽、传输速率高、抗干扰、拓扑结构灵活等优点，已大量使用于工业 控制领域。未来变电站自动化系统的通信网络中嵌入式以太网的采用，结合各种串行通信和现场总 线技术，发展当今流行的i n t e r n c t 、w e b 等网络通信技术，将是大势所趋。 1 3 本课题的任务 本文的主要任务如下： 分析了变电站自动化通信的特点及未来的发展趋势； 分析了变电站自动化系统中的通信结构和数据流特点，论证了通过嵌入式以太网技术在变电站 自动化通信网络中实现i e c 6 1 8 5 0 标准的可行性并提出了具体实现方式； 给出了变电站过程层的采样值传输方式、基本原理及具体的传输模块，对采样值传输模型进行 了构建和映射；对于i e c 6 1 8 5 0 标准中首先出现的合并单元进行了重点的分析，对其原理及功能都做 了详尽的阐述，最后提出了基于i e c 6 1 8 5 0 + m 6 + t c p i p 协议的变电站自动化同络通信的可行方案。 将事件通知服务运用到变电站自动化通信网络中，仔细探讨并解决了应用过程中的几个关键性 环节，特别针对变电站通信的特点研究了实时性与可靠性的控制策略以及优先级的控制方法，针对 目前变电站通信中普遍应用的s v t v c r c l i e n t 通信模式是一种较大的改进。 8 第二章以太同技术及其在变电站自动化系统中的可行性 第二章以太网技术及其在变电站自动化系统中的可行性 2 1 以太网技术的诞生 1 9 7 3 年施乐公司( x e r o x ) 开发了一个设备互连技术并将这项技术命名为。以太网( e t h e r n e t ) ”。 e t h e m e t 采用了总线竞争式的介质访问方法，它的闯世是局城网发展史上的一个重要里程碑。1 9 7 9 年x e r o x 与d e c 、i n t e l 共同起草了一份1 0m b p s 以太网物理层和数据链路层的规范，称为d i x i 0 ( d i g i t a l 、i n t e l 、x e r o x ) 规范脚1 1 9 8 0 年2 月( 美国) 电气电子工程师学会( i e e e ) 成立了专门负责制定局域网络标准的i e e e 8 0 2 委员会。1 9 8 2 年，d i x 修改并发布了自己的以太网新标准：d 1 x2 0 。此后，这三家公司将此规范提 交给i e e e 8 0 2 委员会，经过i e e e 成员的修改并通过，1 9 8 9 年最终成为i e e e 的正式标准，并编号 正e e 8 0 2 3 。 根据最初的以太网标准，一个以太网应包括一根叫做以太( e t h e r ) 的同轴电缆，多台计算机连接在 这根电缆上。工程师们称以太网的同轴电缆为两段。一个以太网网段在长度上限制为5 0 0 米，并且 标准要求在每一对连接之间晟少相隔3 米。最初的以太网硬件运行在1 0 m b p s 的带宽上。以太网技 术自出现至今一直不断刨新，不断建立新的速度和新的介质系统，以及新的以太网功能。在传输速 率方面。以太网先后推出了1 0 1 , p s , 1 0 0 mb ps ，l 0 0 0 mb ps 甚至l gb ps 系统。传输介质已不再局 限于同轴电缆( 包括粗缆、细缆) ，双绞线和光纤介质的推出更是改变了传统以太网总线型拓扑结 构。使用双绞线和光纤介质、结构化布线和星型拓幸卜不仅使得以太两组网更灵活、简单。而且更易 于排除故障和网络管理。在功能方面，以太网交换技术的出现使以太网由共享走向交换，显著提高 了以太网的性能。 2 2 传统以太网技术 2 2 1 接入方式 信号从发送计算机向共享电缆的两端传播。在帧的传输过程中发送计算机独占使用整个电缆， 其他计算机必须等待。在此计算机完成帧传输后，共享电缆才能为其他计算机使用。为了能使所有 计算机共享通信介质，以太网运用了关键的协调传输机制。以太网不使用中央控制器来通知每台计 算机怎样按顺序使用共享电缆，而是所有连接在以太网上的计算机都参与一种叫做多路存取载波侦 听( c a r r i c l s e n s em u l t i p l ea c c e s s c s m a ) 的分布协调方案。c s m a 允许每台计算机分别确定共享线 路是否已被其他计算机使用，所以它能防止计算机打断一个正在进行的传输。一个计算机在发送数 据前，首先侦听网络上是否有数据正在传输，称为“发前先听”协议。当侦听结果为网络空用时， 则立即开始传输数据。如果侦听到有通信存在，工作站便推迟自己的传输。在侦听到介质忙而等待 传输情况下，当传输中的帧晟后一个数据位通过后，应继续等待至少9 6 u s ，随后便可进行传输。 如果两个工作站同时试图进行传输，将会造成无效帧，这种现象称为“碰撞”，这是一种正常 现象。为保证这种通信能够正常运行，需要具备检测有无碰撞产生的机制，这便是碰撞检测。也就 是说，在一个计算机发送数据过程中仍要不断检测是否有碰撞出现。出现碰撞的另一种原因是由于 信号在网络上传输有定时延造成的。由于这种传播时延，虽然网络上某一计算机已开始发送数据， 但由于另外一计算机尚未检测到这个数据传输而启动