（电气工程专业论文）基于iec61850的变电站自动化系统设计.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i mt h ee x p a n s i o no fp o w e rg r i ds c a l e t h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fm o d e mp o w e r s y s t e mi si n c r e a s i n g l yd e p e n d i n go nt h ep o w e rs y s t e mc o n t r o lt e c h n o l o g y a st h eb a s eo f p o w e rg r i dc o n t r o ls y s t e m ，s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw i l lp l a yak e yr o l e a tp r e s e n t ，m o s ts u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m sa r ed i s t r i b u t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m s i nt h e s es y s t e m s ，t h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r sa r ew i d e l yu s e d 1 1 1 e a r r a n g e m e n tm o d eo fs e c o n d a r ys y s t e mw h i c hh a sac o m p l i c a t e dw i r i n gi su n i tg a p 珏e d e v i c e sa r em u t u a li n d e p e n d e n tb e t w e e ne a c ho t h e ra n dl a c ko v e r a l lc o o r d i n a t i o na n d f u n c t i o no p t i m i z a t i o n i nt h e s es y s t e m s ，t h ei n f o r m a t i o na l s oc a n n o ts h a r eb e t w e e ne a c h d e v i c e ，t h e n , t h e “i n f o r m a t i o ni s l a n d c a l le a s yt ob ef o r m e d t b i sk i n do fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mi sd i f f i c u l t l ye x p a n d e d i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ei e c 618 5 0 s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dh a sb e e nm a d eb yt h ei n t e m a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o nw h i c hi s g r e a t l yp r o m o t i n gt h ec o n s t r u c t i o no fd i g i t a l s u b s t a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dd e s i g np r i n c i p l e so fs u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m a r ei n t r o d u c e d n l ea r c h i t e c t u r ea n dd e f i c i e n c yo fc o n v e n t i o n a lc e n t r a l i z e d h i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e ma r e a n a l y z e d t h e n , t h et e c h n i c a l f e a t u r e sa n dt h ea r c h i t e c t u r eo fd i g i t a ls u b s t a t i o nb a s e do ni e c 618 5 0s t a n d a r da r ei n t r o d u c e d 砀pt e c h n o l o g i e so fu n c o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e r , m e r g i n gu n i ta n di n t e l l i g e n tb r e a k e rw h i c h a r eu s e dt os a m p l i n gd a t aa n dc o n t r o l l i n gi np r o c e s sl a y e ra r ea n a l y z e d i nt h i st h e s i s ，t h e b a s i cn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yo fd i g i t a ls u b s t a t i o ni si n t r o d u c e d n l ep o i n tt o p o i n t c o m m u n i c a t i o n ，t h ep r o c e s sb u sc o m m u n i c a t i o na n dt h es t a t i o nb u sc o m m u n i c a t i o no f d i g i t a ls u b s t a t i o na r ea n a l y z e d 1 1 1 es c h e m e so fn e t w o r kr e d u n d a n tc o n f i g u r a t i o na r ed e t a i l e d a n a l y z e & t h e n , t h et h e s i se m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e st h es n t pa n di e e e1 5 8 8p r o t o c o lt i m e c a l i b r a t i o nm e c h a n i s m i nt h i st h e s i s ，t h em e t h o d sa n dc o n c r e t es t 印so fm o d e l i n ga c m a l 正d d e v i c ei ni e c 618 5 0s t a n d a r da r ed e t a i l e da n a l y z e d f i n a l l y , t h et h e s i sm o d e l sas p e c i f i c d e v i c en a m e dw d b 8 9 2w h i c hi sap o w e rt m n s f o f i n e rp r o t e c t i o nd e v i c ei ns u b s t a t i o n f i n a l l ya nr e c o n s t r u c t i v ed e s i g ns c h e m eo fd i g i t a ls u b s t a t i o na r ep r o p o s e db a s e do nn a nt a 1 】o k vs u b s t a t i o ni ns ic h u a n k e y w 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 ； i e c 618 5 0 ； n e t w o r k i n g ； i e dm o d e l i n g ； r e c o n s t r u c t 西南交通大学囱南爻逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导老师签名： 日期： 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 本论文分析了国内外数字化变电站的发展与研究现状；分析传统变电站自动化系统 分类及设计原则，分析传统变电站自动化系统和基于6 1 8 5 0 变电站自动化系统结 构，并进行优缺点比较。 2 分析基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统通信模式及组网方案，介绍数字化变电站 网络对时。 3 分析标准i e d 建模的思想与方法，以变电站动力变保护装置为例进行i e d 建模。 4 以四川绵阳南塔1 1 0 k v 既有变电站数字化改造为例，给出数字化变电站配置原则 及设备清单。 论文对适合运用项目工程有一定的指导意义。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 、 佯 日期：, - 3 0 f o j - ? 口 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 i i 1 1 引言 第1 章绪论 计算机技术、网络通信技术的发展为现代电网提供了信息传输和处理的技术支撑， 电网运行的可靠性、安全性越来越依赖于变电站自动化系统等电网控制系统的可靠性 与安全性。 变电站自动化系统是基于计算机、网络通信技术和微电子技术的智能电子设备匝d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ) 与后台监控系统组成的变电站运行控制系统，包含了保 护、监控、电能质量监测与控制等多个子系统，各子系统又由多个智能电子设备组成， 这些不同厂家提供智能电子设备接口与功能各不相同，数据格式多样，设备间信息不 能共享，难以保证数据的一致性。为了解决这些问题，研究以实现互操作性为目标的 基于i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站自动化系统便有着十分重要的工程意义。 1 2 变电站自动化系统国内外发展与研究现状 当前的变电站自动化系统是将微机保护、监控等装置通过网络和通信技术集成为 一体的自动化系统，它取消了传统的控制屏、计量、仪表等常规设备，节省了大量二 次电缆和占地面积l l 训。 2 0 世纪8 0 年代，随着计算机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置 相继实现了微机化，这些装置功能不同，但其硬件结构相似，因而变电站二次回路功 能的集成化受到了人们的重视。这时的变电站自动化系统就是远动终端加一台当地监 控系统，不实现继电保护功能，保留传统控制屏，这是国内变电站自动化系统发展的 第一阶段。 2 0 世纪9 0 年代初，变电站自动化系统是在控制室内设置计算机作为变电站自动化 的心脏，另设置数据采集和控制系统采集数据和发出控制命令。微机保护除保护元件 外，每柜设管理单元，其串口与变电站自动化系统数据采集和控制部件相连，传送保 护装置的各种信息和参数，整定和显示保护定值，投停保护装置，这种集中式变电站 自动化系统是国内变电站自动化系统发展的第二阶段。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机、网络技术及通信技术的发展，分散式变电站自 动化系统纷纷投运。分散式系统按变电站控制和对象划分为变电站层和间隔层的两层。 其特点是现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备附近，现场 单元部件可以是保护和监控功能的二合一装置，各保护和监控部件保持独立。在变电 站控制室内设置计算机系统，采用常用的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 串行通信与现场单元通信， 随后推出的分散式系统更多采用如l o n w o r k s 或c a n 等的现场总线技术，变电站自动 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 化系统还将遥测遥信采集及处理、遥控命令执行和继电保护功能均由现场单元部件独 立完成，并将这些信息通过网络送至后台，变电站自动化的综合功能均由后台主机系 统完成，这是国内变电站自动化系统发展的第三阶段。 1 3 基于le 0 6 18 5 0 的变电站自动化系统概述 1 3 1ie c 6 18 5 0 标准概述 班c6 1 8 5 0 标准是国际电工委员制定的关于变电站自动化通信网络和系统的标准， 其目的是实现不同厂家产品的互操作性。该协议采用自顶向下的方式对变电站自动化 系统进行系统分层、功能定义和对象建模，并对一致性检测做了详细定义。i e c6 1 8 5 0 包括面向对象的标准、通信网络性能要求、接口和映射、系统和项目管理、一致性测 试等详细内容【2 吲，i e c 6 1 8 5 0 的系列文档如图1 1 所示为f 4 】。 概论( 标准系列介绍与概述) i p a r t1 术语( 术语解释) p a r t2 总体要求( 质量要求、环境要求和供电等) l p a r t 3 系统和项目管理( 工程要求和系统生命周期等) p a r t4 功能和设备的通信要求等 p a r t5 与变电站有关的i e d 的通信配置描述语言 p a r t6 变电站和馈线设备的基本通信结构 p a r t7 p a r t8 & p a r t 9 一致性测试 p a r t1 0 图1 1 i e c6 1 8 5 0 系列文档 与传统通信协议体系相比，i e c6 1 8 5 0 有如下突出技术特点【3 卅： ( 1 ) 面向对象分层与统一建模 i e c 6 18 5 0 标准采用面向对象的方法描述变电站及其设备信息，建立基于对象的变 电站设备数据模型，采用c l i e n t s e r v e r 模式建立通信模型，每个i e d 由服务器和应用 两部分构成，服务器包含了逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据属性。 ( 2 ) 数据自描述 m c6 1 8 5 0 6 定义了用于描述变电站i e d 、变电站系统及变电站网络拓扑的变电 站配置语言s c l 来建立变电站、变电站设备和通信系统对象模型。在应用层，也可描 述开关间隔拓扑及i e d 中描述变电站自动化功能的逻辑节点之间的关系。s c l 允许将 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 i i ifi i i e d 配置描述传给通信和应用系统管理工具，也可将整个系统的配置描述传给i e d 配 置工具。 与采用面向点的数据描述不同，i e c 6 1 8 5 0 标准采用面向对象自我描述的方法，在 数据源就对数据进行自我描述，传输到接收方的数据都带有自我说明，不需要再对数 据进行工程物理量对应、标度变换等工作，这样可以不受预先定义的限制进行信息的 传输，使现场验收工作简化，减少数据库维护工作量f 1 2 5 1 。 ( 3 ) a c s i 和s c s m 技术 i e c 6 1 8 5 0 归纳了变电站信息传输所必需的服务，定义了独立于网络和应用层协 议的a c s i ( a b s t r a e tc o m m u n i c a t i o i ls e r v i c ei n t e r f a c e ) ，使i e c 6 18 5 0 标准独立于具体通 信网络，实现通信开放。 i e c 618 5 0 引入特殊通信服务映射s c s m ( s p e c i a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e m a p p i n g ) ，将抽象通信服务接口定义的服务、对象和参数映射到应用层如制造报文规 范m m s ( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 、t c t i p 等特定通信协议上，实现应用的 普遍性。该映射模型可以使数据对象和a c s i 服务更加灵活，其改变不受o s i 七层模 型影响。针对不同网络类型只需更改s c s m ，而不需修改a c s i 。 1 3 2 基于le c 6 18 5 0 的变电站自动化系统现状与发展趋势 随着特高压和大容量电网的逐渐形成，对保障电网安全运行的变电站自动化系统 提出了更高的要求，这为基于i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站自动化系统研究和应用提 供了前所未有的机遇。 在变电站自动化领域，随着数字化、智能化电气设备的出现，特别是智能开关、 光电互感器等设备的出现，变电站自动化技术已经进入数字化阶段。在基于i e c 6 1 8 5 0 数字化变电站中，智能一次设备的信号输出和控制输入采用了数字技术，用软件编程 代替了变电站二次回路中的电磁继电器，用数字信号代替传统模拟信号，用光纤代替 传统电缆接线，对数字化信息统一建模，将物理设备虚拟化，采用标准化的网络通信 平台，实现了信息共享与互操作。 基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统在物理结构上可分为智能化的一次设备和网 络化的二次设备；在逻辑结构上可分为过程层、间隔层、站控层，数字化变电站自动 化系统的研究正在自下而上逐步进展。目前研究的主要内容集中在过程层方面和间隔 层智能电子设备，诸如智能开关、光电互感器、状态检测、基于i e c 6 1 8 5 0 标准的保护 测控i e d 等的研究开发。国外已有一定的成熟经验，国内的高校、科研所及有关厂家 都在进行这方面的研究开发，并且取得实质性进展。目前国内电力系统已经搭建起了 好几个数字化变电站平台，并进入试运行阶段，但是这些变电站都只是部分数字化， 远远不满足数字化变电站要求。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 1 4 论文研究的主要内容 本文主要工作是在分析传统变电站自动化系统功能、结构及设计原则基础上，提 出传统变电站自动化系统存在的问题，在对i e c 6 1 8 5 0 标准数字化变电站体系分析基础 上，以实际设备及工程进行建模和设计。 论文的研究内容包括： 1 分析传统变电站自动化的发展，介绍i e c 6 1 8 5 0 数字化变电站研究现状。 2 分析传统变电站自动化系统分类及设计原则，分析传统变电站自动化系统和基于 6 1 8 5 0 变电站自动化系统结构，并进行优缺点比较。 3 分析基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统通信模式及组网方案，介绍数字化变电站 网络对时。 4 分析标准i e d 建模的思想与方法，以变电站动力变保护装置为例进行i e d 建模。 5 以四川绵阳南塔1 1 0 k v 既有变电站数字化改造为例，提出数字化变电站配置原则 及设备清单。 1 5 总结 本章主要介绍了目前国内外变电站自动化系统的发展现状，介绍了i e c 6 1 8 5 0 标准 的整体内容和数字化变电站的发展现状，最后提出了本文所要完成的主要内容和工作 步骤。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 第2 章变电站自动化系统结构 2 1 变电站的分类及设计原则 2 1 1 变电站分类 目前，按照电压等级、在电网的地位、控制方式、运行模式等方法可以将变电站 分为以下几类【5 卅： 1 、按电压等级分类 1 )特高压变电站：7 5 0 k v 和1 0 0 0 k v 电压等级变电站。 2 )超高压变电站：。5 0 0 k v 和3 3 0 k v 电压等级变电站。 3 )高压变电站：2 2 0 k v 、1 1 0 k v 和3 5 k v 电压等级变电站。 4 )中低压变电站( 又称配电站) ：l o k v 及以下电压等级变电站。 2 、按在电网的地位分类 1 )枢纽站：网架结构和负荷水平在电网中都处于极其重要的位置。 2 )终端站：只有高压进线，位于电网线路的末端。 3 )中转站：有两路高压进线，位于线路中间。 3 、按控制方式分类 1 )集控站( 基地站) ：受调度中心控制，并对其周围子站负有调度操作任务。 2 )受控站( 子站) ：与终端站类似，但有可能处于环形网中，受集控站控制。 3 、按运行模式分类 1 )有人值班：变电站有运行人员实时监控变电站设备正常运行。 2 )无人值班：没有固定的运行值班人员，仅保留个别守卫人员，负责站内安全保 卫工作及事故异常情况的紧急处理。 3 )无人值守：真正意义上的无人站，在发达国家常见。 2 1 2 变电站自动化系统设计原则 变电站自动化系统作为电网调度子系统，其设计应服从电网调度自动化总体设计， 配置、功能及设备布置应满足电网安全、可靠、经济运行和信息分层、资源共享原则。 目前，国内外变电站自动化系统的设计一般遵循以下原则 m l l 】： 1 变电站自动化系统体系结构由传统单一集中模式向相对分散、分层分布分散式体系 结构转变，由传统面向单个测量、控制对象向面向电网元件( 如进线、出线、变压 器、母线、电容器等) 转变，由单独考虑各功能向综合考虑系统功能转变。 2 系统采用的总线结构由专用、低速向通用、标准、高速转变，将原来的位总线、 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 illlilii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l o n w o r k s 、c a n 等现场总线转变为高速以太网。 3 保护监控及信息共享从逻辑上和物理上进行结合。 4 系统逐步走向不配备专门“五防”系统，而是结合综合防误操作功能，利用保护 测控设备的逻辑判断灵活实现网络级的防误闭锁。 5 系统设计遵循i e c 6 1 8 5 0 等开放式国际标准，设计尽可能简单可靠，扩展性强，满 足未来变电站规模与功能扩充需要。 6 系统由标准化软硬件构成，配备标准串口及就地i o 口，使得系统兼容性好。 2 2 常规变电站自动化系统结构分析 2 2 1 集中式变电站自动化系统结构 集中式变电站自动化系统结构在变电站控制室设置监控主机，并单独设置数据采 集及控制模块采集数据并发出控制命令。这种结构的自动化系统易受计算机硬件水平 限制，在早期自动化系统和老旧变电站改造中得到较多的应用。如图2 1 所示，为一 个集中式变电站自动化系统典型框图【1 】： 保护 部件 图2 1 集中式变电站自动化系统典型框图 集中式变电站自动化系统的主要优点1 1 2 ： 1 ) 实时采集变电站模拟量、开关量，完成变电站数据采集和实时监控； 2 ) 结构紧凑、体积小，占地面积少，造价低； 集中式变电站自动化系统存在的问题： 1 ) 监控主机任务重、引线多，形成了信息“瓶颈”，系统对监控主机性能要求高，在 监控主机故障时，将失去当地及远方所有信息及功能； 2 ) 软件复杂，组态不灵活，对不同主接线或规模不同的变电站软、硬件都必须另行设 计，工作量大，调试复杂； 3 ) 集中式保护不直观，调试和维护不方便，只适合保护算法较简单的情况； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 ii_i?i- h iii i i i i i i 2 2 2 分层分布式变电站自动化系统 分散分布式变电站自动化系统面向电气一次回路设计，应用计算机及网络技术， 按照变电站二次设备分布、变电站控制层次和对象，在逻辑上分为变电站层、网络层、 间隔层，也有将变电站自动化系统分为变电站层和间隔层二层，功能优化，结构合理， 如图2 2 所示为分层分布式变电站自动化系统结构副1 ，1 2 1 。 图2 2 分层分布系统结构图 1 、变电站层 变电站层主要进行当地监控和保护信息管理，大致包括站控系统、监视系统、工 程师站及与调度通信的r 1 哪。 1 ) 站控系统s c s ( s u b s t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ) ：具有快速信息响应能力及相应的信息 分析处理能力，完成站内运行管理及控制，例如事件记录、断路器隔离开关控制 及s c a d a 数据采集功能。 2 ) 监视系统m s ( m o n i t o r i n gs y s t e m ) ：对站内运行设备进行监测，为站控系统提供 运行状态及异常信息，提供全面运行信息。 3 ) 工程师站e s ( e n g i n e e rs t a t i o n ) ：对站内设备运行状态检查、参数整定、调试校验 等功能进行就地及远端维护。可根据功能及信息特征在一台站控计算机上实现，也 可以两台互为备用，实现数据共享和多任务实时处理。 2 、间隔层 间隔层主要是保护、测量和控制设备层，对相关一次设备进行保护、测量和控制， 响应变电站层、远方主站操作要求，对采集的信息处理并上送，并在变电站层、远方 主站控制失效时仍能完成保护、测量和控制功能。 间隔层按站内一次设备( 变压器或线路等) 面向对象分布式配置，本着功能尽量 下放的原则，在本间隔可以就地完成的功能决不依赖通信网或主站。间隔层一般将数 站控层一 问隔层一 过程层 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 |i iiiiiei i ii i ii i i i i - - i i i 据采集、保护和监控合为一个装置，装置间相互独立，每个回路对应一个装置，彼此 通过光纤或电缆相连，由监控主机网络对这些设备进行管理。 分层分布变电站自动化系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，相比集中 式系统具有以下优点： 1 ) 可靠性提高，在遵循数据信息共享、减少硬件重复配置的原则下，做到继电保护相 对独立和一定程度的冗余，任一部分设备故障只影响局部。站级系统或网络的故障， 只影响监控部分，保护、控制功能则能在间隔层继续运行，间隔层任一智能单元损 坏不会引起全站通信中断。 2 ) 系统的扩展性和开放性好，利于工程设计及应用。 3 ) 变电站内二次设各所需电缆大大减少，电磁干扰得到有效控制。 4 ) 大量节约投资，减少系统调试维护工作量。 2 2 3 常规变电站自动化系统存在的不足 目前国内采用较多的是传统分布式变电站自动化系统，这种系统采用传统电磁互 感器，二次部分采用间隔布置，装置间相互独立，装置间缺乏整体协调和功能优化， 信息不能共享，接线复杂，系统扩展难，主要有以下缺点f l j 。 一、采用传统电磁式互感器 目前变电站自动化系统的信息采集来源予电磁式电流电压互感器，变电站匹d 必 须经二次变换将电流电压互感器输出信号转化为适合微机处理的低电压信号，通过电 缆线将测量值传送到对应保护、测控和计量设备，不同设备则需要配置不同特性电流 互感器，增加了系统复杂性。 二、信息共享困难 变电站自动化系统所需信息主要包括：电网运行的电流、电压等信息；变电站运 行时设备投退、状况等状态信息；变电站设备异常信息；断路器、保护动作等电网故 障信息，这些信息采集都来自不同t a 或其他测量设备，然而保护、测控等系统信息应 用分属不同部门，变电站自动化系统、变电站与控制中心之间的通信以及控制中心不 同层次之间的信息缺乏统一建模规范，形成“信息孤岛 ，造成来自不同信息采集单 元的信息无法共享。 三、设备之间不具备互操作性 变电站二次设备缺乏统一的功能和接口规范，缺乏统一通信标准，不同厂家在规 约和标准的理解、实现上存在差异，因此不同厂家也d 设备之间缺乏互操作性，这是对 变电站自动化系统进行长期运行维护的一大障碍。 四、系统可扩展性差 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 i i i i i i i i i i f t t i i 由于设备间互操作性和信息模型等原因，现有变电站自动化系统在系统扩展或设 备更新时需要支付很大的额外成本。变电站增加间隔或更新保护、测控装置，由于通 信接口和协议差异往往需要增加规约转换器，现场调试或数据库更新验证困难，造成 系统扩展性差。 五、二次电缆影响系统可靠性 现有变电站自动化系统虽然实现了设备智能化，但是这些i e d 之间及i e d 与一次设 备和变电站自动化系统之间仍采用电缆连接。二次系统安全性取决于i e d 具有的抗电磁 干扰能力，而实际运行中由于各种原因，二次设备运行经常发生由于电缆遭受电磁干 扰或一次设备传输过电压引起的异常动作，在二次电缆较长情况下，电容耦合干扰也 会造成保护误动作，二次电缆实际构成了变电站安全运行的主要隐患。 2 3 基于ie 0 6 18 5 0 的数字化变电站系统结构 随着非常规互感器逐步在工程中代替传统电磁互感器运行，i e c 6 1 8 5 0 标准的颁布 及其对信息的统一建模，高速以太网技术构建的变电站数据采集及传输系统的应用、 智能化断路器技术的发展等，使得数字化变电站及数字化电网概念正被逐步提出 2 3 1 数字化变电站系统技术特征 数字化变电站是指变电站二次系统数字化，其主要技术特征体现在以下几点1 1 1 。 一、信息采集数字化 数字化变电站的一个重要标志就是采用非常规互感器即电子或光电式电压电流互 感器对电流、电压进行采集，并直接输出数字量，实现了一、二次系统的有效电气隔 离，为实现信息集成提供前提，同时实现与二次设备直接进行数字化接口。 二、系统分层分布化 i e c6 1 8 5 0 根据变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信 息分层概念，将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层，并定义了层与层之 间通信的接口。 三、系统结构紧凑化 在数字化变电站中，智能化一次设备一般都集成了保护、测控及其他自动装置的 i o 接口，如a d 变换、光电隔离、控制回路等，在低压变电站中，甚至将保护、测控 小型化、紧凑化，安装在开关柜上实现机电一体化设计使得隔离开关、接地刀闸数量 明显减少，站内其他元件及设备数量少、布置灵活紧凑、占地面积少，大量节约土建 成本，大大减少现场安装、调试的工作量。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第10 页 四、系统建模标准化 i e c 6 1 8 5 0 标准采用基于面向对象技术的统一建模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ) 。这种标准模型使得电力系统各种应用不再依赖信息的内容表示，公用种 语言，各种异构系统集成将简单有效。 五、信息交互网路化 数字化变电站系统信息的采集、处理、传输主要通过网络实现，站内设备之间通 信全部采用高速以太网实现信息共享，因此，信息流量控制和信息同步十分重要，提 高网络速度并制定合适通信协议将是实现数字化变电站的关键。 六、信息应用集成化 变电站自动化系统集成就是将间隔层保护、控制、故障录波、事件记录等的数据 处理功能集成在一个统一多功能数字装置内，间隔内、间隔间及间隔层同站级间的通 信用少量光纤总线实现，取消传统硬接线。 七、设备检修状态化 数字化变电站信息采集、二次设备状态、操作命令下达与执行，完全可通过光纤 实现信息有效检测，变电站可有效获取电网运行数据、各l e d 故障动作信息，监测控 制与信号回路状态和设备状态采集没有盲区，实现状态检修，提高系统可用率。 八、设备操作智能化 高压断路器发展的趋势是实现断路器智能化，在断路器内嵌入电压、电流变换器， 作为智能控制元件输入，系统的智能性由微机控制单元、智能型接口装置及控制软件 实现。保护和测控命令通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第”页 2 3 2 数字化变电站基本架构体系 过 图2 3 数字化变电站系统架构图 基于m c 6 18 5 0 标准数字化变电站用非常规互感器代替常规继电保护、测控装置i o 接口，以交换式以太网代替传统二次电缆回路，间隔层l e d 实现了信息集成，以功能 的软件冗余代替常规变电站装置冗余，最终使系统实现分层分布设计：智能化一次设 备使控制回路数字化，尽可能下放常规变电站间隔层控制功能，实现整个变电站的小 型化、紧凑化设计。 i e c6 1 8 5 0 根据变电站自动化系统要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信息 分层概念，从逻辑和物理概念上将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层， 并定义了层与层之间的通信接口，其基本架构如图2 3 所示 z j 3 】。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 变电 间隔层及 远方保护 过程层 图2 - 4i e c 6 18 5 0 标准变电站信息流接口模型 图2 4 是i e c 6 1 8 5 0 标准信息接口模型，各接口具体含义如下【1 3 】： 接口1 ：间隔层与变电站层保护数据交换； 接口2 ：间隔层与远方保护保护数据交换( 非i e c 6 1 8 5 0 范围) ； 接口3 ：间隔层内数据交换； 接口4 ：过程层与间隔层流互、压互瞬时数据交换； 接口5 ：过程层与间隔层控制数据交换； 接口6 ：间隔层与变电站层控制数据交换； 接口7 ：变电站层与远方工程师站数据交换； 接1 ：38 ：间隔层之间直接数据交换( 特别如连锁之类的快速功能) ； 接口9 ：变电站层内数据交换； 接口1 0 ：变电站层和远方控制中心控制数据交换( 非i e c 6 1 8 5 0 范围) ； 变电站层和间隔层间应用通信被抽象为a c s i 通过s c s m 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 p ) 以太网或光纤网。间隔层与过程层之间 的网络采用单点向多点的单向以太网通信。 对于数字化变电站三层的具体功能分析如下【l ，1 3 1 。 一、过程层 过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成开关量i o 、模拟量的采集和 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 控制命令的传送执行等与一次设备相关的功能，这些功能通过逻辑接口4 和5 与间隔 层通信。过程层所要完成的具体功能如下： ( 1 ) 变电站运行实时信息采集 过程层完成变电站运行电流、电压、相位及谐波分量的采集，间隔层设备通过计 算得出有功、无功。 信息采集采用光电电流电压互感器取代传统电磁式电流电压互 感器，输出数字量并通过光纤传输，抗干扰能力强，抗饱和特性好。 ( 2 ) 变电站运行设备状态参数在线监测 过程层需要进行变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系 统状态参数检测，内容包括温度、压力、绝缘、机械特性和相关工作状态等。 ( 3 ) 操作控制的执行与驱动 操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断 路器、刀闸的合分控制，直流电源充放电控制，在执行控制命令时具有智能性，能判 别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，能使断路器定相合 闸，选相分闸，在选定相角下实现断路器的关合和开断。 二、间隔层 间隔层由保护测控单元、数字化计量设备等组成，完成保护、控制和测量功能。 通过逻辑接口3 实现间隔层内通信，通过逻辑接口4 和5 与过程层远方f o 、智能传 感器和控制器通信。间隔层具体功能如下： 1 ) 收集本间隔过程层实时数据，实施对一次设备的保护和控制功能，并高速完成与过 程层及变电站层的通信，实现数据共享； 2 ) 实施操作控制功能，实施本间隔防误闭锁功能，对数据采集及控制命令发出具有优 先级选择； 三、变电站层 变电站层所要完成的功能如下： ( 1 ) 使用多个间隔或者全站数据，作用于多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制， 通过逻辑接口8 通信。 ( 2 ) 站控层的人机接口阳功能，与远方控制中心的远动接口t c i 功能，与监视和 维护远方工程管理的n 接口功能，通过逻辑接口1 和6 与间隔层通信，通过逻辑接 口7 和远方控制接口与外部通信。 2 3 。3le g 6 18 5 0 标准数字化变电站过程层技术分析 一、非常规互感器 传统电磁式互感器存在的问题： 1 ) 产品结构复杂，重量大，造价高。 2 ) 电磁式电流互感器存在电磁饱和，一次电流较大时会使二次输出发生畸变，影响保 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第14 页 护设备故障判断，造成保护误动或拒动。 3 ) 电磁式互感器输出模拟量，不能与数字化二次设备直接接1 2 1 。 非常规互感器是新一代有别于传统电磁式电压电流互感器的新型互感器。按照原 理可以将其分为有源和无源两大类，如图2 5 所示i l j 。 图2 5 非常规互感器原理分布图 l 、有源非常规互感器 有源非常规互感器又称为电子式电压电流互感器e c t e v t ( e l e c t r i c a l c u r r e n w o l t a g et r a n s f o r m e r ) ，这种互感器需要向传感头提供电源，利用电磁感应原理 感应电压、电流信号，主要由罗科夫斯基线圈和电容、电阻分压原理实现。 基于r o g o w s k i 线圈的e c t 是将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成 空心电感线圈，待测电流从线圈中心流过，在线圈中产生感应电势。由于没有铁芯， 线圈输出低电压模拟信号，可直接与微机系统接口。e c t 必须同时满足测量、保护要 求，一般采用两个r o g o w s k i 线圈分别用于测量和保护通道。基于电容、电阻分压e v t 原理与传统的电容式电压互感器相同，这里不做介绍。 电子式互感器传感头位于高压侧，如果将其输出信号直接送往低压侧处理，将会 受到电磁干扰的严重影响，因此增加了高压侧数据采集系统，如图2 - 6 所示。 r o g o w s k i 线圈信号 矿 卜、 间 信号逻辑 电 光 合 隔 采样控制 刀 卜、 光 电 刀卜、 并 卜 层 ny转 转 盥v 调整电路一 设 换 1 换兀 备 电容分压 入 输出信号 矿 图2 - 6 电子互感器高压侧数据采集系统 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第15 页 j i l i t li t i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 该系统由逻辑控制单元和信号采样调整单元构成。逻辑控制单元接收合并单元同 步采样控制信号，通过信号采样和调整单元，对传感头输出的模拟信号进行高速同步 采样，并将采样值按照一定的标准进行组帧编码，通过电光转换实现光纤传输，使得 高压侧与低压侧实现光电隔离，减小电磁干扰，保证数据传输可靠性。 2 、无源非常规互感器 无源非常规互感器又称光电式电压电流互感器o v t o c t ( o p t i c a lc u r r e n w o l t a g e t r a n s f o r r n e r ) ，其不需向传感头供电，主要采用光学测量原理。 光电电流互感器利用法拉第磁光效应和塞格奈克效应感应被测信号，法拉第效应 原理是线性偏振光通过光玻璃等磁场中的介质，偏振方向发生旋转，只要测量出法拉 第旋转角，就可求出磁场强度，得出磁场电流大小。光电电压互感器利用普克尔效应 和逆压电效应感应被测信号，常用普克尔效应。 在实际工程应用中，电子式互感器比较适合于小绝缘距离的高电压系统，由电容 分压和罗氏线圈构成的系统比较适合于全封闭气体绝缘装置( g i s ) ，光电互感器则比 较适合于超高压系统。这两种互感器都大大减少了占地面积，减少了传统的二次电缆 连线，必将在工程中得到广泛应用。 二、合并单元 4 , 1 4 1 要推动基于i e c 6 1 8 5 0 标准数字化变电站建设，其基础是非常规互感器，而解决非 常规互感器与间隔层保护、测控设各的数字接口是关键。鉴于此，i e c6 1 8 5 0 标准详细 定义了合并单元 m ) ，并严格规范了它与保护、测控设备的接口方式。 根据i e c 6 1 8 5 0 标准定义，合并单元作为非常规互感器的数字接口，其主要功能是 产生同步采样信号传送到1 2 路电子互感器，接收1 2 路电子互感器的采样数据帧，汇 总合并为一路符合i e c 6 1 8 5 0 9 1 2 标准的带g p s 时标的以太网帧，通过以太网传送到 二次保护、测控设备。如图2 7 7 所示为合并单元的一个功能模型。 发送1 2 路 同步采样 信号给电 子互感器 接收 1 2 路 采样 数据 图2 7 合并单元功能模型 网传输 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第16 页 l 、同步模块 m u 接入的多路非常规互感器信号必须进行同步采样，以满足二次保护的需求。 一般采样同步的方法有两种：依靠g p s 秒脉冲信号进行同步和采用角度调整的线性插 值法。在实际的工程应用中，可以将两种方法结合起来用。合并单元依靠g p s 秒脉冲 信号同步，而在二次保护测控设备中实现角度调整的线性插值算法。 目前合并单元同步主要采用g p s 秒脉冲信号法。在接收到外部的g p s 秒脉冲信号 后，首先应该判断该秒脉冲的有效性，如果有效，则对其进行倍频处理，产生符合电 子互感器采样频率的脉冲信号，并转换成1 6 位数字序列0 5 6 4 h