（电气工程专业论文）220kv数字化变电站的应用研究.pdf

兰! 垦鱼垄盔堂三壁堕主童些堂垡笙奎1 愀y 删1 7 9 6 5 7 9 摘要 数字化变电站是一个不断发展的概念，基本特征为设备智能化、通信网络化、 模型和通信协议统一化等，是由电子式互感器、智能化一次设备、网络化二次设备 在i e c 6 1 8 5 0 通信规范基础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作的 现代化变电站。论文首先分析了变电站综合自动化系统现状及存在些问题，并分析 了i e c6 1 8 5 0 系统的基本组成部分的结构和功能，提出了目前数字化变电站过渡阶 段的一些改造方案。针对数字化变电站中的电子式互感器、合并单元分析了其工作 原理及对继电保护的影响，最后根据变电站通信网络的性能进行研究，并提出了基 于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站通信网络结构的组网方案。 关键词：数字化变电站，i e e6 1 8 5 0 ，电子互感器，通信网络 a b s t r a c t d i g i t a ls u b s t a t i o ni sad e v e l o p i n gc o n c e p t i t se s s e n t i a lf e a t u r e sa r e i n t e l l e c t u a l i z e dd e v i c e ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，u n i f i e dm o d e l a n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，e t c i ti sb u i i ti nd i f f e r e n tl a y e r s b ye l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r s ，i n t e l l i g e n tp r i m a r ye q u i p m e n t ，s e c o n d a r ye q u i p m e n ti nt h e n e t w o r kb a s e do nt h ei e c 6 1 8 5 0c o m m u n i c a ti o ns t a n d a r d ，a n di sam o d e r n s u b s t a t i o nw h i c hc a na c h i e v es h a r i n go fi n f o r m a t i o nb e t w e e ni n t e l li g e n t d e v i c e sa n di n t e r o p e r a b i l i t y f i r s t l yt h i sp a p e rd i s c u s s e st h es t a t u so f s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma n ds o m ep r o b l e m sw h i c hh a v eb e e ne x is t e d f o l l o w e di ta n a l y z e sb a s i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h ei e c6 1 8 5 0s y s t e m a n dm a k e san u m b e ro fs c h e m e so fd i g i t a ls u b s t a t i o ni nc u r r e n tt r a n s i t i o n a l s t a g e s a g a i n s te l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ra n dt h em e r g i n gu n i tu s e di ne i g i t a l s u b s t a t i o n ，i ta n a l y z e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n di t si m p a c to nt h er e l a y f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o no fs 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 ，i t p r o p o s e s an e t w o r ks c h e m eb a s e d o ns t a n d a r di e c 6 1 8 5 0 s u b s t a t i o n c o m m u n i c a ti o nn e t w o r ks t r u c t u r e w a n gp e n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o z h a oo o n g m e i k e y w o r d s ：d i g i t a ls u b s t a f i o n ，i e c6 1 8 5 0 ，e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 0 1 一 。j 卜 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 国内外研究现状”1 1 2 数字化变电站应用的问题2 1 2 1 电子式互感器和智能断路器实用化研究2 1 2 2 信息的同步性问题2 1 2 3ie d 互操作性问题3 1 2 4 通信网络系统的构成3 1 3 论文主要工作4 第二章变电站二次设备发展及现状和问题5 2 1 数字化变电站发展现状5 2 2 目前存在问题6 第三章 ie c 6 18 5 0 系列标准简介8 3 1ie c618 50 标准主要内容8 3 2iec 61850 标准的特点9 3 2 1 使用分布、分层体系1o 3 2 2 采用面向对象的数据建模技术l1 3 2 3 数据自描述l2 3 2 4 抽象通信服务接口( asci ) 的网络独立性述l3 3 3s c l 变电站配置描述语言及x m l 简介1 4 3 4 ，j 、结”1 6 第四章建设2 2 0 k v 数字化变电站的过渡方案和技术措施1 7 4 1 数字化变电站的优势17 4 2 数字化变电站的技术基础17 4 2 1 计算机网络技术的应用l7 4 2 2 建立符合ie c 6l85 0 标准的通信架构18 4 2 3 新型互感器与智能开关技术18 4 3 数字化变电站的过渡方案18 4 4 数字化变电站间隔层的常规设备接入22 1 一 l k 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 5 小结2 2 第五章电子式互感器及对保护装置的影响2 3 5 1 电子式互感器的分类及原理23 5 1 1 有源式电子互感器23 5 1 2 无源式电子互感器26 5 2 电子式互感器的精度的影响因素27 5 3 电子互感器相关实验运行经验及对继电保护的影响29 5 3 1 电子互感器相关实验运行经验29 5 3 2 电子互感器对差动保护的影响31 5 4 电子互感器的优势及特点32 第六章电子式互感器的信息同步研究3 4 6 1 合并单元的定义34 6 2 合并单元的典型功能模块35 6 2 1 同步功能模块35 6 2 2 数据处理功能模块35 6 2 3 数据网络通信模块35 6 3 数据的信息同步36 6 3 1 电子式互感器的同步问题包含多个层面36 6 3 2 同步采样采用的方法36 6 4 小结”38 第七章2 2 0 k v 数字化变电站的网络架构3 9 7 1 数字化变电站的通信网络的要求39 7 2 基于ie c618 5 0 标准的通信系统框架模型及以太网应用4 0 7 3 过程层总线的解决方案41 7 4 变电站以太网拓扑结构42 7 5 数字化变电站提高以太网数据传输实时性的网络技术4 4 7 6 数字化变电站的网络组建45 7 6 1 独立过程层组网45 7 6 2 全站双环网网络架构46 7 6 2 1 全站双环网网络架构的需注意的问题47 7 6 2 2 全站双环网网络架构的保证冗余的方法48 u 1 】 一 华北电力大学工程硕士专业学位论文 7 7 小结4 9 第八章总结与展望5 0 8 1 总结”50 8 1 展望50 参考文献5 l 致谢5 5 在学期间发表论文和参加科研情况5 6 i i i 1 ，1 i l f - 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言 数字化变电站具有数据共享，信息全面，安装、运行、维护、升级方便，底层 数据格式相同，设备成本低，便于提供先进的应用功能等优点n 叼1 。随着电子式互感 器、智能一次设备、以太网技术的发展以及i e c 6 1 8 5 0 标准的制定，为传统综合自动 化变电站向数字化变电站过渡奠定了基础，同时数字化变电站技术的逐渐成熟，对 于常规变电站自动化系统应用“瓶颈”带来了技术上的突破。国内先后有2 0 多个网、 省电力公司申报了数字化变电站示范工程项目，掀起了研究和推广数字化变电站技 术的高潮。 i e c t c 5 7 工作组制订的i e c 6 1 8 5 0 要达到的工作目的是：建立达到一个基于现代 科学技术水平的标准信息和通用技术平台的通信体系。目标是能实现变电站i e d 设 备完全的互操作，并且能够有较好的向下兼容性。i e c 6 1 8 5 0 标准提供了通讯系统 的项目管理和检测一致性等系列变电站自动化系统的标准，为数字化变电站智能设 备的无缝接入奠定了良好的基础。 从目前的应用情况来看，数字化变电站技术还有一些问题需要解决，主要问题 是一次设备数字化和智能化技术产业化技术尚未完全成熟，如果完全按照数字化变 电站方案来进行变电站建设，是行不通的，因此，必须按照过渡方案逐步推进。另 外，在现有技术和条件下，进行数字化变电站自动化系统与常规一次设备实现兼容 的过渡方案研究，是较可行及较稳妥的方式，这样，不但可以节约变电站改造费用， 而且可以提高改造或建设方案的安全性和实用性，使数字化变电站的应用更能被各 大电网公司接受。 根据i e c 6 1 8 5 0 标准进行建设的数字化变电站在国内还是处于试验和积累经验 阶段，并未大规模铺开，按照目前来看，正在建设的或已经建成的数字化变电站大 多仅具备了数字化变电站的某些特征，有些变电站仅实现了站内的智能设备按照 i e c6 1 8 5 0 标准进行通信，有的只是在站内采用电子式互感器与常规互感器共同使 用，这离完全实现数字化变电站还有一段距离。因此通过实施一些示范工程，积累 2 2 0 k v 数字化变电站的应用经验，开发数字化变电站所需的各种一二次设备和软件， 总结数字化变电站的建设、管理、维护和运行的实践经验，大力发展具有我国自主 知识产权的数字化变电站核心技术。同时各大电网公司也应该推广一致性测试、仿 真和培训系统，并要求各相关专业的多各厂商参与互操作实验来验证不同i e d 的互 操作能力，总结数字化变电站的建设、管理、维护和运行的实践经验，研究并制定 数字化变电并站设计、建设、运行、维护和管理的各种规范，为今后大规模推广建 设2 2 0 k v 数字化变电站并应用于其他电压等级的变电站打下良好基础。 因此，需要积极对2 2 0 k v 数字化变电站的应用进行研究，及对其涉及的关键技 术和理论进行分析探讨，这对不同电压等级的数字化变电站的全面推广应用具有重 l i l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 大意义。 1 1 国内外研究现状 国外对数字化变电站的研究开展较早。早在8 0 年代，欧美等各大公司就开始了 对电子式互感器的研制。1 9 9 9 年i e c t c 5 7 京都会议和2 0 0 0 s p a g 会议提出将i e c 6 1 8 5 0 作为无缝通信标准，从而提出了i e c 6 1 8 5 0 标准。2 0 0 1 年，a b b 、西门子等公司验证 了针对在智能断路器系统上基于6 1 8 5 0 标准的g o o s e 协议的断路器跳闸命令传输。典 型的工程运用有：瑞士n g c 公司的t r a w s 4 0 0 k v 变电站工程和e d f 公司v i e l m o u i i n 4 0 0 k v 变电站试验项目。 国内对电子式互感器的研究源于上世纪9 0 年代，南瑞继保、南京新宁公司先后 有多种样机研制出来，并取得了一定的试运行经验。国内最早的数字化变电站就是 云南曲靖翠峰1 l o k v 变电站，于2 0 0 6 年3 月投入运行。在国内投运的2 2 0 k v 数字化变 电站中，华北电网唐山郭家屯2 2 0 k v 数字化变电站采用了全数字化方式口1 。2 2 0 k v $ b 家屯变电站在很多方面都有创新和突破，如用网络化方式实现的变压器非电量保 护、对开关进行智能化改造等，对以后全数字化变电站的设计和改造都有积极的借 鉴意义。 1 2 数字化变电站应用的问题 数字化变电站作为电力系统的中完全实现变电站自动化的一个重要标志，它的 推广运用对于电力系统有着重要的影响。主要有以下问题： 1 2 1 电子式互感器和智能断路器实用化研究m 阳 电子式电流互感器是电网动态观测、提高继电保护可靠性和数字电力系统建设 的基础装备，将在现代电力系统中发挥重要的基础测量作用。数字化电气测量系统 的稳定性对于数字化变电站至关重要。需要加强电子式互感器的实用化研究，尤其 是电子互感器特性对保护装置的影响。智能断路器是实现数字化变电站的重要支撑 技术，智能断路器技术迟迟不能完全进入实用化阶段主要原因在于断路器的跳闸方 式发生了根本性变化，从以往电缆传输跳合闸命令的操作方式变为通信报文操作方 式，在技术和观念上都发生了重大变化。目前对于断路器操作技术的智能化尚处于 研究、试验阶段，实际工程应用的许多技术问题还有待于解决。作为智能断路器技 术的补充，一断路器智能监视和智能控制技术也需要加速实用化研究。 1 2 2 信息的同步性问题睁川 为避免电气量的相位和幅值产生误差，二次设备需要在同一时间点上获得采样 数据。传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在上述问题，但由合并单元输出的数 2 1习 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 字采样信号就必须含有时间信息。由于过程层总线的负载大，要求同步误差控制在 li is ，因此过程层必须采取措施来解决信息同步问题。同时由于采用合并单元后的 电气量信息的同步性问题，必须研究适合数字量测系统的微机保护监控软件和硬 件。 1 2 3l 印互操作性问题n 2 叫钔 i e c6 1 8 5 0 对变电站自动化信息具有完整的建模方法，不仅可支持站内的通信 语义，也为变电站信息发布提供了统一的模型。制定i e c6 1 8 5 0 标准的主要目标之 一是实现i e d 的互操作性和互换性。i e d 设备的互操作性可以最大限度地保护用户原 来的软硬件投资，实现不同厂家产品集成。由于i e c6 1 8 5 0 标准本身处于一个不断 完善和发展的过程，各厂家的理解不统一，生产的设备也存在差异，需要对i e c6 1 8 5 0 标准进行更深入地研究，以便实现i e d 互操作性。 为了保证i e d 的互操作性，需要对其进行一致性测试和性能测试。一致性测试 是测试i e d 是否符合特定标准。i e c6 1 8 5 0 1 0 中专门定义了一致性测试方法，测试 i e d 是否满足运行性能要求。由于i e c6 1 8 5 0 标准的复杂性、其性能在网络异常时的 未知性以及保护、监控系统对实时性的严格要求等原因，很可能出现单独产品已通 过一致性测试，将其构成应用系统时却不能通过应用测试的情况。通过一致性测试 只是通过应用测试的充分而非必要条件。目前国内中国电力科学研究院可以提供功 能一致性测试，但还只停留在相对简单的i e c6 1 8 5 0 各个功能服务测试，缺乏组网 整体的性能测试以及尚缺乏相应的数字式试验设备，对i e c 6 1 8 5 0 标准的一致性测试 还需要进一步加强研究。 1 2 4 通信网络系统的构成n 卜2 钔 网络系统是数字化变电站的“神经系统 ，其可靠性和实时性直接决定了变电 站系统的可用性。用现场总线来做通信网，从工程实践看是比较成功的，但随着变 电站自动化系统由低压变电站向高压、超高压大型变电站的应用，特别是在数字化 变电站中，现场总线的实时性、开放性方面的局限性就逐渐暴露出来。通常的现场 总线技术显然己经不能满足数字化变电站自动化高速通信的技术要求。目前固化 o s l 七层协议，速率达到l o o m b i t s 的遵循i e e e8 0 2 3 标准的嵌入式以太网控制与接 口芯片已大量出现。随着计算机软、硬件技术的发展，嵌入式以太网技术将在数字 化变电站自动化系统中发挥重要的作用。 数字化变电站与常规的综合自动化变电站在网络结构，特别是一、二次设备之 间的结合面( 即过程层) 的通信方式，取消电缆后的信息传输要求，一次智能设备及 电子式互感器等方面均有很大差异，需要在原有变电站的模式上提出新的建设方案 才能满足建设要求。随着计算机、通信技术飞速发展，通信网络系统如何构成以实 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 现高可靠性的网络拓扑结构及保证数据的实时性，这是个很重要的问题。 1 3 论文主要工作 本文将对实现2 2 0 k v 数字化变电站所涉及到的问题进行深入分析研究。在已有 数字化变电站的相关理论基础上，结合最新数字化变电站相关的研究成果，提出先 进、可靠的2 2 0 k v 数字化变电站建设方案，并对数字化变电站的过渡方式、与常规 变电站自动化系统以及一次设备的兼容方案作进一步探讨。所做的研究重点如下： ( 1 ) 对国内某些进行试点研究的数字化变电站实现方案进行总结和归纳，探 讨在现有技术条件下建设2 2 0 k v 数字化变电站需要采取的一些过渡方案和技术措 施，并进一步讨论在目前大量常规一次设备和现有综合自动化系统存在的情况下， 如何实现与这些设备的兼容。 ( 2 ) 结合运行经验对电子式互感器的特性进行详细分析，分析出电子式电流 互感器对保护装置的影响。 ( 3 ) 对现有信息同步实现方式进行分析研究，提出解决方案。 ( 4 ) 设计一种先进的2 2 0 k v 数字化变电站的通信网络结构。在满足通信网路 可靠性、实时性、安全性的要求下，构建出先进的2 2 0 k v 数字化变电站的通信网络 结构，使其更具有实用性和通用性。 1 ，1 ， i i 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章变电站二次设备发展及现状和问题 2 1 数字化变电站发展现状 上世纪9 0 年代以前的变电站，每个变电站都相当于一个孤岛，由调度统一调配 控制。变电站的二次设备构成主要是以电磁型、晶体管等设备为主的继电保护设备 和老式的继电器构成的信号预告和事故音响系统。整个变电站的二次系统结构复 杂，设备的可靠性差，保护动作正确率不高，且维护成本较高，需要大量的人力资 源进行值守和维护。 进入9 0 年代以后，变电站的二次主要是集中式r t u 加继电保护装置模式。该 类系统一般都是在常规的继电保护设备的基础上增设r t u 柜，主要工作是与远方调 度主站通信实现遥测、遥信功能，二次保护和安全自动装置通过硬接点把信号接入 r t u ，这一模式称为集中r t u 模式。 9 0 年代中期，随着大规模集成电路技术和单片机技术的应用，使得变电站综合 自动化技术有了质的飞跃。动作速度更快、运行更为安全可靠的微机保护取代原有 的保护装置如晶体管保护。变电站中首次使用了利用4 8 5 口通讯的现场总线技术， 微机保护装置通过数据通信与自动化系统进行信息交换，分布式测控装置和界面友 好的监控系统也取代了传统的信号屏柜，测控装置通过通信管理单元能够将信息送 到变电站监控系统或调度主站端计算机。 鼻它 黼毫置 种凇雌觳 鲁巍电手秘 ? i ，二?t?i?，。 图2 1变电站自动化系统典型框图 随着计算机技术和通信技术的快速发展，尤其是i e c 6 0 8 7 0 - 5 规约体系的广泛使 用，出现了分层分布式的结构模式。其特点是按变电站的对象和控制层次设置二层 式分布控制系统结构：全站控制级( 站控层) 和就地单元控制级( 间隔层) 。如图2 1 5 燃 一 么瑟熏， ，毪甏黪一鬟鬓 华北电力大学工程硕士专业学位论文 变电站自动化系统典型框图所示，目前国内外主流继电保护及综合自动化设备生产 厂家均用了此类结构模式。如果一些变电站具有规模比较大的系统，如2 2 0 k v 以上 电压等级的变电站，为避免通信瓶颈的情况发生，一般要求保护及自动化装置直接 上以太网通信。 2 2 目前存在问题 广泛应用在3 5 k v 一5 0 0 k v 等级变电站的综合自动化系统是以以太网为核心构架 构成的总线结构的综合自动化系统，该系统将变电所中可由微机实现的功能( 如继 电保护、遥控、远方监视、测量等功能) ，合理地分工协调，通过变电所就地通信 网络，将实现这些功能的微机设备连接在一起，组成一个完整的变电所综合二次系 统，并将主站所需要的信息向上传送，较好的实现了远方“四遥的功能。从目前 应用的情况来看，综合自动化系统以其技术先进、结构简单、安全可靠、功能齐全、 具备无人值班的技术条件等方面的优势，在电力系统内得到了较为广泛的应用。 但是，现在成熟运用的变电站综合自动化系统也存在许多问题： ( 1 ) 变电站存在独立运行的系统较多，在现行的综自变电站中，往往存在多个 系统进行数据采集，如自动化系统中的测控装置，保护信息系统、录波系统、p m u 系统，且各系统不能进行数据共享，只是一个个信息孤岛。 ( 2 ) 与保护通信不能按照标准规约进行，目前变电站综合自动化系统采用的 1 0 3 规约是基于r s 4 8 5 串行通信的，从本质上说，这是一种问答式规约，而在2 0 0 0 年及以后各制造厂推出的第二代变电站自动化系统是基于以太网络通信的，不是完 全意义上的1 0 3 标准，有些制造商为了提高系统重要信息的实时响应速度甚至需要 增加了设备主动传输重要事件的通信机制，另外，不同制造厂实现这一机制方法也 存在一定的差异，这些都妨碍了设备的互操作性。此外，i e c 制定1 0 3 标准时提出 了继电保护装置等智能电子设备可以通过采用通用报文来实现“自我解释”的概念， 但1 0 3 标准缺乏通用报文在具体应用时的指导性规范，为了与此前开发并己实际应 用的智能电子设备相兼容，在等同采用i e c 标准时，相应的电力行业标准在其附录 中补充了很多不符合互操作性原则的专用报文，因此不同厂家的保护不能正常通 信。 ( 3 ) 设备互联性差，由于厂家选用原因和i e c6 0 8 7 0 - 5 本身固有的一些问题， 各个保护自动化设备生产厂家采用了不同的规约，造成目前使用的规约较为混乱。 这样的结果往往是一个变电站内只要存在两种厂家以上的设备，在进行信息传递时 就会需要厂家根据不同的工程项目开发不同的规约转换器来保证信息传递，这样往 往增加了整个工程的工作量和设备成本，同时造成保护和自动化设备之间的数据交 换产生额外时延。而且目前设备使用的规约都是面向点的而不是面向设备的，设备 之间不能进行互操作，系统的扩展、升级都比较困难。 6 1、 e 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 4 ) 技术培训和管理难度较大，由于变电站自动化设备系统类型众多，设备及 用户界面等实现方式差异巨大，很难以电力用户的标准统一各电力设备生产企业的 产品和技术，因此对于每一个系统均需要进行专业培训方能熟练掌握；另外，由于 各类设备均需要进行独立的建库和备份，使得技术管理的难度加大。 ( 5 ) 一次设备与二次设备接口复杂，在综合自动化站中，继电保护、测量、控制、 计量设备实现了微机化，但断路器、隔离刀闸没有实现智能化，电压和电流互感器 没有实现数字化，二次接线复杂的问题依然存在。开关站至保护小室之间存在大量 的二次电缆来传输电压、电流等模拟量、断路器和隔离刀闸等状态量和控制命令。 ( 6 ) 设备安装调试成本高。在安装时需要大量的铜质控制电缆进行各类设备的控 制和信号的连接，导致建设成本较高，由于保护及自动化互联性差，导致调试周期 长，调试过程复杂。 ( 7 ) 设备安全性较差，由于二次回路的大量接线，容易导致接线错误、接线松脱 的情况未能及时发现，从而导致一些设备拒动、误动等影响设备安全稳定运行的情 况发生。电流二次回路和电压二次回路电缆敷设距离较长，导致二次回路阻抗较大， 在实际运行中容易出现c t 饱和、电压精度不满足要求等情况出现，直接导致了设 备的拒动和误动。 以上情况表明，目前使用的变电站综合自动化设备已经不能满足电力发展的需 要，建设简单、高效、兼容性更好的新型变电站综合自动化系统已经势在必行。 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章ie 0 6 18 5 0 系列标准简介 i e c 6 1 8 5 0 系列标准的全称是变电站通信网络和系统( c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a n ds y s t e m si ns u b s t a t i o n s ) 。从1 9 9 5 年开始，国际电工委员会( i e c ) t c 5 7 工作 组( w g i o 1 1 1 2 ) 就着手制定一部面向未来的应用于变电站内部的通信标准，至2 0 0 4 年，大部分内容正式颁布。i e c 6 1 8 5 0 系列标准吸收了多种国际最先进的新技术，并 且大量引用了目前正在使用的多个其它领域内的国际标准，把它作为6 1 8 5 0 系列标 准的一部分。它规范了变电站中各个智能电子设备( i e d ) 之间的通信行为和相关的 系统要求，因此它是一个十分庞大的标准体系，而不只是一个通信协议标准。它的 特点是采用面向对象的建模技术，面向未来通信的可扩展架构，以实现“一个世界， 一种技术，一个标准 的目标。它的制定和发布使数字化变电站的通信网络构建有 了理论基础和技术依据，而且将逐步成为数字化变电站自动化系统统一的国际标 准。我国也已经正式将该标准等同引用为国家标准g b t 8 6 0 。 3 1le c 6 18 5 0 标准主要内容 i e c6 1 8 5 0 标准作为目前国际上统一推广的变电站网络通信标准，一共分为l o 个部分： ( 1 ) i e c6 1 8 5 0 - i ：概论，包括i e c6 1 8 5 0 的介绍和概览。 ( 2 ) i e c6 1 8 5 0 - 2 ：术语，给出了一些相关术语的解释和定义。 ( 3 ) i e c6 1 8 5 0 - 3 ：总体要求，包括设备的质量要求( 可靠性、系统的可维护性、 可用性、数据完整性、安全性) ，应用的环境条件、电源供应要求和其他标准与规 范等。 ( 4 ) i e c6 1 8 5 0 - 4 ：系统和项目管理，这部分规定了项目工程的内容及相关部分 的支持工具，包括变电站自动化系统及其环境的结构、智能电子设备( i e d ) 的结 构、工程任务及相互关系、与项目管理有关的文件资料等内容。该部分还规定了整 个变电站自动化系统及其智能电子设备( i e d ) 的寿命周期，同时对质量保证的全过 程的内容进行了相应规定。 ( 5 ) i e c6 1 8 5 0 5 ：功能通信的要求和装置模型，包括对逻辑节点的途径，通 信信息片p i c o m ( p i e c eo 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 ) ，逻辑通信链路， 的概念、功能的定义。 ( 6 ) i e c6 1 8 5 0 - 6 ：与变电站有关的i e d 的通信配置描述语言，这部分规定了 变电站i e d 的配置描述语言，也就是s c l ( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ) 。 同时，也描述了在应用层上开关场拓扑和配置在智能电子设备i e d 上的变电站自动 化功能( 逻辑节点) 的相对关系。变电站智能电子设备配置语言s c l 主要的目的 是被设计来允许不同厂家的配置工具和系统配置工具之间达到可互操作的交换通 8 1 一 j，-， i e ， 华北电力大学工程硕士专业学位论文 信系统配置数据。 ( 7 ) i e c6 1 8 5 0 - 7 ：变电站和馈线设备的基本通信结构，这章包括几个部分： i e c6 1 8 5 0 - 7 - 1 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一原理与模型。该部分为变电 站设备( 如保护设备、断路器、变压器、变电站的主站等) 之间交互通信的概述。 i e c6 1 8 5 0 - 7 - 2 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一抽象通信服务接口( a c s i ) 。 a c s i 定义了一类的应用，这一应用与实际所用的通信协议无关。a c s i 提供了6 种 服务模型：数据传输服务模型，文件传输服务模型，连接服务模型，变量访问服务 模型，设备控制服务模型，始终同步服务模型。 i e c6 1 8 5 0 - 7 - 3 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一公用数据类，介绍了抽象公 共数据级别及属性的定义。 i e c6 1 8 5 0 - 7 - 4 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一兼容的逻辑节点和数据类， 包括了逻辑节点的定义、数据对象以及逻辑寻址。这一部分规定了兼容逻辑节点名 和数据名，而其是智能电子装置( i e d ) 间相互通信用的，包括逻辑节点和数据的 相互关系。 ( 8 ) i e c6 1 8 5 0 - 8 - 1 ：特殊通信服务映射( s c s m ) 一到制造报文规范m m s ( i s o 9 5 0 6 - 1 和i s o9 5 0 6 - 2 ) 和i s 0 8 8 0 2 - 3 的映射。该部分介绍了如何生成和交换具 体的通信报文，以实现变电站和馈线设备之间的互操作的方法，这些报文实现了 i e c6 1 8 5 0 - 7 - 4 、i e c6 1 8 5 0 - 7 - 3 、i e c6 1 8 5 0 - 7 - 2 描述的抽象服务和模型。 ( 9 ) i e c6 1 8 5 0 - 9 - 1 ：特定通信服务映射( s c s m ) 通过单向多路点对点串行通信 链路的采样值。这一部分规定了抽象服务映射( 用于间隔层和过程层之间通信) ， 规定了一种传输与i e c 6 0 4 4 - 8 相类似，都是单向多路点对点串行通信的模拟量采样 值传输的抽象服务映射，这种传输方式用在变电站内合并单元与间隔层i e d 之间的 通信。 i e c6 1 8 5 0 - 9 - 2 ：特定通信服务映射( s c s m ) 通过i s o i e c8 8 0 2 - 3 的采样值。该部 分详细说明了依照标准的第7 - 2 部分中的抽象规范而定义的传输采样值的特定通 信服务映射，它是一个基于混合协议栈的抽象模型，为传输采样值而结合本标准第 8 - 1 部分直接访问i s o i e c8 8 0 2 - 3 链路。 ( i 0 ) i e c6 1 8 5 0 - 1 0 ：一致性测试。这部分规定了以下两点：变电站自动化 系统中使用的智能设备一致性测试的方法和测试的例子。按照i e c 6 1 8 5 0 5 中定 义的要求在设备内的测试技术。 3 2ie c 6 8 5 0 标准的特点乜鼬们 i e c 6 1 8 5 0 对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响，也是变电站自动化 发展中具有里程碑意义的一次变革。其主要的特征就是变电站内的信息全部做到数 字化，信息命令传递实现网络化，通信模型达到标准化，使各种设备和功能共享统 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 一的信息平台，简单的概括就是“一次设备智能化，二次设备网络化，符合i e c 6 1 8 5 0 标准。i e c 6 1 8 5 0 标准是关于变电站自动化系统中比较完整的通信标准体系，其 核心可归纳为信息建模、抽象服务、具体映射三部分，该标准体系与传统通信协议 体系相比，有如下突出特点： 3 2 1 使用分布、分层体系 i e c 6 1 8 5 0 从逻辑上和物理概念上将系统分为三层，即变电站层、间隔层、过程 层，这一分类是按照变电站自动化系统所要求的控制、监视和继电保护三大功能进 行分类的，各层次内部和层次之间采用高速网络通信。i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系 统接口模型，如图3 1 所示。在变电站和间隔层之间的网络使用抽象通信服务接口 映射到制造报文规范( m m s ) 、传输控制协议网际协议( t c p i p ) ( 以太网或光纤网) 。 在间隔层和过程层之间的网络采用的是单点向多点的以太网。站内的智能装置i e d 均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。 p 摹冤曩 囊殴幻蜒矽 过棚 爝谚自譬j 籼 图3 ii e c 6 1 8 5 0 变电站自动化系统功能和逻辑接口 接口的含义如下： 间隔层和站控层之间保护数据交换； 问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t v 和t a 暂态数据交换( 传输采样数据) ； 过程层和间隔层之间控制命令数据交换； 间隔和站控层之间控制命令数据交换； 站控层与远方工程师站数据交换； 间隔之间直接数据交换，实现联闭锁的功能； 1 0 1 j 一 1 1，1 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 变电站层内数据交换。 各层结构功能及作用如下： ( 1 ) 站控层。包括主机、操作员站、五防主机、远动装置等设备，其主要任务 是：通过高速网络汇总全站的实时数据及实时信息并刷新实时数据库；定时将信息 转入历史数据库；按需将所需数据信息送往调度或控制中心；接收调度或控制中心 有关控制命令并转至相应间隔层、过程层执行，并具备自动化变电站在线可编程的 全站操作闭锁控制功能；具有站内当地监控、人机通信功能；能够对间隔层、过程 层各类设备进行在线维护、在线组态、在线修改参数；具有( 或备有) 变电站故障自 动分析和操作培训功能。 ( 2 ) 间隔层。包括各种保护装置、自动化装置、安全自动装置等设备。其主要 任务是：收集本间隔过程层各类实时信息：完成各种保护控制、自动控制、逻辑控 制功能；完成各个间隔及全站操作联闭锁以及同期功能的判别；执行数据的承上启 下通信传输功能，同时完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，为保证站 内网络通信的可靠性，上下网络接口用双口全双工方式以提高信息通道的冗余度。 ( 3 ) 过程层。过程层是一次设备与二次设备的接口，或者说过程层是智能化电 气设备的智能化部分，包括智能一次设备( 含电子式互感器) 、智能终端等，其任 务是完成实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行。主要任 务分为三类：电气运行的实时电气量检测，如电流电压量。运行设备的状态参 数在线监测与统计。如在线监测变电站内的变压器、断路器、母线等设备的温度、 压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。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，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在 规定的参数内。 3 2 2 采用面向对象的数据建模技术 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了一种以客户机服务器结构为 基础的数据模型。每个i e d 包含一个或多个服务器，同时每个服务器又可以包含多 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。就通信方面来说，i e d 同时也扮演客户的角 色。通过抽象通信服务接口( a c s i ) 和服务器通信，任何一个i e d 客户都可访问数 一 据对象。 统一建模语言( u n i f i e dm o d e li n gl a n g u a g e ，u m l ) 被i e c 6 1 8 5 0 采用来描述信息 模型。这是因为u m l 是面向对象设计和分析的国际标准，而且u m l 具有采用可视化 建模方法的特点，与编程语言和实现平台无关，不但使用简单，而且能够准确地表 达各类复杂的关联，并且系统性和扩展性较好，同时也适合在设计和记录信息模型 华北电力大学工程硕士专业学位论文 方面使用。 i e c 6 1 8 5 0 采用面向对象的建模方法的具体过程如下：首先要定义一些语义模型 类，并以此来规范所涉及到数据、结构、操作以及广义的s c a d a 语义：然后，将i e d 的自动化功能和各类信息对照相关模型进行抽象、分解，之后通过对语义模型类的 继承、重新构造或直接引用，生成特定的应用实例；最后，按照“类 的形式，将 这些实例层次化的构成具有一致性和确定性的信息模型，也就是服务器。 信息模型的属性包含以下4 个层次：逻辑设备( l g o i cd v e i e c ) 、逻辑节点( l o g i c n o d e ) 、数据对象和数据属性： ( 1 ) 逻辑设备，用于1 组虚拟设备，该设备包含特定应用功能的产生和使用信息的， 逻辑节点和其附加的功能服务聚合成逻辑设备。 ( 2 ) 逻辑节点，是交换数据的最小功能单元，由数据对象、数据属性、数据属性列 表以及对应的功能服务聚合成逻辑节点。1 个逻辑节点代表服务器的1 项基本功能， 或者代表i e d 中的l 组设备信息，1 个逻辑节点可以与其它逻辑节点进行信息交互， 并执行某些特定的操作。 ( 3 ) 数据对象，包含逻辑节点的所有信息，从不同的c d c 及c p d c 继承而来，是c p d c 的命名实例( n a m e di n s t a n c e ) 。 ( 4 ) 数据属性，是数据对象的内涵，是一个模型中所有信息的最终承载者。 我们从模型构成语义可以知道，信息模型不单单是数据的简单集合，而是数据 与功能服务的聚合的一个面向对象的模型，模型中的数据与功能服务是紧密结合的 相互对应的，通过对应的功能服务来实现数据的交换，这一特点使模型具备了良好 的稳定性、可重构性和易维护性。 3 2 3 数据自描述 i e c6 1 8 5 0 标准定义了一种通过利用设备名称、逻辑节点名称、数据类名称和 实例编号等一系列信息建立对象名称的命名规则，这与i e c6 0 8 7 0 有所不同。采用 面向对象的数据自描述具有较明显的优点：从数据源开始数据就对其自身进行一些 自我功能描述，传输到接收方的数据全部带有自我说明，因此工程物理量的对应和 标度转换不需要再进行。由于数据本身带有说明，故在进行数据传输时将会不受预 先定义限制，简化了工程中数据的管理和维护工作。 现行的变电站如果要把站端信息传至调度主站，必须将传送的信息做好约定， 。并在遥信转发表中把每个信号与主站一一对应，在进行现场验收的时候，主站的人 员与现场验收人员对每一个遥信量、每一个遥控量都要进行核对，以保证两者相对 应，这项工作不但繁琐，而且复杂易错，是每个新站投产的难点工作之一；另外， 在设备投运后对遥信转发表的维护工作由于各维护人员的能力高低不同、对设备的 了解程度不同，极易造成数据丢失和数据异常，严重影响了变电站向主站传输数据 1 2 】 。 l - 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的正确性：而且，随着变电站规模的不断变大，设备信息量的不断增多，传统的遥 信转发表的模式已经越来越不适应发展的需要了。i e c6 1 8 5 0 标准体系的出现，就 很好的解决了这个问题。在采用面对对象的自我描述的方法以后，每一个数据对象 都有一个自我描述，传输至调度主站的数据可以根据相关描述建立数据库，简化了 根据遥信转发表进行建库的工作，不但节约了时间，而且保证了主站数据的可