（电力系统及其自动化专业论文）基于对等通信的数字化变电站过程总线技术.pdf

山东大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 的推出对于数字化变电站的发展具有重要意义。i e c6 1 8 5 0 9 2 所支 持的采样值信息传输方式和g o o s e 信息传输方式是未来过程总线通信技术的发展 方向。本文的研究成果对于数字化变电站过程总线通信技术的发展具有很大的参考 价值。 关键词：i e c6 1 8 5 0 ；过程总线；对等通信；采样值；g o o s e i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn e ws u b s t a t i o ne q u i p m e n t s ( e g ，e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r , i n t e l l i g e n tb r e a k e r ) a n dt h ep u b l i c a t i o no fi e c6 18 5 0s t a n d a r d ，t h ea g eo fd i g i t a l s u b s t a t i o ni sc o m i n g i nd i g i t a ls u b s t a t i o n ，p r i m a r yv o l t a g e ，c u r r e n ta n ds w i t c hs t a t u sa r e t r a n s m i t t e dv i ae t h e m e tw i t ht h ef o r mo fd i g i t a ls i g n a l s s o ，t h er e s e a r c ho ns u b s t a t i o n p r o c e s sb u sc o m m u n i c a t i o n ( p b c ) t e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pi e c6 18 5 0 c o m p a t i b l ed i g i t a ls u b s t a t i o ns y s t e ma n dt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y f r o mt h es u m m a r i z a t i o nt ot h ee x i s t i n gs u b s t a t i o np b ct e c h n i q u e ，i ti so b t a i n e dt h a t t h es a m p l i n gt r a n s m i s s i o nm o d eb a s e do ni e c618 5 0 - 9 - - 1h a ss h o r t a g e sa n di sl i m i t e di n t h ea p p l i c a t i o n t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) i si n t r o d u c e d f i r s t l y t h e nb a s e do nd i g i t a ls u b s t m i o n ，t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i g i t a ls u b s t a t i o n a r ea n a l y z e dt h o r o u g h l y t h eb a s i cp h i l o s o p h ya n dc o r et e c h n i q u eo fi e c6 18 5 0s t a n d a r d a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ed o m e s t i ca n df o r e i g n a p p l i c a t i o no fi e c6 18 5 0i s s u m m a r i z e d w i t ht h ei n t r o d u c t i o nt ot h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fp e e r - t o - p e e r c o m m u n i c a t i o n ，t h es a m p l i n gt r a n s m i s s i o na n dg o o s ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nw h i c h b o t he m p l o yp e e r - t o p e e rc o m m u n i c a t i o nm o d ea r er e s e a r c h e dt h o r o u g h l y i nt e r m so f s a m p l i n gt r a n s m i s s i o nm o d e la n ds a m p l i n gv a l u ec o n t r o lb l o c k ( s v c b ) ，t h et w o d i f f e r e n ts e r v i c em a p p i n gm o d e so fs a m p l i n gt r a n s m i s s i o n sw h i c ha r ed e f i n e ds e p a r a t e l y b yi e c6 1 8 5 0 9 - 1a n di e c6 1 8 5 0 - 9 - 2a r er e s e a r c h e di nd e t a i l e d i e c6 1 8 5 0 - 9 2c a n s u p p o s eb i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o n ，a n dt h es a m p l i n gi n f o r m a t i o na n ds a m p l i n gr a t ec a n b ec o n f i g u r e df r e e l y , w h i c hs a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fd i g i t a ls u b s t a t i o n b a s e do n g o o s ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e l ，g o o s ec o n t r o lb l o c k ( g o c b ) a n ds e r v i c e m a p p i n gm o d eo fg o o s ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na r ep r o v i d e d t h ei n f o r m a t i o nm o d e l i n gt op b cs y s t e mo fd i g i t a ls u b s t a t i o ni sf i n i s h e da n dt h e s e r v i c e ss u p p o r t e db yt h em o d e la r ep r o v i d e d t a k i n gt h el o wv o l t a g eb a yo fa n110 k v s u b s t a t i o na st h eo b j e c t ，t h eb l o c ki sa b s t r a c t e di nt e r m so ff u n c t i o n s ，a n dc l a s s i f i e dt o i i i 山东大学硕士学位论文 f o u rl e v e l s ：l o g i cd e v i c e ，l o g i cn o d e ，d a t aa n dd a t aa t t r i b u t i o n f i r s t l y , t w ol o g i cd e v i c e s a r em o d e l e d _ _ t h em e r g i n gu n i tw h i c ht r a n s m i t st h es a m p l i n gv a l u ea n ds t a t ev a r i a b l e t oi e do fb a yl e v e la n dt h es w i t c hc o n t r o lu n i tw h i c ht r a n s m i tc o n t r o lc o m m a n dt o b r e a k e r sa n dd i s c o n n e c t e ds w i t c h e s t h e nl o g i cn o d ez e r o ，l o g i c a ln o d ep h y s i c a ld e v i c e a n do t h e rl o g i cn o d e sa r em o d e l e df o rt h et w ol o g i cd e v i c e s t h ed a t a , c o n t r o lb l o c ka n d d a t as e tc o r r e s p o n d i n gw i t ht h ec o n t r o lb l o c ka r ea l s op r o v i d e d t h ed a t aa t t r i b u t e sa r e l i s t e da n dt h ei n f o r m a t i o nm o d e l so fs a m p l i n gd a t as e ta r eg i v e n l a s t l yt h em a p p i n g m o d e so ft h es a m p l i n gv a l u ea n dc o n t r o li n f o r m a t i o nm o d e l e di nt h i sp a p e ra r ep r o v i d e d i e c618 5 0i sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls u b s t a t i o ns y s t e m t h e d i r e c t i o no fp b c t e c h n i q u ei st h ec o m b i n a t i o no ft h es a m p l i n gt r a n s m i s s i o nm o d eb a s e d o ni e c618 5 0 - 9 2a n dt h eg o o s ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nm o d e t h ew o r kc o m p l e t e d a n dr e s u l t sa r ev a l u a b l et ot h ed e v e l o p m e n to fp b ci nd i g i t a ls u b s t a t i o ns y s t e m k e yw a r d s ：i e c6 1 8 5 0 ；p r o c e s sb u s e s ；p e e rt op e e r ；s a m p l ev a l u e s ；g o o s e i v 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：酸 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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：酸导师签名：彳缸蚶 期： ? 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 变电站担负着电能转换和电能重新分配的任务，是电力系统的重要组成部分， 对于电力系统的安全稳定运行起着举足轻重的作用。在变电站自动化技术的发展过 程中，由于缺乏统一的设计标准，不同设备生产厂家所采用的通信规约和数据格式 各不相同，使得变电站中来自不同厂家的智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e ，简称l e d ，包括保护、故障录波、无功补偿装置和r t u 等) 在数据接口方 面进行沟通时，需耗费软件人员大量精力去解决数据格式、通信规约的协调问题。 这不仅造成不同厂家设备通信连接的困难，也给变电站将来的维护与扩展带来隐 患。 早在上个世纪八十年代木期，国际上就提出了采用系统集成的方法来解决上述 问题，也就是建立一个标准化的、开放的系统平台，以实现i e d 之间的互操作性。 进而实现由i e d 组成的自动化子系统之间、以及各子系统与调度中心之间的互操作 性【1 1 。 基于上述情况，i e ct c 5 7 ( 国际电工委员会电力控制及其通信技术委员会) 推 出了变电站自动化通信标准i e c6 1 8 5 0 2 1 。其目标是形成一个标准的开放式变电站自 动化系统和通信体系，即所谓的数字化变电站系统，使得来自不同制造商的l e d 之 间实现良好的互操作性，并能适应计算机和通信技术的快速发展，从而提高系统的 可靠性，减少变电站建设的投资和维护成本。 i e c6 1 8 5 0 标准按照变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护三大 功能，提出了信息分层的概念，无论从逻辑上还是从物理概念上，都将变电站的通 信体系分为三层，即变电站层，间隔层和过程层【4 3 1 ，并且定义了层与层之间的通信 接口【3 1 。过程层与间隔层之间基于交换式以太网的串行通信方式在标准中称为过程 总线( p r o c e s sb u s ) 通信。过程总线上数据通信种类较多，且这些数据流在不同运 行方式下有不同的传输响应速度和优先级要求，采样值和控制命令是其中最为重要 的两类信息。 i e c6 1 8 5 0 7 2 分别对过程总线通信中传输采样值的采样值传输模型和传输控 1 山东大学硕士学位论文 制命令的面向通用对象的变电站事件( g e n e r i co b j e c to r i e n t e ds u b s t a t i o ne v e n t ，简 称g o o s e ) 模型进行了定义。其中采样值传输模型的特定通信服务映射( s p e c i f i c c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sm a p p i n g ，简称s c s m ) 有两个途径，分别在i e c6 1 8 5 0 - 9 1 和i e c6 1 8 5 0 9 2 中定义。g o o s e 模型的特定通信服务映射在i e c6 1 8 5 0 8 1 中定 义。 由i e c6 1 8 5 0 9 1 所定义的特定通信服务映射用以从过程层向间隔层传输采样 值数据和状态量数据，这种传输方式基于与i e c6 0 0 4 4 8 相一致的单向多路点对点 串行通信链路。它采用单向传输模式，向间隔层设备广播固定帧格式和采样率的数 据信息，数据内容不允许动态调整。这种传输方式对于信息传输接口的信道带宽和 设计技术的要求较低，在数字化变电站的建设中率先得到应用。 虽然i e c6 1 8 5 0 9 1 所定义的传输方式能够基本满足目前数字化变电站建设的 需要，但却严重制约未来数字化变电站的发展。未来数字化变电站的结构优化和技 术扩展迫切要求采样值的传输采用i e c6 1 8 5 0 9 2 所规定的特定通信服务映射方式。 这种传输方式的最大优点是实现了过程总线的双向传输，能够通过对过程层采样值 传输设备的读写服务动态设置所需采样值信息的内容和采样频率等参数，使其能够 适应间隔层中不同i e d 的需要。 在数字化变电站的过程总线通信系统中，跳闸、合闸、闭锁和连锁等控制命令 对信息传输的时效性( 跳合闸报文的传输时间需在4 m s 以内) 和可靠性有很高的要 求。所以对于此类信息的传输需要采用更加简捷可靠的映射实现方式。由此可见， 研究过程总线上采样值和控制命令这两类信息的实时、灵活和可靠的传输具有重要 意义。 1 2 变电站过程总线通信技术研究及发展现状 1 2 1 国外变电站过程总线通信技术的研究及应用情况 i e c6 1 8 5 0 标准从2 0 0 2 年1 1 月开始陆续出版，一直到2 0 0 4 年1 2 月全部的标 准才出版完毕【4 】【5 1 。但a b b 和s i e m e n s 等公司在此之前就已进行了一系列成功的 互操作实验，并已推出了符合此标准的产品。与本课题相关的过程总线通信实验有 以下三个： 2 山东大学硕士学位论文 跳闸命令的网络传输测试 2 0 0 1 年1 月，a b b ，s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u c a 用户协会进行实验， 并于当年5 月在加拿大u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议上进行展示。 开关 模拟器 a b b 过程总线以太网 图1 1 跳闸命令网络传输的互操作实验 系统配置如图1 1 。此实验目的有：( 1 ) 支持和加速基于i e c6 1 8 5 0 的过程层与 间隔层以及间隔层之间设备的通信：( 2 ) 验证i e c 的增强性面向通用对象的变电站事 件( g o o s e ) 概念；( 3 ) 验证变电站配置语言( 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 ，简称 s c l ) 的基本概念；( 4 ) 证明不同厂商设备的互操作性。实验操作顺序为：仿真故障； 产生跳闸信号；传输开关新的状态( 断开) ；发重合闸命令；传输开关新的 状态( 闭合) 。 实验结果证明了g o o s e 适合在网络上传输断路器跳闸命令，并验证了使用 s c l 配置来自不同厂商设备的g o o s e 的能力。此次演示活动被认为是i e c6 1 8 5 0 成为全球标准过程中的一个重要里程碑。 采样值的网络传输测试 此测试于2 0 0 2 年1 月在美国进行，参加者有a b b 和s i e m e n s 。此次演示前， 这两个公司在2 0 0 0 年c i g r e 会议上就己宣布共同支持i e c6 1 8 5 0 9 ，并于2 0 0 1 年 1 1 月在k e m a 通过了致性测试。互操作测试系统的配置如图1 2 所示，测试目 的有： ( 1 ) 演示遵循i e c6 1 8 5 0 9 的电子式电流电压互感器、保护装置、计量装置之 3 山东大学硕七学位论文 间的互操作性； ( 2 ) 演示开发的支持i e c6 1 8 5 0 9 的第一批样机( 如合并单元等) 。 图1 2 采样值网络传输的互操作实验 实验结果证明：( 1 ) 按照i e c6 1 8 5 0 9 1 以单点对多点连接到电子式电流电压 互感器的方式是可行的，这种方式将被a b b 和s i e m e n s 所支持；( 2 ) 支持i e c 6 1 8 5 0 9 1 的设备连接到以太网交换机上是实现过程总线解决方案的第一步。 采样值和跳闸命令经同一网络传输测试 2 0 0 2 年9 月，a b b 、s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议进 行互操作测试，测试系统配置如图1 3 所示。测试目的是证明采样值报文和g o o s e 报文在同一通信总线( 过程总线) 上传输的互操作性【6 1 。 4 保护装置 s i e m e n s 保护装置 a b b 断路器合并单元 开关 模拟器 a b b 传感器 模拟器 过程总线以太网 测试设备 0 m e c r o n 图1 3 在同一网络传输采样值和跳闸命令的互操作实验 关于国外进行互操作性实验更详细的内容和结论见参考文献【6 】。通过大量的互 山东大学硕士学位论文 操作性验证实验，目前国外大公司基于i e c6 1 8 5 0 的产品和系统达到了可商业化的 水平，a b b 、西门子、a r e v a 等公司在全球范围内均有整站投运的先例。从2 0 0 4 年1 1 月，西门子输配电集团在瑞士承建了世界上第一个运用i e c6 1 8 5 0 通信标准的 变电站自动化系统开始，西门子在全球已经完成了运用同样规约的变电站工程1 0 0 多项；a b b 也在全球完成了几十项基于i e c6 1 8 5 0 的变电站自动化系统工程【7 1 。 1 2 2 国内变电站过程总线通信技术的研究及应用情况 从2 0 0 4 年底开始，国家电网公司为了提高国内生产厂商对i e c6 1 8 5 0 标准的研 究水平，加快国有产品开发速度，由国调中心牵头组织了5 次i e c6 1 8 5 0 标准的互 操作试验，参加试验的相关单位有：国调中心、电科院、南瑞继保、国电南自、国 电南瑞、北京四方、东方电子、鲁能积成、融科联创等【引。按照计划，在2 0 0 6 年底， 参与厂商提供的各种设备应能完成i e c6 1 8 5 0 规约定义的所有功能，能达到标准规 定的一致性测试和无缝互操作要求。5 次互操作实验都很成功，为推动i e c6 1 8 5 0 在我国的应用起到了很好的作用。 目前，国内的数字化变电站设备生产厂家对过程总线通信技术进行了深入研 究，并已经达到了实用化程度，在投入运行的试验示范性质的i e c6 1 8 5 0 变电站中 取得了很多工程实际应用经验。但也存在以下一些值得关注的问题： ( 1 ) 设备出自同一厂家。到目前为止，国内尚未出现基于不同厂家的i e c6 18 5 0 产品的集成应用，这意味着国内对i e c6 1 8 5 0 的研究应用与i e c6 1 8 5 0 支持不同厂 商的设备实现互操作性的目标还有一定距离。 ( 2 ) 过程层信号的传输格式单一固定，无法动态调整。在实际的应用过程中， 各厂家大都采用i e c6 0 0 4 4 7 8 或i e c6 18 5 0 9 1 标准，对i e c6 1 8 5 0 9 2 的研究尚 未取得实质性进展。i e c6 0 0 4 4 7 8 没有规定状态量的信号传输方式，基于该标准的 采样值信号和状态量信号的传输网络是相互独立的，这就使得网络资源的利用率受 到限制，也不利于实时读取状态量信号。i e c6 1 8 5 0 9 1 的最大改进之一是为合并单 元设备定义了开关量数据接收接口，使得合并单元可以汇聚来自互感器和智能断路 器的数据。但是，合并单元向间隔层传输这些数据时只能以广播方式单向传输固定 格式的数据，这只是一个过渡性标准，无法满足间隔层中不同i e d 对来自合并单元 的数据的不同需要。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 已进行的互操作试验主要针对通信服务，没有进行统一信息模型的构建。 己经进行的5 次试验很成功，但都没有涉及应用层面，包括模型的一致性、数据的 辨识和应用、网络结构等。当年i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 在国内推广应用，问题较多，但 细究起来问题还是主要出在应用层面，例如信息定义的不一致等，通信方面实际上 并没有太大的问题。应用问题不试验、不解决，在通信层面做得再好也达不到预期 日标。因此在前5 次试验的良好基础上，需要进行更深层次的操作试验。 1 3 本文所做的工作 本文的主要工作包括： ( 1 ) 介绍了过程总线通信技术在国内外的研究和应用情况，指出了其目前存 在的问题和局限性，论述了过程总线通信技术中采用i e c6 1 8 5 0 9 2 定义的采样值 传输方式和g o o s e 信息传输方式的必要性。 ( 2 ) 在分析变电站自动化系统的功能、结构类型及其优缺点的基础上，指出 了变电站自动化技术已经进入数字化变电站时代。对数字化变电站的技术特征进行 了详细阐述。深入分析了i e c6 1 8 5 0 标准及其核心技术，介绍了i e c6 1 8 5 0 标准在 国内外变电站建设中的应用情况。 ( 3 ) 介绍了对等通信技术的概念和特点。对数字化变电站中采用对等通信模 式的采样值信息传输方式和g o o s e 信息传输方式进行了深入研究，分析了采样值 传输模型，给出了采样值控制块的定义以及控制块所支持的服务，分别对i e c 6 1 8 5 0 9 1 和i e c6 1 8 5 0 9 2 所定义的两种不同采样值传输服务映射方式进行了深入 研究，指出了6 1 8 5 0 9 1 的缺点和i e c6 1 8 5 0 9 2 的优越性。分析了g o o s e 信息传 输模型，给出了g o o s e 控制块的定义以及控制块所支持的服务，并对描述了 g o o s e 信息传输服务的映射方式进行了描述。 ( 4 ) 基于i e c6 1 8 5 0 9 2 和g o o s e 信息传输方式，对数字化变电站的过程总 线通信系统进行信息建模，并给出模型所支持的服务。以一个1 1 0 k v 变电站的采样 与控制模块为研究对象，将其按照功能抽象为逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属 性四层。首先，建模了两个逻辑设备向间隔层i e d 传输采样值和状态量的合并 单元和向断路器、隔离开关传输控制命令的开关控制单元。其次，分别为这两个逻 辑设备建模了逻辑节点零、物理装黄逻辑节点和其它逻辑节点，给出了逻辑节点所 6 山东大学硕士学位论文 包含的数据、控制块以及与控制块相对应的数据集。然后，列出了数据的数据属性， 给出了采样值数据集的信息模型。对过程总线的采样值和g o o s e 信息的传输流程 进行了整体描述。 山东大学硕十学位论文 第二章数字化变电站技术与i e c6 1 8 5 0 标准 2 1 变电站自动化技术 2 1 1 变电站自动化的概念 关于变电站自动化系统【9 。2 1 ，1 9 9 7 年国际大电网会议w g 3 4 0 3 工作组在变电 站内数据流的通信要求最终报告中，提出了“变电站自动化系统”( s u b s t a t i o n a u t o m a t i cs y s t e m - - s a s ) 这个名词，随后该名词被国际电工委员会已正式采用，并 解释为“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化【i i ( s a s - - s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ：t h es a sp r o v i d e sa u t o m a t i o ni nas u b s t a t i o ni n c l u d i n gt h e c o m m u n i c a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) ”。变电站自动化是指：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、可靠的运行。 变电站自动化是在计算机技术和网络通信技术的基础上发展起来的。国外在上 世纪八十年代已有分散式变电站自动化系统问世。我国的变电站自动化工作起步较 晚，大约从上世纪九十年代开始，初始阶段主要研制和生产集中式的变电站自动化 系统，目前全国已投入运行的3 5 - - 5 0 0 k v 变电站约2 0 0 0 0 座( 不包括用户变) ，而 且每年新增变电站的数量约为3 5 ，这些新建变电站基本上都采用了自动化系 统模式，同时每年还有许多老变电站的技术改造，也基本上以自动化系统模式为主。 2 1 2 变电站自动化系统的功能 在变电站自动化系统的研发过程中，对变电站自动化系统应包括哪些功能曾经 有过不同的看法。国际大电网会议w g 3 4 0 3 工作组在研究变电站的工作流时分析 了变电站自动化需完成的功能大概有6 3 种，归纳起来可分为以下几种功能组。 控制监视功能；自动控制功能；测量标记功能；继电保护功能；与继电保 护有关的功能；接口功能；系统功能。经过几年来的实践和发展，目前这些看 法已逐步接近。变电站自动化的功能由电网安全稳定运行和变电站建设、运行及维 o 山东大学硕士学位论文 护的综合经济效益的要求所决定。变电站在电网中的地位和作用不同，变电站自动 化系统的功能也有所不同。一般来说，变电站自动化系统的功能设置应该满足以下 条件。 1 ) 具有很高的可靠性，包括安全性和可信赖性，基本功能的实现不依赖于通 信网和主计算机系统； 2 ) 应能进行系统控制和集中控制； 3 ) 可为电网安全及事故分析、继电保护和自动装置在系统故障时的行为监视、 研究和分析提供数据； 4 ) 以变电站无人或少人值班为目标： 5 ) 简化二次回路，节省电缆，避免和减少二次设备的重复配置。 2 1 3 变电站自动化系统的结构 变电站自动化采用计算机技术和自动控制实现变电站二次系统的部分或全部 功能。为达到这一目的，满足电网运行对变电站的要求，变电站自动化系统体系结 构如图2 1 所示。 变电站 主计算机系统i 调度控制中心i 通信控制管理i 一一一 亘沉电源 数据采集 电气l 量自动装置继电保护 辅助设施 系统控制系统 电量和非开关量信 操作控制线路保护 主变和电 电量检测号采集容器保护 母线保护 图2 1 变电站自动化系统体系结构 其中“数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成变电站自动 化基础。“通信控制管理”是桥梁，联系变电站内各部分之间、变电站与调度控制中 心，使之得以相互交换数据。“变电站主计算机系统”对整个自动化系统进行协调、 管理和控制，并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使 运行人员可远方控制开关分合，还提供运行和维护人员对自动化系统进行监视和干 1 0 山东大学硕士学位论文 预的手段。变电站主计算机系统代替了很多过去由运行人员完成的简单、重复、繁 琐的工作，其还可按运行人员的操作命令或预先设定执行各种复杂的工作。通信控 制管理用以连接系统各个部分，负责数据和命令的传递，并对这一过程进行协调、 管理和控制。 同变电站常规二次系统相比，在体系结构上变电站自动化系统增添了变电站主 计算机系统和通信控制管理两部分；在二次系统具体装置和功能实现上，计算机化 的二次设备代替了简单的非计算机设备，数字化的处理和逻辑运算代替了模拟运算 和继电器逻辑；在信号传递上，数字化信号传递代替了电压、电流模拟信号传递。 实际的变电站自动化系统，常常根据具体情况对图2 1 所示的变电站自动化系 统结构体系进行裁剪，以获得具有最佳性能价格比的变电站自动化系统的配置模 式。 变电站自动化系统大致有两种模式。第一种模式是在常规二次系统的基础上增 加具备遥测、遥信、遥控和遥调功能的运动装置r t u ，或改造现有的i 盯u ，使之具 备四遥功能。通过r 1 u ，实现变电站遥测、遥信信息的检测、远传和变电站内开关 的遥控。这种模式解决了变电站无人值班信息远传和开关遥控问题，但是对变电站 的二次系统并没有带来根本性的变化，变电站原有二次系统存在的问题，仍然存在， 甚至因为变电站实现无人值班变得突出起来。这种模式主要用于中低压老变电站无 人值班改造。 第二种模式是对变电站的二次设备( 包括控制、信号、测量、保护、自动装置、 远动装置) 的功能重新组合和优化而形成的以计算机化为核心、综合性的变电站自 动化系统。它替代变电站电磁式二次系统，对变电站运行进行自动监视、测量、控 制和协调以及与远方调度控制中心通信。这种模式可以收集到较齐全的数据和信 息，有计算机高速计算能力和判断功能，可以方便地监视和控制变电站内各种运行 及操作。这种模式主要分为集中式、集中分布式和分布分散式三种结构。 集中式一般采用功能较强的计算机并扩展其i 0 接口，集中采集、集中处理计 算，甚至将保护功能也集中做在一起。其系统结构如图2 2 所示。这种方式提出的 较早，其可靠性差，功能有限。 山东大学硕士学位论文 变送器琴巷俘葶 开关控制 设备状态 中心 图2 2 集中式系统结构框图 随着计算机技术特别是通信技术的发展，出现了集中分布式结构，如图2 3 所 示。这种系统结构的最大特点是将自动化系统功能分散给多台计算机来完成。各功 能部分通过简单的计算机通信交换信息。其系统可靠性大幅提高，维护也相对比较 方便。 计算机h 打印机 通停控掣器一l 一 ，调度控制中心 11l 1 lili 交流采样开关信号操作控制 保护控制 处理机处理机处理机 管理机 l 橐霉ll 橐毒l i 藕毒i l 磊善l l 藉犁 l 藉型il 攀凳i l 墨凳i i 输入ll 输入 变送器 蒌誊簇妻 开关控制 t v 控t v 控 t a 市0t a 带0 图2 3 分布集中式系统结构框图 工业控制技术、计算机技术、网络通信技术的进一步发展，促使分布分散式系 统出现。该系统的主要特点是它是按照变电站的元件和开关间隔设计的。将变电站 1 2 山东大学硕士学位论文 。 一个开关间隔所需的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化的 测控单元( 1 e d ) 完成。测控单元可直接放在开关柜上或安放在开关问隔附近，相 互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术发展的 趋势，大幅度的减少了连接电缆，从而减少了电磁干扰，提高了可靠性。比较好地 实现了故障不相互影响，方便了系统维护和扩展，大量的现场工作可一次性地在设 备制造厂家内完成。其系统结构如图2 4 所示。 2 2 数字化变电站技术 图2 4 分布分散式系统结构框图 自上世纪九十年代以来，随着变电站自动化技术在我国的发展和推广，无论是 在超高压输电线路还是在中低压配电网络中，我国都已大量采用变电站自动化技术 以实现无人值班。从而大大提高了电网建设的现代化水平。但目前也存在着诸多问 题，如：二次接线复杂、功能相对独立且堆砌、缺少集成应用和操作、数据缺乏有 效应用等。这些问题大多是由于目前变电站自动化系统整体数字化、信息化水平不 高，难以实现信息标准化和设备间的互操作造成的【1 3 】。另外，智能化开关、电子式 互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟， 以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，也对已有的变电站自动化技术提出 了新的要求，这些需求使数字化变电站技术成为变电站自动化系统的发展新方向。 山东人学硕士学位论文 2 2 1 数字化变电站的概念 数字化变电站技术是变电站自动化技术发展过程中具有里程碑意义的一次变 革，它将对变电站自动化系统的各个方面产生深远影响。数字化变电站是以变电站 一、二次系统为数字化对象，对数字化信息进行统一建模，将物理装置虚拟化，采 用标准化的网络通信平台，实现信息共享和互操作，满足安全、稳定、可靠、经济 运行要求的现代化变电站【i4 1 。数字化变电站技术将处于不断发展和完善的进程中。 就目前而言，一次设备( 如电子式互感器、智能化开关等) 智能化；二次设备网络化； 符合i e c6 1 8 5 0 标准，是数字化变电站三个最主要的技术特征 1 副。本节将对智能化 一次设备和网络化二次设备进行详细介绍，i e c6 1 8 5 0 标准将在下一节详细介绍。 2 2 2 智能化一次设备 智能化一次设备是指电子式电流、电压互感器( e c t e v t ) 、智能化开关和变 压器等。在变电站内传统的电磁式互感器由电子式互感器替代，直接向外提供数字 式光纤以太网接口；站内采用具备向外进行数字通信的智能断路器、变压器等设备， 或者在这些一次设备就地加装智能终端实现信号的数字式转换与状态监测，达到一 次设备数字化和智能化的要求。 ( 1 ) 电子式互感器 长期以来，传统电磁式互感器在继电保护和电流、电压测量中一直占主导地位， 其主要优点在于结构简单、可靠性高、输出容量大，同时性能比较稳定，适合长期 运行。随着电力系统传输的电力容量越来越大，电压等级越来越高，传统的电磁式 互感器暴露出一系列严重的问题：绝缘结构复杂，造价随着电压等级的升高而呈指 数增加；十分笨重，安装不便；频带窄，动态范围小；易燃易爆；电压互感器存在 铁磁谐振的可能性；电流互感器存在磁饱和问题【1 6 】。基于光学和电子学原理的电子 式互感器不仅解决了电磁式互感器的上述问题，而且输出的是数字信号，抗干扰能 力强且可以直接与计算机相连，适应了电力系统数字化、微机化和自动化的发展潮 流。 电子式互感器分为光学电子式互感器和混合式电子式互感器【1 7 。2 0 1 ( 或电学电子 式互感器) 。光学电子式互感器的电流测量原理主要有f a r a d a y 效应、磁致伸缩效应、 k e r r 效应等，电压测量原理【2 l 】。包括p o c k e l s 效应、k e r r 效应和逆压电效应等。其 1 4 山东大学硕士学位论文 中利用f a r a d a y 效应测量电流和p o c k e l s 效应测量电压的方法最直接，精度高。利用 f a r a d a y 效应实现电流传感有多种方式，如全光纤式、光电混合式和块状玻璃式。 混合电子式互感器的电流测量原理包括罗氏线圈和l p c t ，电压测量原理包括精密 电容分压、精密电感分压等，图2 - 5 概括了其分类及原理。 e c t e v t 光学e c t e v t混合e c t e v t 厂一 一 厂 厂 e c te v te c te v t t t f a r a d a 效应、 k e r r逆压电效应、l p c t 、精密电容分压、 磁致伸缩效应效应p o c k e l s 效应r o g o w s k i 线圈 精密电阻分压 图2 5 电子式互感器的分类 由于f a r a d a y 效应会受到双折射( 固有双折射、应力双折射、温度双折射) 、温度、 振动等因素影响，此外，温度还会影响介质的v e r d e t 【2 2 】常数、折射率等。p o c k e l s 效应的工作稳定性会受到温度、应力、晶体尺寸及光源波长稳定性等诸多因素的影 响。所以光学电子式互感器技术复杂、成本高，性能不易稳定，实用化进程缓慢2 3 1 。 混合电子式互感器( 电学电子式互感器) 技术成熟，运行经验多，具有实用化优 势。且已经得到了很好工程实践，到现在已有几十个站利用这种方式实现了一次设 备的数字化，是目前数字化变电站实施的最佳选择，图2 - 6 为精密电容分压式电压 互感器和罗氏线圈式电流互感器组合在一起的组合式有源型电子式互感器结构框 图。 山东大学硕士学位论文 图2 - 6 组合有源型电子式互感器结构框图 ( 2 ) 其他智能化一次设备 理想的智能开关是指在断路器内嵌电压、电流变换器及其光电测量系统，由微 机控制的二次系统、l e d 设备和相应智能软件实现集成开关系统智能性的开关设备。 其最大的优点是间隔内自动闭锁和“五防”，保证设备和人身安全；按电压波形控 制合闸角，按最佳灭弧时间控制跳闸，以减少操作过电压就地实现重合闸；实现设 备在线监测和诊断，为状态维修提供参考；实现就地重合闸以及其他当地可以执行 的功能，而不依赖站级控制系统。 就智能开关装置而言，a b b 的p a s s 较具代表性，该智能开关装置将断路器、 隔离开关、接地开关、电子式互感器、避雷器等组合成一个整体的封闭单元，执行 测量及开关功能的同时，监测设备运行状况，输出信号以数字形式经光纤传输，实 现数字化变电站的通信接口功能。 但由于智能开关等智能化一次设备的开发周期长、造价很高，目前其他一次设 备( 变压器、高抗、避雷器等) 还没有完全智能化产品的报道。最佳的解决方案依 旧是采用智能终端+ 传统一次设备的方式。智能终端是就地加装在一次设备附近的 信号转换和状态监测控制箱。智能终端同时具备与常规一次设备的电缆连接接口和 1 6 山东大学硕士学位论文 光纤以太网接口功能，自身完成信息转换以实现传统一次设备和其他基于i e c 6 1 8 5 0 标准智能电子设备的信息交互；此外，智能终端还可配备传统一次设备的状 态监测功能，以实现一次设备智能化控制的特剧2 4 1 。 2 2 3 网络化二次设备 变电站二次设备包括对一次设备进行控制、测量、保护以及对一、二次设备的 正常、异常或事故等工况提供信号显示或报警的设备。如继电保护装置、防误闭锁 装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置等。 二次设备一般是由独立的功能件或具有较强的完整功能的装置按预定的逻辑组装 成功能屏柜。另外，二次设备还包括与一次设备构成一体的反映其工况、状态、量 值，并可对其控制、操作的辅助设