（电气工程专业论文）df3300e变电站综合自动化网络通信系统的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m ya n dg r o w i n gd e m a n df o r p o w e re n e r g y , c h i n a sp o w e rg r i dh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a s m a d ep r o g r e s ss i g n i f i c a n t l y , w h i c hm a k e st h ei n t e m a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ft h e s u b s t a t i o nh i g h l yd e m a n d e d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns u b s t a t i o na n dt h ep r o m o t i o nt h e r e o fi s o f s i g n i f i c a n tv a l u e o nt h e b a s i so ft h ei n - d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c hi nt e r m so ft h ec o n c e p t i o n ， e v o l v e m e n t ，b a s i cf u n c t i o n , d e s i g np h i l o s o p h y , s t r u c t u r a ls t y l e ，c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k , e t c ，t h i st h e s i sm a k e sa i la n a l y s i sa n ds t u d yo fs e v e r a lc o m m u n i c a t i o n m o d e ss u c ha sa s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，f d k b u s ( u s e r - d e f i n e dh i 曲一s p e e d o n - s i t ec o n t r o lb u s ) ，c a n b u s ( o n s i t ec o n t r o ll o c a la r e an e t w o r k ) ，e t h e m e t ，e t c w h i c h a r ew i d e l ya p p l i e di nd f 3 3 0 0 es 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 ns y s t e m t h i st h e s i sf o c u s e so nt h e a n a l y s i sa n dr e s e a r c h o ft w ok i n d so fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d e so fd f 330 0 ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns u b s t a t i o n , i e f d k b u s a n de t h e m e t ，w h e r e i n ，f d kb u si sw i d e l yu s e di i ld f 3 3 0 0 ei n t e g r a t e da u t o m a t i o n s u b s t a t i o nd u et oi t se a s yn e t w o r kd e p l o y m e n t ，s t r o n gr e a lt i m e ，h i g hr e l i a b i l i t y , a n d p e r f e c ti n t e r f e r e n c ef r e ep e r f o r m a n c e ，e t c ；h o w e v e r , 谢md e v e l o p m e n to fe t h e m e t t e c h n o l o g y , t h ee t h e m e tt e c h n o l o g y , d u et oi t s 诚d ea p p l i c a t i o n ，l o w e rp r i c e ，h i g h e r c o m m u n i c a t i o ns p e e d ，a b u n d a n th a r d w a r er e s o u r c e s ，h i g h e ri n t e r f e r e n c ef r e e p e r f o r m a n c e ，e t c h a s b e c o m et h e p r e f e r r e d s c h e m eo fd f 3 3 0 0 es y s t e m c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a n dt h e a p p l i c a t i o no ft h ee t h e r n e ti 1 1t h e s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n do fan e wg e n e r a t i o no fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m a sr e g a r d st h er e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fd f 3 3 0 0 ei n t e g r a t e ds u b s t a t i o n a u t o m a t i o n ，o v e ry e a r so fr e s e a r c hp r o j e c t sh a sm a d eal a r g en u m b e ro fn e wr e s u l t s a n dn e wt e c h n o l o g i e sa n dg o tr i c he x p e r i e n c ei no p e r a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fag r e a t d e a lo fn e wt e c h n o l o g y , n e wr e s u l t sa n do p e r a t i o n a le x p e r i e n c ei nt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt r a n s f o r m a t i o no fi n t e g r a t e ds u b s t a t i o na u t o m a t i o nh a sc o n t r i b u t e dt ot h e s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to fo v e r a l lf u n c t i o na n da u t o m a t i s t ，e n h a n c e dt h eo p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t y a n dr e a lt i m eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fi n t e g r a t e ds u b s t a t i o n i i 山东大学硕士学位论文 a u t o m a t i o ns u b s t a n t i a l l y , a n di n t e n s i f i e du s e r s r e c o g n i t i o nf o rt h ed f 3 3 0 0 es y s t e m n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m h e n c e ，d f 3 3 0 0 ei n t e g r a 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 mh a sb e e nr a p i d l yp o p u l a r i z e di nt h eu r b a na n dr u r a ln e t w o r kt r a n s f o r m a t i o n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ；i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ；n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ； r e a l t i m e e t h e m e t i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 竭篡 日 期：2 ：2 ：! ：! 三 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编 本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 乳导师签名：趁日期：半 山东大学硕士学位论文 i i 引言 第一章绪论 随着计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的发展，变电站综合自动化 系统正向着分散式、分布式、网络化的方向发展。网络技术已成为变电站综合自 动化发展的关键技术，它把分散的各种智能设备组成一体化的网络系统，进而构 成功能完备、高可靠、高效率的综合自动化系统。 变电站综合自动化通信网络从早期的r s 4 8 5 r s 4 2 2 和c c i t t v 2 4 方式的标准 的异步串行通信，发展到现在大多数系统正在使用的各种现场总线( f i l e d b u s ) ， 如国内常见的东方电子采用的f d k b u s 。现场总线网络与早期的异步串行网络相 比具有抗干扰性强、效率高等优点，现场总线网络的出现极大的推动了我国变电 站自动化的发展。但现场总线网络也存在着自身无法克服的弊端，其带宽相对较 低，无法适应日益增长的自动化系统对网络的需求；其次由于不同厂家采用的现 场总线不同，互操作性差。由于因特网的飞速发展，以太网络通信技术得到了愈 来愈广泛的应用。嵌入式以太网因为速度快，带宽较宽( 一般为i o m 或1 0 0 m 还 有更高速的1 0 0 0 m ) ，互操作性好，可扩展性强，价格便宜等特点得到了广泛的 应用，变电站综合自动化系统选用以太网络技术代表了变电站自动化网络技术发 展的最新方向。 本文在对变电站综合自动化的概念、发展历程进行简单介绍的基础上，重点 研究了d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化系统的基本功能、结构形式和网络通信技术以 及基于以太网的d f 3 3 0 0 e 变电站自动化系统的关键技术问题，以更好地发挥通信 网络的传输能力，提高变电站综合自动化的性能。研究结果对于d f 3 3 0 0 e 变电站 综合自动化系统网络通信的设计具有参考意义。 1 2 课题研究现状 1 2 1 变电站自动化概念 变电站自动化是指将变电站的二次设备( 包括控制、保护、信号、测量、自 动装置、远动工作站等) 应用自动控制技术、微机及网络通信技术，经过功能的 重新组合和优化设计，组成计算机的软硬件设备对变电站执行自动化、保护、测 量、运行操作管理、信息远传及其协调的一种自动化系统。它具备统一规划、整 山东大学硕士学位论文 体管理、功能综合化( 其综合程度可以因不同的技术而异) ，结构微机化，操作 监视屏幕化，运行管理智能化等特征。详细内容参见文献 3 1 2 2 变电站自动化技术的发展历程 1 传统的变电站运行方式 2 0 世纪8 0 年代早期，变电站的保护设备还是以晶体管、集成电路为主。变 电站二次设备均按传统方式布置：控制屏实现站内监控，保护屏实现电力设备保 护，远动设备实现实时数据采集。它们各司其职、互不相联。 2 r t u 方式 2 0 世纪8 0 年代中、后期，随着微处理器和通信技术的发展，利用微型机构 成的远动装置( 简称r t u ) 的功能和性能有很大提高，该方式在原常规有人值班 变电站的基础上在r t u 中增加了遥控、遥调功能，站内仍保留传统的控制屏、指 示仪表、光字牌等设备。所有信号由r t u 集中采集，遥控、遥调指令通过r t u 装 置硬接点输出，由控制电缆引入控制回路，与数字保护不能交换信息，保护动作 信号仍需通过继电器接点采集。采用这种方式使二次设备增加，二次回路更复杂， 它适用于已建变电站的自动化改造。详细内容参见文献 1 3 变电站自动化方式 随着电力系统对变电站保护、监测、控制、远动、信息管理以及无人值守等 方面的要求的不断提高，计算机技术的迅猛发展及其应用技术的不断进步，变电 站自动化系统经历了由简单到复杂再到简单，功能由单一到完备，系统结构由低 级到高级，技术水平不断先进的发展历程。可分为以下4 个发展阶段。 ( 1 ) 全集中式监控系统 这是一种将变电站的全部信息输入到一套计算机系统中并由计算机系统进 行集中采集、集中处理和集中监控的系统。其结构简单，系统内部无通信，成本 低。但是系统冗余，局部损坏可能导致全系统瘫痪，可靠性极低，过于集中是此 型系统的致命缺点。 ( 2 ) 按功能分布集中式系统 该型系统国外8 0 年代中期开始出现，国内出现于8 0 年代末。当时计算机技 术已经发展到以i b mp c 机以及8 0 5 1 、8 0 9 8 单片机为主导的阶段，出现了大量的 基于这类计算机的站内微机化功能装置，如微机保护、微机录波、微机当地监控、 微机r t u 、微机电表计费、微机小电流接地选线等。因而将这些微机化功能“组 合拼装 ，即产生了所谓的按功能分布式变电站自动化系统，各功能装置用串行 通信( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ) 联结，前置机集中管理通信，后分机实现高级数据处理， 远动和监控。详细内容参见文献 2 2 山东大学硕士学位论文 与第一代相比，按功能进行分布，由串行通信集中，已部分地克服了过于集 中的缺点，提高了可靠性，但增加了复杂性，同时仍存在下列不足： 一次设备与功能装置之间，各功能装置之间的联结线相当复杂，二次电缆数 量多，系统安装调试以及运行维护困难，屏柜数量多，占地面积大。 各功能装置可能由不同厂家生产，因而结构、操作方法、维护方法不尽相同， 给调试、运行和维护增加了很多不必要的麻烦。 一台功能装置兼管全站的该项功能，一旦该装置出故障，可能会导致全站丧 失此功能，因而这种分布方式仍属于功能集中型。 通信由前置机集中统一管理，因而对前置机的可靠性及容量提出很高要求。 一旦前置机故障可能会影响全站运行。因此前置机不仅要采用工控机之类的高可 靠性微机而且在大型变电站中往往还采用双机冗余技术，增加了系统的复杂性和 开发费用。另外，在系统出现故障或特殊情况时，站内信息流量可能会有爆炸性 增长，如果前置机容量不够，可能导致通信拥塞或丢失，发生所谓的“瓶颈现象 。 ( 3 ) 间隔分布集中式系统 系统各个间隔的装置结构基本一致，硬件相似，功能接近，操作方法相似， 具有一定的互换性，间隔与装置之间的接线一对一设计，电缆数量少，结构简单， 占地面积小。因而与按功能分布相比，不仅故障的影响面有所减少，可靠性有所 提高，而且设计、安装、调试、操作、维护更方便。 系统的通信仍采用常规串行通信方式及前置通信管理机的结构模式，通信 “瓶颈现象”依然存在，应用在大型变电站时表现尤其突出。另外，系统级的许 多特殊功能，如小电流选线、电压无功控( v q c ) 及母差保护等功能实现起来比 较困难。 ( 4 ) 基于工控网络的分层分布系统 这是9 0 年代初国际国内出现的一种系统，是目前国际国内变电站自动化系 统的最新水平，也是未来的发展方向。它针对第三代系统存在的不足作了以下改 进： 数据通信系统采用工控网络。各间隔的测控保护设备及远动、监控等由工控 网络相联接，取消了前置机，这类工控网络一般为l o n w o r k 网或c a n 网。采用总 线网络结构，双绞线或光纤介质。 打破保护装置相对独立于系统的传统观念，采用先进的微电子技术将测控、 录波等功能融进保护装置，形成统一的综合测控保护单元。由各单元完成各自间 隔内的全部功能，简化了间隔层设备的结构。缩小了体积，提高了该部分的可靠 性。 系统分为间隔层和变电站层，间隔层装置负责对一次间隔设备进行保护、测 山东大学硕士学位论文 量、控制等工作，将采集的数据送入网络，变电站层从网络中获取数据，进行数 据处理，实现运行监控、操作、远动通信等高级功能。变电站层不直接面对现场 设备，保证系统具有很高的可靠性。另外，变电站层中的专设数据处理环节实现 了系统级的特殊功能，如小电流选线，电压无功控制等慢速控制功能。 因此，与前几代系统相比，它具有下面两个显著的特点： 由于采用了工控机数据通信网络，间隔层采集的数据由通信网络实现全站共 享，技术先进，通信速率高，网络安全性好，可靠性高。由工控网络取代常规的 串行通信是变电站自动化系统通信结构的质的进步。 总线式网络所联结的各设备( 节点) 地位完全平等，任一节点可以与其他节 点进行通信，通信方式灵活，不存在通信“瓶颈现象”，而且总线网络的节点数 目理论上没有上限，因而系统扩充容易，通用性好，移植方便。但是，目前此型 系统在实际应用特别是在大型厂站的引用中，还存在一些在将来完全可以克服的 不足。例如，目前广泛采用的l o n w o r k 及c a n 网络属于总线式网络，这种工控网 络与商用网络相比，通信速率明显偏低，数据流量偏小限制了系统在更高级数据 处理功能方面的实现。它的综合测控单元通常是由保护装置扩充测控功能发展而 来，结构偏重于保护装置，集成度不够高，稳定和调试都比较复杂。 1 3 变电站综合自动化技术的研究现状 随着科技水平的发展以及通信技术的发展，目前基于以太网络技术的综合自 动化变电站是最近及将来一段时间变电站综合自动化发展的主流，也是目前最先 进网络通信方式且发展熟的变电站。 1 4 本文的主要工作 本论文主要在对变电站综合自动化的概念、发展历程进行简单介绍的基础 上，研究分析d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化通信网络系统，其中以太网通信技术在 d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化系统中的广泛应用是本文研究的重点，也是国内当前 变电站综合自动化系统广泛采用并发展比较成熟的一种通信方式，同时对于变电 站综合自动化未来发展也进行了展望。 本论文主要研究以下内容： 第一章绪论主要对变电站发展的概念、发展历程、现状及本论文主要工作进 行了描述； 第二章主要对变电站综合自动化变电站基本功能、结构形式及通信模式进行 4 山东大学硕士学位论文 了深入的研究； 第三章主要对d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化系统通信网络技术进行了描述； 第四章主要研究了d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化系统的以太网通信关键技术， 并对以太网技术在d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化系统中的典型应用进行分析。 第五章主要变电站改造中遇到的关键问题进行了分析并提出了解决方案； 第六章主要对d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化技术的发展进行了展望，提出了一 些可能的发展方向； 山东大学硕士学位论文 第二章变电站综合自动化基本功能、结构形式及通信模式 2 1 变电站综合自动化基本功能 变电站综合自动化的基本功能主要包括下面几个方面： 1 保护 保护包括线路保护、变压器保护、馈出线保护、母线保护、电容器保护、备 用电源自动投入装置以及接地选线装置等，变压器及高压线路则包括主保护和后 备保护。作为变电站自动化重要环节的微机保护应具有以下功能： ( 1 ) 故障记录报告( 分辨率2 m s ) ，且掉电保持； ( 2 ) 时钟校时( 中断或广播方式或其他方式) ； ( 3 ) 实时显示保护状态( 功能投入情况及输入量值等) ； ( 4 ) 与监控系统通信，主动上传故障信息、动作信息、动作值及自诊断信 息，接受监控系统命令上传整定值及历史事件，与监控系统通信应采用标准规约。 2 监测 变电站监测包括状态量、模拟量、脉冲量等的监测。 ( 1 ) 状态量有：断路器状态、隔离开关状态、变电站一次设备状态及报警 信号、变压器分接头位置信号等。 ( 2 ) 变电站监测的典型模拟量有：各段母线电压、线路电压、电流和功率 值、馈线电流、电压及功率值、频率等。此外还有变压器油温、变电站室温、直 流电源电压、所用电电压和功率等。 ( 3 ) 脉冲量是指电能表输出的电能量。 3 事件记录及故障录波测距 事件记录包括保护动作序列记录和开关跳合记录。分辨率可根据不同电压等 级的要求确定，一般在1 - 5 m s 之间。微机保护或监控采集环节必须有足够的内存， 能存放多个事件顺序记录，确保当后台监控系统或远方监控站通信中断时不丢失 事件信息。 对高压变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现：一是配置专用微机故 障录波器，并能与监控系统通信：另一种则由微机保护装置兼作记录及测距计算， 再将数字化的波形及测距结果送监控系统，由监控系统存储及打印波形。 对低压变电站可给出故障报告，包括故障类型、动作类型及开关遮断电流大 小。 4 控制与操作闭锁 7 l i j 东大学硕士学位论文 操作人员可通过c r t 屏幕对断路器、隔离开关的开合进行操作，可以对变压 器分接头进行调节控制，可对电容器组进行投切。为防止计算机系统故障时无法 操作被控设备，在设计上应保留人工直接跳合闸手段。操作闭锁应包括以下内容： ( 1 ) 操作出口应具有跳、合闭锁功能。 ( 2 ) 操作出口应具有并发性操作闭锁功能。 ( 3 ) 根据实时信息，实现断路器、刀闸操作闭锁功能。 ( 4 ) c r t 屏幕操作闭锁功能。只有输入正确的操作口令和监护口令才有权 进行操作控制。 5 同期检测和同期合闸 同步检测断路器两侧电压的幅值、相位和滑差，并发出同期合闸启动或停止 信号。分为手动和自动两种方式实现，一般应具有两种方式供选择，同期装置可 以是独立的设备。 6 电压和无功潮流就地控制 为了将电压和无功潮流调整到预定值，通常通过调整变压器组的分接头以及 投切电容器组、电抗器组及调整同步调相器实现。 运行方式可手动可自动；人工操作可就地可远方。 7 远方整定保护定值 除当地外还可远方实现查询和整定保护定值。此功能应具有远方、当地闭锁， 操作权限闭锁措施。 8 数据处理与记录 历史数据的形成与存储是数据处理的主要内容，它包括上级调度中心、变电 管理和保护专业要求的数据，这些数据主要有： ( 1 ) 断路器动作次数。 ( 2 ) 断路器切除故障时故障电流和跳闸操作次数的累计数。 ( 3 ) 输电线路的有功、无功，变压器的有功、无功，母线电压定时记录的 最大值、最小值及其时间。 ( 4 ) 独立负荷有功、无功每天的峰值和最小值，并标以时间。 ( 5 ) 指定测点上的趋势、平均值、积分值和其他计算值。 ( 6 ) 控制操作及修改整定值的记录。 9 与远方调度中心通信 本功能即常规的远动功能或扩充的远动功能，在实现遥测、遥信、遥控、遥 调的基础上还增加了远方修改整定保护定值、故障录波与测距信号的远传等。 通信规约应适应调度中心的要求，符合国家标准和i e c 标准。 变电站自动化应具有统一时钟的功能。 8 山东大学硕士学位论文 1 0 人机联系功能 当变电站有人值班时，人机联系功能在当地监控系统的后台机( 或称主机) 上进行，当变电站无人值班时，人机联系功能在远方的调度中心或操作控制中心 的主机或工作站上进行，不管哪种方式，操作维护人员面对的都是c r t 屏幕，操 作的工具一般是键盘或鼠标器。 人机联系的主要内容是： 显示画面与数据、时间、日期；单线图的状态，潮流信息；报警画面与提示 信息；事件顺序记录；事故记录；趋势记录；装置工况状态显示；保护整定值； 控制系统的配置显示，包括退出运行的装置的显示以及信号流程图表；值班记录； 控制系统的设定值显示等。 输入数据和运行人员代码及密码；运行人员密码更改；保护定值的改设；控 制范围及设定的变化；报警界限；告警设置与退出；手动、自动设置；趋势控制 脑 i 手。 控制操作断路器及隔离开关的操作排序；分接头位置控制；控制闭锁与允许； 保护装置的投入或退出；设备运行、检修的设置；当地、远方控制的选择；信号 复归等。 无人值班站应保留一定的人机联系功能，以保证变电站现场检修或巡视的要 求，能显示站内各种数据和状态量；操作出口回路具有人工当地紧急控制设施； 变压器分接头应备有当地人工调节手段。 1 1 自诊断功能 系统内应具有自诊断功能，自诊断信息也像采集的数据一样周期性地送往后 台机和远方调度中心或操作控制中心。详细内容参见文献 6 2 2 变电站自动化系统结构形式 1 集中式 该结构的变电站自动化系统采用不同档次的计算机扩展其外围接口电路，集 中采集变电站的模拟量、开关量和数字信息，再进行集中计算与处理，分别完成 微机控制、保护和一些自动控制等功能。这种系统结构紧凑、体积小、占地面积 小、造价低，适用于3 5 k v 或规模较小的变电站，但运行可靠性较差，组态不灵 活。详细内容参见文献 1 3 2 分散与集中相结合式 该结构的变电站自动化系统是指将线路的保护和测控单元分散安装在开关 柜内，而将高压线路和变压器保护测控装置等采用集中组屏的系统结构，其特点 9 山东大学硕十学位论文 i l l 如下： ( 1 ) 3 5 k v 馈线保护采用分散式结构，就地安装，可节约控制电缆。 ( 2 ) 高压线路和变压器保护采用集中组屏结构，保护安装在控制室或保护 室中，使这些重要的保护装置处于较好的环境中，对可靠性有利。 ( 3 ) 其他自动化装置，备用电源自投装置和电压、无功综合控制装置采用 集中组屏结构，安装于控制室或保护室中。 3 全分散式 该结构是以一次主设备如开关、变压器、母线为安装单位，将控制、i o 、 闭锁、保护等单元分散，就地安装在一次主设备屏柜上。其特点如下： ( 1 ) 简化变电站二次装置，大大缩小了控制室面积。 ( 2 ) 减小施工和设备安装工程量。由于安装在开关柜的保护和测控单元在 开关柜出厂前已由厂家安装、调试完毕，再则加上敷设电缆的数量大大减少，因 而现场施工、安装和调试的工期随之缩短。 ( 3 ) 简化变电站二次设备之间的主连接，节省了大量连接电缆。 ( 4 ) 全分散结构可靠性较高、组态灵活、检修方便，且抗干扰能力强、可 靠性高。 三种形式的变电站自动化系统结构各有特点，可根据变电站的实际情况选 择。 2 3 变电站自动化系统的通信 变电站自动化系统要求站内设备的信息可充分共享，并通过远动通信接口实 现与外部系统的信息共享。构建一个快速、稳定、可靠和富有弹性的通信网络是 变电站自动化系统的基本要求，也是整个电力系统运行管理自动化的根本前提。 1 变电站内通信网络 国际大电网会议( c i g r e ) w g 3 4 0 3 工作组根据变电站自动化领域发展状况和 信息技术的发展趋势，在“变电站内数据流通信要求 的报告中将变电站自动化 系统完成的功能分为7 组： ( 1 ) 远动功能；( 2 ) 自动控制功能；( 3 ) 测量表计功能；( 4 ) 继电保护功 能；( 5 ) 与继电保护有关的功能；( 6 ) 接口功能；( 7 ) 系统功能。 各组功能对通信均有不同要求，其中( 1 ) ，( 4 ) ，( 6 ) ，( 7 ) 要求具有较高的 实时性；( 2 ，( 3 ) ，( 5 ) 需较高的数据吞吐能力等，对变电站通信网络的设计也 提出了很高要求。详细内容参见文献 1 1 1 2 2 变电站自动化发展过程中出现的通信方案 1 0 山东大学硕士学位论文 在变电站自动化发展过程中，先后出现过几类通信方案。最初用r s 4 8 5 总线 将保护设备连在一起采用主从方式通信，这种方式较简单，实际上是串行点对点 通信，技术上缺陷很多，后来各种现场总线技术被引入国内，由于其具有简单易 用、组网方便、抗干扰能力强等特点，很快被电力自动化设备业界采用来构成变 电站内的通信网。现场总线种类较多，用得较多的是l o n w o r k s 和c a n 。用现场 总线来做通信网从工程实践来看是较成功的，但是随着变电站自动化技术的不断 发展，引发了很多新的技术问题，其中主要的一个问题是：使用新的、高性能的 通信网络以满足不断增长的技术要求。详细内容参见文献 9 首先，随着变电站从以前的3 5 k v ，1 l o k v 等中低压变电站向2 2 0 k v 甚至5 0 0 k v 高压超高压大型变电站发展，系统的通信量大为增加，这是因为，一方面，变电 站自动化系统要监视和控制的对象数目剧增。另一方面，高压、超高压变电站自 动化系统会使用比中、低压系统更多的数字式继电保护等智能化电子设备( i e d ) ， 这些设备需要通过内部通信网络传输大量的遥测、故障录波等信息，特别是在发 生故障时需要传输的信息量会更大。因此高压、超高压变电站自动化系统对内部 通信网提出了更新、更高的技术要求，目前在变电站自动化系统中广泛使用的现 场总线通信网络由于速度和带宽上的限制，满足不了这些要求，必须使用新的通 信技术，研制出高性能的通信网络来满足高压、超高压变电站自动化系统发展的 需要。 其次，目前工业测控领域所使用的现场总线技术，都是自成体系，互不开放 的。国际上对现场总线技术也长期争议不休，i e c 6 1 1 5 8 现场总线标准包括了8 种不同的类型现场总线，它们采用不同的通信协议，要使它们互相兼容和互可操 作几乎是不可能的。 因此，现场总线这类专用实时通信网络在速度、带宽、兼容性以及互操作性 等方面的缺陷制约了它的发展。随着计算机技术和通信技术的发展，系统网络化 和体系开放性成为工控技术发展的趋势，以太网技术顺应这种趋势，正被引入变 电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基 于网络控制的分布式变电站自动化系统。详细内容参见文献 1 5 3 变电站内使用以太网的优势 ( 1 ) 以太网的通信带宽 以太网的带宽高达l o m p b s 以上，1 0 0 m 以太网也广泛使用，即使用于超大规 模变电站也游刃有余。以太网一个冲突域可支持1 0 2 4 个节点，当节点小于1 0 0 时，i o m 的以太网即使负载达到5 0 ，响应时间也小于0 0 1 s 。由于用交换式集 线器能把一个以太网分成数个冲突域，可以把节点数大于1 0 0 的变电站分成若干 个节点小于1 0 0 的子网来保证响应速率。变电站自动化系统的通信节点一般不会 山东大学硕士学位论文 i i_ 大于2 0 0 个，数据流量的峰值最高能达到l o o k b s ，以太网完全能满足实时性要 求。 ( 2 ) 以太网通信媒介多样 以太网可使用同轴电缆、双绞线、光纤等通信介质，甚至在一个网络中可混 合使用，也可根据需要灵活选用。 ( 3 ) 以太网的拓扑结构灵活 网络的拓扑结构可为总线型或星型，或两者混用。基于集线器的星型拓扑结 构和结构化布线技术可使以太网的可靠性达到很高标准，任何节点的故障都会被 集线器隔离而不会扩散。集线器又是高可靠设备，m t b f 大于2 0 年，不会降低网 络可靠性，若使用双以太网效果更好。以太网即使使用双绞线也有很高的电磁兼 容性能，在4 级快速瞬变干扰实验中误码率仍保持小于1 0 - 9 。在超强电磁污染 场合还可使用光纤彻底解决抗干扰问题。 ( 4 )以太网的资源支持多 以太网的成本低，各种高层规约都对以太网提供充分支持，而且还在不断发 展更新。 4 站内通信的发展趋势 e t h e r n e t 由于具有传输速度快、成本低、稳定性高、应用广泛、共享资源 丰富等诸多优点，成为最受欢迎的通信网络之一。在现场设备层采用以太网，不 仅可以省去各种现场总线之间以及现场总线与以太网之间复杂的网关设备，而且 可以将商业以太网中成熟的应用技术方便的移植到工业控制系统，始终保持工业 控制系统不游离于网络发展的主流技术之外。积极采用以太网技术是现场总线的 发展趋势，它一定能够延伸到现场总线的最底层。 1 2 l i j 东大学硕士学位论文 第三章d f 3 3 0 0 e 变电站综合自动化网络通信系统 3 1 变电站综合自动化系统网络通信技术的发展现状和结构 变电站综合自动化技术在我国发展很快，由于面向对象设计思想的深入以及 一次设备的整体化设计，变电站自动化系统的系统配置方式经历了从集中方式、 集中与分散相结合方式到完全分散方式的变化过程。目前新建的变电站绝大多数 都采用了综合自动化技术，这种自动化系统与常规变电站系统相比最大的特点就 是站内通信能力强，通信是变电站自动化系统的关键，通信网络的信息传输快速 性与确定性和可靠性决定了变电站自动化系统的可用性。详细内容参见文献 1 5 在变电站综合自动化发展过程中，先后出现过几类通信方案，按通信技术的 发展大致可以分为三个阶段： 第一阶段：串口通信( r s 4 8 5 、r s 4 2 2 等) 。总线将保护设备连在一起采用主从 方式通信，这种方式较简单，实际上是串行点对点通信，串口通信串行点对点通 信方式应用于早期产品中，大多数为主一从结构，其传输速度较低，可靠性较差， 限制了它的应用。特别对于大型变电站，站内功能节点较多的情况下，信息实时 性将受到很大的影响。详细内容参见文献 1 4 第二阶段：总线通信( l o n w o r k s 、f d k b u s 和c a n b u s 等) 。国际上2 0 世纪9 0 年代推出一种更适合于采集、控制等工业环境，面向对象的具有很高性能价格比 的现场总线( f i e l db u s ) 局域网络技术。后来各种现场总线技术被引入国内，由 于其具有简单易用、组网方便、抗干扰能力强等特点，很快成为目前国内变电站 自动化系统中的主流通信技术。 第三阶段：工业以太网通信。随着变电站自动化从以前的3 5 k v ，1 l o k v 等中 低压变电站向2 2 0 k v ，3 3 0 k v 甚至5 0 0 k v 高压超高压大型变电站发展，系统的通 信量大为增加，这是因为，一方面，变电站自动化系统要监视和控制的对象数目 剧增。另一方面，高压、超高压变电站自动化系统会使用比中、低压系统更多的 数字式继电保护等智能化电子设备( i e d ) ，这些设备需要通过内部通信网络传输 大量的遥测、故障录波等信息，特别是在发生故障时需要传输的信息量会更大。 因此高压、超高压变电站自动化系统对内部通信网提出了更新、更高的技术 要求，目前在变电站自动化系统中广泛使用的现场总线通信网络由于速度和带宽 上的限制，满足不了这些要求，必须使用新的通信技术，研制出高性能的通信网 山东大学硕士学位论文 ! i i _-zi 曼曼! 曼曼曼曼曼 络来满足高压、超高压变电站自动化系统发展的需要现场总线的一些局限性逐渐 暴露出来，不能满足高压超高压大型变电站自动化系统的要求。而工业以太网技 术有其优势：成本低，甚至可以集成到单片机里：与互联网连接简单，使用方便， 速率高：技术标准开放，易兼容：以太网技术顺应这种趋势，正被引入变电站自动 化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于网络控 制的分布式变电站自动化系统，这些明显优势使得今后工业以太网技术在变电站 自动化系统中得到越来越广泛的应用。在一些分层分布式大型变电站中，常有现 场总线与以太网并存组网，以实现“管控一体化的最佳状态。 随着网络通信技术的发展，变电站通信网的网络结构也在不停的发展变化。 从最初的串行点对点通信，到后来的主从式结构，再到现在的分层式网络，经历 了几代的演变。目前采用较多的是分层分布式的网络结构，以太网和现场总线并 存，构成多层改的通信网络详细内容参见文献 1 8 3 2 变电站自动化系统通信网络的要求 3 2 1 变电站内数据流及报文分类 数据流是指在一个给定的时间间隔内的数据交换，这种数据交换可能是连续 的或由事件驱动的。分布实时应用在它的不同部分有不同的数据流类型，数据流 类型可以简单到传感器送来的温度值，也可以复杂到几百个传感器通过网络进行 数据交换以保证控制过程正常运行。在分析这些不同的复杂数据时，我们必须理 解这些不同数据的类型、属性和模式。详细内容参见文献 1 6 在具有变电站一间隔层一过程层结构分层的变电站内，需要传输的数据流有如 下几种 ( 1 ) 间隔层内的通信 间隔层的设备有控制测量单元或继电保护单元，或两者都有。 在一个间隔层内的相关间隔功能间或设备间的数据流即是在继电保护和控 制、监视、测量之间的数据流，或是两个或多个继电保护功能设备间的数据流。 这类信息有测量数据、断路器状态、器件的运行状态、同步采样信息等。 ( 2 ) 间隔层之间的通信 不同间隔层之间的数据交换有：主、后备继电保护工作状态、互锁，相关保 护动作闭锁，电压无功综合控制装置等信息。 ( 3 ) 间隔层一变电站层通信 间隔层和变电站层的通信内容很丰富，概括起来有以下3 类。 1 4 山东大学硕+ 学位论文 a 测量及状态信息。正常和事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔离 开关、主变压器分接开关位置、各间隔层运行状态、保护动作信息等。 b 操作信息。断路器和隔离开关的分、合命令，主变压器分接头位置的调节， 自动装置的投入与退出等。 c 参数信息。微机保护和自动装置的整定值等。 ( 4 ) 过程层一间隔层通信 在间隔层和高压一次设备的智能传感器和执行器之间的数据流。间隔层的设 备大多数需要从过程层的电压和电流互感器采集正常和事故情况下的电压值和 电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息，这些信息包括：断路器和隔离开 关位置、主变压器分接头位置，变压器、互感器、避雷器的诊断信息以及断路器 操作信息。 ( 5 ) 站间通信 在当地和远方站继电保护单元之间的模拟信号或二进制信号的数据流。为了 互锁，这一种数据流也可能存在于控制单元间。 ( 6 ) 站一电网控制中心之间通信 变电站和一个远方控n 监视中心之间的数据流。远方中心可能是一个具有 固定的链路连接的网络控制中心，或具有通过公共网络的拨号链路的维修中心。 事件可以由一个外部时钟或集成到系统中的时钟和变电站同步。 ( 7 ) 站一工程师站之间通信 变电站层与远方工程师工作站之间交换数据流。 ( 8 ) 变电站层的内部通信 变电站层的不同设备之间的通信，要根据各设备的任务和功能的特点，传输 所需的测量信息、状态信息和操作命令等。 从上述对数据流的分析可以看出，变电站自动化网络通信系统是一个典型的 实时系统，其不同部分、不同时期的数据流具有不同的实时性要求。i e c 6 1 8 5 0 定义了7 种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文 件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。通过分析和研究，从时 域的角度，可以把上述变电站自动化系统中7 种类型的报文分为3 种类型：周期 性数据、随机性数据和突发性数据。详细内容参见文献 1 9 a 周期性数据：周期性数据稳定、连续且变化量小，原始数据报文属于周期 性数据，主要是过程层通过接口，周期性地向间隔层传递过程采样数据。根据 i e c 6 1 8 5 0 标准的规定，对于不同性能级别，传输一般要求在3 m s 或5 m s 内完成。 b 随机性数据：低速报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的 命令报文属于随机性数据，这类通信一般符合泊松分布，传送报文的数据量大， 山东大学硕十学位论文 但时间稍宽松。 c 突发性数据：快速报文、中速报文属于突发性数据，报文数量少，但时限 要求高。 3 2 2 变电站自动化系统通信网络的要求 1 功能要求 通信网络的根本任务是解决综合自动化系统内部以及与其他系统之间的实 时信息交换，而网络是不可或缺的功能载体，那么构建一个可靠、实时、高效的 网络体系是通信系统的关键之一，2 0 0 0 年国际大电网会议第3 4 组保护与控制讨 论和介绍了变电站自动化及其通信系统，其基本一致的思想就是通信技术是变电 站自动化系统的关键。 通信网络是连接站内各种智能电子设备( 1 e o ) 的纽带，因此它必须能支持各 种通信接口，满足通信网络标准化。 随着变电站的无人化以及自动化信息量的不断增加，通信网络必须有足够的 空间和速度来存储和传送事件、电量、操作、故障以及录波等数据。为改善电压 运行质量，无人值班变电站要求通信网络具有电压无功自动调节功能、系统对时 功能等。另外自诊断、自恢复以及远方诊断，在线状态检测是针对运行维护提出 的几项功能要求。 2 性能要求 通信网络的性能要求主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 快速的实时响应能力。因测控数据、保护信号、遥控命令等都要求实 时传送，虽然正常工作时，站内数据流不大，但出现故障时要传送大量的数据，