（电力系统及其自动化专业论文）组态化智能变电站信息系统中若干问题研究.pdf

独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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 合肥工业大学 或其他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傲的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者躲忍毛签字魄 州年历月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解地些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权 佥壁邕毡匕可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 阂厄 签字日期：沙，f 年令月髟日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师在 签字日期：加，年4 月2 多日 电话： 邮编： 的测控保护系统小延时实现，变电站内部、变电站之间以及变电站与智能调度 中心之间数据交互的智能化实现。伴随着这些问题的解决，智能变电站信息系 统却愈来愈庞大，各功能应用之间的关系错综复杂，数据交互更加频繁。为了 避免这种情况，需要构建一种基于统一的数据交互平台的开放式信息系统，各 子应用内部的信息数据模型需要统一标准化，应用之间的交互方式在保留多样 性的前提下实现与应用本身独立。 与数字化变电站的信息处理系统相比，智能变电站信息系统面临由于智能 化所带来的一系列问题，包括智能设备间直接交互的建立、智能算法更新机制 的建立、多通信端之间如何维护稳定可靠的链接以及数据实时性如何保证。基 于这些问题，智能变电站信息系统必然也要在结构上做新的改变。信息系统整 体结构扁平化是目前典型分布式系统特征，应用之间横向交互的增加也是智能 化的必然需求。信息系统构建的成本关系智能变电站能否快速推广，间接影响 了智能电网实施的步伐。因此，实施信息系统组态化策略己然是无二的选择。 基于标准化的数据信息模型，组态化信息系统中的交互数据实现自我描述。同 时，各应用之间需要建立集成通信机制，降低各应用之间的耦合，同时不影响 数据交互的便利。 文章中首先介绍智能变电站中信息系统的构成，分析了站内智能设备之间 的两种基础交互模型；然后对系统组态化技术实现的需求进行分析；最后提出 关键技术一一i e c 标准应用方法和设备总线实现。 由于标准体系尚不完善，不同的标准对相同对象的约定可能产生兼容性问 题，如i e c 6 1 8 5 0 中部分设备信息模型与c i m 不兼容。基于i e c 标准之间存在 的信息模型重叠问题，提出不同子标准之间的信息模型转化方案。分析了设备 总线的关键技术实现包括物理层通信设备拓扑结构的优化和应用层功能应用的 实现。提出了基于设备总线实现的两种智能变电站信息系统中常用的信息交互 模型：分布式计算模型和实时事件模型，最后，对这两种交互模型在智能变电 站信息系统中的应用可行性进行了验证。 i e c 系列标准的应用和设备总线的实现是信息系统组态化的主要技术内 涵。信息系统中交互数据信息模型的统一和应用之间交互形式总线化是构建新 一代智能变电站信息系统的基础。 关键词：智能变电站，信息系统，组态化，i e c6 1 8 5 0 ，设备总线 t h er a p i dd e v e l o p m e n t so fs m a r tg r i dt e c h n o l o g ie sh a v ed e r i v e da d v a n c e si n r e l a t e df i e l d s s m a r ts u b s t a t i o ni sf a c i n gas e r i e so fp r o b l e m sw h i c ha r ed e r i v e d f r o mt h en e wi d e a so fc o n s t r u c t i n g ，i n c l u d i n gt h ec l a s s i f i c a t i o np r o c e s s i n go f m a s s i v e i n f o r m a t i o n ， n e t w o r k b a s e d m o n i t o r i n g a n d p r o t e c t i o n s y s t e m i m p l e m e n t a t i o nw i t h o u td e l a y , i n t e l l i g e n ti m p l e m e n t a t i o no fd a t ae x c h a n g ew i t h i n s u b s t a t i o n s ，s u b s t a t i o n sa n db e t w e e ns u b s t a t i o n sa n dt h es m a r td i s p a t c hc e n t e r a l o n gw i t hr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，s m a r ts u b s t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m w a s i n c r e a s i n g l yc o m p e e r ，a l s ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf u n c t i o na p p l i c a t i o n s ，a n d m o r e f r e q u e n t l yd a t ae x c h a n g e t o a v o i dt h i ss i t u a t i o n ，b u i l d i n ga no p e n i n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do nu n i f i e dd a t ae x c h a n g ep l a t f o r mw a sn e e d e d ，t h e d a t am o d e l si nt h ea p p l i c a t i o n sr e q u i r e dau n i f i e ds t a n d a r d ；t h ec o m m u n i c a t i o n m o d e sa m o n ga p p l i c a t i o n st o o kt h ep r e m i s eo fp r e s e r v i n gt h ed i v e r s i t ya n dk e p t i n d e p e n d e n tf r o mt h ea p p l i c a t i o n st h e m s e l v e s c o m p a r e dw i t hd i g i t a l s u b s t a t i o ni n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m ，s m a r t s u b s t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e mf a c e das e r i e so fp r o b l e m sw h i c hw e r ec a u s e db yt h e i n t e l l i g e n ta p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n ge s t a b l i s h i n gt h ed i r e c tc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s f o ri n t e l l i g e n td e v i c e s ，e s t a b l i s h i n gm e c h a n i s m sf o ru p d a t i n gi n t e l l i g e n ta l g o r i t h m s ， h o wt om a i n t a i nt h es t a b l ea n dr e l i a b l el i n k so fc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l sa n dh o w t oe n s u r et h er e a l t i m ed a t a b a s e do nt h e s ei s s u e s ，s m a r ts u b s t a t i o ni n f c i r m a t i o n s y s t e mm u s tm a k en e ws t r u c t u r a lc h a n g e s f l a ts t r u c t u r eo f i n f o r m a t i o ns y s t e mw a s at y p i c a ld i s t r i b u t e ds y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ；t h ei n c r e a s eo fl a t e r a li n t e r a c t i o n a m o n ga p p l i c a t i o n s w a sa l s ot h ei n e v i t a b l ed e m a n d t h ec o s t o fb u i l d i n g i n f o r m a t i o ns y s t e mw a sr e l a t e dt ot h ep r o m o t i o no fs m a r ts u b s t a t i o n ，i n d i r e c t l y a f f e c t e dt h ep a c eo ft h ei m p l e m e n t a t i o no fs m a r tg r i d t h ei m p l e m e n t a t i o no f i n f o r m a t i o ns y s t e m sc o n f i g u r a t i o ns t r a t e g yi se x a c t l yt h eo n l yo p t i o nh e n c e b a s e d o nt h es t a n d a r d i z e dd a t am o d e l i n t e r a c t i v ed a t ao fc o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n s y s t e mw a ss e l f - d e s c r i p t i o n a t t h es a m et i m e ，t h ei n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ms h o u l db eb u i l tt or e d u c et h ec o u p l i n ga m o n gt h ev a r i o u sa p p l i c a t i o n s ， a n df a c i l i t a t et h ed a t ai n t e r a c t i o n a r t i c l ei n t r o d u c e dt h ec o m p o s i t i o no fs m a r ts u b s t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m s ， s i n c et h es t a n d a r ds y s t e mw a sn o tp e r f e c t ，d i f f e r e n t s a m eo b j e c t m a yh a v ec o m p a t i b i l i t yi s s u e s ，s u c h a s s t a n d a r d sa g r e e do nt h e p a r to ft h ee q u i p m e n t i n f o r m a t i o nm o d e lf r o mi e c6 18 5 0a n dt h ec i mw e r en o tc o m p a t i b l e b a s e do nt h e i n f o r m a t i o nm o d e lo v e r l a pi ni e cs t a n d a r d s ，i tp r o p o s e dt h ep r o g r a mf o ru n i l y i n g i n f o r m a t i o nm o d e l sf r o md i f f e r e n ts u b s t a n d a r d s i t a n a l y z e dt h a t t h e k e y t e c h n o l o g yo fd e v i c eb u si n c l u d e do p t i m i z a t i o nt o p o l o g yf o rp h y s i c a ll a y e r c o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n ta n di m p l e m e n t a t i o n o fa p p l i c a t i o n l a y e r f u n c t i o n a p p l i c a t i o n i tp r o p o s e dt h a tt w oi n f o r m a t i o ne x c h a n g em o d e l sw h i c hw e r e c o m m o n l yu s e di ns m a r ts u b s t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nd e v i c eb u s ：t h e d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gm o d e la n dt h er e a l t i m ee v e n tm o d e l s f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t y o ft h et w oi n t e r a c t i o nm o d e l sw a sv e r i f i e d t h ea p p l i c a t i o no fi e cs t a n d a r ds y s t e ma n dt h er e a l i z a t i o no fd e v i c e b u sw e r et h em a i nt e c h n i c a lc o n t e n to ft h ec o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m t h e u n i f i e di n t e r a c t i v ed a t ai n f o r m a t i o nm o d e l sa n di n t e r a c t i o nb u sf 0 1 1 1 1 a m o n g t h ea p p l i c a t i o n sw e r et h ef o u n d a t i o nw h i c hw a ss e r v e df o rt h en e wg e n e r a t i o n s m a r ts u b s t a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：s m a r ts u b s t a t i o n ，i n f o r m a t i o ns y s t e m ，c o n f i g u r a t i o n ，i e c6 18 5 0 ， d e v i c eb u s 致谢 本文是在导师丁明教授的悉心指导下完成的。论文从立题、选向、方案确 定到论文的撰写和定稿都凝聚着导师的心血，文章一次又一次的修改直至最后 成型，导师给予了大量的意见、建议和细心的指导。在学习和生活中，导师的 亲切关怀和热情指导，使我受益非浅。同时导师高尚的品格、渊博的学识、敏 锐的思维、严谨的治学态度、对学生的严格要求及豁达的人生观都给我留下了 深刻印象，并将受益终生。在论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意和最 衷心的感谢! 在研究过程中，得到了毕锐老师对我的帮助和关心，本文的完成，离不开 各位老师平时对我的悉心指导。在此，表示衷心感谢! 在我学习期间，得到了项目组同学的热情帮助，这里我特别感谢他们给我 的帮助和支持，在此感谢他们。 在我学习期间，还得到了实验室同学的热情帮助，大家在学习上互相勉励， 在科研上互相支持，在生活上互相帮助，此情此景历历在目，令人难忘，在此 感谢他们。 在研究生的三年中，我的家人和朋友都给与了我无私的关心和支持，论文 的完成与他们的关怀和鼓励密不可分，在此，一并向他们表示最诚挚的谢意! 最后，对在百忙之中抽时间对该论文进行评审的各位专家与学者表示深深 的敬意和谢意。 作者：周亮 2 0 11 年3 月 1 4 本文的主要研究工作。5 第二章智能变电站信息系统概述6 2 1 信息系统内涵6 2 1 1 信息系统中的数据流6 2 1 2 系统功能划分7 2 2 智能组件8 2 2 1 智能组件的定义8 2 2 2 功能单元介绍1 0 2 3 智能设备信息交互基础模型1 1 第三章组态化技术应用于智能变电站信息系统的研究1 3 3 1 组态技术发展背景1 3 3 2 组态定义及其内涵1 3 3 3 信息系统组态化1 5 3 3 1 信息系统组态化的必要性1 5 3 3 2 信息系统组态化特点1 5 3 3 3 信息系统组态化的技术组成1 6 3 4 信息系统开发平台1 6 3 4 1 开发平台组成1 6 3 4 2 开发平台使用流程1 8 第四章智能变电站信息系统中i e c 核心标准应用研究2 0 4 1 相关i e c 核心标准分类2 0 4 1 1 应用通信标准化2 1 4 1 2 应用实现标准化2 2 4 1 3 应用集成标准化2 3 4 1 4 周边标准2 5 4 2i e c 标准应用范畴说明2 6 4 3 变电站智能电子装置结构语言2 7 4 4c i m 与i e c6 18 5 0 信息模型集成3 0 4 4 1c i m 及其变迁3 0 5 3 设备总线应用层实现4 3 5 4 分布式计算模型4 4 5 5 实时事件模型4 5 5 5 1 量测数据传输4 7 5 5 2 跳闸命令传输4 8 5 6 设备总线性能验证4 9 5 6 1 基于分布式计算模型的拓扑结线分析5 0 5 6 2 基于实时事件模型的断路器状态变位信息传输5 3 5 7 设备总线标准化工作5 5 第六章结论5 6 6 1 总结5 6 6 2 展望5 7 参考文献5 8 附录6 2 附录1 ：研究生期间发表论文6 2 4 6 图2 2 智能变电站信息系统结构7 图2 3 基于间隔的智能组件在信息系统中的应用示例9 图2 - 4 智能组件的应用模式1 0 图2 5 实时交互模型1 l 图2 6 智能设备之间交互模型。1 2 图2 7 智能设备与系统层服务器之间交互模型1 2 图3 1 系统组态化流程1 4 图3 2 智能变电站信息系统开发平台工具层组成1 7 图3 3 智能变电站信息系统开发平台基础层和服务层组成1 7 图3 4 智能变电站信息系统工具层组成1 9 图4 1i e c6 18 5 0 通信协议映射框架2 1 图4 2i e c6 1 9 6 8u m l 视图2 4 图4 3i e c6 1 9 6 8c i mu m l 视图2 5 图4 - 4i e c 标准应用范畴2 6 图4 5s c l 对象模型2 8 图4 6 i e c 6 1 8 5 0 信息建模流程2 9 图4 7i e c619 7 0c i m 包图31 图4 8i e c 6 1 8 5 0 设备信息模型范例3 2 图4 9i e c6 18 5 0 信息模型与c i m 比较3 4 图4 1 0 示例模型i c d 文件实现3 4 图4 1 l 示例模型s c d 文件实现3 5 图4 1 2 示例模型静态文件实现3 6 图4 1 3 示例模型c i m 动态文件实现3 7 图4 1 4i e c6 1 8 5 0 信息模型与c i m 兼容问题概览3 7 图4 1 5 c i m 文件与i e c 6 1 8 5 0 标准文件之间的映射关系3 8 图4 1 6c i m 和i e c6 1 8 5 0 信息模型集成的一般流程3 9 图5 1 不同节点数目下端到端的通信延迟4 0 图5 2 不同数据帧长度下端到端的通信延迟4 0 图5 3 传输延时组成4 1 图5 4 设备总线物理层网络拓扑4 2 图5 5 设备总线应用层功能结构4 3 图5 - 6 分布式计算模型交互流程4 5 图5 7 实时事件模型交互流程4 6 图5 8 自修正定时器工作原理4 7 图5 - 9g o o s e 报文传输机制4 9 图5 1 0 设备总线性能验证仿真平台5 0 图5 1 1 分布式计算模型的仿真模型系统5 0 图5 1 2 拓扑结线分析算法接口描述，2 图5 1 3 分布式计算模型实例运行图5 2 图5 1 4 客户端响应延时统计5 3 图5 15g o o s e 报文i d l 语法映射”5 4 图5 16 实时事件模型实例运行图5 5 表格清单 表4 1 智能变电站相关i e c 核心标准分类2 0 表4 2 访问服务通用接口3 3 表5 1g o o s e 报文优先级映射表4 9 表5 2 模型系统开关一元件关联表5 l 表5 3 模型系统支路一元件关联表5 1 表5 4 各类报文网络传输延时要求5 3 1 1 智能变电站发展背景 新世纪伊始，世界范围内对能源问题的关注促使电力相关技术的快速发 展。电力系统正面临着多重问题：大量分布式能源( d e r ) 需要接入配电网、电 力网络越来越复杂而脆弱、发电端与消费端长距离输送、需求侧对电源质量要 求的提高以及电力市场急需电力用户的参与。在思考如何解决上述问题的同 时，很多国家或地区正尝试在电力生产、输配和消费过程进行改造升级。近十 年内，美欧各国相继提出智能电网解决方案。 智能电网是传统的电网的进一步发展。主要的电网技术发展包括大容量电 力储能技术、新能源接入技术、电能质量控制技术、潮流灵活控制技术、高度 的信息集成技术和智能调度技术f 2 4 】。智能变电站作为衔接智能电网发电、输电、 变电、配电、用电和调度六大环节的关键一环，是智能电网中变换电压、接受 和分配电能、控制电力流向和调整电压的重要电力设施，是智能电网“电力流、 信息流、业务流 三流汇集的焦点，对建设坚强智能电网具有极为重要的作用。 2 0 世纪8 0 年代及以前，变电站保护设备以晶体管、集成电路为主，二次 设备均按照传统方式布置，各部分独立运行。随着微处理器和通信技术的发展， 远动装置( r t u ) 的性能得到较大提高，传统变电站逐步增加了遥测、遥信、遥 控、遥调的四遥功能。 2 0 世纪9 0 年代，随着微机保护技术的广泛应用，以及计算机、网络、通 信技术的发展，变电站自动化取得实质性进展。利用计算机技术、现代电子技 术、通信技术和信息处理技术，对变电站二次设备的功能进行重新组合、优化 设计，建成了变电站综合自动化系统，实现对变电站设备运行情况进行监视、 测量、控制和协调的功能。综合自动化系统先后经历了集中式、分散式、分散 分层式等不同结构的发展，使得变电站设计更合理，运行更可靠，更利于变电 站无人值班的管理。 在电力系统信息化建设中暴露出诸多问题：缺乏统一的标准体系，存在重 复建设；信息孤岛众多，信息集成度低，无法相互协作发挥整合效益；企业管 理信息系统与生产控制系统通常相互分离；信息化建设过程中，过多地投入到 设备的自动控制、数据信息的收集共享，却忽视了对信息的整理和挖掘p j 。 近年来，随着数字化技术的不断进步和i e c6 1 8 5 0 标准在国内的推广应用， 国内基于i e c6 18 5 0 的数字化变电站建设已经成熟【8 10 1 。数字化变电站具有全 站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化四个重要 特征。数字化变电站体现在过程层设备的数字化，整个变电站内信息的网络化， 以及断路器设备的智能化，而且设备检修工作逐步由定期检修过渡到以状态检 修为主的管理模式。 电式 发应 用，使变电站中所有信息的采集、传输实现全智能化处理提供了理论和物质基 础。技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一 次运行设备在线状态检测、变电站运行作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算 机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深 刻的影响，全智能化的变电站自动化系统即将出现。 目前现有输配电网中的变电环节包括两种变电站类型：常规变电站和数字 化变电站。普通的常规变电站存在多套系统、存在采集资源重复、厂站设计和 调试复杂、常规通信设备互操作性差、没有建立标准化模型和可适应性结构等 问题。数字化变电站同样存在相关标准规范不健全、软件硬件系统缺乏相关评 估体系、过程层设备稳定性和可靠性有待验证等问题，影响着变电站生产运行 的效率，不利于电网安全运行水平的进一步提高。伴随着智能电网建设的深入， 电网全景数据将导致网络信息量的激增，单纯基于i e c6 18 5 0 实现的数字化变 电站在功能支持上也已不能完全满足现有要求u 川。 基于站控层、间隔层和过程层变电站分层模型的全新变电站自动化标准 i e c6 1 8 5 0 逐渐让数字化变电站发展成熟，然而基于智能化一次设备、网络化 二次设备的融合已成为变电站未来发展趋势。由于风电、光伏设备等新能源开 始大范围接入系统，电网的系统安全稳定性面临严峻的考验，同时对作为电网支 撑节点的变电站提出了新的要求。伴随着计算机信息与通信技术在各方面取得 长足的进展，变电站自动化领域技术发展也很快。由于i e c 6 18 5 0 标准第一版 中尚没有给出有关变电站与控制中心之间、变电站与变电站之间通信模式的具 体规范，国际电工委员会( i e c ) 即将颁布i e c6 18 5 0 第二版，这将为智能变电 站的实际工程建设提供有力的标准化支撑。 1 2 智能变电站 1 2 1 智能变电站定义 智能变电站是由采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站 信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采 集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时 自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电 站、电网调度中心等互动的变电站【1 2 】。高可靠性的物理设备是变电站智能化的 基础，综合分析、自动协同控制是变电站智能的关键，设备信息数字化、功能 集成化、结构紧凑化、检修状态化是发展的方向，运维高效化是最终目标。 智能变电站是智能电网的重要基础和支撑，优化站内各种资源类型配置， 使得智能设备之间实现进一步的互联互通，支持采用系统级的运行控制策略， 方便与大用户、调度中心、相邻变电站、电源之间协同互动。智能变电站作为 础信息节点，负责向智能调度中心提供输配电网中关键量测状态 变电站实现自主信息交互，实现区间保护分布式协同、联防误操 作闭锁等功能；同电源( 包括可再生能源) 、用户之间协同互动，支撑各级电 网的安全稳定经济运行；满足集约化管理、设备状态检修、顺序控制等要求。 1 2 2 智能变电站技术内涵 智能变电站系统在基于“面向设备的设计思想基础上，可以有效解决现 有变电站自动化系统存在的问题。具体来讲智能变电站需要支持如下目标： 减少优化变电站运行方面的人工干预，最大程度上实现功能自治。设备 内实现电流、电压信息完整采集，相关设备集下的保护跳闸基于“直采 直跳 模式，不依赖于外部对时和网络。 将所有物理设备相关信息都整合进网络信息监控范畴，主动将变电站基 础信息数据分发至相关应用单元，实现全系统范围内的信息共享，即“一 处采集，全站共享”。 本地集成监控、诊断和报告信息，同时尽量实现信息的就地处理。 简化监控系统网络结构，降低其安装和维护成本。 启用基于设备实时状态的预测性维护。预测能力是智能化的重要体现形 式，是建立在记忆能力以及智能化模式识别能力基础上的智能活动。 建立站级智能调度系统，预测事故发生并实时准确处理； 关联环境，运行和非运行信息； 支持变电站设备即插即用功能： 建立基于统一信息平台的一体化监控系统是智能变电站的技术关键，其中 包括统一信息平台、远动终端、时间同步、电能质量管理、无功控制和节能运 行、配网和互动用户支持、分布式发电支持、可重构、集控、数据和事件记录、 基于共享信息的站域和广域控制保护、故障定位、五防等基础和高级应用功能。 建设运行技术内涵包括组态和系统调试工具、多态遥视、巡检和消防、二次设 备在线自动校验和预警、在线检测评估等关键设备和技术l l 引。 智能变电站技术体系中的几个重要的概念： 智能单元：强调实现的功能，主要是逻辑概念而非物理实体。功能实现既 可以跨越多个智能装置，也可以仅仅是一个智能装置的一部分； 智能装置：智能单元的物理载体，具有实际的物理形态。在常规变电站中， 二者的概念是重合的。在数字化变电站中，二者开始分离； 智能设备：具有测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信 息互动化特征的高压设备。智能设备是个物理概念，大于智能装置。智能设 备是一系列一次设备、二次功能的集合。 1 3 智能变电站与数字化变电站 数字化变电站的定义是：由数字化次设备和网络化二次设备分层( 过程 6 1 8 5 0 通信规范基础上，能够实现变 代化变电站。变电站中的二次控制系 统集成电气量测数字，提供遵循i e c6 1 8 5 0 标准信息模型的电流、电压输出数 据，实现统一信息建模【1 4 】。基于分层、分布式实现的变电站自动化系统与间隔 层中的各i e d 设备之间的信息交互以网络方式实现。 智能变电站是变电站自动化技术的发展必然趋势，是由数字化变电站概念 模型发展而来，有着密不可分的联系，同时也存在重要差别。智能变电站强调 电网中应用的目的，数字化变电站则强调一种基于现代化信息技术的实现手段。 智能变电站强调的是变电站的“智能”，即设备智能化和高级智能应用。数字 化变电站主要侧重于电子式互感器和i e c6 1 8 5 0 的应用，解决信息统一建模和 设备互操作的问题，扩大了变电站数据采集数字化的范围。我们可以认为数字 化变电站技术是智能变电站的一部分，同时智能变电站是变电站整体技术的一 个新跨越。相比于数字化变电站，智能变电站概念中更蕴含了两个方面的集成： 物理集成和逻辑集成【”】，如图1 1 所示： 独立 图1 1 物理集成与逻辑集成关系图 物理集成。从物理层面上，电力一次设备与二次设备融合，完全封装集 成在同一智能设备中，集成度以设备为单位，同时二次设备根据一次设备类型 的迥异具有可配置特性。一次设备的信息采集、测量、控制、保护、计量和状 态检测等基本功能并非所有的一次设备都需要配置，因而具有灵活配置特性是 智能设备的关键。物理集成弱化了一次设备和二次设备的定义界限，强调的是 一、二次设备集成后的功能特性。从系统的层面上来看，物理集成恰恰体现了 面向设备、功能自治的思想，对提高间隔功能的可靠性、降低运行和维护费用 具有很大的帮助。 逻辑集成。变电站系统从本质上分析是一个动态互联的系统，只依靠当 前间隔及其内部信息是难以在系统层面优化保护与控制功能的。智能变电站实 现就地、区域和全局功能的协调，强调逻辑集成，构成面向系统的逻辑装置划 - 4 口口 分体系，形成基于标准信息模型的一套完整全景数据描述系统，支持具有在线 决策、协同互动特征的各种高级应用。 i e c6 1 8 5 0 基于逻辑节点、逻辑设备、逻辑链接等概念建立变电站中大部 分信息模型，灵活实现了功能的自由分配。基于标准的系统物理集成和逻辑集 成可以有机共存。综上所述，可以得出智能变电站与数字化变电站的两个主要 区别： 在设备层面，智能变电站直接依赖智能一次设备完成主要的系统功能。 数字化变电站虽然具有一定程度的设备集成和功能优化的概念，但是设备集成 化程度与智能变电站还有很大的差距。智能变电站可以真正意义上实现电力一、 二次设备的一体化、智能化整合和集成。 在系统层面，智能变电站不仅协调站内各智能设备之间的功能配合，而 且与区域智能调度中心和相邻智能变电站也有信息交互，具有全网意识。当前 基于i e c6 1 8 5 0 第一版的数字化变电站概念模型还没有提供变电站之间和变电 站一控制中心之间的信息交互方案，主要解决变电站内部的功能实现【l 引。智能 变电站的概念从提出的开始就一直强调自身与智能电网的关系，相比数字化变 电站更加注重变电站之间、变电站与调度中心之间的统一与协调。 1 4 本文的主要研究工作 智能电网是以信息通信平台为支撑的现代化电网，以智能控制为手段，包 括电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压 等级。智能电网技术的发展离不开其中的任一环节，包括智能变电站。智能变 电站的智能化不仅来源于结构上的革新，而且离不开稳健的信息系统【1 7 】。本文 针对智能变电站信息系统的组态化构建思想进行研究，主要工作在以下方面： 1 1 分析了智能变电站信息系统结构和智能组件的功能组成，提出了系统内 基础信息交互模型。 2 ) 研究了智能变电站信息系统组态化的必要性、组态化所带来的优势以及 组态化的技术组成，分析了如何基于信息系统开发平台完成系统开发阶 段工作。 3 1 介绍了目前i e c 核心标准分类，研究了如何在智能变电站信息系统中集 成现有标准，解决了子标准之间信息模型兼容问题，使得交互信息模型 标准化。 4 1 研究了设备总线的物理层和应用层实现方法，提出如何基于设备总线各 功能应用实现变电站中两种重要通信模型，并经过仿真系统性能验证其 可行性，最后展望了将来需要进行的设备总线标准化工作。 第二章智能变电站信息系统概述 直多级控制机制的传统信息系统反应延迟，无法构建可配置和可重 统；系统自愈、自恢复能力薄弱，完全依赖于物理设备实体冗余； 务类型单一，以由下而上单向信息传输为主；系统内部存在多个纵 ，缺乏横向信息共享。虽然局部的信息系统智能化程度在不断提高， 全景信息的不完善和不同信息类型之间共享能力薄弱，使得多个子 的、局部的、孤立的，不能构成一个实时的有机统一整体，从而导 致整个信息系统的智能化程度较低。 智能变电站信息系统没有采用数字化变电站中基于间隔单元划分的三层 站内信息模型，而是以相邻相关一次设备为群簇集成二次系统，改变传统的系 统数据采集处理模式。站级信息系统以智能设备为信息节点，为设备之间的信 息交互建立支持多种类型的通信通道以及站级公共服务。具有适应性的智能电 网概念模型将伴随着智能变电站信息系统的建立加快实现的步伐。 2 1 信息系统内涵 2 1 1 信息系统中的数据流 变电站包含了大部分数据传感器( 电流互感器、电压互感器等) 和支持响应 远动控制的执行机构等一次设备，同时保护、测量、控制等二次设备也广泛分 布其中。在设备聚集的变电站内部，海量数据的处理异常复杂。 图2 1 数据流示意图 如图2 1 所示，基于电力一次设备的电气模拟信息量化的过程，信息系统 处理主流程的构成包括：完整规范的数据采集、基于t c p 的实时数据传输、应 用服务的无缝信息集成、完整结构化的数据分析、有针对性的数据展现【l 引。交 互数据转发支持智能设备之间的信息共享，建立统一的标准化信息平台。智能 变电站中的实时数据包括：量测数据、设备状态数据、电能量数据。显然，量 测数据是描述变电站内各网络节点状态的关键数据，实时性要求相对较高。后 两类数据的特点是数据量大，采集点多且分散，对实时性要求较低，但数据可 站通 上的 息、 设备状态信息、电能质量等各类数据的标准化信息模型地建立将满足基础数据 的完整性及一致性的要求。图2 2 中明确表达了智能变电站的分层式结构以及 列举相应功能模块： - - _ - - - - _ _ - - _ - _ - - - _ _ - 智能变电站系统层 i 匝圈匦巫困! 叵亘亟匣困l i 匦堕区巫巫匝画 。看磊谨蓉蘑一j 测量组件1 1 计量组件1 控制组件| i 保护组件i l 状态监测组件 采集单元l i 通信单元i i智能组件驱动设备 呵 图2 - 2 智能变电站信息系统结构 如图2 2 所示，智能变电站分为设备层、系统层。设备总线为系统层和设 备层提供支持多通道的可靠通信服务。 智能设备层由很多直接连接在设备总线上的智能设备( s m a r tp o w e rd e v i c e ) 组成。设备层完成变电站电能分配、变换、传输及其测量、控制、保护、计量、 检测等相关功能。智能设备之间的横向信息交互频繁，完全面向标准化功能