（电力系统及其自动化专业论文）继电保护及故障信息系统设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文针对继电保护及故障信息系统的设计和建设的现状，根据继电保护及故 障信息应用的特点，对系统结构、模型设计、目前可用的通信规约及规约配置和 系统的远程配置进行了探讨和研究： a ) 系统结构：本文提出在子站端分层的结构，将子站系统分为保护装置和 故障录波器、保护管理机、子站管理机等几个层次( 保护管理机可不设置) ；在 主站侧将各种应用和数据存储分布于不同工作站，部分工作站可设置在远方，通 过专用网络与系统相连。 b ) 通信体系：根据山东电网继电保护及故障信息系统的需要，以及国内其 他已建成的类似系统的经验，在变电站与调度中心间通信所用的新一代通信协议 体系没有推出前，采用基于网络传输的扩展i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，即采用 i e c 6 0 8 7 0 5 10 4 规约所用的“t c p i p 协议子集( r f c2 2 0 0 ) ”作为底层协议承载 应用层的传输方式；并提出采用配置语言描述规约的传送方式和信息含义( 称为 规约配置) ，使得通信报文可以被确切解析，实现系统和装置对规约的自适应， 从而提高规约转换的效率。 c ) 统一模型设计：一次系统模型参照i e c 6 1 9 7 0 的c i m 模型( 包括元件模 型和拓扑模型) ，并根据本系统的实际应用对c i m 进行了扩充；二次系统模型参 照i e c 6 0 8 5 0 的模型体系，并根据国内二次设备的实际情况对模型进行了扩展， 以适应工程建设和高级应用发展的需要。 d ) 远程配置：在建立统一模型的基础上，本文参照文献 3 】中的变电站内l e d 配置描述语言，采取用x m l 描述l e d 配置的方案，通过在主站与子站解析i e d 配置以实现l e d 配置修改后系统的自动更新和在远方对l e d 的配置进行修改的 目的，达到“子站远方配置，主站免维护”，提高系统配置过程的自动化水平。 通过上述设计，使得继电保护及故障信息系统( 尤其在大电网内) 子站与主 站之间、主站与主站之间信息交换效率大大提高；应用系统与底层通信网络之间 相对独立，稳定性大大增强；基于x m l 的远程配置方案也使得远程控制在| 】6 9 络 环境下能力得到增强。 通过建立这种主站分布式的、基于网络传输环境、具有统一信息模型以及基 山东大学硕士学位论文 于x m l 远程配置能力的继电保护及故障信息系统，可以实现继电保护装置运行 管理的“可控、在控”，提高继电保护专业运行和管理的现代化水平，从而为从整 体上提升电网调度运行管理水平做出贡献。 关键词：继电保护及故障信息系统，系统结构，通信体系，统模型，远程配置 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o b e si n t oa n ds t u d i e st h er e l a yp r o t e c t i o na n df a u l ti n f o r m a t i o n s y s t e m ss y s t e ms t r u c t u r e ，m o d e ld e s i g n ，a v a i l a b l ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，p r o t o c o l c o n f i g u r a t i o na n dr e m o t ec o n f i g u r a t i o na c c o r d i n gt ot h er e l a yp r o t e c t i o na n df a u l t i n f o r m a t i o ns y s t e m ss i t u a t i o no fd e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e a p p l i c a t i o no f p r o t e c t i v er e l a y sa n d f a u l ti n f o r m a t i o n s y s t e ms t r u c t u r e ；t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r d t h a tt h es u b s t a t i o ns y s t e m sa r em a d e u po fp r o t e c t i v er e l a y sa n d d i s t u r b a n c er e c o r d e r s ，s u p e r v i s o r yc o m p u t e r so f p r o t e c t i o n ， a n dc o m p u t e r so fs u b s t a t i o n ；i nt h ec e n t e rs y s t e m s ，a l lk i n d so f a p p l i c a t i o ns y s t e m s a n dd a t aa r ed i s t r i b u t e di nd i f f e r e n tw o r k i n gs t a t i o n s ，a n ds o m eo ft h e s e w o r k i n g s t a t i o n sc a nw o r k r e m o t e l y , a n d c o n n e c tt h em a i n s y s t e mt h r o u g hs p e c i a ln e t w o r k s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ：a c c o r d i n gt h er e q u i r e m e n to fr e l a yp r o t e c t i o na n df a u l t i n f o r m a t i o ns y s t e mo fs h a n d o n gp o w e rs y s t e m ，a n dt h e e x p e r i e n c eo fo t h e rr e l a y p r o t e c t i o n a n df a u l ti n f o r m a t i o n s y s t e m s o fo t h e rp o w e r s y s t e m s ，t h e e x t e n d e d i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3b a s e do nn e t w o r k st r a n s m i s s i o ni su s e d a n dt h e p a p e ra l s og i v e st h e p r o t o c o lc o n f i g u r a t i o nt o d e s c r i b et h e m e s s a g e sa c c u r a t e l y i no r d e rt om a k et h e p r o t o c o lf i tt h es y s t e m sa n de q u i p m e n t sa u t o m a t i c a l l y u n i f i e dm o d e ld e s i g n ：t h em o d e lo ft h ep r i m a r ys y s t e mi sb u i l t a c c o r d i n gt o i e c 6 1 9 7 0 sc i mw h i c hi s e x p a n d e db a s e do np r a c t i c a l n e e d so ft h es y s t e m ；t h e m o d e lo ft h es e c o n ds y s t e mi sb u i l ta c c o r d i n gt ot h em o d e ls y s t e mo fi e c 6 18 5 0 w h i c hi se x p a n d e db a s e do nt h ea c t u a lc o n d i t i o no fd o m e s t i ci e d s ，i no r d e rt of i tt h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n da d v a n c e da p p l i c a t i o n r e m o t e c o n f i g u r a t i o n ：w e c o n s u l ti e c 6 1 8 5 0 6 c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o n l a n g u a g e f o rc o m m u n i c a t i o ni nas u b s t a t i o nr e l a t e dt oi e d s a n dd e c i d et h e c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o ns c h e m eb a s e do nt h eu n i f i e dm o d e l t h es t a t i o n sa n dt h e c e n t e r s a n a l y z e t h e i e d s c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n ，t h es y s t e m su p g r a d e a u t o m a t i c a l l ya n dt h ei e d s c o n f i g u r a t i o n 啪b em o d i f i e dr e m o t e l ya c c o r d i n gt h e c o n f i g u r a t i o ni n f o r m a t i o n ，s ot h a t t h es t a t i o n sc a nb ec o n f i g u r a t e dr e m o t e l y , a n dt h e c e n t e r sc a nb e u p g r a d e dw i t h o u tm a i n t e n a n c e ”，a n d t h e c o n f i g u r a t i o np r o c e s s s 3 山东大学硕士学位论文 4 a u t o m a t i cl e v e lc a nb er a i s e dg r e a t l y u s i n g t h ea b o v e d e s i g n ，t h ee f f i c i e n c y o ft h e r e l a y p r o t e c t i o na n df a u l t i n f o r m a t i o ns y s t e mc a nb cp r o m o t e dg r e a t l yw h e nd a t ai se x c h a n g e db e t w e e ns t a t i o n s y s t e m s a n dc e n t e r s y s t e m s ，o ra m o n gd i f f e r e n tc e n t e rs y s t e m s t h ea p p l i c a t i o n s y s t e m i s i n d e p e n d e n t f r o mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，a n d s t a b i l i t y i s i m p r o v e d g r e a t l y t h ec o n f i g u r a t i o ns c h e m eb a s e do nx m l s t r e n g t h e n st h ea b i l i t yo f t h er e m o t e c o n t r o l i nt h ec o n d i t i o no f n e t w o r k s 7 f h e r e l a yp r o t e c t i o n a n df a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nn e t w o r k sw i t h d i s t r i b u t e dc e n t e rs y s t e m s ，u n i f i e di n f o r m a t i o nm o d e l s ，t h ec o n f i g u r a t i o na b i l i t yo f r e m o t ec o n f i g u r a t i o n ，c a nm a k et h ep r o t e c t i o n s “c o n t r o l l a b l e a n d “i nc o n t r o l ”，r a i s et h e m o d e m i z a t i o nl e v e l ，a n dc o n t r i b u t et oi m p r o v e m e n to ft h ep o w e r s y s t e m so p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：t h er e l a yp r o t e c t i o na n df a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，s y s t e ms t r u c t u r e ， m o d e ld e s i g n ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，p r o t o c o lc o n f i g u r a t i o n ，r e m o t ec o n f i g u r a t i o n 山东大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题背景 目前大量的微机保护在系统中投入运行，但在配置上还是着重于保护功能本 身，在数据共享及分析方面考虑较少。对于常规的变电站自动化系统而言，当电 网发生故障时，缺乏有效的手段将保护的动作情况及故障信息主动l ：送到调度 中心，调度中心的运行人员通常只能靠变电站当地的运行人员的口头汇报进行 事故处理，对故障测距、阻抗分析、保护动作统计等功能的实现均停留在自动化 程度及智能化程度较低的水平。与变电站自动化、调度自动化技术的发展水平相 比，继电保护、安全自动装置和故障录波器( 以下称“二次装置”) 作为电网的 重要组成部分，在调度运行管理方面的信息化、智能化水平已经相对落后，技术 手段已经不能满足调度运行管理自动化的需要。 目前，微机型继电保护、安全自动装置和故障录波器已广泛采用，具备了以 数据方式向电网调度中心传输各种二次装置信息及电网故障信息的能力，建设基 于现代网络通信技术的二次装置的信息处理系统( 以下称“继电保护及故障信息 系统”) 的前提条件已经具备。继电保护及故障信息系统的建设，将从整体上提 升电网调度运行管理的信息化、智能化水平，使二次装置运行、管理的各个环节 “可控、在控”，并实现继电保护专业管理现代化。 1 2 系统建设现状 综合考察目前已经建成的继电保护及故障信息系统。其结构构成基本一致， 都包括主站、子站和通信网络构成。其中予站位于变电站、发电厂侧，主要完成 装置接入、数据的接收、处理和转发等；主站位于调度中心侧，主要完成从子站 获取、处理及储存数据，并根据需要实现录波数据分析、电网故障分析等功能； 子站和主站之间通过通信网络相连接。 目前已建的继电保护及故障信息系统的设计经历了如下几个阶段： a ) 早期的继电保护及故障信息系统 早期的继电保护及故障信息系统结构和功能都非常简单，在文献【6 中论述了 该阶段继电保护及故障信息系统的一般特点：厂站端子站一般采用主从结构，由 p c 机充当主机，各微机保护和微机型录波器作为从机，主从机间采用简单的 山东大学硕士学位论文 r s 4 8 5 串行通信，采用双绞线并联，所能接入的微机保护和微机型录波器数量 较少，在功能上也只能简单地实现录波和故障信息的收集和转发，不能进行数据 的处理；调度端主站只能与较少数量的子站相连接，构成系统规模较小，只能实 现与子站通信、显示打印子站上送的波形和故障信息等数据，进行双端测距分析 等简单功能。 b ) 初步发展的继电保护及故障信息系统： 随着计算机技术和网络技术的发展，继电保护及故障信息系统有了进一步的 发展，在文献 1 4 1 、文献 2 6 1 、文献 2 4 1 等学术论文中论述了该阶段继电保护及故 障信息系统的一般特点：子站主控单元逐渐由工业控制计算机来担任，其功能也 由简单的收集转发发展到了各种后台分析功能，如故障测距、谐波分析、向量分 析等，并可以对故障数据和录波数据进行简单的处理，如将录波数据转换为 c o m t r a d e 格式：同时站内所用的通信采用了现场总线技术，装置接入数量、通 信速率和实时性，以及可靠性和组网的灵活性都较原来有了较大的改善；主站侧 的功能也逐渐得到增强，原有的分析、显示、打印功能更加强大；对上送信息的 处理和存储手段更加完备，一般根据故障信息、装置信息、电网参数等不同方面 建立多个数据库，使数据的检索更加快速和方便；开始建立与m i s 等其他系统 的连接，实现系统内的数据共享。 c )目前的继电保护及故障信息系统： 近年来的继电保护及故障信息系统在系统软、硬件结构和功能上都有了较大 的发展，在文献f 3 2 】、文献 3 3 、文献【3 5 等学术论文中论述了该阶段继电保护及 故障信息系统的一般特点：大量子站系统采用嵌入式系统，在安全、稳定、运行 寿命上均有较大改善。主站侧的功能变得更加完备，除了原有的故障信息及录波 数据分析外，有的系统还把设备管理、运行管理、定值计算、统计分析等专业管 理也纳入了本系统的范畴。由于系统建设数目的大量增加，保护装置接入子站系 统的方式更加丰富：对于新建厂站和使用r t u 方式的老站，一般采取所有保护 装置全部接入继电保护及故障信息系统子站的方案：对于已经运行的变电站自动 化系统再追加保护信息管理系统的改造，所有保护装置和测控装置均挂在一个管 理机上，再由管理机把信息送给系统子站。整个系统规模变得更大，不但调度端 主站直接连接的子站更多。且省调、地调和县调各层调度端主站之间也普遍通过 山东大学硕士学位论文 i n t e r n e t 或电力数据专网实现数据共享。在主站与子站之间一般由电力数据专网 作为通信网络，数据传输的可靠性、稳定性及实时性都有较好保障；有的系统仍 然保留拨号网络作为备用通信网络。 1 3 理论研究现状 a ) 系统结构 近年来继电保护及故障信息系统发展迅速，规模不断扩大，已经从地调规模 向覆盖全省、全网发展。目前，华北电网、华东电网、山东电网、浙江电网都在 建设或筹建该系统。这种情况下，系统结构成为影响系统功能实现效率的重要因 素。 在文献 2 6 中，给出了目前继电保护及故障信息系统结构设计的思路，即： 在厂站端，所有保护都接入分布式的保护管理机，南管理机分别与监控和保护系 统通信；在调度端设置前置机，同时对子站较多的系统采用分网的方案这种方式 下，了站端的保护装置由管理机单独管理，与变电站监控系统相对独立，互相干 扰少，因而非常适于新建项目和使用r t u 方式的老站改造；调度端有前置处理 通信网送来的数据，有分网实现数据分流，因而整个系统的效率较高。 b ) 无缝通信体系 所谓无缝通信体系是指在变电站内、变电站与调度端之间采用统一的通信协 议体系，从而实现装置到子站系统、子站系统到主站系统的无缝通信。建立无缝 通信体系是变电站自动化系统的发展方向，继电保护及故障信息系统与变电站自 动化系统关系密切，因而无缝通信体系也集中了大量的研究。统一模型和抽象通 信服务是建立无缝通信体系的两项重要内容，在文献 2 0 】和文献 2 2 ，以及文献 【3 中对这两点进行了详细的论述。 统一模型 目前在变电站自动化系统及继电保护及故障信息系统中所用的各种通信协 议都是根据各种特定应用，对各种对象建模，彼此之间不相兼容，采用不同协议 的装置之间进行通信，或者各装置与s c a d a 数据库等调度自动化系统连接起 来，就得进行转换，这在采用网络技术的情况下很难适应发展的需要。因而建立 统一的模型体系是实现无缝通信的基础。 抽象通信服务接口 1 1 东大学硕士学位论文 目前电力系统内所采用的通信网络非常复杂，在实际工程中，简单的串行通 信、现场总线、以太网同时存在；虽然目前的发展趋势是以太网通信，但是鉴于 网络技术的迅猛发展，更加符合电力系统生产特点的网络必然会出现。另外，由 于电力系统生产的复杂性，信息传送所要求的相应时间各不相同，因而变电站内 部也需要不同的通信网络和协议栈。在这种情况下，为了增强系统的稳定和可复 用性，有必要建立一整套接口，将上层应用与底层通信独立开来，再通过特定映 射与具体的通信协议建立起映射关系。这种设计考虑到了电力系统的复杂性，减 弱了应用与通信的耦合关系，使通信系统的差异对系统应用的影响降低，因两得 到了广泛的重视。 建立无缝通信体系还要求系统与s c a d a 数据库，即i e c6 1 9 7 0 数据模型协调 一致，在文献 3 6 以及文献 4 2 1 中论述了利用继承和关联关系将二者联系起来的 思路。 e ) 远程配置 在变电站自动化系统和调度端应用系统中，i e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e s ，智能电子器件) 的配置信息是非常重要的。根据配置的变化更新应用 系统( ! t l l - - - - 次接线图、定值整定、装置信息管理等) 并根据应用对l e d 进行 设置，在整个调度运行和专业管理工 乍中都是相当重要的环节。 这些工作可以由工作人员人工完成( 如手工输入配置信息表或在现场对i e d 进行设置) ；在保证系统安全性的前提下，i e d 配置管理也可通过网络远程进行。 后一种方式体现了了计算机、自动化和网络技术的发展，可支持与电力系统应用 软件的集成，越来越受到重视。 在文献【3 】中给出了远程配置的解决方案，即利用i e c6 1 8 5 0 规定的统一模型， 对各l e d 的配置情况进行固定语法和语义的描述，子站和主站( 或i e d 与调度 系统) 之间通过传递配、解析配置描述信息实现远程配置。 d ) 系统安全 出于继电保护及故障信息系统具有分层、分布的特点，以及互联、互通、互 动的要求，涉及的应用面较广，跨越了多个不同等级的防护安全区，存在较大的 安全风险，因此系统安全必须得到保障。如何对系统进行全面分析，制定完整的 安全解决方案，建立健全的安全防护体系，也是继电保护及故障信息系统研究中 山东大学硕士学位论文 的重要内容。 在文献 3 5 1 0 7 论述了日前使用的增强系统安全的若干方法，即按照国家对于 电力二次系统安全防护的要求划分系统安全等级、增设硬件防火墙、设立独立的 信息发布服务器等。 e ) 规约转换 站内装罨种类繁多、型号复杂，各厂家所用规约各不相同，为使各种装置均 能接入子站系统，需要进行大量的规约转换工作。根据文献f l l l ，目前常用的规 约转换的方法是规约转换是通过一种映射机制，将某一规约的收发信息序列映射 成另一规约的收发信息序列。但是某些规约具有比较强的灵活性，如 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，它的通用分类服务可以以相同的方式访问几乎任何种类的 数据，而这些数据的内容和含义在不同的设备之间是不相同的，使得同样使用 1 0 3 规约的设备之间也不能访问，给信息交换造成了困难。如何减少规约转换的 工作量，提高规约转换的效率仍是目前该领域有待研究课题。 1 4 本文的主要工作 本文结合了山东电网继电保护及故障信息系统的功能规范和技术规范的制 定工作，主要对继电保护及故障信息系统的系统结构、统一模型、目前可用的通 信规约及规约配置和系统的远程配置进行了研究，并结合山东电网的实际情况给 出了部分的解决方案： e ) 系统结构：本文提出在子站端分层的结构，将子站系统分为保护装置和 故障录波器、保护管理机、子站管理机等几个层次( 保护管理机可无) ；在主站 侧将各种应用和数据存储分布于不同工作站，部分工作站可设置在远方，通过专 用网络与系统相连。 d统一模型设计：一次系统模型参照i e c 6 1 9 7 0 的c i m 模型( 包括元件模 型和拓扑模型) ，并根据本系统的实际应用对c i m 进行了扩充：二次系统模型参 照i e c 6 0 8 5 0 的模型体系，并根据国内二次设备的实际情况对模型进行了扩展， 以适应工程建设和高级应用发展的需要。 曲通信体系：根据山东电网继电保护及故障信息系统的需要，以及国内其 他已建成的类似系统的经验，在变电站与调度中心间通信所用的新一代通信协议 体系没有推出前，采用基于网络传输的扩展i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，即采用 山东大学硕士学位论文 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约所用的“t c p i p 协议子集( r f c2 2 0 0 ) ”作为底层协议承载 应用层的传输方式：并提出采用配置语言描述规约的传送方式和信息含义( 称为 规约配置) ，使得通信报文可以被确切解析，实现系统和装置对规约的自适应， 从而提高规约转换的效率。 h ) 远程配置：在建立统一模型的基础上，本文参照文献 3 中的变电站内i e d 配置描述语言，采取用x m l 描述l e d 配置的方案，通过在主站与子站解析i e d 配置以实现i e d 配置修改后系统的自动更新和在远方对l e d 的配置进行修改的 目的，达到“子站远方配置，主站免维护”，提高系统配置过程的自动化水平。 山东大学硕士学位论文 2 技术基础 21x m l 简介 21 1 置标语言 目前常用的置标语言类型及特点如下o ”1 ： a ) 标准通用置标语言s g m l ( s t a n d a r d g e n e r a l i z e dm a r k u p l a n g u a g e ) ：s g m l 是一种通用的文档结构描述置标语言，是x m l 和h t m l 的母语言，在数据分类 和索引中用处广泛。但s g m l 太过复杂，不适合网络的日常应用，加上开发成 本高、不被主流浏览器所支持等原因，使得s g m l 在w e b 上的推广受到很大阻 碍。 b ) 超文本置标语言h t m l ( h y l ) e n e x tm a r k u pl a n g u a g e ) ：为了适应实际的 需要，人们对s g m l 的应用进行了精简，引用了s g m l 置标的最简化特征，内 建了常用的样式类型，并将超连接与多媒体联系起来。 这些特点使得h t m l 被广泛接受。但是h t m l 也有很大的局限：它只能显 示内容而无法表达数据内容；不能描述矢量图形、数学公式、化学符号等特殊对 象；在数据显示方面的描述能力也不尽如人意；另外，它只是s g m l 的一个实 例化的子集，可扩展性差，用户根本不能自定义有意义的置标供他人使用。这些 都成为w e b 技术进一步发展的障碍。 c ) 可扩展标记语言x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) ：与h t m l 类似， x m l 也是s g m l 针对特定应用领域的一个子集，是s g m l 的一种受限形式。 x m l 是s g m l 的简化版，在省略了一些s g m l 中过于复杂和不常用的部分的同 时，它还能和s g m l 一样通过解析来实现数据的结构化，从而将s g m l 的完整 体系与实用性很好的结合起来。 21 2x m l 的特点 x m l 并不是一个独立的，预定义的标识语言。( h t m l 是一种预定义的标 识语言，h t m l 只是在一类特定的文件中定义了一种描述信息的方法，而 x m l 能允许你在不同的文件中定义你自己设计的标识语言。) 【5 i x m l 具有如下特 点： 。 a ) 开放性：x m l 是一种元语言，是用来描述其他语言的语言。它允许你自 山东大学硕士学位论文 己设计你的标识，这一特征使得电力系统可以根据本领域的实际情况定义自己的 置标语言。 b ) 分离性：x m l 的显示格式与数据内容相独立，数据更改时所需的重复工 作量小：且x m i 。的自我描述性质能够很好地表现许多复杂的数据关系，使得基 于x m l 的应用程序可以在文件中准确高效地搜索相关的数据内容。 21 3x m l 的d t d 和s c h e m a d t d ( d o c u m e n t 7 l 、y p ed e f i n i t i o n 文件类型定义) 是一个或是一些用x m l 书 写的文件，它包含了对某一种文件的正式定义，定义了文件中的元素能用什么名 字，能放在什么位置，应该怎样组合等规范性信息。 d t d 是x m l l 0 规范的重要组成部分，但它也有一些缺点：它采用了非x m l 的语法规则、不支持多种多样的数据类型、扩展性较差等等。这些缺点为它的应 用带来了较大不便。在这种情况一f ，x m ls c h e m a 开始发展起来，在保留并扩充 了d t d 原有的文档结构说明能力的同时，较好地解决了d t d 的缺点。 对本文涉及到的模型文件和配置文件，均在附录中给出d t d 和s c h e m a 定义。 2 2 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 简介 2 2 1 远动通信协议体系i e c 6 0 8 0 7 5 简介 i e c 6 0 8 7 0 5 协议是有国际电工委员会i e c 第5 7 技术委员会( t c 5 7 ) 制定的 一套适用于远动通信的协议体系。它共由5 部分组成，其中i e c 6 0 8 7 0 - 5 _ 1 和 i e c 6 0 8 7 0 5 2 描述了链路层，i e c 6 0 8 7 0 5 3 、i e c 6 0 8 7 0 5 4 和i e c 6 0 8 7 0 5 ，5 描述 了应用层的基础部分。在i e c 6 0 8 7 0 5 体系中，i s o o s i 七层模型中的网络层、 传输层、会话层和表示层都为空层。同时，根据应用领域的不同，i e c 6 0 8 7 0 5 还为应用层定义了一系列的“伴同标准”，分别是i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 到 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ，其中：i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 用于一般远动通信，i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 2 用 于电能计量信息的通信，i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 用于继电保护信号的通信， i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 将i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 移植到了t c p i p 协议体系上。1 2 5 1 2 2 2 le c 6 0 8 7 0 5 10 3 协议简介 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准为继电保护设备信息接口配套标准，它定义了变电站控 制系统与保护设备之问相互通信时采用的报文格式和信息交换过程。川 山东大学硕士学位论文 2 2 2 1 物理层 1 0 3 规约规定在变电站自动化系统中物理层应采用光纤传输系统或r s 4 8 5 总 线系统。 222 2 链路层传输规则 1 0 3 规约规定采用窗门尺寸为l 的非平衡方式传输的链路传输规则，适用各 种网络配置( 包括点对点、多个点对点) 。对于发送确认( s e n d c o n f i r m ) 和请求，响应( r e q u e s t r e s p o n d ) 传输服务在传输过程中受到干扰，用等待 一超时一重发或等待一超时方式发送下一帧。 22 2 3 应用层 采用的帧格式为f t l 2 异步式字节传输帧格式，帧格式如f 启动字符( 6 8 h ) 长度 长度( 重复) 启动字符( 6 8 h ) 控制域 链路地址域 类型标识 可变结构限定词 传送原因 公共地址 功能类型( f u n ) 信息序号( i n f ) 信息元素集( 长度可变) 帧校验和 结束字符( 1 6 h ) 图2 1i e c 6 8 7 0 5 1 0 3 规约帧格式 山东大学硕士学位沦文 1 0 3 规约规定的信息交换方式可分为兼容范围和通用分类服务。各自特点如 卜： 兼容范围：在兼容范围中，严格按照1 0 3 规约规定的应用服务数据单元( a s d u s ) 和标准化的报文过程传输信息。 通用分类服务：采用各间隔层单元自我描述和自我定义的方法对要求传输的 信息进行定义。它具有传送任何类型数据的能力。数据可通过通用分类服务按同 一种方式进行访问。所有数据可在所有设备上按相同方法构成，这样就解决了各 厂家所要传输信息无法统一的矛盾。这使新技术不受限制，提高了开放的可能 性。 2 3 i e c 6 1 8 5 0 简介 近年来国际电工委员会( i e c ) 发布了多部用于电力系统的通信标准，这些 标准目前都得到了大量应用，但是它们之间并不兼容。为了实现数据的共享和交 换，用户必须进行规约的转换。随着网络技术的发展，可以交换的数据越来越多， 在这种情况下，用原有的规约转换的方法进行数据交换，系统集成和维护所需要 的成本将会大大提高。 在这种情况下，i e c 决定制定新的无缝通信体系标准，并决定以i e c 6 1 8 5 0 为基础，即变电站内、变电站到调度所之间的协议都采用i e c6 1 8 5 0 ，从而实现 无缝通信。1 3 1 2 3 1 统一建模 目前所用的各种通信标准的模型都是针对各自的特定应用的，因而不能做到 完全一致。在这种情况下要实现采用不同标准的系统间的信息交换，就得进行转 换。新的模型涵盖了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ，i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 ，i e c6 0 8 7 0 6t a s e 2 的数据模型。对变电站内继电保护装置、与继电保护有关的功能的装置、开关控 制与站内互锁等控制装置、人机接口、自动控制装置、断路器和隔离开关、仪用 互感器( c t 、p t ) 、变压器、其他电力系统设备( 如发电机、电动机、组合电气、 屯力电缆等) ，其内容已经覆盖了变电站自动化涉及的几乎全部领域，使得全系 统范围内的通信更加方便。另外i e c 6 1 8 5 0 与i e c6 1 9 7 0 数据模型协调一致，有 利于变电站自动化系统与s c a d a 数据库的交互。 2 3 2 分层结构 山东大学硕士学位论文 i e c 6 1 8 5 0 将整个变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层；将物理 装置划分为服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性儿个层次，如下 图所示： 图2 2i e c 6 1 8 5 0 分层结构 这些层次描述了上文所述的统一模型体系。 从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连，每1 个i e d 既可扮演服务 器角色也可扮演客户的角色。在各层模型之间，通过抽象通信服务接口( a c s i ) 来交换信息，如得到服务器中的逻辑装置名字和文件名字、每个逻辑装置中的逻 辑节点名字、每个逻辑节点中的数据对象名字以及每个数据对象中的数据对象属 性名字，通过这样的服务可以得到完整的分层数据库模型；同时也可以通过服务 中的参数分别读取全部数据对象属性定义、一个数据对象属性定义或请求约束的 全部数据对象属性，这样就提供了“直接访问现场设备，对各个制造厂的设备都 用同一种方法进行访问”的手段。 23 3 抽象通信服务接口 i e c 6 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，它独立于具体的网络应用层协议( 例 如目前采用的m m s ) ，与所采用的网络( 例如现在采用的i p ) 无关。这样就使 得基t - i e c 6 1 8 5 0 的应用可以适应实际所采用的各种网络。在底层网络发生变化 的情况下，只需要改变相应的特殊通信服务映射( s c s m ) 即可，而不需要对应 用做出大的调整。 山东大学硕士学位论文 2 3 4 面向设备的白描述 i e c 6 1 8 5 0 提供的模型覆盖了变电站自动化领域的几乎所有功能和数据对象， 并提供了扩展机制。因而在传输数据时，通过附带数据自我描述信息的方法实现 信息的自描述，数据在传送到调度系统后可以直接通过软件解析，从而使得现场 验收的验证工作大为简化，数据库的维护工作量也大为减少。 2 35 系统配置 因为i e c 6 1 8 5 0 建立了统一的模型体系和统一的抽象服务通信接口，并且支 持现场设备的直接访问，因而在设备配置发生改变的情况下，调度系统可以很方 便地得知配置改变情况，并据此进行更改。 2 4 i e c 6 1 9 7 0 简介 网络的发展，使得各电力自动化系统出现大规模互联、形成一个广泛的分布 式系统的趋势。在这种条件下，为了协调各个基于不同硬件、不同软件、不同支 撑系统的子系统，使e m s 能在这个异构系统下稳定、有效的工作，i e ct c5 7 制定了i e c 6 1 9 7 0 标准，即“e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ma p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ( e m s a p i ) ” 2 9 1 。 i e c 6 1 9 7 0 标准主要包括两部分内容1 4 i ： 在组件问交互用的公用信息模型( c o m r f l o ni n f o r m a t i o nm o d e l ，简称c i m ) ： c i m 分为9 个包( 包是将相关模型元件人为分组的方法) ，分别为c o r e 、t o p o l o g y 、 w i r e s 、o u t a g e 、p r o t e c t i o n 、m e a s 、l o a d m o d e l 、g e n e r a t i o n 和d o m a i n 。 组件接口规范( c o m p o n e n ti n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，简称c i s ) ：c i s 分为两种 级别，级别一只对接1 2 1 做一般性描述，不涉及具体的计算机技术；级别二则将 c i s 映射到x m l 和c o r b a 等具体技术。 山东大学硕士学位论文 3 系统结构 3 1 总体结构 继电保护及故障信息系统由子站系统、主站系统构成，根据进行数据存储和 处理位置的不同，有如下三种基本结构方案： a ) 分层集中结构： 各子站系统通过嘲络( 或者专线、载波等) 的方式连接到主站系统；主站系 统获得子站数据后不进行处理而直接转发到上层主站，主要由上层主站负责信息 的处理，并根据下层主站系统的要求发送所需数据。 在这种方案中，各下级主站其实担任的是上级主站数据前置的作用，其优点 是大多数主站功能简单，只需要少数主站负责整个系统的分析功能，成本较低； 但是这种结构的功能对少数枢纽主站的依赖性过高，在这些主站发生故障的情况 下系统功能会受到较大影响；同时这种结构对通信网络要求较高，网络建设成本 较高。 在考虑各种可能通信连接情况下的典型的物理结构如图3 1 所示： 图3 1 系统典型物理结构 山东大学硕士学位论文 图中a 、b 、c 、d 为位于下层调度机构的主站系统，分别通过通信网和专线 和上层调度机构的主站系统( e ) 相连：系统数据主要由主站系统e 负责数据处 理工作。 b ) 分层分布结构 各子站系统通过网络( 或者专线、载波等) 的方式连接到主站系统；由直连 的主站系统负责信息的处理，并根据上级主站系统的要求发送所需数据。 这种结构下，系统功能分散分布系统可靠性较高，实际应用较第一种结构 更为广泛；但是这种结构f ，主站系统之间关系是固定的( 如图中所示的上下级 关系) ，各主站之间相互索取所需数据时也只能通过上级主站来进行，无法很好 的实现各主站间( 不只是上级主站和下级主站间) 的数据共享，而这种无法获取 足够数据的情况对于以后系统功能的发展是很不利的。 在考虑各种可能通信连接情况下的典型的物理结构如图3 - 2 所示： 图3 2 系统典型物理结构 图中a 、b 、c 、d 为位于下级调度机构的主站系统，它们分别处理与自己相 关的子站的数据，并通过通信网和专线和位于上层调度机构的主站系统( e ) 相 连：主站系统e 根据自己的应用需要和其他主站的请求向下层主站请求数据。 c ) 主站分布结构 山东大学硕士学位论文 各子站系统通过网络( 或者专线、载波等) 的方式连接到主站系统，同一个 子站系统町以连接到多个主站系统：主站系统通过电力调度数据网络连接在一 起，不同区域的主站系统可能分属不同的通信网络，各主站分别处理所属子站的 数据，各主站之间的数据交换通过网络以服务的形式实现。 两个主站系统之间一般都存在多条路径，当条路径中断时，可以从其它路 径进行访问。 在这种结构下，各主站之间没有地位的差别，通过网络，可以