（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850体系的电能质量监测系统研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 浙赣电气化铁路的修建，其作为一个非线性冲击性负荷，将对电力系统的电能 质量造成严重的污染，因此，为挣系统安全稳定的运行，并保持一定的电能质 量标准，我们有必要建立相应的电能质量监测系统。由于i e c6 1 8 5 0 标准采用了面 向对象、分层分块的设计思想，具有良好的开放性和互操作性，因此，这一监测系 统采用了i e c6 1 8 5 0 标准来设计、实现。整个系统的核心部分包括服务器、客户端、 协议转换单元以及电能质量监测模型及其配置工具。本文详细介绍了电能质量监测 模型的建立过程和基于i e c 6 1 8 5 0 标准的i e d 通用建模工具的实现过程，以及整个 项目的功能框架和建模所需的x m l 技术。江西省电能质量监测系统已经得到了现 场的验证，现在运行良好。 关键词：电能质量，智能电子设备，模型配置，逻辑节点 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lr a i l w a yc o n s t r u c t i o nb e t w e e nz h e j i a n ga n dj i a n g x i ，a san o n l i n e a r i m p a c t i v el o a d ，w i l lb a d l yp o l l u t et h ep o w e rq u a l i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，s ow e s h o u l ds e tu par e l e v a n tp o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi no r d e rt om a i n t a i nt h es a f e a n ds t a b l er u no ft h ep o w e rs y s t e ma n dk e e pas t a t e dp o w e rq u a l i t ys t a n d a r d a st h e i e c 618 5 0s t a n d a r d su s eo b je c t - o r i e n t e dd e s i g ni d e aa n dl a y e r e ds e p a r a t es t r u c t u r ea n d h a st h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fo p e n i n ga n dm u t u a lo p e r a t i o n ，t h i ss y s t e mi sd e s i g n e da n d r e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ei e c 6 1 8 5 0s t a n d a r d s t h ec o r eo ft h ew h o l es y s t e mi n c l u d e s s e r v e r , c l i e n t ，p r o t o c o le x c h a n g eu n i t ，p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gm o d e la n di t sm o d e l i n g t 0 0 1 t h i sp a p e ri l l u s t r a t e si n d e t a i lt h ep r o c e s so ft h ep o w e rq u a l i t ym o d e l i n g ，t h e r e a l i z a t i o no fl e dc o m m o nm o d e l i n gt o o lb a s e do ni e c 6 18 5 0s t a n d a r d s ，t h ef u n c t i o n f r a m e w o r ko ft h ew h o l ep r o j e c ta n dt h ex m l t e c h n o l o g yt h a tt h em o d e l i n gn e e d s t h e p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi nj i a n g x ip r o v i n c eh a sb e e nv a l i d a t e di nt h es p o ta n d r u n sw e l ln o w c h e nj u l o n g ( 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 f h er e n m u k e yw o r d s ：p o w e r q u a l i t y ，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 ，m o d e l i n g ，l o g i cn o d e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i e c 6 1 8 5 0 体系的电能质量 监测系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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： 灶日 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在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 力之砸 日期：型：三：1 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国社会经济高速发展，电力负荷急剧增长，而我国的能源分布又极不平衡， 大功率超高压长距离输电以及全国电网互联已被提上议事同程。为配合全国联网， 进一步加强电力系统调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力，我们应在重 要的变电站和发电厂安装电能质量监测装置，构建电力系统实时动态监测系统，并 通过调度中心主站实现对电力系统动态过程的监测和分析。该系统将成为电力系统 调度中心的动态实时数据平台的主要数据源之一，并逐步与e m s 系统及安全自动控 制系统相结合，以加强对电力系统动态安全稳定的监控，提高调度机构准确把握系 统运行状态的能力，并有助于研究大电网的动态过程，为制订电力系统控制策略和 设计、运行、规划方案提供依据。 近年来，随着计算机网络技术和数据通信技术的飞速发展和普及，电力系统数 据采集技术得到了很大的发展，用户可以在线记录、用时间标定、传送和分析电能 质量数据。通过数据网络实时传输厂站端的电能质量指标，以加强电网电能质量的 综合监测和管理，并为谐波治理的规划和方案设计提供科学的决策支持，实现对全 网电能质量信息的综合有效地监测、管理和分析，这将具有非常重要的现实意义。 从长远看，会出现多种硬件和软件方案实现电能质量监测系统。因此，需要有一个 统一的技术标准来规范电能质量数据的输出格式、系统的通信规约以及电能质量监 测设备的主要技术性能，以保证电能质量监测系统的开放性、兼容性以及测量结果 的可比性，这一标准就是变电站通信网络和系统标准( i e c6 1 8 5 0 ) ，这一标准是基 于网络通信平台的变电站自动化系统的国际标准。 浙赣电气化铁路的修建，其作为一个非线性冲击性负荷，将对电力系统的电能 质量造成严重的污染，因此，为了系统能够安全稳定的运行，并保持一定的电能质 量标准，我们有必要对其电能质量指标进行监测，建立相应的电能质量监测系统。 由于i e c6 1 8 5 0 标准【卜3 】采用了面向对象、分层分块的设计思想，具有良好的开放性 和互操作性等优点，因此，这一监测系统采用了i e c6 1 8 5 0 标准来设计、实现，这 不仅使得电能质量监测系统的开放性、兼容性更强，而且对提高系统的电能质量水 平和安全稳定运行有着极其重要的意义。 1 2 研究历史与现状 1 2 1 ie c6 18 5 0 国内外研究动态 华北电力人学硕士学位论文 随着计算机、网络通信、自动化和智能技术的发展，变电站自动化技术也在迅 速升级。1 9 9 5 年i e ct c 5 7 为此成立了三个工作组1 0 ，1 1 ，1 2 ( w g l 0 1 1 1 2 ) ，负 责制定i e c6 1 8 5 0 标准。工作组成员分别来置欧洲、北美和亚洲国家，他们有电力 调度、继电保护、电厂、操作运行及电力企业的技术背景，其中有些成员参加过北 美和欧洲一些标准的制订工作。其中w g l 0 负责变电站数据通信协议的整体描述和 总体功能要求，w g l l 负责站总线的定义，w g l 2 负责过程总线的定义，形成了一 个完善的体系。1 9 9 7 年i e c6 1 8 5 0 工作组正式与美国电科院( e p r i ) 的u c a 工作 组合作，计划在2 0 0 3 年4 月完成完整的标准文件。1 9 9 9 年3 月，3 个工作组提出 了该标准的委员会版本。i e c6 1 8 5 0 标准的制定，参考了以前许多比较成熟优秀的 标准，并吸收了u c a 2 0 的许多优点，采用了面向对象、分层分块的建模思想，实 现了抽象通信服务接口( a c s i ) 与特殊通信服务映射( s c s m ) ，还应用了m m s 和 h t t p 的许多技术，是目前国际上唯一的基于网络通信的关于变电站自动化系统的 标准体系。 在i e c6 1 8 5 0 标准的制定过程中，各国的研究机构与设备厂商也联手开展工程 实验，目的在于检验与完善标准，使其能够更好的与实际应用相结合。这些实验工 程主要有： 1 ) 1 9 9 8 年1 月 2 0 0 0 年1 1 月在德国进行的间隔层与变电站层设备的独立性 和互操作性验证实验，工程的参与者有a b b 、a l s t o m 与s i e m e n s 等设备厂商。 2 ) 2 0 0 1 年在美国u c a 用户协会进行实验，目的在于检验i e c6 1 8 5 0 中g o o s e 与变电站配置语言的概念，同时验证来自不同厂家的设备之间的互操作性，参加者 有a b b ，a l s t o m ，s i m e n s ，s i s c o 等。 3 ) 2 0 0 2 年在美国进行的过程层互操作性验证实验，目的在于检验根据标准第 九部分研制的非传统式互感器、保护继电器以及测量仪表之间的互操作性，同时改 进支持标准第九部分的原型设备。 4 ) 2 0 0 2 年底a b b 、s i e m e n s 及a l s t o m 等设备厂商在德国的柏林进行了一 系列的试验，与以往不同，这一系列互操作性试验都是在现场展开的，以检验设备 的选择性、安全性与质量。试验取得了成功，进一步证实了设备之间实现互操作性 以及简化工程的可能性。 根据大量实验测试的结果，工作组对已公布的标准进行了部分修改。至此，人 们对i e c6 1 8 5 0 所预期的效果完全实现。i e c6 1 8 5 0 现在已经被用户和设备厂商所 认可。a b b 和s i e m e n s 等公司已经推出了符合i e c6 1 8 5 0 的变电站自动化系统的产 品。 在国外对i e c6 1 8 5 0 标准进行深入研究的同时，国内的研究机构与设备厂商也 在密切关注着i e c6 1 8 5 0 标准的发展，并投入资金、人力与技术开展相关项目的研 究工作。四方、南瑞、东方电子、电科院以及某些高等院校等国内主要的电力研究 2 华北电力大学硕上学位论文 机构与变电站自动化设备厂商也正在推出基于i e c6 1 8 5 0 标准的相关产品。 国内许多大的电力企业，如上海电力公司、江西电力公司、北京电力公司等也 在多方调研，希望在未来的建设项目中或者变电站的升级更新过程中，采用满足i e c 6 1 8 5 0 标准的设计框架和软硬件设备，以达到降低系统集成费用和维护成本，提高 系统的安全可靠性的目的。 到目前为止，i e c6 1 8 5 0 标准的文档由1 0 个部分组成，均成为正式的国际标准。 全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会，已经将i e c6 1 8 5 0 标准翻译完毕， 并制定了一部分我国的变电站通信网络与系统的标准，余下部分正在制定过程中。 i e c6 1 8 5 0 标准在国内的推广应用时机日渐成熟，而本论文的基础就是北京德威特 力通系统控制技术有限责任公司与江西省电力科学研究院合作的基于i e c6 1 8 5 0 标 准的江西省电能质量监测系统的实际项目。 1 2 2 电能质量监测现状 当前电能质量监测设备厂家在实现数据通信的时候，好多还是按照自定义的 通信规约实现数据从变电站到监测中心的上传，并且在监测中心这一级使用的监测 分析软件也要与之相对应，这样做固然可以节约厂家成本，却大大增加了应用方使 用的复杂程度。在实际的变电站中，我们往往使用的是多个厂家的电能质量监测设 备，这些设备互不兼容是常事，这就使得监测中心需要安装不同厂家的分析软件， 并且只能对个别线路实现同时监控，而整个系统还是处于分散状态。因此，在发生 电能质量问题时，就缺乏有效的手段实现在同一时间对多条线路的数据进行同时分 析，增加了使用者的负担。 现代电力系统规模日益庞大，结构日趋复杂，其对变电站自动化水平的要求也 越来越高，因此，为方便变电站中各种电子智能设备( 如保护装置、电能质量监测 装置、直流屏等) 的管理以及设备间的互联，就迫切的需要一种通用的通信方式来 实现。于是i e c6 1 8 5 0 标准应运而生，它提出了一种变电站自动化系统的公共通信 标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输入输出体系。只有这样， 我们才能统一规约，规范接口，简化系统结构，增加稳定性能，能够同时监测、分 析处理多条线路的数据。 1 3ie c6 18 5 0 的特点与意义 随着电力改革的深入和电力工业的高速发展，整个电力系统( 尤其是变电站) 的自动化水平有了显著提高。而变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测 量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设 计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全 3 华北电力大学硕士学位论文 变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及 与调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动化系统由微机监控、微机保护、 电能质量和自动控制等多个子系统组成，子系统由能够进行功能处理和通信的智能 电子设备( i e d ) 组成。变电站综合自动化系统与子系统的相互协作，使得变电站 和控制中心间、变电站之间、变电站内的l e d 间的互联与高效通信成为可能，并在 不久的将来能被实现。 目前在变电站自动化系统中采用的标准或行业标准以及各厂家的专用通信协 议很多，在一定范围内这些系统运行良好。现在，我们已经使用的通信标准1 5 j 有： 1 ) i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 4 ：基本远动任务的配套标准，定义了变电站之间以及 变电站和控制中心之间的远动设备实现互操作需要的功能性要求。i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 采用了增强性能的三层结构，为变电站和调度中心之间的信息传输制定了标准。而 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 则是i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 采用标准的传输协议子集的网络访问协议， 通过t c p i p 协议实现网络传输远动信息。 2 ) i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 ：电力系统电能计量传输规约。 3 ) i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 ：继电保护设备信息接口配套标准，主要目的是为了在变 电站或厂站中，不同继电保护设备( 或间隔单元) 和控制系统之间达到互换的目的。 4 ) d n p 3 0 ：是由美国i e e e 的电力工程协会p e s 在i e c 的基础上制定的美国 国家标准，它的应用领域与i e c6 0 8 7 0 5 相同，主要是为了实现远动设备和系统的 互操作性。 5 ) u c a ( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，公共事业通信体系结构) ：在控 制中心和厂站都采用m m s 协议，因此可以支持互操作性。u c a 2 0 与以前的电力 系统协议的不同之处是它采用了设备和设备组件的对象模型。这些模型定义了公共 数据格式、标识、控制等等，用于变电站和馈线设备，如开关，变压器和继电器。 模型描述了大部分公共设备功能的标准行为。 由于变电站内功能的实现需要使用不同通信协议的众多生产厂商的设备共同 参与配合完成，多种通信协议的采用使得不同厂商的设备间通信必须通过大量的协 议转换来完成，从而浪费大量的人力物力，影响变电站自动化系统的实时功能。因 此采用统一的通信规约，实现变电站自动化系统无缝通信成为业内关注的问题。 i e c6 1 8 5 0 全称是变电站通信网络和系统标准，是基于网络通信平台的变电站 自动化系统的国际标准。i e c6 1 8 5 0 的目标在于通过信息分层、面向对象自我描述、 数据对象统一建模和抽象通信服务映射等技术形成一个标准的开放式变电站自动 化体系，使得来自不同制造商的i e d 之间建立无缝通信并实现良好的互操作性，以 此满足随着电力系统快速发展，结构同趋复杂对提高系统可靠性、降低重复投资及 维护成本的要求。i e c6 1 8 5 0 ，它的优点主要有： 1 ) 提高互操作性。也就是要在全球范围内避免专用协议，工程实现方便； 4 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 采用面向对象自我描述的方法。不再局限于具体的设备，使得传输的数据 具有相应的说明，如果新增了符合i e c6 1 8 5 0 的设备，就会建立对应的数据库，实 现了变电站的扩展和l e d 间的互操作； 3 ) 面向服务的建模思想。每个模型对外体现的只有功能特性，因此它能满足 应用技术迅猛发展要求，而现有的许多标准同时定义了容易变化和发展的层次，如 物理层、数据链路层等，也就很难采用新的技术； 4 ) 高可靠性。目前的解决方案很少提供一种一致性测试的方法，这就使得在 实际中在各厂家间进行测试需要昂贵的费用，并会使工程延期，而i e c6 1 8 5 0 标准 的第十部分详细介绍了有关一致性测试的问题； 5 ) 采用了当今先进的通信技术和网络技术。i e c6 1 8 5 0 标准规定的数据传输方 式既包括以往的串口通信线路直接通信，也包括通过互联网间接的通信，在互联网 高速发展的当今和将来，这一标准将有很强的生命力； 6 ) 保护和控制原理的自由运用。目前的一些标准假定变电站中一个功能固定 分配在哪一层上，有时候同时定义了属于哪种类型的设备，因此当使用不同的保护 和控制原理时，现有的通信标准往往不能很好的利用。而i e c6 1 8 5 0 标准允许工程 师将一个整体功能任意分割，任意组合，它体现的只是一些体现具体的最小的功能 的点对象组合成一个完整的功能集，即现实中一个设备或一组设备实现的功能。 i e c6 1 8 5 0 标准【6 】之所以有这么多优点，是因为它参考和吸收了已有的许多相 关标准，到目前为止已成为关于变电站综合自动化系统完整的通信标准体系，是全 世界唯一的基于网络通信平台的变电站网络通信标准体系，是我国制定电力行业相 关标准的基础。i e c6 1 8 5 0 标准是电力系统从调度中心到变电站、变电站内、变电 站间、配电自动化等的无缝通信体系标准的基础，同时有利于变电站自动化系统的 功能扩展，增强系统的开放性和灵活性，还有望成为通用网络通信平台的工业控制 通信标准。 我国制订基于i e c6 1 8 5 0 的相关国内标准和该标准的贯彻执行，对我国变电站 自动化系统将产生重大影响。研究基于i e c6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统具有重 大的现实意义。 1 4 本论文的主要工作 国外虽然已经有成熟的符合i e c6 1 8 5 0 的产品问世，但是国内各厂家对支持该 标准的产品还处于研发阶段。标准化通信解决方案是变电站自动化系统中不同厂家 的设备实现互操作性、达到信息共享的重要保证。 笔者深入分析了i e c6 1 8 5 0 标准的基本原理、核心内容以及x m l 技术。尤其 是i e c6 1 8 5 0 标准的第四部分1 6 】( 系统与项目管理) 、第六部分【7 l ( 与变电站有关的 5 华北电力大学硕士学位论文 i e d 的通信配置描述语言) 、第七部分的四个小节1 8 1 1 】( 变电站和馈线设备的基本通 信结构) ，由于i e c6 1 8 5 0 标准所有的数据采集、存储、转发( 映射) 都采用x m l 技术，所以本人也对x m l 技术进行了深入的学习。从内容上划分，本论文的主要 工作包括以下几部分： 1 ) 深入分析了i e c6 1 8 5 0 标准的变电站模型和i e d 模型的原理框架和构建方 法。标准的第六部分，即变电站配置描述语言( s c l ) 详细介绍了变电站模型、l e d 模型这两种模型的结构及建模方法，这两种模型之间的相互转换方法。通过这些分 析工作，笔者领悟到了该标准的建模思想和模型文件中元素间的约束关系。 2 ) 系统的框架设计与各功能模块的合理分解，模块间的高效协作。基于 i e c 6 1 8 5 0 标准的江西省电能质量监测系统是国内第一个基于该标准的电能质量监 测方面的项目，因此，好多研发工作都是全新的。本人协助项目总工做了基于i e c 6 1 8 5 0 标准的工程整体框架的分析与设计工作，在功能模块划分、模块间的协作关 系、工程的整体框架与性能、软硬件的配合等方面积累了许多工程研发经验。 3 ) 建立了项目所需的电能质量模型。江西省电能质量监测系统项目采用了i e c 6 1 8 5 0 标准，因此我们就需要建立符合i e c6 1 8 5 0 标准的电能质量监测模型。在分 析电能质量原理和参考国家对电能质量方面制定的标准文件后，笔者按照江西省电 力科学研究院的项目要求，选取出一些电能质量指标，并按照i e c6 1 8 5 0 标准的建 模方法与规范，制定了符合项目要求并已投入现场使用的电能质量监测模型。 4 ) 开发基于i e c6 1 8 5 0 标准的通用i e d 模型配置工具。在w i n d o w s 平台下， 使用v c + + 6 0 开发了i e c6 1 8 5 0 标准的通用i e d 模型配置工具。查文献得知，过去 也有人做了这方面的工作，但他们所作的工具只是一个简单的x m l 编辑器，没有 体现出标准所要求的特点。本人开发的这一工具虽然也属于x m l 编辑器，但是它 是专门针对i e c6 1 8 5 0 标准的一个x m l 编辑器，因为在它里面嵌入好多标准的约 束条件，以便强制工具使用者按照标准的要求该做什么，不能做什么。 6 华北电力人学硕士学位论文 2 1 标准的概述 第二章 ie c 6 18 5 0 标准分析 2 1 1 开放的无缝通信体系 对于计算机系统结构和通信网络来说，开放系统是一个十分重要的概念。电气 与电子工程师协会( i e e e ) 给开放系统的定义是“开放系统应提供这样一些功能， 它们使正确执行的应用程序能在多个厂商提供的不同的平台上运行，和其他应用程 序互操作，并且为用户相互作用提供一个统一风格的界面。 开放式产品和标准服 务的结合使许多集成商能方便地应用来自多个厂商的产品制订一个完整的开放系 统解决方案。 对于需要自由交换数据的变电站自动化系统来说，i e c6 1 8 5 0 是一个开放的通 信标准，它具有开放系统的特点，在智能电子设备( 1 e d ) 间能够实现无缝连接1 1 列： 1 ) 对不同厂商生产的l e d 设备信息自由交换，功能互操作的开放支持。在实 际运行的变电站自动化系统中，我们不仅需要实现用户基于终端的自由访问，而且 需要实现设备间进行可识别的信息交换或共享。而不同厂家设备的功能、协议和接 口都有很大的不同，若要组合在统一的运行模式下，将增加许多相互间数据和功能 转换的中间设备的投入，这样不仅增加了系统的总体成本，而且增加了系统的复杂 性，也降低了系统的稳定性，提高了系统维护的难度。因此，我们需要一个通用的 标准来规范不同厂家生产的设备，使其能够拥有同一的协议、接口和数据格式等， 方便系统直接互联，而这个标准就是i e c6 1 8 5 0 。 2 ) 对系统结构的不同设计方案的开放支持。各设备之间的功能分配原理是不 同的，一些企业喜欢分散的解决方案，而另一些则喜欢集中式；一些喜欢将功能高度 集成在一个单元里，而另外的更喜欢用专用的设备实现特定的功能。因此通信标准 必须支持功能的自由分配，即功能与具体设备无关。 3 ) 对软硬件技术升级过程中采用最新技术的开放支持。尽管通信系统需要长 期的稳定，但通信技术中有利的发展往往会促进我们采用更现代化的技术。为了保 护所有昂贵的应用系统，标准必须能够适应未来任何的技术更新、升级对于应用系 统没有影响。当前的通信技术采用i s o o s i 的7 层模型描述。在i e c6 1 8 5 0 的应用 中，我们将特定领域的应用( 对象、服务等) 从通信栈分离出来，这样就允许标准采 用最新的通信技术。例如，现在的m m s t c p i p e t h e r n e t 通信栈可选用光纤物理层， 而将来可以选用无线物理层或者m u f t i g i g a b i t 数据链路层。分离带来的好处就是所 有应用层上的投资都可以得到保护，因为在将来只需采用特定的映射，而对象模型 7 华北电力大学硕上学位论文 和相关的服务无需改变。 在应用领域，系统技术依赖于技术发展水平，因此选用的系统结构在不同时期 可能会改变。例如，一些传感器采用无源纤维技术，而有一些采用完全串行通信， 因此造成过程接口位置的不同。随着时间的推移往往会出现新的功能，因此通信标 准不仅需要支持功能的自由分配，而且必须提供扩展规则。 4 ) 对工程开展和系统维护的开放支持。一个设备由它分配的功能来定义，一 个系统由它的设备与设备间的连接定义。因此一个通信标准应该提供某种方法用来 描述这些配置属性。另外，长期的系统运行和维护要求需要扩展性，在将来扩展中， 我们未必会采用与现在同样类型的设备，这就要求通信标准能提供相应的方法便于 实现。i e c6 1 8 5 0 通过变电站配置描述语言( 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 ，s c l ) 支持上述需求，所有在变电站通信网络交换的信息都可以通过s c l 来描述。所有不 同厂家的设备在传送各自与通信相关的配置数据时，采用标准化的s c l 形式描述。 同时，整个系统配置也用s c l 描述。因此这些配置数据对任何符合i e c6 1 8 5 0 标准 的系统配置工具都是可理解的。 2 1 2le c6 18 5 0 的应用范围 i e c6 1 8 5 0 是关于变电站f 1 3 , 1 4 l 自动化系统的第一个完整的通信标准体系，明确 提出了信息分层、面向对象、数据对象统一建模、可实现系统的配置管理、采用映 射的方法、与具体网络独立，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，己成为 无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了i e d 间的互操作， 它的应用范围包括： 1 ) 数据采集与监视控制系统( s c a d a ) ，远动和状态监视和故障诊断，包括 本论文所做的电能质量检测系统。 2 ) 标准建模与统一的系统配置和设备在线的自我描述，如断路器、变压器、 距离保护等模型的标准化建立、配置、在线自我描述。 3 ) 保护和控制，如新型传感器和传动装置技术的集成，自动调度和控制。 4 ) 采用流技术，如以太网、t c p i p 、对象建模和x m l 等。提供交叉应用需求 的无缝解决方案，降低工程和维护费用； i e c6 1 8 5 0 是一个全球性的标准，无论是用户还是厂家，都可以从i e c6 1 8 5 0 中获得很多利益。下一节笔者将较详细的介绍i e c6 1 8 5 0 标准的主要内容。 2 2 标准的主要内容 i e c6 1 8 5 0 标准的核心内容由4 个部分组成：变电站自动化系统的功能1 1 5 】、抽 象通信服务接1 2 、映射到具体的通信协议【1 6 。引、变电站模型和l e d 模型的配置。这 8 华北电力人学硕士学位论文 4 个部分相互之间高度独立，且每一部分都可以采用当今最先进的技术。模型是最 核心的内容，它的实现过程就是将功能分解并再组合的过程。通过i e c6 1 8 5 0 的模 型配置工具建立变电站模型或者l e d 模型，然后通过抽象通信服务接口对外提供服 务，经过具体的通信协议映射，就实现了信息的交换。当然，在目前阶段各种通信 协议并存的局面在很长一段时间内不会消失，这就需要我们在工程应用中将其他协 议支持的数据格式转换为i e c6 1 8 5 0 标准支持的数据格式。等将来电力系统中所有 的通信都采用i e c6 1 8 5 0 标准时，就不用对不同协议数据格式进行转换，大家互相 兼容，都可以进行互操作，最终实现了无缝通信连接。 2 2 1 变电站自动化系统的功能 变电站自动化系统完成控制、监视、保护变电站设备和馈线的功能。此外，还 包括一些变电站自动化系统的维护功能，包括系统配置、通信管理和软件管理等功 能。各装置配置功能以及不同层次配置的功能常常是不固定的，配置方法和策略取 决于制造商、用户及技术水平。这就导致了变电站内不同通信接口对通信的要求也 有所不同。 变电站层 间隔层 过程层 一高压设备_ 图2 1 变电站自动化系统逻辑结构 i e c6 1 8 5 0 将变电站自动化系统【1 9 】的功能在逻辑上分为三层：变电站层、间隔 层和过程层。各层之间的逻辑接口如图2 - 1 所示。变电站层由站级计算机、操作员 工作站、远方通信接口等组成；间隔层包括控制、保护和各间隔的监视单元；典型 的过程层设备是远方i o 、智能传感器和执行器。图2 - 1 中，各接口的含义如下： 过程层：完成开关量i o 、电能量模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备 9 华北电力大学硕上学位论文 相关的功能，过程层通过逻辑接口与逻辑接口与间隔层通信。 间隔层：利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护设备或 间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过逻辑接口与逻辑接口与过程层通 信，通过逻辑接口完成间隔层内部的通信过程。 变电站层： 1 ) 利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次设备发生作用，如母 线保护或全站范围内的闭锁等，通过逻辑接口完成通信功能过程； 2 ) 与远方中心站及人机界面的通信，通过逻辑接口、完成通信 过程。 i e c6 1 8 5 0 与以往通信规约的本质区别在于从功能的角度看系统，传统观念是 以设备为单位。i e c6 1 8 5 0 系列标准主要是将变电站及相应设备的功能进行抽象建 模，将功能建模为逻辑节点。大多数功能至少由三个逻辑节点组成，例如核心功能 逻辑节点、过程接口逻辑节点和人机界面逻辑节点。i e c6 1 8 5 0 中功能的分解如图 2 2 所示： 图2 - 2 功能、物理设备和逻辑节点之间的关系 所有功能抽象为9 0 多个逻辑节点，在i e c6 1 8 5 0 5 中有这些逻辑节点的说明。 i e c6 1 8 5 0 7 4 中详细介绍所有逻辑节点类的定义，逻辑节点内包含有数据( d a t a ) 。 i e c6 1 8 5 0 7 3 对公共数据类( c d c ) 进行了定义，数据又有若干数据属性，所有的 公共数据类都派生自d a t a 基类，d a t a 基类在i e c6 1 8 5 0 7 2 中定义。正是这样一个 分支结构建模了变电站及其i e d 的功能。对于不同i e d 之间的数据交换，是通过将 信息模型( 即上面所说的逻辑节点、数据、数据属性) 映射到相应的通信模型中去。 通信模型包括两部分，一部分是抽象通信服务映射( a c s i ) ，在i e c6 1 8 5 0 7 2 中详 细定义通信服务模型及有关控制块；另一部分是特殊通信服务映射( s c s i ) ，s c s i 有多种，i e c6 1 8 5 0 8 1 推行的是s i s c o 公司的制造报文规范( m m s ) ，其他的s c s i 规范在i e c6 1 8 5 0 9 1 中定义。i e c6 1 8 5 0 6 是变电站及变电站内i e d 的配置语言规 范( s c l ) 。i e c6 1 8 5 0 1 0 是对系统互操作一致性测试的规范要求。 2 2 2 变电站配置描述语言s c i _ 1 0 华北电力大学硕士学位论文 在变电站自动化系统中，l e d 的配置是十分重要的。i e c6 1 8 5 0 6 规定了变电 站及其l e d 的配置描述语言，称为变电站配置描述语言【2 0 j ( s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n l a n g u a g e ，s c l ) 。该语言依据i e c6 1 8 5 0 5 和i e c6 1 8 5 0 7 描述变电站及其i e d 的 配置和通信系统。 在建立数据模型过程中，数据解析与参数配置的工作量很大，因此如何准确并 智能化地处理数据成为该方向的研究热点。此时，能够批处理数据的s c l 模型配置 工具应运而生。变电站l e d 配置语言允许将i e d 配置的描述传输给通信和应用系统 工具，允许以某种兼容的方式将整个系统的配置描述传递给l e d 的配置工具。变电 站智能电子设备配置语言s c l 主要的目的是允许不同厂家的配置工具和系统配置 工具间可互操作的交换通信系统配置数据。使用s c l 模型配置工具处理数据时不但 能节省人力并提高准确度，而且易于升级和维护。 系统规格 e 描述文件 _ s s d 妊一- j 。 獠囔 酽鎏缓t 簧簸激甄蕊；# j 嚣 i 墓鬻l 一 2 嬲静姑。= 褫) 蒜：黼2 2 2 i b i e d 功能描 。簿j 述文件i c d 蠢豢鬻戮鍪 u 一缴誊嗽耢殇拜薹嚣蕊 图2 3s c l 配置工具数据流 在s c l 中采用x m l 作为信息交换的文件格式。x m l 的跨平台特性使其文件 中的数据能够在不同厂家的i e d 配置工具和系统配置工具之间以某种兼容的方式 进行交换。s c l 配置工具是实现对s c l 文件自动解析和配置的工具，其数据流如 图2 3 所示。 i e d 功能描述及其出厂配置信息由各厂商提供并经由i e d 配置工具生成其功能 描述文件i c d ( i e dc a p a b i l i t yd e s c r i p t i o n ) ，该文件用于在i e d 配置工具和s c l 配 置工具中交换数据，并作为s c l 配置工具的输入源c ，其数据流向为a b c 。 系统规格描述文件信息( s y s t e ms p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o n ，s s d ) 是另一个输 入源( 称之为d ) ，它主要用于描述变电站的单线图及其需要的逻辑节点。该文件 与i c d 互为补充，由s c l 配置工具解析为变电站功能配置文件( s u b s t a t i o n c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o n ，s c d ) ，其数据流为c + d - - + e 。 1 1 华北电力大学硕十学位论文 s c d 文件是表征如何衔接孤立的l e d 与变电站自动控制中心的依据，它作为 i e d 配置工具的输入源，经过工具解析转化为绑定具体功能并可供所有参数进行配 置的l e d 功能描述文件( c o n f i g u r e dl e dd e s c r i p t i o n ，c i d ) ，即图2 3 所示的步骤f 和g 。同时，s c d 还是数据模型实现过程中的模型转换基础。 下载c i d 文件至各独立的l e d ，从而完成配置过程h 并做好通信连接等方面的 准备工作。 在生成i c d 和s s d 时采用了从数据库提取信息的方式。它们互相选择作为配 置输入源，这不等同于简单的供应与筛选的补充关系，而是一种互相制约、共同匹 配的逻辑关系。由i e c6 1 8 5 0 6 可知i e d 配置工具是由各设备制造厂商独立设计实 现的，只要其遵循i e c 6 1 8 5 0 数据模型定义就可以实现兼容特性。 设备的i c d 文件 统配置工具 s c d 变电站配置描述文件 c i d 配置后的i e d 描述 配置工具 图2 _ 4 设备配置信息工作流程图 配置工具在整个系统中的工作流程如图2 4 所示： 1 ) 设备出厂时自带包含该设备预配置信息的i c d 文件。 2 ) 系统配置器读取该l e d 的配置信息，在i c d 文件中添加系统内l e d 所共享 的系统信息，生成变电站的系统配置文件s c d 文件。 3 ) 系统配置文件反馈给i e d 配置器，对新接入设备进行简单配置，形成设备 在变电站综合自动化系统内具体的i e d 实例。生成配置后的设备描述文件c i d 文 件。 2 2 3 抽象通信服务接口a c s i 抽象通信服务接口( 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 ) 把应用 服务从通信中分离出来，采用虚拟抽象的方法去描述和表示设备的模型数据和服务 功能，并提供对变电站具体通信服务的映射接口，但是由于其抽象性的特点，抽象 通信服务接口是根据i e c6 1 8 5 0 标准建立的，它不会随着具体通信服务映射的不同 而变化的，也不会随着具体设备的不同而改变。因此，a c s i 保证了应用功能与具 体设备的分离，通信协议的应用与通信介质分离，增强了整个变电站自动化系统的 可扩充性，能使其适应网络和通信技术的不断发展，可谓是i e c6 1 8 5 0 标准的核心 技术。 1 2 华北电力大学硕上学位论文 i e c6 1 8 5 0 标准对实际应用的设备的所有功能抽象都是在a c s i 的框架内建模 实现的。a c s i 提供了六种服务模型： 1 ) 连接服务模型； 2 ) 变量访问模型； 3 ) 数据传输模型； 4 ) 设备控制模型； 5 ) 文件传输服务模型； 6 ) 时钟同步服务模型。 这些服务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 以及服务过程。服务过程描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应以及采取何 种动作在何时以何种响应方式。服务接口采用抽象建模技术。抽象意味着该定义用 于描述提供的服务，而与设备间交换的具体报文无关。 a c s i 提供的抽象接口用以描述客户和远方服务器之间通信，表现在： 1 ) 实时的数据访问和检索； 2 ) 控制设备； 3 ) 事件报告和日志； 4 ) 发布者订户； 5 ) 设备的自我描述( 设备数据字典) ； 6 ) 数据选型和新出现( d i s c o v e r y ) 的数据类型； 7 ) 文件传输。 a c s i 抽象概念包括两个方面的内容： 1 ) a c s i 提供了用来定义变电站特定信息模型的规范； 2 ) a c s i 还提供了信息交换服务模型的规范。 a c s i 注重抽象服务的提供，而与设备间的具体信息报文无关，任何设备、控 制器，甚至s c a d a 系统、维护系统或者工程系统都可以使用a c s i 服务实现设备 问的互操作，接收服务请求和发出请求服务的设备之间独立。另外，a c s i 本身没 有协议数据单元( p d u ) ，也就是说，a c s i 与具体的传输格式无关，是通过特定通 信服务接口( s c s m ) 映射到下层( 应用层) 的协议书据单元，如图2 5 所示。 服务应用 lll l s c s m is c s m 2s c s m 3 l i l i 应用层 象通信服务接口a c s i 定接口 图2 - 5 抽象通信服务接口a c s i 的逻辑地位 1 3 华北电力大学硕上学位论文 在图2 5 中客户服务应用通过a c s i ，由具体通信服务映射( s c s m ) 通过特定 接口映射到应用层，然后再向下映射直到物理层。 由于网络技术的飞速发展，与现有网络不同的更加符合电力系统生产特点的网 络也许将会出现；电力系统生产的复杂性对信息传输的响应时间的要求不同，在变 电站的过程内可能采用不同类型的网络。对于以上两种情况，i e c6 1 8 5 0 采用a c s i ， 就很容易适应这种变化。如图2 - 6 所示，应用过程和抽象通信服务接口是一样的， 针对不同的网络应用层协议和通信栈，只要改变或增加相应的s c s m 来对应服务接 口，就很容易适应这种变化。 客户服务器 通信服务通信。服务 j lj l 请求 响j 立请求响应 r1r s c s m ls c s m 2s c s m ls c s m 2 11 i 迥信协议栈 图2 - 6 客户服务器模式下的应用过程和应用层交换信 在映射过程中，客户服务通过a c s i 由s c