（电气工程专业论文）变电站自动化系统通信结构及规约的研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 随着计算机网络技术和通信技术的飞速发展，变电站自动化系统的通信网也不 断发展变化，本文将国内常见的变电站自动化的通信方式：r s 4 8 5 4 2 2 、c a n b u s 、 l o n w o r k s 、以太网等方式，进行了详尽地分析与比较，指出以太网在开放性、可靠 性、经济性、通用性等方面的综合优势；进向分析r 基于以太网的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 和i e c 6 0 8 7 0 5 - 1 0 4 规约结构及应用；详细分析了1 e c 6 1 8 5 0 的制定思路、特点以及 标准体系内容，指出i e c 6 1 8 5 0 体系是变电站自动化通信及结构发展方向；并对基 于i e c 6 1 8 5 0 变电站自动化的抽象模型进行了初步应用研究。 关键词：变电站自动化，c a n b u s ，以太网，通信规约，i e c 6 1 8 5 0 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma l s od e v e l o p s a n dc h a n g e s c o n t i n u o u s l y t h i sp a p e rb r i e f l ya n a l y s e sa n dc o m p a r e st h ec o m m o n c o m m u n i c a t i o nm o d ei ns u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o ni no u rc o u n t r y ，s u c ha s r s - 4 8 5 4 2 2 ，c a n b u s ，l o n w o r k s ，e t h e r n e ta n ds oo n t h i sp a p e rp o i n t so u te t h e r n e t s c o m p r e h e n s i v ea d v a n t a g ei no p e n n e s s ，r e l i a b i l i t y ，e c o n o m y ，u n i v e r s a l i t ya n ds oo n ，a n d a l s op o i n t st h a ti tw i l lb et h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n s u b s t m i o na u t o m a t i o ns y s t e m e n t e rb u ta n a l y z e dt ob a s eo nt h ee t h e r n e t e dt h e i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3w i t ht h ei e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4r o u g h l yc o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o n i ti s d e t a i l e dt oa n a l y z e da b s t r a c tm o d e lt h a ti e c 6 1 8 5 0e s t a b l i s h m e n tw a yo ft h i n k i n g ， c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a n d a r ds y s t e mc o n t e n t s ，r i g h ta c c o r d i n gt ot h ei e c 6 18 5 0s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mt op r o c e e d st h ea p p l i c a t i o ns t u d i e d ，a n dp o i n to u tt h ei e c 6 1 8 5 0 s y s t e mi sas u b s t a t i o na u t o m a t i o nt oc o r r e s p o n db yc o m m u n i c a t i o na n dt h ec o n s t r u c t i o n d e v e l o pt h ed i r e c t i o n y el e i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o l b it i a n s h n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，c a n b u s ，e t h e r n e t ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，i e c 6 1 8 5 0 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文变电站自动化系统通信 结构及规约的研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期问，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，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 华北电力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 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叫! 菊 日 期：坦 乡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式辅：不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期 导师签名：望墨生 日期：江笸! ( 垣 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言 1 1 变电站自动化系统通信结构和传输规约的重要性 交电站是输配电系统中的重要环节，是电网的主要监控点。随着计算机技术在 电力系统的应用和发展，越来越多的新建变电站采j = j 综合自动化。随着微电子技术 的迅速发展，变电站自动化已从常规式一一集中式分散式逐步单元化发展”“。 电子技术的小断进步，导致变电站自动化系统的结构也发生了较大的变化，在现场 控制系统中采用分层分布式结构，己显示出强大的优势。目前国内外新开发的自动 化系统，其基本结构几乎无一例外地采用分层分布式结构组成的综合自动化系统 “。在物理结构上均是由站控层和间隔层组成，绝大多数系统在站控层和间隔层的 通信采用光纤或双绞线连接。 实现变电站自动化的主要目的不仅仅是用以微机为核心的保护和控制装置来 替代变电站内常规的保护和控制装置，关键是充分发挥这种新技术的优势，提高变 电站的保护利控制性能，从而提高整个电网的自动化水甲而要充分发挥变电站自 动化这种新技术的优势，关键在于信息交换。变电站自动化系统通过信息交换，允 许数据在各功能块之间互相流动，实现控制和保护相互协调，以提高它们的性能。 由于很容易就能获得所有的系统数据，因而同常规变电站二次系统相比，可提供更 多的正常状态及事故状态下的信息。由于变电站运行监视的基本数据分散存于各开 关间隔单元之中，只有借助于有效、可靠、实时的通信手段才能将间隔层数据传输 至变电站层。通过信息交换，实现信息共享，有可能减少常规变电站设备的重复配 置，也简化设备之间的互连，从整体上提高了变电站自动化系统的安全性和经济性 ib o 变电站自动化系统结构上是一个分布式的系统，对任何分布式结构而言，为保 证其功能的实现，信息交换的实时性、可靠性，而保证系统运行稳定可靠其技术 关键在于处理小同层次之间通信问题的方法，以及存把地理上分散的设备进行组合 的层次里的通信。变电站自动化系统信息交换的目标是在适当的时间内，将适当的、 有关的、准确的信息送到信息需要者处。变电站自动化的迅速发展和应用的不断成 熟，保护在系统内的核心作用，明确告诉了我们，透彻理解变电站基本单元发系统 通信结构与通信规约的重要性，在自动化变电站中，信息交换最基本要求是准确和 畅通，无阻塞、无死机发生。这对通信的规约选择以及各设备之间规约的转换且相 容就显得尤为重要，目前信息交换存上下通信和站内通信主要是通过现场总线及网 络来实现”。 目前现有的变电站自动化系统还未能很好地实现很多节点间的信息可靠、准 华北电力大学工程硕士专业学位论文 确、实时交换，从而影响了这些综合a 动化站和各种通信网络结构的功能充分发挥。 变电站自动化的主要目的不仅仅是用以微机为核心的保护和控制装置来代替站内 常规的保护和控制装置，关键在于实现信息交换。因此，对变电站自动化系统通信 结构和传输规约的研究是有非常重要意义的。 1 2 变电站自动化系统的发展 变电站作为整个电网中的一个节点，在电网中，担负着电能传输、分配任务。 变电站继电保护、监控自动化系统是保证上述任务完成的基础。在电网统指挥和 协调下，电网各节点，如变电站、发电厂具体实施和保障电网的安全、稳定、可靠 运行。因此，变电站自动化系统是电网自动化系统的一个重要组成部分。作为变电 站自动化系统，它应确保： 检测电网故障，尽快隔离故障部分； 采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视和计量； 采集一次设备状态数据，供维护一次设备参考： 当地后备控制。 因此，要求变电站自动化系统运行高效、实时、可靠，对变电站内设备进行统 监测、管理、协调和控制。同时，它又必须与电网调度自动化系统进行实时、有 效的信息交换、信息共享，优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平，提高绎济 效益，并为电网自动化的进一步发展留下空间。 变电站自动化指：在变电站内应用自动控制技术、信息处理和传输技术、计算 机硬软件技术实现变电站运行监测、协调、控制和管理任务，部分代替或取代变电 站常规二次系统，减少和代替运行值班人员对变电站运行进行监视、控制的操作， 使变电站更加安全、稳定、可靠运行。 变电站自动化包括两个方面： 】) 横向综合 利用计算机手段将不同厂家的设备连在一起，替代或升级老设备的功能 2 ) 纵向综合 在变电站层这一级，提供信息、优化、综合处理分析信息和增加颟的功能，增 强变电站内部、各控制中心间的协调能力。如借用人工智能技术，在控制中心可实 现对变电站控制和保护系统进行在线诊断和事件分析，或存变电站当地自动化功能 协助之下，完成电网故障后自动恢复。 变电站自动化与一般自动化区别关键在于：自动化系统是否作为一个整体执行 保护、检测和控制功能。基于下列情形： 日益增加的电网复杂性： 2 华北电力大学工程硕士专、i p 学位论文 不断增加的成本一效益压力、市场竞争： 技术发展； 更高的电网运行标准： 向状态检修方向过渡 促使变电站自动化领域不断引进新的技术，为变电站和电网中一些问题的解决 提供新的思路和解决方案，开拓和推动电力系统自动化技术的发展。 自9 0 年代初，到目前为止，据不完全统计，我国己有上千套变电站自动化系统 在现场投运，在现场充分发挥了作用，取得了用户的信赖。变电站自动化系统已被 广大用户所接受和认可。变电站自动化系统结构已从早期的集中式结构，由一台或 两、三台微机完成全变电站的保护、监控任务现己过渡到分布分散式系统结构，其 可靠性、可扩性、可维护性大大提高。 现有的系统均采用分层的设计思想，具有定的分布式特征和相应的独立性， 主要体现在保护和监控相互独立，故障互不影响。然而在这些系统中，微机保护、 微机监控等设备之间大都通过r s 一4 2 2 r s 一4 8 5 通信口或现场总线相连接，通信规 约迥异，仅有个别厂家采用i e c 8 7 0 - - 5 标准通信规约。由于缺乏统一的标准，通信 控制复杂，难以有效地实现各设备之问信息高速、可靠、准确地交换。系统可靠性 和实时性差，它不仅影响到变电站自动化系统的优势发挥，而且不能满足电网发展 对变电自动化系统所提出的要求。 继电保护方面，如工频变化量方向继电器、工频变化量距离继电器、区分振荡 与短路的新原理等项技术居国际领先水平。目前，对3 5 k v 及3 5 k v 以下线路，保护测 控相互融合、信息共享，保护、测控功能集成在一个独立的装置中，已成为业界共 识。 对高压或超高压线路，保护、测控装置完全独立，但出现统一设计、组屏的要 求。传统的自动装置正在调整，逐渐与变电站自动化系统融合。较为典型的如低周 减载、电压无功控制、备用电源自投与分段开关保护测控的融合、自动准同期功能 与测控功能集成等。 变电站自动化系统的功能在基本监控功能方面如遥测、遥信、遥控方面己比较 成熟，较高层次上的应用功能，如变电站防误闭锁、电压无功控制方面，取得不少 成绩。但总的来说，较高层次上的应用功能还有待于深入研究和发展。 全面、整体化解决方案成为变电站自动化发展趋势 早期由于技术的限制，变电站自动化的实施采用发展独立的、单项自动化装置 来解决问题。7 0 年代初n 8 0 年代末，电力行业主要精力在集中利用计算机发展单 项白动化装置或系统。如微机保护、微机远动装置等，为变电站自动化发展打下基 础。在其发展过程中人们也逐渐认识到：由于变电站自动化的功能之问存在着不同 程度的关联，单单依靠发展单项自动化装置或系统，形成自动化孤岛，很难满足变 3 毕北电力大学工程硕士专业学位论文 电站自动化许多功能要求，且还无法克服在扩大应用规模时确认所需投资的合珲性 所遇到的困难。这种按“功能定向”的方法，己造成综合化水平非常低并带来若干 反面影响，如功能重叠、数据的重复、灵活性很差、维修费用高等。 另外，变电站自动化系统作为一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包 含众多的设备和子系统，各功能、子系统之间存存着不同程度的关联，其本身及其 所用技术又处于不断发展之中，对任一个厂家、制造商而言，根本不可能包揽一切。 这就要求变电站自动化采用全面解决的方案，走系统集成之路，使得各种应用之间 可共享投资和运行费用，最大限度保护用户原有的投资。随着计算机、电力电子技 术的进步，通信技术的发展，变电站自动化的发展，已由单个孤立的装置微机化( 自 动化) 过渡到系统整体计算机化。在中低压变电站自动化和馈线自动化方面，现有 保护和测控设备相互渗透、相互融合，形成保护测控一体化，保护测控单元不仅具 有常规的保护、遥测、遥信和遥控功能，且还集成了自动重合闸、电能质量一些参 数的检测功能，甚至集成了断路器的监视功能，且有进一步与断路器、开关相结合， 机电一体化，发展成为智能化开关的趋势。显著地降低了建设、运行和维护的综合 成本，为提高供电可靠性，创造了有利的条件。高压设备正向着一次和二次设备集 成方向发展，出现智能化一次设备。一次设备将断路器与p t 、c t 及刀闸组合在一 起，使用电子p t 、c t 替代常规的p t 、c t ，数字输出替代了模拟量输出，甚至集成 了保护、测控单元。重n a b b 公司的p a s s 、a l s t o m 公司推出的高压组合电器等一次设 备。这样，减少了与二次设备的连线，减少了电磁干扰，提高了可靠性，同时也减 少了用户的投资。此外，集成了一次设备在线监视、i h 诊断和控制工具，可提供更 好地维护工具管理，使一次设备由定期维修转为状态维修。故障定位和自动恢复送 电可以明显地缩短停电时间。有效的解决这一问题，必须以数字式继电保护、变电 站自动化系统、电网自动化系统为基础”。 国内变电站自动化技术自8 0 年代起步以来，经历了以r t u 为基础加卜- 一台微 机为中心的变电站当地监控系统，这是国内变电站自动化技术的第一阶段。至9 0 年 代初数字保护技术( 即微机保护) 的广泛应用，使变电站i h 动化技术形成设置在变 电站控制室中的计算机系统( 变电站自动化系统) ，综合采集和处理微机保护及自 动化信息，此类集中式变电站自动化系统可以认为是国内变电站自动化技术的第二 阶段。至9 0 年代随着计算机技术，嘲络技术及通信技术的飞跃发展，以及变电站 运行的实际需要，各类分布式分散式变电站自动化系统纷纷研制成功和投入运行， 这可视为第三阶段。技术始终是不断推陈出新，向前发展的，尤其变电站自动化技 术是和世界发展速度最快的计算机技术、网络技术和通信技术紧密联系存一起的。 随着计算机软硬件及网络技术的发展，现在一般的变电站自动化系统都实现了 分散分布式的结构，将整个系统分为变电站层和问隔层。变电站层包括综合操作屏、 应用主机、实现软件开发和管理的1 程师主机、全站性的监控、通讯、远动主机： 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 间隔层一1 般按断路器间隔进行划分，每个间隔层设备实现一个断路器的功能。 间隔层有很多保护测控装置，怎样实现这些测控装置与变电站层的各主机的通 讯，保证数据传输的速率与质量，增强抗干扰能力，就成为通讯模块需要集中解决 的问题。 1 3 变电站自动化系统通信网络的现状 变电站自动化系统实质上是由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。例如：在微机保护子系统中，有变压器保护、电容器保护、各种 线路保护等。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。 1 3 1变电站通信网络的要求 由于数据通信在变电站自动化系统内的重要性，经济、可靠的数据通信成为系 统的技术核心，而由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，变电站自动化系统 内的数据网络应满足下列要求：快速的实时响应能力；很高的可靠性： 优良的电磁兼容性能；分层式结构【1 l 。 1 9 9 7 年8 月国际大电网会议上，w g 3 4 0 3 工作组提出了变电站内通信网络传输时 问要求：设备层和间隔层之间、间隔内各设备之间、间隔层各间隔单元之间为 l 1 0 0 m s ，间隔层和变电站层之间为1 0 1 0 0 0 m s ，变电站层各设备之间、变电站和控 制中心之间为1 0 0 0 m s 。各层之间的数据流峰值为：设备层和间隔层之间数据流大概 2 5 0 k b s ，取决于模拟量的采样速度，间隔层各单元之间数据流大概6 0 k b s 或1 3 0 k b s ， 取决于是否采用分布母线保护；间隔层和变电站层之间及其他链路之间数据流大概 在1 0 0 k b s 及以下。 1 3 2 变电站自动化系统通信网络的现状 早期的变电站内部通信多采用r s 2 3 2 r s 4 8 5 方式，这种方式的优点是通信设备 简单，成本低，但其速率低( 一般存24 0 0 96 0 0b p s ) ，只能采用问答方式传输数 据，传输效率低。对于小型变电站还能承受，对于大型变电站尤其是实现分散配置 的变电站来说，这种方式基本被淘汰。现场总线技术的应用无疑为分布分散式变电 站自动化系统的实现提供很好的技术支持。现场总线的特点是接u 简单，传输速率 比传统的r s 4 8 5 高，传输可靠性高，可实现c s m m c d 方式传输数据。但现场总线 到目前为止仍没有一个完全统一的国际标准，国内变电站自动化系统设计出于侧重 e 华北电力大学工程烦士专业学位论文 点的不同，总线的选用也不一致。这些现场总线均以国标标准化组织( i s o ) 的开 放系统互连( o s i ) 的参考模型为基础，支持多种通信介质，满足高速可靠的技术 要求，在具体技术实现上各有优势。目前国内使用较多的现场总线有： ( 1 ) 基金会现场总线f f 。在o s i 系统互连模型中取其物理层、数据链路层、应 州层，构成f f 现场总线通信模型的各相应层次，传输速率可达3 1 2 5 k b p s 19 0 0 m 2 5m b p s 5 0 0m ，通信介质可支持双绞线、光缆和无线发射等，主要技术内容包括 f f 通信协议、通信栈、用于描述设备的d d l 设备描述语言等。目前支持它的有a b b 、 西门子等公司。基金会总线的数据传输方式有面向连接的数据传输方式和面向无连 接的数据传输方式两类。 ( 2 1p r o f i b u s 总线。p r o f i b u s 总线系列包括p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 。分别适用于不同的应用领域，其中p r o f i b u s f m s 意为现 场信息规范，可用于变电站自动化系统，它选取o s i 的物理层、数据链路层、应用 层，传输速率为9 6k b p s 1 2m b p s ，传输介质可为双绞线、光缆等。 ( 3 1l o n w o r k s 总线。l o n w o r k s 也是获得广泛应用的现场总线，其接e l 采用封 装。j l o n t a l k 协议的神经元芯片一n e u r o n ，集成芯片中含3 个8 位c p u ，分别用于o s l 模型的7 层通信协议“。因此，l o n w o r k s 选取了o s i 模型的全部7 层通信协议。通 信速率为3 0 0b p s 1 5m b p s 不等，支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线等多种通 信介质。设计上l o n w o r k s 采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计 简化为参数设置。 ( 4 1c a n 总线。c a n 是控制局域网络( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 的简称，在现场 变电站自动化系统有着广泛的应用。c a n 也是建立在i s o 0 s l 模型基础之上，不 过只选取了物理层、数据链路层和应用层等三层，传输速率最高可达1m b p s ，最远 直接传输距离可达1 0k m 5k b p s ，c a n 嘲支持的信号传输介质可为平衡双绞线，可 连接设备数最多可达1 l o 个。c a n 的信号传输采用短帧结构，每帧有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，c a n 接口芯片具有 自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受 影响，具有较强的抗干扰能力”。 局域网技术的发展也逐渐渗透到变电站自动化领域里。 以太网是目前应用最 为广泛的局域网，其特点是：硬件支持标准、硬件成本低、支持软件较多、速率高、 网络拓扑结构可复杂可简单，为大家所熟悉。传输介质可以是双绞线、同轴电缆、 光缆等。 变电站自动化系统需要在变电站各种二次设备，及其它相关智能设备间进行信 息交换、共享。这就注定其信息传输的多元性和复杂性，基于封闭、专用的解决方 案已无法满足今天变电站自动化系统的需要。从通信的角度，变电站自动化系统应 具有高度的开放性、可互操作性、现场适应性。现场总线在技术上满足了上述要求。 6 华北电力大学工程硕士专、l p 学位论文 建立在现场总线摹础上的变电站自动化系统中，智能设备自身具备不依赖于主控或 站级设备的独立的测量控制能力，在完成测j 卒功能上，他们是彻底分散的。而实时 可靠的数据交换和信息共享，在更高的层次上将各种设备连接起来，促进了变电站 信息的集中分析和综合处理。现场总线具备这种连接所需的技术性能。 日前采用现场总线的变电站自动化系统在具体通信过程上各具特点，主要表现 在应用层上，差错控制和校验手段各不相同，通信规约更是随着系统的不同而不同。 由于现有颁布的i e c8 7 0 5 1 0 l 远动设备信息接l _ | 传输规约、i e c8 7 0 5 1 0 2 电量设 备信息接口传输规约、i e c8 7 0 5 1 0 3 继电保护设备信息接口传输规约多被定义在 r s 4 8 5 接口上，因此这些规约只能对现场总线的通信起一定的指导作用而不能形成 统一的标准。 综上所述，变电站通信正存朝着蝴络化、互联的方向发展，其将是一个广域刚 局域网现场总线并存的网络结构。变电站的信息传输将呈现多层次、多局部交错 互联的形态，并由此实现信息的沟通、汇集和共享。 不同智能设备以不同的形式接入变电站局域嘲。部分的远动、保护装置可以通 过现场总线( 如c a n b u s 、l o n w o r k s 等) 通过微机综合数据后以t c p i p 接入站 内的局域网，也可以以r s 4 8 5 网、r s 2 3 2 等方式接入通信装置，再由通信装置接入 站内局域网。所有的工作站都挂接在局域网上实现数据共享。局域网通过网络交换 机实现和s p d n e t 的互联。连接远方调度的可以是a t m 网，也可以是站内局域嘲。 由此可见，一个变电站的通信具有多个网段，每个网段的总线类型、通信介质、通 信协议等可以是各不相同的。但每个总线叫段将所属的智能测控设备连接成一个子 系统。这个子系统的基本功能与操作是不依赖于整个变电站自动化系统而独立实现 的。对于实时性要求较高的信息共享与畅通、汇集和共享”“。 不同总线嘲段在总线类型、数据传输方式、通信介质、传输规约的选取上按功 能特点的不同灵活选择，因此它们之间不能直接通信。网段之间的信息传输 j 共享 可通过多种站级设备实现。这里站级设备主要指微机当地监控、总控装置等。目前 站级设备只承担信息的汇总与分析，也就是一个规约转换器。随着站级设备功能的 扩展，它们也将成为不同网段问互连的刚桥，从而使变电站的现场控制层在信息的 综合与共享上成为一个有机的整体。 随着变电站自动化水平的提高，现场控制层的信息将进一步扩展，视频、音频 等信息采集设备也将成为变电站自动化系统的组成部分因为站级设备在性能上应 对这种扩展作出准备，通信能力也应相应提高。站级设备之间的互联宜采用l a n 网，以适应站级设备间高速数据交换的要求。站级设备存信息汇总的基础上，可借 助数据库、优化运算等手段对全站数据进行综合、分类、优化、存贮、转发等。 7 华北电力大学工程硕士专、k 学位论文 1 4 国内外研究动态 从工程应用的现状来看，世界上大多数国家都将目前网络结构主要有星形网络 和总线网络；从可靠性看，总线型和环形网络较星形网络可靠；从扩充性、灵活性 看，总线型较环形网易扩充，一般应优先选用，重要电压等级应选用双总线型网络。 其方式有： ( 1 ) 采用主从接 j 的r s 4 8 5 或r s 4 2 2 、双绞线网： ( 2 ) 采用无主从的c a nd e v i e e n e t 结构网络： ( 3 ) 采用l o n w o r k s 现场总线网络： ( 4 ) 局域网技术结构：将过去集中处理的功能分散到各个单元节点中去处理 ( 6 ) 网络产品要选择符合i s o 国际标准的工业网，目前一般采用i s 0 i e c 8 8 0 2 标准的局域网。 当前，国际上基于以太网的i n t e r n e t 技术w e b 技术的嵌入式应用日益广泛， 美国、欧洲以及日本等发达国家对基于以人网的变电站自动化技术都给予了前所未 有的重视，i e c 的有关工作组正在制定变电站自动化过程层、间隔层和变电站层的 一系列标准。其中以太网技术的嵌入式应用是很重要的一个方面。 通信规约方面，对于r s 4 8 5 或r s 4 2 2 网、c a n 网、l o n w o r k s 网方式组网的变电 站自动化系统均用各自厂商自己内部规约，以太嗍方式组网的变电站自动化系统分 别使用i e c 8 7 0 5 1 0 3 和i e c 8 7 0 5 1 0 4 两种规约，但是各厂商对此两种规约有不同 的解释与理解。 为了实现整个电力系统的无缝通信，国际电工委员会t c5 7 的w g l 0 、l l 、1 2 制定了i e c 6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统系列标准该标准成为基于通用网络通信 乎台的变电站自动化系统唯一国际标准。通过对变电站自动化系统中的对象进行统 一建模，采用面向对象技术和独立于网络结构的抽象服务通信接口( a c s i ) ，增强 了设备问的互操作性，可以在不同厂家的设备之间实现无缝连接。该协议的丰要部 分已经推出，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，从 而已经引起许多制造厂商和用户的极大关注。 国际知名厂商如a b b 、s i e m e n s 等均参与了i e c 6 1 8 8 0 标准的制定，他们起步早， 在2 0 0 4 至2 0 0 5 年陆续推出了全面支持i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统。 目前，国外在欧洲、美洲、亚洲等，投运了些采用支持i e c 6 1 8 5 0 标准的变 电站自动化系统的变电站。 在过去的2 0 0 5 - - 2 0 0 6 年中，a b b 、s i e m e n s 、a r e v a 、g e 等国外公司在i e c 6 1 8 5 0 标准的工程应用方面有了长足进步。在风力发电、电能质量等i e c 6 1 8 5 0 派生标准 的发展方面也取得很人成果。 国内的科研院所、高校以及国内知名厂商从2 0 0 4 年开始研究实现i e c 6 1 8 5 0 ， r 华北电力大学丁程硕士专业学位论文 到目前已经取得显著成果，若干厂商已经推出支持i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化 系统，或者保护、测量控制装置。 2 0 0 6 年3 月2 7 日，在西安l l o k v 少陵变顺利投运了满足i e c6 1 8 5 0 标准的变 电站自动化系统；西安1 l o k v 曹李村变也采州支持i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统。 这两套系统包括保护、测控、监控、远动等，都是国内厂商提供的满足i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统，说明我国自主研发的满足i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站白动 化系统已具备推广应用条件。 1 ，5 本文所做的工作 通过分析r s 4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 及以人网结构的变电站自动化系统实际运行 情况，探索出适合我国国情的变电站内部通信模式。分析研究现有通信规约和 i e c 6 18 5 0 协议，提出i e c 6 1 8 5 0 协议应用于变电站自动化系统的初步应用分析。本 课题具体在理论和实践上做了以下几项工作： 1 结合作者在变电站自动化方面的多年工作经验，对变电站自动化所采用的通 信方式进行了分析。 2 在分析通信方式的基础上，研究了变电站自动化采用以太网通信方式的规 约。通过分析r s 4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 及以太网结构的交电站自动化系统实际运行 情况，比较了它们的优劣。 3 ，本文研究了l e c 6 1 8 5 0 标准的提出和发展以及现状；详细分析了标准制定的 思路与特点：功能分解，数据流和数据建模，比较了i e c 6 1 8 5 0 标准与传统规约之间 的区别。 4 提出了变电站自动化系统的抽象模型：逻辑节点层、c d c 层和数据属性层， 并分析了应用与通信分离的通信模型。 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章变电站自动化采用的通信方式分析 目前我国综合自动化采用的通信方式多种多样，主要有r s 4 8 5 4 2 2 、c a n b u s 、 l o n w o r k s 、以太网等方式，下面将这几种方式进行分析与比较。 2 1 r s 一4 8 5 4 2 2 变电站自动化系统采用r s 一4 8 5 4 2 2 接口 优点是通信设备简单，成本低，易于实现。 在很多情况下不能满足系统的要求；再者， 足： 可实现多节点间的连接。这种方式的 但连接的节点数较少一般小超过3 2 个。 其通信方式多为查询方式。存在以下不 1 ) 整个通信网上只有一个主节点其余皆为从节点。主节点便成为系统的瓶 颈。主节点工作繁忙时，影响系统性能和可靠性，一旦主节点出现故障整个系统 便会瘫疾。 2 ) 主从结构多为命令响应型。其所有的数据传输皆以主节点发送命令后从 节点以响应的方式把数据传输给主节点这样大大降低了传输效率。当下端发现故障 时数据不能立即传送，必须等待主节点命令，系统规模比较大时，实时性要求难 以满足”。 3 ) 查询通信方式为典型主从通信方式，该通信方式无法处理变电站自动化系 统中任意两个节点间通信的要求。 4 ) 采用通过r s 4 8 5 4 2 2 通信口相连接，存物理接口上，有着统一的标准，但 通信规约迥异缺乏统一的标准，通信控制复杂，难以实现各设备之间信息高速、 可靠、准确地交换。传输介质也受到限制。通信接口软件编程和测试极大地分散了 系统研制人员的注意力。 5 ) 利用双绞线组成的r s 4 8 5 4 2 2 通信网还受其接口的物理特性影响，有时因 某一单元接口故障而钳死其所在的整串网。 6 ) 不能在通信网中设置一个以上的主机， 因而不能享有多主机技术带来的各 种优越性能“。 这种通信方式适用于结构简单且投资成本少的小型变电站，例如我局3 5 k v 贺庄 变电站所采用的r c s 9 0 0 0 系统，其主通信网采用的是r s 4 8 5 方式，其总控与监控后 台采用以太网形式通信。 华北电力大学工程硕士专q k 学位论文 2 2 c a n b u s c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司从2 0 世纪8 0 年代初为解 决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据协议， 目前已成为国际标准化组织i s 0 1 1 8 9 8 标准，总线规范为2 ，他是一种有效支持分布 式控制或实时控制的串行通信网络，c a n b u s 的应用范围遍及从高速网络到低成本 的多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用 中，c a n b u s 的位速率可高达lm b s “。c a n 总线广泛的应用与其良好的件能密 切相关，其特点如下： ( 1 ) c a n b u s 町实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个结 点均可在任意时刻、主动地向其他结点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点， 可以方便地构成多机备份系统“。 ( 2 ) c a n b u s 可以点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。 ( 3 ) c a n b u s 网络上的节点可分成不同优先级，可以满足不同的实时要求； c a n b u s 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当2 个结点同时向嘲络上发送消息时， 优先级低的结点主动停止发送数据，而优先级高的结点可以不受影响继续发送信 息，有效地避免了总线冲突；按结点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时 要求3 。 ( 4 ) c a n b u s 支持4 类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧 结构，每帧有效字节数为8 个。这样传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短， 且具有良好的检错效果“。 ( 5 ) c a n b u s 采用循环冗余校验c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ) 及其他校验 措施，保证了极低的信息出错率。 ( 6 ) c a n b u s 结点具有自动关闭功能，当结点错误严重时，自动切断与总线的 联系，这样可以不影响总线的正常工作。 ( 7 ) c a n b u s 直接通讯距离最远可达1 0k m ( 传输率为5k b s ) ，通讯速率最 高刈达1m b s ( 传输距离为4 0i n ) ，c a n 总线上结点可达1 1 0 个。通讯介质采用双 绞线、同轴电缆或光导纤维。 ( 8 ) c a n b u s 用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。 ( 9 ) c a n b u s 上的节点数实际可达1 1 0 个，理论上可达2 0 0 0 个； ( 1 0 ) 利用双绞线组成的c a n b u s 通信网也受其接口的物理特性影响，总线型 拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃，且难以诊断故障点。 ( 11 ) 当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率迅速下降到小能接受的水 平，不能适应大型变电站对通信的要求。 ( 1 2 ) 有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟火到不能令人满意。 i t 华北电力久学t 程硕士专业学位论文 ( 1 3 ) 由于标准的不统一，许多网络设备和软件需专门设计，很难使变电站 自动化的通信网络标准开放。 目前南瑞科技生产的d i s a 2 及n s 2 0 0 0 系统测控主网均采用c a n b u s 方式，其 总控与其总控与监控后台采用以太网形式通信。 2 3l o n w o r k s l o n w o r k s 是美国e e h e l o n 公司于1 9 9 1 年3 月推出的一种局部操作网络，l o n 是 l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 的简称。l o n w o r k s 是一种使用较为广泛的全分布的测控 网络，其最大特点是拥有三个c p u 的神经元芯片( n e u r o nc h i p )和利用刚络变量 ( 隐式报文) 及显式报文进行数据传输，大大缩短了网络的开发时间。l o n w o r k s 是目前流行的现场总线中唯一能跨越传感器执行器总线( s e n s o rb u s ) 、设备总 线( d e v i c eb u s ) 和现场总线( f i e l db u s ) 三个层次的现场总线技术，并k l o n w o r k s 现场总线网是实现变电站自动化系统通信网络的成熟产品，网络通信介质不受限 制，可以是双绞线、光纤、电力线、无线、红外线等，并可在同一网络中混合使用。 由于l o n w o r k s 是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术，故可很容易地组成对等 主从式总线，决策设备传感器总线，以及高水准的现场总线。它的应用较好的 解决了变电站自动化系统的现场控制及站内通信问题，成功的实现了从当今d c s ( i ) i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 向未来的f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 的过 渡“。目前，国内外已成功地将l o n w o r k s 总线应用于变电站自动化系统。如：我 国的四方公司推出的c s c 2 0 0 0 型变电站自动化系统。 l o n w o r k s 网络的技术特点： ( 1 ) 开放性、互操作性好：l o n w o r k s 遵循多种通信媒体，其有通信介质开放 的特点，l o n w o r k s 通讯协议l o n t a l k 符合i s 0 定义的开放系统互连模型o s i ，刘用户 平等，可使用所有网络操作系统，易于实现客户服务器结构，符合变电站自动化 发展的要求。l o n w o r k s 网的互操作型标准为l o n m a r k ，网络服务操作系统为l n s 。 ( 2 ) 强大的通信控制节点：n e u r o n 芯片具有三个8 位c p u ，分别为介质访问控 制器、网络处理器及应用处理器，它固化了i s 0 0 s i 的全部七层协议、及3 4 种常 见i 0 控制刘象很好地实现了从d c s 向f c s 的过渡”。 ( 3 ) 通信可靠性高：l o n w o r k s 网络通信协议采用了“网络变量”及“变量 捆绑( b i n g i n g ) ”，使网络通信设计简化。每帧有效字节可以0 至2 2 8 ，日h o n t a l k 协议的介质访问控制子层( m a c ) 对c s m a 拟作r 改进采用一种新的称作p r e d i c j t i v e p - - c s m a ，使负载较轻时，访问延时最小化，负载较重时，冲突概率最小化。充分体 现了自动化系统站内信息传输速度快、安全性高的特点。 ( 4 ) 容量大：l o n w o r k s 技术定义了予区、子网、节点地址的分层逻辑寻址方 华北电力大学工程硕士专业学位论文 式，一个测控网上节点数可达3 2 0 0 0 个，且增删方便，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 双 绞线7 8 k b p s ) 。 ( 5 ) 系统分散性好：n e u r o n 芯片采用超大规模、低功耗集成电路、密封式结 构，可防尘、防潮、防电磁于扰，适用于变电站现场的恶劣环境，因而可在传感器 或变送器附近就地安装，使各种信号就地处理，节约了大量的电缆。 ( 6 ) 但是利用双绞线组成的l o n w o r k s 通信网也受其接 j 的物理特性影响，总 线型拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃，且难以诊断故障 点。 ( 7 ) 当变电站通信节点超过一定数量后，响应速率迅速下降到不能接受的水 i r ，不能适应大型变电站对通信的要求。 ( 8 ) 有限的带宽使录波等大量数据的传输延迟大到不能令人满意。 ( 9 ) 由于标准的不统一，许多网络设备和软件需专门设计，很难使变电站 自动化的通信网络标准开放。 2 4 以太网 当前，国际上基于以太网的j nc e r n e t 技术w e b 技术的嵌入式应用口益广 泛，美国、欧洲以及日本等发达国家对基于以太网