（电力系统及其自动化专业论文）基于iec+61850的变电站通信网络的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t s u b s t a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei np o w e rs y s t e m ，a n di ti s e x t r e m e l y i m p o r t a n tf o rp o w e rs y s t e mi nr u n n i n gs a f e l ya n de c o n o m i c a l l y , b e c a u s ei t c o n v e r t sa n dd i s t r i b u t e s p o w e re n e r g y s 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 s c o n n e c t st h ev a r i o u ss u b s t a t i o ni e d s ( 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 s ，i e d s ) ，w h i c h i st h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m sl i f e b l o o d ，a n dt h es y s t e m sa v a i l a b i l i t yi s d e c i d e db yi t sr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y i e c6185 0s t a n d a r d ，i st h e o n l yi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r db a s e do nt h eu n i v e r s a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mf o rs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m t h ep u r p o s eo ft h es t a n d a r di st o r e a l i z e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rs u b s t a t i o ni e d sf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e s 。i e c 618 5 0w i l lb e c o m et h eb e s ts o l u t i o nf o rt h es u b s t a t i o ns e a m l e s sc o m m u n i c a t i o n ， i th a sr e p r e s e n t e dt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o nf u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n a n di t s i m p l e m e n t a t i o nw i l lc e r t a i n l yp r o m o t et h es u b s t a t i o na u t o m a t i o nl e v e l f i r s t l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ei e c6 18 5 0s t a n d a r da r c h i t e c t u r ea n di t sm a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e nt h e s e r v i c em o d e l sa n di t sc o r r e s p o n d i n gm a p p i n g s e r v i c e sd e f i n e di nt h es t a n d a r da r e a n a l y z e d a c c o r d i n gt o t 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 s p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h e s 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 ss t r u c t u r eb a s e do nt h ei e c6 18 5 0s t a n d a r di sp r e s e n t e d ； t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n ge t h e r n e tt e c h n o l o g yt ot h es u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k si s a d e q u a t e l yr e s e a r c h e d a n a l y s i s o ft h es u b s t a t i o n m e s s a g e s t r a n s m i s s i o nd e l a ya n di t s i m p a c tf a c t o r s ，a n d s e v e r a lm e t h o d sw h i c hc a n i m p r o v et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so f a n a l y s i so fd a t af l o ww i t h i nas u b s t a t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so fd i f f e r e n tk i n d o fd a t af l o ww i t h i ns u b s t a t i o ni se s t a b l i s h e d ，a n dp r e s e n t st h ei e c618 5 0m e s s a g e t y p ea n di t sp r o p e r t y ；s t a t i o nn e t w o r k ss i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n g o p n e ts o f t w a r e ，a n dt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es t a t i o nn e t w o r k sw h i c hi s b a s e ds w i t c h e do rs h a r e de t h e r n e tn e t w o r ki ss i m u l a t e d t h es y s t e m sr e l i a b i l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 i n d e xt oa s s e s st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi s p r e s e n t e d ，a n a l y s i so fs e v e r a l a n a l y s i sm e t h o d sw h i c ha p p l i e dt os u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kr e l i a b i l i t y o nt h eb a s i so ff a u l tt r e ea n a l y s i s ，t h em e t h o dw h i c hc o n v e r t st h ef a u l tt r e et o b a y e s i a nn e t w o r k si sp u r p o s e d f i n a l l y , b a s e do nb a y e s i a na n a l y s i s o ft h e r e l i a b i l i t yo fm e t h o d s ，t h es 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 sw i t ht h ed i f f e r e n t t o p o l o g ya r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d k e y w o r d s ：i e c6 18 5 0 ，s 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 s ，r e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，b a y e s i a nn e t w o r k s 西南交通大学曲南父逋大字 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学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库，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 1 保密口，在年解密后使用本授权书； 2 不保密彤适用本授权书。 ( 请在以上方框内打 ) 学位论文作者签名：狱，j 炅奉g 指导教师签名： 日期：加锡年6 月岁日 日期： 汐铲年6 月r ，日 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着现代电网结构日趋复杂，电网容量不断扩大，实时信息传送量成倍 增多，对调度自动化系统和厂站自动化系统的数据通信提出了更高的要求。 变电站自动化系统实质上是由多个子系统组成的分层分布式控制系统，因此 在变电站自动化系统内部，必须通过内部数据通信，实现各子系统内部和各 子系统之间的信息交换和信息共享，以减少变电站二次设备的重复配置，并 简化各子系统的互连，既减少了重复投资，又提高了系统整体的安全性和可 靠性扪。 变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标准化，是实现可靠快速通 信的保证。i e c6 1 8 5 0 是目前关于变电站通信网络和系统的最新国际标准， 目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备之间通过一种标准协议实现互操 作和信息共享，取消多种协议转换环节和转换设备，使系统调试更加便捷，节 省调试时间，实现“一个世界、一种技术、一个标准 的目的1 。i e c6 1 8 5 0 运用当今先进的信息技术，为变电站建立了统一的对象模型和通信接口，真 正意义上实现变电站智能电子设备的互操作性，是变电站无缝通信的最佳解 决方案h 儿引。i e c6 1 8 5 0 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。 变电站通信网络是连接变电站内各种智能电子设备的纽带，是变电站自 动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性哺1 。 因此，研究基于i e c6 1 8 5 0 的变电站通信网络结构，对变电站通信网络的实 时性和可靠性进行分析研究，具有重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 作为变电站通信网络和系统的最新国际通信标准，i e c6 1 8 5 0 反映了变 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电站自动化的发展方向和趋势，引起了国内外电力行业的广泛关注。国外针 对i e c6 1 8 5 0 的应用和研究开始较早，相应的示范工程在制定i e c6 1 8 5 0 的 过程中就开始实施。美国、德国、荷兰等国都有示范工程口引，用以验证标 准，通过实践来促进标准的进一步完善。目前，国外a b b 、s i e m e n s 、a r e v a 、 k e m a 等公司对i e c 6 1 8 5 0 的研究，在理论上已经成熟，并已初步推出支持 i e c6 1 8 5 0 的产品一j 。2 0 0 4 年1 1 月，西门子输配电集团( p t d ) 在瑞士承建了 世界上第一个运用i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统。西门子全球第1 0 0 个i e c6 1 8 5 0 项目上海南桥5 0 0 k v 变电站自动化系统已于2 0 0 5 年顺利投入 一，一 】仃。 相对于国外情况，国内也有专门的部门在全面跟踪和研究i e c6 1 8 5 0 的 最新发展动向。国内许多大的电力企业，如国电南自、四方、许继、力通公 司等在研究和消化i e c6 1 8 5 0 标准的基础上，尝试开发符合i e c6 1 8 5 0 标准 的变电站自动化系统产品，以达到降低系统集成费用和维护成本、充分利用 系统资源，提高系统可靠性的目的。为了促进i e c6 18 5 0 在中国的推广和应 用，提高国内变电站自动化系统技术水平，促进国内厂家i e c6 1 8 5 0 研发进 程，国家电力调度通信中心积极组织国内从事变电站自动化的科研单位、生 产厂家和检测机构开展i e c6 1 8 5 0 互操作试验工作。从2 0 0 5 年至今，已经 成功进行了6 次互操作试验，取得了重大进展，有助于i e c6 1 8 5 0 在中国的 顺利推广口1 。2 0 0 6 年3 月，由国电南自研发的国内首套符合i e c6 18 5 0 标准 的变电站自动化系统在西安1 l o k v 少陵变电站顺利投运，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。 目前，国内外众多关于i e c6 18 5 0 的研究文献，基本上涵盖了i e c6 18 5 0 标准体系的各方面内容，本文主要对其中涉及变电站通信网络的研究文献进 行重点分析。文献【l o 阐述了i e c6 1 8 5 0 对逻辑节点、通信信息片、事件时 间、传输时间、报文的类型和性能级的定义，并指出了i e c6 1 8 5 0 对变电站 自动化系统中报文的性能要求。在基于i e c6 1 8 5 0 的变电站通信网络中，过 程层与间隔层、间隔层与变电站层之间的通信方式全部采用以太网，取代了 当前自动化系统中的各种现场总线( 如l o n w o r k s 、c a n 、r s 4 8 5 总线等) 。 文献 1 l 卜 1 3 在分析了嵌入式以太网技术应用于变电站内通信系统可行性的 基础上，研究了其具体的应用模式。文献 1 4 1 1 6 探讨了将基于以太网的实 时发布者订阅者( r e a l - t i m ep u b l i s h e r s u b s c r i b e r ，r t p s ) 通信机制应用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 变电站自动化系统中的可行性。 变电站通信网络性能是影响变电站自动化系统功能的重要因素，鉴于通 信网络中数据传输的重要性，文献 1 7 - 2 2 1 对变电站通信网络的实时性能做 了相关仿真分析。其中文献 1 7 】对基于r t p s 通信机制的变电站自动化系统通 信网络模型进行了仿真分析。文献 1 8 】建立了变电站层嵌入式以太网动态仿 真模型，以t c p i p 协议为例分析了网络的实时性能，并根据变电站中数据 流的分布，建立了各类数据流的数学模型，对于变电站层网络仿真模型的建 模具有较好的参考价值。文献 1 9 】在考虑高层协议影响下，对传输报文端对 端的实时性进行了仿真分析。文献 2 0 - 2 1 1 研究了以太网作为过程总线的可 行性，采用交换式以太网解决报文传输的实时性，但是并不是采用了交换式 以太网就能保证报文的实时性，还应根据具体的网络拓扑结构、通信链路带 宽、数据流大小等因素综合考虑。文献【2 2 】采用建立了单间隔的共享式以太 网仿真模型，具有借鉴价值，但其模型过于简单、网络流量配置不够明确。 变电站通信网络的可靠性直接影响着变电站运行乃至整个电力系统运行 的可靠性。以往对电力系统可靠性的研究主要集中在对发输电系统、配电系 统的可靠性建模和分析，或对发电厂及变电所电气主接线的可靠性评估比引。 文献【2 4 】通过建立马尔科夫( m a r k o v ) 状态模型和采用冗余技术两种方案来对 变电站通信网络的可靠性进行分析。文献 2 5 ，2 6 】应用故障树分析法分析了变 电站通信系统的可靠性，为新建变电站通信系统可靠性分析提供一定的理论 依据。文献 2 7 则应用故障树分析法着重分析了基于冗余技术的继电保护系 统的可靠性分析。文献 2 8 】提出将故障树与蒙特卡罗方法相结合对变电站自 动化系统可靠性进行评估分析。文献 2 9 ，3 0 提出了一种结合故障树或最小路 集来建立贝叶斯网络的新方法，并对某输电系统电网结构和发电厂主接线图 进行算例分析。结论表明该方法不但能计算系统的可靠性指标，而且能找出 系统可靠性中的最薄弱的环节。 1 3 论文完成的主要工作 本文在研阅了大量相关参考文献的基础上，对基于i e c6 1 8 5 0 的变电站 通信网络的网络结构、实时性、可靠性进行了分析研究，论文完成的工作主 要有以下几个方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 在理解i e c6 1 8 5 0 标准体系结构的基础上，重点研究了i e c6 1 8 5 0 的主要特点，对其目标内涵进行了较深入的剖析。 ( 2 ) 介绍了变电站通信网络的性能要求，给出了基于i e c6 1 8 5 0 的变电 站通信网络结构的组网方案。分析以太网应用于变电站通信网络的可行性， 深入研究变电站通信网络中报文传输时延的构成及影响时延不确定性的因 素，讨论了几种提高以太网实时性的有效措施。 ( 3 ) 针对变电站通信网络中传输的数据流特点，建立数据流模型。详细 介绍了i e c6 1 8 5 0 标准中规范的报文类型和性能要求。采用o p n e t 网络仿 真软件，建立了基于i e c6 1 8 5 0 的变电站站级网络仿真模型，仿真分析了不 同带宽和网络类型的变电站站级网络的实时性。 ( 4 ) 给出了系统可靠性的评估指标，分析研究了当前几种应用于变电站 通信网络可靠性的分析方法。在故障树分析法的基础上，提出将故障树转化 为贝叶斯网络的方法，对系统可靠性进行分析。采用基于贝叶斯网络的可靠 性分析方法，从理论上分析了星型和环型拓扑结构的变电站通信网络的可靠 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章i e c618 5 0 标准介绍 2 1i e c618 5 0 标准概述 为了适应变电站自动化技术的快速发展，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1 0 、1 1 、1 2 ( w g l 0 1 1 1 2 ) ，负责 制定i e c 6 1 8 5 0 t 3 l 】标准。1 9 9 9 年3 月，i e ct c 5 7 的w g l 0 1 1 1 2 工作组提出 了i e c 6 1 8 5 0 委员会草案版本，之后又陆续公布了几个版本。在经过几年的讨 论稿后，2 0 0 5 年6 月i e c6 1 8 5 0 的1 0 个部分全部出版发行。i e ct c 5 7 已撤 销第1 1 、1 2 工作组，合并、重组第1 0 工作组，负责对i e c6 1 8 5 0 进行修订 和补充工作口别。 在我国，全国电力系统控制及其通信技术委员会负责将此国际标淮转换 为国家标准，标准的名称为“d l t 8 6 0 变电站通信网络和系统”，等同采用 i e c 6 1 8 5 0 国际标淮，以迅速将此标准转化为电力行业标准，提高我国变电站 自动化水平。 i e c6 1 8 5 0 标准共分为十大部分，十四个分册，具体内容如下2 ，3 引： l 、i e c6 1 8 5 0 1 基本原则，包括i e c6 1 8 5 0 的介绍和概貌。 2 、i e c6 1 8 5 0 2 术语。 3 、i e c6 1 8 5 0 3 一般要求，包括质量要求( 可靠性、可维护性、系统可 用性、轻便性、安全性) ，环境条件，辅助服务，其他标准和规范。 4 、i e c6 1 8 5 0 4 系统和工程管理，包括工程要求( 参数分类、工程工具、 文件) ，系统使用周期( 产品版本、工程交接、工程交接后的支持) ， 质量保证( 责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场 验收) 。 5 、i e c6 18 5 0 5 功能和装置模型的通信要求，包括逻辑节点的途径 ( a c c e s so fl o g i c a ln o d e s ) ，逻辑通信链路，通信信息片p i c o m ( p i e c e o fi n f o r m a t i o nf o rc o m m u n i c a t i o n ) 的概念、功能的定义。 6 、i e c6 1 8 5 0 6 变电站配置描述语言，包括装置和系统属性的形式语 言描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 7 、i e c6 1 8 5 0 7 1 变电站和馈线设备的基本通信结构：原理和模式。 8 、i e c6 1 8 5 0 7 2 变电站和馈线设备的基本通信结构：抽象通信服务 接1 2 1a c s i ( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c e ) ，包括抽象通 信服务接口的描述，抽象通信服务的规范以及服务数据库的模型。 9 、i e c6 1 8 5 0 7 3 变电站和馈线设备的基本通信结构：公共数据类， 包括抽象公共数据类及其属性的定义。 1 0 、i e c6 1 8 5 0 7 4 变电站和馈线设备的基本通信结构：兼容逻辑节点 和数据对象d o ( d a t ao b j e c t ) 寻址，包括逻辑节点的定义，数据对 象及其逻辑寻址。 1 1 、i e c6 1 8 5 0 8 1 特定通信服务映射s c s m ( s p e c i a lc o m m u n i c a t i o n s e r v i c em a p p i n g ) ：对制造报文规范m m s ( i s o i e c 9 5 0 6 第1 、2 部 分) 及i s o i e c8 8 0 2 3 的映射，规范变电站层和间隔层内以及变电 站层和间隔层之间的通信映射。 1 2 、i e c6 1 8 5 0 9 1 特定通信服务映射s c s m ：单向多路点对点串行通 信链路上的采样值。 1 3 、i e c6 1 8 5 0 9 2 特定通信服务映射s c s m ：映射到i s o i e c8 8 0 2 3 的采样值。 1 4 、i e c6 18 5 0 1 0 ：一致性测试。 从i e c6 18 5 0 标准体系结构的组成可以看出，这一体系对变电站自动化 系统的网络和系统做出了全面详细的描述和规范。 2 2i e c6 18 5 0 的主要特点 i e c6 1 8 5 0 标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际 标准。与传统的通信协议相比，该系列标准的特点总体上概括为：分层的智 能电子设备和变电站自动化系统：根据电力系统生产过程的特点，制定了满 足实时信息和其他信息传输要求的服务模型；采用抽象通信服务接口、特定 通信服务映射，以适应网络技术迅速发展的要求；采用面向对象建模技术， 面向设备建模和自我描述，以适应应用功能的扩展和需要，满足应用开放互 操作要求；采用变电站配置语言，在信息源定义数据和数据属性；定义和传 输元数据，扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值。此外，还包括变电 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等2 删。 2 2 1 变电站自动化系统的分层 i e c6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和保护3 大功 能提出变电站内功能分层的概念，将变电站的功能划分为变电站层、间隔层 和过程层，并定义了层与层之间的接口，如图2 1 所示。 变电站层 间隔层 过程层 远方控制中心 技术服务 图2 - 1 变电站自动化系统功能层和逻辑接e l 图2 - 1 中各接口的意义： ：间隔层和变电站层之间保护数据交换； ：间隔层和远方保护之间保护数据交换； ：间隔层内数据交换； ：过程层和间隔层之间电压互感器和电流互感器瞬时数据交换； ：过程层和间隔层之间控制数据交换； ：间隔层和变电站层之间控制数据交换； ：变电站层与远方工程师工作站之间数据交换； ：间隔层之间直接数据交换，特别是快速功能( 例如联锁) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ：变电站层内交换数据； ：变电站层和远方控制中心之间控制数据交换。 其中，过程层功能主要完成开关量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，这些功能通过逻辑接口和与间隔层通信。 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 路保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过逻辑接口实现 间隔层内通信，通过逻辑接口和与过程层通信，即与各种远方i o 、智 能传感器和控制器通信。 变电站层的功能主要就是关于变电站整体设备操作的，变电站层的功能 分为两类： ( 1 ) 与过程层相关的功能：主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间 隔或全站的一次设备发生作用的功能，如母线保护或全站范围内的逻辑闭锁 等，变电站层通过逻辑接口完成通信功能。 ( 2 ) 与接口相关的功能：主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面 的通信，通过逻辑接口、完成通信功能。 i e c6 1 8 5 0 标准的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同。在现 有系统中，过程层的功能都是在间隔层设备中实现的，没有独立的逻辑接口 和接口。随着光电流、电压互感器的使用，变电站自动化的发展趋势是 将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去。可见，i e c6 1 8 5 0 是个面向未 来的开放的标准。 2 2 2 抽象通信服务接口 i e c6 1 8 5 0 总结了电力生产过程特点和要求，归纳出电力系统所必需的 信息传输的网络服务，设计出抽象通信服务接口( 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 ei n t e r f a c e ，a c s i ) 。砺3 ，它独立于具体的网络应用层协议( 例如目前采 用的m m s ，m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) ，和采用的网络( 例如现在 采用的i p ) 无关。i e c6 1 8 5 0 7 2 建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服 务模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据 集模型。在图2 2 中，客户服务通过抽象通信服务接口，由特定通信服务映 射s c s m ( 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 ) 映射到采用的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 通信栈或协议子集。在服务器侧，通信栈或协议子集通过s c s m 和a c s i 接 口。 a c s i 客户端a c s i 服务器 客户端应用 服务器应用 服务器对象 ( 例如逻辑节 服务器对象 点i i 或数据) ( 例如逻辑 逦l 信服务 节点1 ) 翘i 信服务 vv s c s m 响应 指示响应指示 s c s m ji 1 通信栈协议集 图2 - 2 应用过程和应用层之间交互信息 象通信服务接口a c s i ( 与网络独立) 特定通信服务映射 i 一特定接口 o s i 第7 层应用 层 第1 至6 层 图2 - 3a c s i 映射到通信栈协议集 由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间的要求不同，在变电 站的过程内可能采用不同类型的网络，i e c6 18 5 0 采用抽象通信服务接口 ( a c s i ) 就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映射 ( s c s m ) 。如图2 3 中应用过程和抽象通信服务接口是一样的，不同的网络应 用层协议和通信栈与不同的s c s m l s c s m n 相对应。i e c6 1 8 5 0 标准使用 a c s i 和s c s m 技术，当网络技术发展时只要改动s c s m ，而不需要修改 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 a c s i ，从而解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾。 2 2 3 面向对象的数据对象统一建模 i e c6 18 5 0 对变电站自动化系统中的数据对象统一建模。从变电站的角度 出发，可以将每个间隔单元看作一个整体进行建模，也可以将每一台物理装 置作为一个整体建模，从自动化设备生产厂家的角度看，后者更为直观，更 容易将模型与实际装置结合起来。每个实际装置实际就是一个l e d ，l e d 中的 每一种功能( 如保护功能和各种辅助功能) 可以定义为逻辑节点 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机服务器结 构数据模型。每个l e d 包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个 或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对 象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，l e d 同时也 扮演客户的角色。任何一个客户可通过抽象通信服务接口( a c s i ) 和服务器 通信可访问数据对象，如图2 4 所示。 图2 4 数据模型分层结构 采用面向对象的信息模型之间的数据交换由信息模型的功能服务实现。 a c s i 主要设定了六类服务模型：连接服务模型、变量访问服务模型、数据传 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 输服务模型、设备控制服务模型、文件传输服务模型、时钟同步服务模型等， 这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问。这些定义由各 种各样的请求、响应及服务过程组成，实现了客户应用端和服务器应用端的 通信，完成实时数据的访问和检索、对设备的控制、时间报告和记录、设备 的自我描述等。 物理设备 a c s i 客户 s ： 、= 响应 、 骺 型f 多路广播 洞辈竺! 主 g s e 报文或采样测量值 时间紧迫通信 应用 物理设备 a c s ! 服务器 、 n 数据i 冈 【一 ! o 数据 i ，0 数据 i ，o 数据 巴 图2 - 5a c s i 通信方法 图2 5 描述了i e c6 1 8 5 0 中a c s i 采用的两组通信服务。蚓，一组为客户机 服务器模式，用于读取数据和设置控制参数等；第二组采用发布者订阅者或 对等交换模式，如g s e 服务、采集值传输等，它采用通用的面向对象的变电 站事件模型，以事件触发( 数据变化与更新、品质变化等) 传输数据，如断 路器位置变化事件作为启动事件，这种通信方式适合快速可靠地在保护i e d 之间传递数据和从一个i e d 到远端多个i e d 之间循环传输采样测量值。 器画黑蔷黑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 2 4 面向对象、面向应用开放的自我描述 i e c6 1 8 5 0 对于信息均采用面向对象自我描述的方法，传输时开销增加， 由于网络技术的发展，传输速率提高，使得面向对象自我描述方法的实现才 有可能。目前传输信息的方法是变电站的远动设备的某个信息，要和调度控 制中心的数据库预先约定，一一对应，才能正确反映现场设备的状态，在现 场验收前，必须将每一个信息动作一次，以验证其正确性，这种技术是面向 点的。由于新的技术的不断发展，变电站内的新应用功能不断出现，需要传输 新的信息，已经定义好的协议可能无法传输这些新的信息，使得新的功能的 应用受到限制，采用面向对象自我描述方法就可以适应这种形势发展的要求， 不受预先约定的限制，什么样的信息都可以传输。采用面向对象自我描述的 方法，传输到调度控制中心的数据都带说明，马上建立数据库，使得现场验 收的验证工作大大简化，数据库的维护工作量大大减少。 i e c6 18 5 0 采用自我描述面向对象的办法，要彻底解决面向对象的自我描 述，达到互操作性，则需要定义如下内容： ( 1 ) 定义完整的各类( 单元) 数据对象和逻辑节点、逻辑设备的代码： ( 2 ) 定义用这些代码组成的完整地描述数据对象的方法； ( 3 ) 定义一套面向对象的服务。在i e c6 1 8 5 0 7 3 、7 4 中定义了各类( 单 元) 数据对象和逻辑结点、逻辑装置的代码，在i e c6 1 8 5 0 7 2 中定义了用这 些代码组成完整地描述数据对象的方法和一套面向对象的服务。 图2 6i e c6 1 8 5 0 7 各部分组成及相互关系 i e c6 18 5 0 7 2 、6 1 8 5 0 7 3 、6 18 5 0 7 4 的关系如图2 6 所示。i e c6 18 5 0 7 3 、 6 1 8 5 0 7 4 提供了8 0 多种逻辑节点名字代码和3 5 0 多种数据对象代码，2 3 个公 茎茎 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 共数据类，涵盖了变电站所有功能和数据对象，提供了扩展新的逻辑节点的 方法，并规定了由一套数据对象代码组成的方法，还定义了一套面向对象的 服务。这三部分有机地结合在一起，完全解决了面向对象自我描述的问题晴4 1 。 2 2 5 变电站配置语言 i e c6 1 8 5 0 6 中定义的变电站配置语言( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，s c l ) 阳引，主要基于可扩展标记语言x m l l o 语法结构。 s c l 用来描述与通信相关的智能电子设备结构和参数、通信系统结构、开关 间隔( 功能) 结构及它们之间关系。在变电站配置语言中采用x m l 作为信息交 换格式。由于x m l 的信息独立于平台之间，从而使得文件中的配置数据能 够在不同厂家的智能电子设备配置工具和系统配置工具间以某种兼容的方式 实现数据交换。s c l 的引入主要有以下作用： ( 1 ) 对智能电子装置的能力进行描述，包括预配置固定数目逻辑节点的 智能电子装置和适用于某种特定结构的过程部分配置语句的智能电子装置。 ( 2 ) 对系统进行描述，包括对所有智能电子装置的完整过程配置，以及 增加全部预定义的关联及数据对象层逻辑节点间客户服务器连接。 s c l 语言定义了3 种对象模型来自我描述变电站中的配置信息，即变电站 模型、i e d 模型和通信系统模型口刨，图2 7 给出了u m l 对象模型。 图2 7s c l 对象模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 1 ) 变电站模型是基于变电站功能结构的对象分层，主要包括变电站、 电压等级、间隔、装置、子装置和电气连接节点。一个变电站包含不同的电 压等级，电压等级包含不同的间隔，间隔由设备构成，设备拥有自己的接线 端。 此外，每一个层次模型都可以包含与本层功能相关的逻辑节点。建立变 电站模型的目的在于把逻辑节点与变电站的功能关联起来并根据变电站结构 进行逻辑节点的分配。 ( 2 ) i e d 模型部分是基于i e d 功能结构的对象分层。它包括智能电子装 置、服务器、逻辑节点、数据。智能电子装置中包含服务器、服务器包含逻 辑节点、逻辑节点包含数据。 ( 3 ) 通信系统模型与上述两种模型不同的是通信系统模型没有明显的层 次关系，模型表达了i e d 之间以及通过访问点( a c c e s sp o i n t ) 的子网络 ( s u b n e t w o r k ) 的逻辑连接。 2 3 服务模型及服务映射 2 3 1g o o s e 通信服务模型 在分布式变电站自动化系统中，智能电子装置i e d 共同协助完成自动化 功能的应用场合越来越多，例如间隔层设备之间的防误闭锁，分布式母线保 护等，这些功能得以完成的重要前提条件是众多i e d 之间数据通信的可靠性 和实时性。 i e c6 1 8 5 0 中定义的通用变电站事件模型( g e n e r i cs u b s t a t i o ne v e n t ，g s e ) 提供了快速和可靠的系统范围内传输输入、输出数据值。基于分布的概念， 通用变电站事件模型提供了一个高效的方法，利用多路广播广播服务向多个 物理设备同时传输同一个通用变电站事件信息。g s e 模型定义了两种控制类 和两种报文结构b 7 1 ：一种是面向通用对象的变电站事件( g 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 ne v e n t ，g o o s e ) ，支持由数据集d a t a s e t 组成的公共 数据的交换：另一种是通用变电站状态事件( g e n e r i cs u b s t a t i o ns t a t ee v e n t ， g s s e ) 传输状态变化信息( 双比特) 。 g o o s e 和g s s e 的报文传输抽象模型均采用发布者订阅者机制进行信 息交换。与点对点通信结构和客户h i 务器通信结构相比，发布者订阅者通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 信结构是一个数据源( 即发布者) 向多个接收者( 即订阅者) 发送数据的最 佳解决方案，尤其适合于数据流量大且实时性要求高的数据通信。g o o s e 模 型如图2 8 所示，发布者将数据值写入发送侧的当地缓冲区，接收者从接收侧 的当地缓冲区读数据。通信系统负责刷新订户的当地缓冲区。发布方的通用 变电站事件控制类用以控制这个过程。 g o o s e 报文包含一些信息，这些信息让接收设备知道状态已经变位和最 近状态变位的时间。最近状态变位的时间可允许接收设备去设置相对于给定 事件的当地计时器。一个新激活的设备( 合上电源和重新服务) 将用初始的 g o o s e 报文发送当前数据( 状态) 或者值。即使没有发送状态值变化，发 送g o o s e 报文的全部设备以长的循环时间连续发送报文，这样可保证全部现 已激活设备知道它们对等设备的当前状态。 a c s ia c s i s u b s c r i h e rp u b i i s h e r n a t a g e t d a t a v a l u e r e 9 c l - a n r 一 c f - a t t r - 4 1 - c f - a t t r g c t d a t a v a l u e r s p m e m b e r o f f s e t 、声 硼xa t t r 当地事项 通唐映射 j d a t a ￥- s e if c d a ，i 璋1 a n | 当地事项 ，玉，n jj m xa t t r p u l l r e q 兰一l ： 、 m e m b e r l 号 p u l l r s p 接收缓 正 p u b l i s h r ；k m e m b e r 2 号p 嗌 f ) ：t t - - o o ，1 口 2( 4 - 4 ) 即f ( f ) 服从最简单的重尾分布一p a r e t o 分布，并具有有限均值 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 口，= e ( r ) t ) ：e m tj o 。 ( 4 5 ) 4 2i e c6 18 5 0 报文类型及性能要求 为了满足变电站自动化系统功能的要求，i e c6 18 5 0 定义了7 种不同类 型的报文n 们“引。变电站层通信和过程层通信可分别独立选择。过程层中，根 据每一个间隔内设备数量和通信速率，不同性能类可用于不同间隔内通信。 l 、快速报文 该类型的报文一般包括数据、命令或简单报文等简单二进制编码。如“跳 闸 、“合闸”、“重合、“启动、“停止 、“闭锁 、“触发、“解除、“状态 变化，也可能有些功能的状态。 ( 1 ) 类型1 a “跳闸” 跳闸是变电站中最重要的报文。因此，与其他快速报文相比，该报文具 有更高的要求。连锁、联跳和保护功能间逻辑识别可能具有同样性能要求。 ( a ) 对性能类p 1 ，总传输时间应该在半个周期内，规定1 0 m s ； ( b ) 对性能类p 2 p 3 ，总传输时间应小于1 4 周期，规定3 m s 。 ( 2 ) 类型1 b “其他 与跳闸报文相比，自动化系统对其他快速报文有较低的要求。 ( a ) 性能类p l ，总传输时间应小于等于1 0 0 m s ： ( b ) 性能类p 2 p 3 ，总传输时间应在一