（电工理论与新技术专业论文）基于iec61850风电场智能控制器通信系统设计与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 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 kc 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 t e l e c t r o n i cd e v i c e s ) ，a n dt h es y s t e m sa v a i l a b i l i t yi sd 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 e a n dr e l i a b i l i t y i e c 618 5 0s t a n d a r di st h eo n l yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r db a s e do nt h eu n i v e r s a l n e t w o r kc o m m u n i c a t i o np 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 n l ep u r p o s eo ft h e s t a n d a r di st or e a l i z ei 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 r s i t w 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 1 1 1 ew o r kc a nb es u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n gp o i n t s ： 1 ) t h et o p o l o g yo fw i n df a r ms u b s t a t i o na n dt h eg r i dm o d e la r ed i s c a r d e dt or e s e a r c h t h ec o m m u n i c a t i o no ft h r e el e v e l s f o rt h ee x a m p l eo fw i n dt u r b i n eo n e ，i ti sd e s c r i b e dt h e a b s t r a c tm o d e lw i t ht h es c l t h ec o n f i g u r a t i o nf i l ew h i c hc o n t e n t sc o m m u n i c a t i o n 、i e d a n dd a t a - t y p e t e m p l a t ei sd e f i n e dt op r o v i d et h eo n l ya c c e s s i n gp a t hf o re v e r yl o g i c a ln o d e 2 ) t h ef f ti m p l e m e n t a t i o nb a s e do nf p g ai sr e s e a r c h e dt oe n h a n c et h ep o w e r q u a l i t y t h ec o m p u t i n gs p e e do ff f ti si n c r e a s e d 1 1 1 ef f tm o d u l ei sa p p l i e dt o 丘e q u e n c y a n a l y s i sa n dt of i l t e rh a r m o n i ci nt h ew i n df a r m 3 ) n ep u b l i s h e r s u b s c r i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi s c h o s e nt oa c h i e v et h e p r o c e s sl e v e ls a m p l e dv a l u et r a n s m i s s i o na n dg o o s em e s s a g et r a n s m i s s i o n i nt h ev c ， t h et c pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d ei sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h ec l i e n t s e r v e rm o d e l i n t h es e n ds i d e ，d a t ai sp a c k e da c c o r d i n gt ot h ef r a m ef o r m a to fg o o s em e s s a g e g o o s e t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt w od e v i c e so fw i l n df a r ms u b s t a t i o ni ss i m u l a t e d t h er e c e i v e s e n d d a t ap a c k a g ei ss e e nt h r o u g ht h er a m s e t h e r e a ls o f t w a r e t h e r ea r en ol o s tp a c k e t sb yt h e e x p e r i m e n t t h ei n n o v a t i o nc a nb es u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n gt w op o i n t s ： 1 ) t h et o p o l o g y o fw i n df a r ms c a d as y s t e mi s f i r s t l y b u i l tb a s e do n i n f o r m a t i o n - l a y e r i n gi nt h i sp a p e r 1 1 1 ep r o b l e ma b o u tc o m b i n i n gp o w e rp a r a m e t e r sw i t h w i n dp a r a m e t e r si ss o l v e d ；t h ed e s i g n i n gc o m m u n i c a t i o nm o d e lo fc o n t r o l l e rs o l v e st h e r e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n di n t e r o p e r a b i l i t yo fd e v i c e sa n dm e e t st h ed e m a n d so fd i g i t a li nt h ew i n d f a r ms u b s t a t i o n 2 ) m o d u l a r i z a t i o na n dt o p d o w nd e s i g n i n gm e t h o do ff p g aa r ea d o p t e di nt h e f f t a n dt h ec o d eo fe v e r ym o d e li sw r i t t e nb yv h d l t h ef u n c t i o ns i m u l a t i o ni sm a d ei n q u a r t u s l i t l l ei n t e g r a t i o nn o to n l yi n c r e a s e st h ec o m p u t i n gs p e e do ff f t ，a n da l s om e e t s r e a l - t i m eo fd a t ap r o c e s s i n gi nt h ew i n df a r ms u b s t a t i o n i i k e y w o r d s ：w i n df a r ms u b s t a t i o n ，i e c 6 18 5 0 ，f f t , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，g o o s e m e s s a g et r a n s m i s s i o n 1 第1 章绪论 第1 章绪论 i e c 6 1 8 5 0 通信标准为风电场变电站建立了统一的对象模型和通信接口，分布式 风电场变电站在此基础上分层构建，采取信息数字化，实现智能电子设备间信息共享 和互操作的新型变电站。近几年，由于电子式互感器、合并单元和智能化设备的应用， 建设数字化变电站的实践成为可能。通信技术是其中的关键技术，直接影响着数据传 输的实时性，因此研究i e c 6 1 8 5 0 风电场变电站通信网络有着十分重要的意义。 1 1 课题的研究背景及意义 随着能源危机的加重以及人类环保意识的加强，风能作为一种清洁的可再生能源 日益引起各国的关注，我国拥有世界级的风能资源，仅次于美国和俄罗斯。随着科学 技术的不断进步，利用风能发电是一项最具规模、最有经济发展前景的可再生能源技 术，将在能源供应中发挥越来越重要的作用。2 0 0 8 年，我国新增装机容量6 0 7 1 m w ， 仅次于美国排名世界第二【l 圳，年底，我国累计安装风电机组l1 8 6 9 台，装机容量1 2 1 2 1 m w ，首次超越印度成为亚洲第一，排名世界第四位。根据可再生能源发展战略研 究结果预测，我国2 0 2 0 年风电装机规模预期为0 8 1 亿千瓦，2 0 3 0 年为1 8 3 亿千瓦。 在未来1 0 2 0 年内，风力发电成本将接近常规能源，风电将成为重要的绿色替代能源。 风电场的原动力是自然风，存在很多不确定性，必须根据风的状况( 风速及风向) 来确定发电机组的出力状况。从并网角度看，风电场是个不稳定的扰动源，对电网的 可靠运行及电能质量等造成一定的影响，同时还会引起电压控制和无功补偿问题【3 瑚。 在电力系统中，监控与数据采集系统( s c a d a ) 应用最为广泛，技术发展也最为成熟， 此系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，可以对现场的运行设备 进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及事故报警等功能。 它作为能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 的一个最主要的子系统，具 有信息完整等优点，能提高效率，正确掌握系统运行状态，加快决策，有助于快速诊 断系统故障状态，对提高风电场运行的可靠性、安全性与经济效益具有不可替代的作 用【6 】。随着现代工业的连续生产和人民生活水平的日益提高，电力用户对电能质量和 供电可靠性要求越来越高，作为直接面向用户的终端配电成套产品，箱式变电站以其 成套性强、投资见效快、体积小、占地少、可深入负荷中心、提高末端电能质量、安 装使用方便、容易与周围环境相协调等优点获得了快速的发展和广泛的应用4 1 。 研究分布式风力发电智能控制器通信系统的意义在于将原本风电场分隔的风力 参数跟电力参数的监控、保护、测量、通信等结合起来，把分散的装置集成后组成自 第l 章绪论 动化系统。风电场变电站系统是由许多台微机组成的分层分布式控制系统，包括微机 监控、微机保护、电能质量自动控制等多个子系统。在各个子系统中，往往又由多个 智能模块组成。在风电场变电站内部，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，既减少了重复投资，又提高了系统整体的安全 性和可靠性。 在风电场箱式变电站内外形成通信网络来实现信息共享，从而达到变电站自动化 的要求，其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。为了实现各 二次设备之间的互操作性和互换性，国际标准化组织2 0 0 2 年正式通过了i e c 6 1 8 5 0 标准草案【1 5 - 2 7 ，是今后电力系统实现无缝通信的基础。i e ct c 8 8 于2 0 0 6 年底发布了 风电场监控通信标准i e c 6 1 4 0 0 2 5 ，为风电场监控提供了一个统一的通信基础。发布 i e c6 1 4 0 0 2 5 的目的是使得在风电场监控通信中，在任何位置的来自不同厂家的组件 之间都能够通信，从而实现设备的互操作性。i e c6 1 4 0 0 2 5 标准是i e c 6 1 8 5 0 标准的 重用，目前几乎所有的基于i e c 6 1 8 5 0 标准的研究都是围绕该标准的特点及其在变电 站自动化系统中的应用而展开的1 2 8 。将i e c 6 1 8 5 0 通信标准应用于风力发电变电站的 监控系统中，研究其箱变智能控制器，对电力用户对电能质量的要求，满足现代电力 设备管理和运行管理的要求具有重要的意义。 1 2ie 0 6 18 5 0 通信协议研究现状 全球经济一体化的过程中，特别是在通信技术的飞速发展、计算机技术的日新月 异的前提下，i e c 中的制造巨头们深感以前各厂家自己所制定的通信协议都不能完全 满足当前电力通信的发展了，而各大厂家在互连时所花费的人力和物力，也变得越来 越大。1 9 9 4 年，德国国家委员会提出对于通信协议的设想，建议希望制定的变电站通 信网络和系统标准是一个相对稳定的标准，能够做到两个适应：一是适应应用功能不 断发展的要求；二是适应网络技术、通信技术和技术不断迅速发展的趋势。于是提出 了“o n ew o r l d ，o n et e c h n o l o g y ，o n es t a n d a r d ”的i e c6 18 5 0 通信协议1 2 引。 1 9 9 8 年，t c 5 7 技术委员会、美国电力科学研究院和i e e e 召开会议达成共识，为 了电力行业的总体利益，避免变电站自动化出现不同的标准，将由i e c 负责制定“变 电站内通信网络和系统”标准，美国有关专家将积极参与变电站自动化标准的制定工 作，将来i e c f 格l j 定的标准作为唯一现行标准。为避免出现两个可能冲突的标准，决定 以美国u c a 2 0 为基础，将u c a 的研究结果纳入标准，制定一个全世界通用的变电站 自动化标准。现大部分标准已正式出版发行，吸收并转化为我国电力行业标准为 d l t 8 6 0 ，这些标准的制定和执行将对我国变电站自动化系统产生重大影响。 i e c 6 1 8 5 0 标准是新一代的变电站网络通信体系，适应分层的i e d 和变电站自动化 2 第1 章绪论 系统，该标准根据电力系统生产过程的特点，制定了满足实时信息传输要求的服务模 型；采用抽象通信服务接1 2 1 、特定通信服务映射，以适应网络发展；采用面向对象建 模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开发互操作要求；采 用配置语言，配备配置工具，在信息源定义数据和数据属性，扩充数据和设备管理功 能，传输采样测量值等。该标准还包括变电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 3 0 4 2 i 。 1 2 1i e c 6 1 8 5 0 的结构和内容 i e c 6 1 8 5 0 主要包括以下1 0 个部分【1 5 五7 】： 1 ) p a n l ：概论，包括i e c 6 1 8 5 0 的概括和介绍。 2 ) p a r - t 2 ：术语，介绍了标准中一些专用术语。 3 ) p a r t 3 ：总体要求，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、辅助服务和其他标准规范。 4 ) p a r t 4 - 系统和项目管理，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 ) p a r t 5 ：功能通信要求和装置模型，包括逻辑节点的路径，逻辑通信链路，通 信信息片的概念，功能的定义。这部分使用面向对象技术对变电站自动化系统的功能、 子功能进行了分类和定义，并引入了逻辑节点的概念，这些对于分布式系统的设计及 互操作性有重要作用。 6 ) p a r t 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。 7 ) p a r t 7 ：变电站与馈线设备的基本通信结构。7 1 基本通信结构原理和模型； 7 2 抽象通信服务接n ( a s c i ) ，包括a s c i 的描述，抽象通信服务的规范，服务数据 库的模型。a c s i 提供了6 种服务模型：连接服务模型、变量访问服务模型、数据传 输服务模型、设备控制服务模型、文件传输服务模型和时钟同步服务模型；7 3 公共 数据级别和属性，包括抽象公共数据级别和属性的定义和逻辑节点所使用的基本数据 类型的定义；7 - 4 兼容的逻辑接点( l n ) 和数据对象寻址，包括逻辑节点的定义，数据 对象及其逻辑寻址。l n 是构成系统功能的基础，定义了基本逻辑节点类及其数据对 象。 8 ) p a r t 8 - 1 ：特定通信服务映射( s c s m ) ，映射到m m s ，即变电站和间隔层内以及 变电站层和间隔层之间的通信映射，定义了如何使用m m s 的概念、对象和服务来实 现a c s i 的，且允许不同厂商实现功能以达到互操作性的目的。 9 ) p a r t 9 ：介绍了s c s m 通过单向多路点对点串行通信链路的采样值和通过 i s o i e c 8 8 0 2 - 3 的采样值，即间隔层和过程层之间通信的映射。9 1 规范了间隔层与 第1 章绪论 过程层之间通信的特殊通信服务映射，包括用于采样值传输的抽象服务的映射，映射 建立在与i e c 6 0 0 4 4 8 相一致的串行单向多路点对点连接的基础上，适用于电子式电 流或电压互感器的组合单元与继电保护的间隔设备之间的通信；9 2 定义了采样值模 型到i s o i e c 8 8 0 2 3 的映射，在混合通信栈的基础上使用对i s o i e c 8 8 0 2 3 连接的直 接访问来实现采样值的传输。 1 0 ) p a r t l0 ：一致性测试。 1 2 2 主要特点及目标 i e c 6 1 8 5 0 是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一通信标准，与以往的 通信协议相比，该标准的特点概括为：分层的智能电子设备，制定了满足实时信息和 其他信息传输要求的服务模型；采用面向对象建模技术、面向设备建模和自我描述， 以适应网络技术迅速发展的要求；采用变电站配置语言，在信息源定义数据、数据属 性和传输元数据，以适应应用功能的扩展和需要，满足应用开放互操作要求扩充数据 和设备管理功能传输采样测量值【3 3 0 4 1 。 1 ) 信息分层技术 i e c 6 1 8 5 0 标准从逻辑上和物理功能上都将变电站通信系统分为三层：过程层、 间隔层和变电站层，其接口模型如图1 1 所示。 变电 间隔层 过程层 站层 i 功能a i 茼l 功能b l u g o ，。 曛陶洲i i 控制卜卜叫保护i 叫：oo ：旷 厂 过程接口i 传感器f i 执行元件i u 一童。j 图1 1 变电站自动化系统接口模型 图中各逻辑接口的意义： i f l ：在间隔层和变电站层之间交换保护数据； i f 2 - 在间隔层和远方保护之间交换保护数据( 超出本标准范围) ； 4 第1 章绪论 i f 3 ：在间隔层内交换数据； i f 4 ：过程层和间隔层之间c t 和p t 瞬时数据交换( 例如采样值) ； i f 5 ：在过程层和间隔层之间交换控制数据； i f 6 ：在间隔层和变电站层之间交换控制数据； i f 7 ：变电站层和远方工程师工作站之间交换数据； i f 8 在间隔层之间直接交换数据，尤其是快速功能( 例如联锁) ； i f 9 ：在变电站层内交换数据； i f l 0 ：在变电站层和控制中心之间交换控制数据( 超出本标准范围) 。 过程层的物理设备为典型的远方i o 接口、智能传感器和执行器。采用光电传感 器、数字式执行器等数字设备，将一次侧的电压、电流等模拟量转换为数字量，使间 隔层保护控制单元的输入为数字量。 间隔层的物理设备由控制单元、保护单元和监控单元组成。 变电站层的物理设备为带数据库的计算机、操作员工作台、远方通信接1 2 等。 2 ) 数据的自我描述功能 常规变电站的数据在传输时，必须先与远东设备和调度中心的数据库进行约定， 一一对应，才能正确反映出现场设备的状态。在现场验收前，必须使每个信息动作一 次，才能验证其正确性，称为“面向点”的数据描述方法。而i e c 6 1 8 5 0 提出了面向 对象的数据描述方法，在数据源时就对数据自我描述，传输到接收方的数据都带有自 我说明，这样接受方就不需要受预先定义的限制进行物理对应和标度转换等工作，使 信息传输的工作量大大减少，数据库的维护工作量也大大减少。 要彻底解决面向对象的开放性自我描述，达到互操作性则需要定义如下内容： a 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； b 定义用这些代码组成的完整地描述数据对象的方法； c 定义一套面向对象的服务。 i e c 6 1 8 5 0 6 介绍了变电站配置描述语言s c l ，将具体的变电站抽象化，同时7 3 ， 7 4 定义了9 2 种逻辑节点名称代码，5 0 0 多种数据对象代码以及3 0 多个公共数据类，涵 盖了变电站所有的功能和数据对象，提供了扩展新的逻辑节点的方法；7 - 2 中定义了 用这些代码组成的完整地描述数据对象的方法和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的开放性自我描述问题。 3 ) 面向对象的数据对象统一建模 i e c 6 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i e d 包含一个或多个服务器，每个服务器又包含一个或多个逻辑设备( l d ) 。 逻辑设备包含逻辑节点( l ，n ) ，逻辑节点包含数据对象( d a ) ，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，i e d 同时也扮演客户的角色。任何一个 s 第1 章绪论 客户可通过a c s i 和服务器通信访问数据对象，如图1 2 所示。 图1 2 服务器中典型数据模型结构 主要为了实现以下目标： 1 ) 互操作性 以实现设备的互操作性为首要目标，一个制造厂或不同制造厂提供的两个或多个 智能电子设备( i e d ) 交换信息，并且使用这些信息正确执行设备本身特定功能的能力。 2 ) 功能自由分布 功能自由分布强调了变电站自动化系统中的自动化功能的可分布性，而不仅仅是 自动化装置的分布，可实现跨越自动化装置边界的自动化功能之间的协调配合。分配 至) j i e d 和间隔层的变电站自动化功能并非固定不变，它与可用性要求、性能要求、价 格约束和技术水平等密切相关。 3 ) 可扩充性 i e c 6 1 8 5 0 面向变电站自动化的所有应用，全面地支持信息扩充是标准应用适应性 的重要体现。 4 ) 长期稳定性 为了适应历史的、目前的和未来的通信技术，i e c 6 1 8 5 0 对通信服务采用了抽象定 义的方法，能够满足不断发展的通信技术与变电站自动化系统的要求。 1 3 ie c 6 18 5 0 中几个重要的术语 1 3 1 变电站配置语言 i e c 6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统结构标准系列的第六部分，规范了用来配置变电 站i e d 的描述语言变电站配置描述语言( s u b s t a t i o nc o 瓶g u r a t i o nd e s c r i p t i o n 6 第1 章绪论 l a n g u a g e ) 2 0 1 。s c l 能够将配置描述传给通信和应用系统管理工具，也能够以某种兼 容的方式将系统的配置描述传回配置工具，这样实现了配置数据可以在不同制造商提 供的配置工具和系统配置工具之间的相互交换。s c l 对象模型如图1 3 所示。 图1 3s c l 对象模型 图中的菱形表示包含关系，如变电站包含电压等级；三角形表示继承关系，即一 般特殊；直线则表示普通关联。s c l 对象模型包含三种基本类： 1 ) 变电站模型：描述开关场设备( 过程设备) 、它们按单线图的连接( 拓扑) 、 设备和功能说明描述。 2 ) i e d 结构：代表与变电站自动化系统所有产品相关对象如i e d 、l n 等。 3 ) 通信结构：包含与通信相关的对象类型的，如子网、通信访问点、描述i e d 间通信连接，间接描述客户和服务器的逻辑节点间的连接。 s c l 是基于可扩展标志语言( x m l ) f j 勺，专为变电站的配置语言。在语义上，s c l 基本包含了变电站配置的所有对象，一般g t h e a d e r ，s u b s t a t i o n ，i e d ，c o m m u n i c a t i o n ， d a t a t y p et e m p l a t e 构成s c l 文件的主框架。 s c l 元素包括一个头段( h e a d e r ) ，h e a d e r 包含s c l 的对象引用( r e f ) 、版本号、修订 号，以及名称影射信息，指明信号名字是变电站功能有关命名或i e d 产品有关命名。 其中r e 瞩性是强制的，版本属性为缺省时表示配置的原始修订版本。 变电站描述( s u b s t a t i o n ) 并不是指变电站的结构描述或变电站的系统描述，而是指 变电站的功能结构，用于标识一次设备和它们的电气连接关系。此段包括电压等级、 间隔和设备的描述，在配置文件i c d 和c i d 文件中变电站描述可以省略，在国内此段 省去。 7 第1 章绪论 i e d 描述智能电子设备的配置说明，通过访问点可访问相关的l d 和l n 。它 定义了i e d 提供的通信服务能力，及其l n t y p e 、实例的数据对象。每一个智能电子设 备必须有个i e d 节，i e d 的r e f 属性必须是唯一的。 通信系统描述是指i e d 访问点被连接到公共子网络了，采用一种能反映智能电子 设备i e d 中层次化名字结构的方法，这种方法是基于对应的访问点。此段包括i p 地址、 子网地址、网关和物理连接点。 1 3 2 抽象通信服务接口( a c s l ) i e c 618 5 0 标准通过抽象通信服务接1 2 ( 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 ， a c s i ) 来实现通信协议与应用及通信介质的分离。a c s i 提供以下抽象接1 2 模型：用以 描述客户和远方服务器之间的通信，用于实时的数据访问和检索、控制设备、事件报 告和日志、发布者订户、设备的自我描述、数据选型和新出现的数据类型及文件传 输等。这些接口模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问，包括请求、响应 及服务过程。a c s i 采用抽象的建模技术，为变电站设备定义了公共应用服务，从而 提供了通过虚拟镜像访问真实数据和真实设备的途径。抽象意味着不定义具体的 a c s i 报文，着重描述所提供的服务，而与具体设备间的报文没有关系。任何其他设 备或控制器，甚至s c a d a 系统、维护系统或者工程系统均可以使用a c s i b 艮务与这些 设备进行互操作。基本概念类模型如图1 4 所示。 图1 4a c s i 基本概念类模型 如图所示，基本信息模型为服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据和数据属性，服 务器模型代表了设备的外部可视性能，其他模型都是服务器的一部分；逻辑设备包含 由一组域特定应用功能产生和使用的信息；逻辑节点包含应用功能例如过电压保护或 断路器等产生和使用的信息；数据提供了各种手段去规定包含在逻辑节点内的类型信 8 第1 章绪论 息。每个信息模型定义为类，这些类由属性和服务组成。从模型构成语义可以看出， 信息模型不是数据集合，而是数据与功能服务的聚合，是一个面向对象的模型，模型 中的数据和功能服务相互对应，数据的交换必须通过对应的功能服务来实现。数据与 功能服务的紧密结合使模型具备了良好的稳定性、可重构性和易维护性。 操作基本概念类的其它服务模型包括： 1 ) 数据集：将各种数据、数据属性编成组，用以直接访问、报告、日志。 2 ) 取代：用其它值代替过程值。 3 ) 定值组控制块：定义如何从一组定值切换到另一组定值以及如何编辑定值组。 4 ) 报告控制块和日志控制块：描述基于客户参数集产生报告和日志的条件。过 程数据值的变化或由品质变化触发产生报告，计入日志以备日后检索。报告可立即发 送或延迟发送。 5 ) 通用变电站事件控制块：支持输入和输出值快速可靠的系统范围分配以及二 进制状态信息对等交换。 6 ) 采样值传输控制块：进行传输采样值。 7 ) 控制：进行设备控制。 8 ) 时间和时间同步：为设备和系统提供了时间基准。 9 ) 文件传输：定义了大型数据块如程序的交互。 标准中的7 2 部分详细地介绍了各模型，模型中的类，数据成员以及各服务，本 文给出这些模型提供的服务，见表1 1 。 表1 1 模型提供的服务 模型服 务 服务器模型读服务器目录 逻辑设备模型 读逻辑设备目录 逻辑节点模型读逻辑节点目录、读所有数据值 数据模型 读数据值、设置数据值、读数据目录、读数 据定义 1 3 3 特定通信服务映射( s c s m ) 客户服务在给定的特殊通信服务映射( 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 ) 内，规定a c s i 至i j 具体的应用协议通信协议服务集的映射。电力系统信息传输 有轻重缓急之分，并且应能实现时间同步。由于电力系统生产的复杂性，对信息传输 的响应时间也有不同的要求，在变电站传输过程中可能采用不同类型的网络，采用抽 象通信服务接口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，图1 5 所示为s c s m 的应用过程。 9 第1 章绪论 图1 5s c s m 的应用过程 a c s i 服务通过s c s m 映射为应用服务，应用层服务通过各层协议将服务映射为 一个个的协议数据单元( p d u ) 在网络上传输，即只需在应用层将抽象的服务映射为某 种具体的服务，具体通信服务映射在应用层进行。随着新的网络技术在变电站自动化 系统中的运用，只要对s c s m 进行相应的改动，而不需要修改a c s i 。 1 4 风电场箱式变电站的概述 箱式变电站简称箱变，又称组合变电站，是一种集高低压开关设备、变压器于一 体的户外变配电成套设备。此种产品有两种典型的形态，一种为“欧式”，一种为“美 式 ，“欧式箱变 在我国较为普遍。我国早在2 0 世纪7 0 年代末就已从西欧引进这种 技术，并于1 9 8 9 年针对此类产品国家颁布了专业标准z b k 4 0 0 0 1 8 9 组合式变电站， 电力部于1 9 9 3 年正式提出“箱式变电站的术语，并颁布了行业标准( ( d l t 5 3 7 9 3 箱式变电站定货技术条件 3 5 - 3 6 。“欧式箱变的最大特点是组合，即将变压器、高 低压开关柜、分高压室、变压器室、低压室等组合在一个外壳之中，主回路采用电缆 和母排联接，一个箱变内可放置一台或多台变压器，产品尺寸变化较大，用户可对高 低压元件、柜型、变压器型号作自由选择。“美式箱变 是最近几年才进入我国的， 是美国大量应用的产品( 已占配电变压器的9 0 ) 。在美国称“自保护变压器( 也 称为带底座和间隔的变压器) 。“美式箱变 最大特点是一体化，高压元件、变压器 均置于变压器油箱之中，低压配置也极为简单。 箱变有多种分类方法：按产品结构可分为组合式变电站( 欧式箱变) 、预装式变 电站( 美式箱变) ；按安装场所可分为户内、户外式箱变；按高压主接线方式可分为 终端接线、双电源接线和环网线式箱变；按箱体结构可分为整体、分体式箱变。下面 介绍各变电站之间的区别和结构特点： 1 ) 组合式变电站 1 0 第l 苹绪论 ，一一_ - 组合式变电站是将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置三个不同的隔室通 过电缆或母线来实现的电气连接，所用高低压配电装置及变压器均为常规的定型产 品。 a 布局。组合式变电站的高压室、变压器室和低压室可按目字型或品字型布局。 目字型布局与品字型布局相比，目字型接线较为方便，故大都采用目字型布局，见图 1 6 。图中，h v 表示高压室，l v 表示低压室，t m 表示变压器室，z l 表示操作走廊。 ( a ) 目字型布局 ( b ) 品字型布局 图1 6 组合式箱变的布局 b 高压接线方式。组合式变电站有许多种高压接线方式，常用的有终端、双电源、 环网等接线方式，如图i 7 所示。 ( a ) 终端接线 ( b ) 双电源接线 ( c ) 环网接线 图1 7 高压连接方式 c 变压器连结方式。通常采用常规的、连接组为y ，) ，1 1 0 的三相三柱油浸式或干式 变压器。近年来，根据市场的需求，有采用d ，y n ll 连接组的产品，但铁芯结构仍为 三相三柱式。 d 低压接线方式。低压接线方式非常繁多，出线保护多采用空气开关或刀熔开关， 回路最多可达2 0 路，具有无功补偿和多路计量功能。根据市场需求，有安装低压电源 第1 章绪论 自动转换开关的产品，可确保重要用户的供电可靠性。 2 ) 预装式变电站 预装式变电站( 美式箱变) 是将变压器器身、高压负荷开关、熔断器及高低压连 线置于一个共同的封闭油箱内的电气连接，用变压器油作为绝缘介质，是一种结构紧 凑、体积小、经济实用的新型配电设备。由于采用了全绝缘的高压进出线端子电缆附 件，高压间隔内没有任何裸露的带电部分，具有安全可靠的运行特点。同时，该箱变 具有齐全的运行检视仪器仪表，如压力计、压力释放阀、油位计、油温表等。由于采 用普通油和难燃油作为绝缘介质，使之既可用于户外，又可用于户内，适用于住宅小 区、工矿企业及各种公共场所，如机场、车站、码头、港口、高速公路、地铁等，有 着一定的发展前景。 但“欧式箱变和“美式箱变 在我国的应用存在问趔3 7 】。首先，欧式箱变具备 变电站所需的功能，但和我国的供用电要求相比，缺少无功补偿和计量功能。其高压 开关大多是充s f 6 气体绝缘开关和专为配套箱变而设计的环网单元开关柜。就整台箱 变的成本来说，变压器占重要成分，箱变的价格是按整台箱变的标称负载能力来定， 因此装配了大容量的变压器而只能依小容量的箱变出售，制造厂利润下降，这一点在 我国行不通，因此普遍采用在重载时吹风冷却的措施，避免降容。而“美式箱变”是 一种和我国国情不相适应的产品，存在以下问题：中性点接地问题；负荷开关引起的 污染问题：短时耐受电流时间过短；不符合我国中压开关“无油化”政策；散热不利； 实现遥控操作的困难；出线开关少；标准问题等，所以限制美式箱变在我国电网中的 应用，以实现可持续发展。国产箱变是在欧式箱变的基础上根据我国电力行情改造而 来的，所有产品符合我国国情，计量和无功补偿一应俱全。 随着用户对电能质量和供电可靠性的要求，箱变向小型化、紧凑化、智能化发展。 智能箱变配置电源、接口器件、通信介质、控制设备以满足智能化的要求；采用智能 控制仪对高压侧、低压侧进行本地或远程的测量、调节、控制、通讯。配备智能系统 的箱变具有显示高压侧系统一次接线图，反映各高压开关分、合闸状态，“四遥 功 能和系统管理的智能化功能。采用先进技术，实现箱式变电站的无人值守，对一次系 统( 3 5 k v 和1 0 k v ) 采取不同的进出线方式，箱内的高压柜均采用环网型的开关柜式， 各模块之间相互独立。二次系统可用集成电路型变电站成套保护装置与微机型运动装 置配合使用，它由主保护监控单元和主控单元等构成。“四遥 功能：一是遥控，对 箱变内的所有断路器都能够实现远方遥控分合闸；二是遥调，调度中心通过实时监控， 对主变压器分接开关进行遥调，使母线电压始终维持在合格范围内；三是遥测，采集 各断路器的电流、有功和无功功率、有功和无功电表、功率因数、各侧母线电压、直 流及站用变母线电压、主变压器温度等；四是遥信，就是将箱变内设备的各种信号( 包 括事故信号、位置信号、预告信号等) 通过r t u 传到调度端。 1 2 第1 章绪论 1 5 本文的主要内容 论文主要完成了以下几个方面的工作： 1 ) 介绍了基于i e c 6 1 8 5 0 风电场变电站监控系统的拓扑结构，为了研究风电场变 电站三层之间的通信，分析了风电场的并网模型，其中以具体的间隔( 风机1 ) 为例， 用s c l 语言描述成抽象模型。通过具体的实例来讲解功能分解。介绍了四种不同的 s c l 配置文件，详细地讲述了c o m m u n i c a t i o n 、i e d 和d a t a t y p e t e m p l a t e 部分的实现。 2 ) 合并单元是随着非常规互感器的产生而来的，介绍了合并单元的3 个功能模 块，主要研究了其中的数据处理模块，采用基于f p g a 的快速傅里叶变换模块对采集 的数据进行滤波、频谱分析，整个设计采用自顶向下的设计思路、模块化思想，每个 模块由v h d l 代码实现，最后综合生成布线图，在q u a r t u s l i 软件下仿真，与m a t l a b 中的实验进行比较，采用f p g a 实现，可以提高f f t 运算的速度，满足实时性要求。 3 ) 风电场变电站三层之间的通信是难点，基于i e c 6 1 8 5 0 采用双网的以太网和发 布者订阅者的通信技术，保证了通信的可靠性及快速性。分别对采样值和g o o s e 报文的传输模型、通信协议栈和传输格式进行研究；在v c 环境下，建立服务器端和 客户端，模拟两个装置之间的g o o s e 报文传输，采用基于s o c k e t 的t c p 通信模式， 对数据进行打包发送，实验证明，这种g o o s e 报文传输正常，不存在丢包现象：所 设计的控制器的通信模式，解决了风电场变电站通信装置之间的实时性和互操作性问 题，能够满足风电场变电站的数字化要求。 4 ) 对本文的研究工作进行总结。 第2 章基于i e c 6 1 8 5 0 风电场变电站的通信构架 第2 章基于le c 6 18 5 0 风电场变电站的通信构架 i e c 6 1 8 5 0 运用于数字化变电站的通信渐渐成熟，现将这一理论运用到风电 场变电站通信研究中。在i e c 6 1 8 5 0 基础上，分析风电场变电站的拓扑结构和并 网模型，采用s c l 语言建立抽象模型、以及完成配置文件的生成。 2 1 风电场变电站的拓扑结构 风电场变电站的监控系统包括采集电力参数和风力参数。风力参数的监测， 如风速、风向；需根据风速大小，将风力发电机组的控制分为起动风速、额定风 速以下及额定风速以上3 个阶段；根据风向，启动桨叶对风装置，使其最大吸收 风能。分布式风电场监控的拓扑结构如图2 1 所示。 b 舟 闯隔层 过程层 图2 1 分布式风电场监控拓扑结构图 如图所示，风电场的变电站分为三层：过程层、间隔层和变电站层。过程层 上除了电流、电压互感器、智能断路器，还有风力参数的测量单元，将电子式互 感器采集的电流、电压数字信号交给合并单元处理，断路器的信息反馈给智能操 作箱，再通过交换机传递到间隔层的测量和保护单元，测量和保护信号通过a 、 b 网以太网通信给变电站层，这样就可以对主要参数进行监测。 主要参数测量【3 8 】： 一、电力参数 1 4 第2 章基于i e c 6 1 8 5 0 风电场变电站的通信构架 持续监测的电力参数包括电网三相电压、发电机输出的三相电流、电网频率、 发电机功率因数等，这些参数无论处于并网还是脱网状态都被监测，用于判断风 力发电机组的起动条件、工作状态及故障情况，还用于统计风力发电机组的有功 功率、无功功率和总发电量。 1 ) 电压测量 主要检测故障：电网冲击、过电压、低电压、电网电压跌落和相序故障。电 压测量值经平均值算法处理后可用于计算机组的功率和发电量。 2 ) 电流测量 主要检测故障：电流跌落、三相不对称、晶闸管故障。对电流故障要求反应 迅速，通常控制系统的电流保护可分为：电流短路保护和过电流保护。电流测量 值经平均值算法处理后与电压、功率因数合成为有功功率、无功功率及其他电力 参数，电流是需要持续监视的参数。 3 ) 频率 电网频率被持续测量，测量值经平均值算法处理与电网上、下限频率进行比 较，超出时风力发电机组退出电网。电网频率直接影响发电机的同步转速，进而 影响发电机的瞬时出力。 4 ) 功率因素及功率 功率因素通过分别测量电压相角和电流相角获得，经过移相补偿算法和平均 值算法处理后，用于统计发电机有功功率和无功功率。 功率可通过测得的电压、电流、功率因数计算得出，用于统计风力发电机组 的发电量。 二、风力参数监测 1 ) 风速 通过机舱外的数字式风速仪测得。每秒采集一次来自于风速仪的风速数据， 每1 0 分钟计算一次平均值，用于判别起动风速和停机风