（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850标准的数字化变电站研究.pdf

a b s t r a c t t h ep a p e r 趾a l y s i s 柚dr e s e a r c ht h eb u i l d i n gp r o 伊a mo fd i 百t a ls u b s t a t i o nb a s e d o ni e c 6 18 5 0s t a i l d a r d t h eb a s i so ft h ee x i s t i n gt l l e o d 鼯，c o m b i n e dw i t l lm ys t l l d i e s a 1 1 dw o r ke x p 谢c i l c eo fd i 垂t a ls u b s t a t i o n ，ip r o p o s c d 柚a d v 锄c e da i l dr e l i a b l ed 酒t a l 吼l b s t a t i o nb u i l d i n gp r o 掣锄 ( 1 ) t l l ep a p e rs 啪m 撕z e s 也et h c 0 巧觚dt e c h i l o l o g ) ，o fd i 酉t a ls u b s t a t i o n ， p r o p o s e dm ei n i t i a lo v e r a l lm o d e lo fd i g i t a l s u b s t a t i o na l l dp o i n t e do u tt l l a tt l l e c h a r a c t 硎s t i c sa i l dt h ei m p l e m 饥t 缸 1 “o n so fd i 西t a ls u b s t a t i o n s ( 2 ) h lt h i sp a p t h et h r e c l e v e ln e 呐o r ko fs u b s t a t i o n 肌t o m a t i o ns y s t 锄w 嬲 觚a l y z e d m e a n w h i l e ，an e 栅耐k i n gc 0 n s _ t n 埘o np r i n c i p l e ，w i mw h i c hp r o c e s sb u s a n ds u b s t a t i o nb u sc 锄b ec o n s 仇lc t i e dt o g 砒e rw a sp r o p o s c d t 酞ean o n n a l2 2 0 k v g u b s t a t i o n 嬲雒e x 锄p l e ，m ec o m m u n i c a t i o nn e m o r ks 们1 咖r eo fd i 酉t a ls _ u b s t a t i o n w 嬲c o n s t m 曲己di na o c o r d a i l c e 谢t h 廿1 ep r i n c i p l ep r o p o s c d ( 3 ) i nt h i sp a p t l l er e s 黜ho f m a i np r o d u c t sm dk e yt e c h n o l o 舀e so fd i g i t a l s u b s t a t i o n ，雒dt h e 研n c i p l e s 觚dm 萄o re q u i p m e n tc o n f i g l l r a t i o n0 p t i o n sd i 百t a l s u b s t a t i o nf o ma na d v 锄c e d ，r e l ia _ b l ed i g i t a l 鲫b s t a t i o nb u i l d i n gp r o g r a m ( 4 ) b a s e do nt h es u m m a r yo ft h eb u i l d i n gp r o 伊锄o f m ed o m e s t i cp i l o ts t u d y d i 百t a ls u b s t a t i o na i l dm er c s e a r c hr c s u l t sd e s 砸b e d i ni t ，t h ep 印e re x p l o r ct h e 咖l s i t i o np r o 莎锄a i l dt e c h i c a lm e 弱l l r e si nt h ee x i s t i n gt e c l l i l 0 1 0 9 yt 0b u i l dd i g i t a l s u b s t a t i o n a n df u r t h e rd i s c u s sh o wt oa c h i e v ec o m p a t i b i l i t yw i t hal a r g en u m b e ro f c o n v e n t i o n a l 研m a 巧s y s t e md e v i c e sa i l de x i s t i n ga u t o m a t i o ns y s t e m s ，s ot h a tt h e d i 舀t a ls u t ，s t a t i o nb u i l d i n gp f o g 姗m o r ep r a c t i c a la n d f e a s i b l e 1 ( e y w o r d s ：d i g i t a l ，s u b s t a 6 0 n ，a p p u c a t i o n s ，i e c 6 1 8 5 0 第1 章绪论 电力系统是由电能的生产、输送、分配和消费各个环节构成的一个整体。变 电站作为电力系统中一个重要环节，担负着电压转换和电能二次分配的任务。变 电站中一般由一次设备和二次设备组成。 一次设备由主变压器，断路器，隔离开关，电流、电压互感器等组成。变电 站中传统的电磁式电压、电流互感器存在着磁饱和、铁磁谐振、动态范围小、暂 态特性差等缺点，绝缘结构复杂，体积庞大。一次设备需要依靠大量电缆来实现 与保护、测控装置的信息传送，妨碍了自动化系统对现场一次设备控制功能的扩 展，电子式互感器和智能断路器技术的发展为解决高低压设备之间信息的数字化 传输提供了条件。 二次设备主要由保护、测控装置及一些安全自动装置等组成( 对于由微处理 器构成的具有数据处理和通信功能的二次设备以下统称为智能电子设备，i e d ) 。 变电站自动化系统是指集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过通信网络 来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统。通过变电站自动化系统可以实 现对一次电气设备的保护以及远方就地操作、控制和监视等功能。 由于变电站数量大，分布广，变电站自动化水平对提高整个电力系统的可靠 性和经济性、保障电网安全起着重大的作用。随着现代电网规模不断扩大，无人 值班变电站的应用推广，各级调度和站内保护、控制装置对正常运行和异常事故 时的各种信息需求量也成几何级数增加，变电站的自动化采集和处理系统也要求 有足够的能力来储存、处理和传送这些信息。 在各种新技术的推动下，数字化变电站乃至数字化电网的概念被逐渐提出 来。即在目前综合自动化技术的基础上，变电站内的一次设备实现了数字化，各 种i e d 之间和i e d 与一次设备之间通过光缆用统一的标准进行信息的数字化交 互，取消了各种控制电缆。数字化变电站将成为未来变电站建设的标准模式。 1 1 研究主旨 近年来，变电站综合自动化技术的发展和微机保护的广泛应用极大地提高了 电网的自动化水平和管理水平，但是由于变电站自动化系统和保护设备的通信协 议不统一，造成系统无缝集成困难，生命周期缩短；设备之间互操作性差，维护 l 工作量大，改造升级困难。同时变电站的高压电气设备和保护、监控等二次设备 的控制、信号发送、模拟量采集还需要靠大量的电缆连接来实现，不仅浪费了大 量的财力，而且高、低压设备之间不能实现电气隔离。 国际电工委员会t c 5 7 技术委员会制定的i e c 6 1 8 5 0 标准使变电站站内通信 采用统一的标准，解决了设备之间的互操作性和无缝集成等问题，使通信可靠性 得到提高。智能化电气设备的发展，特别是智能化开关设备、电子式电压和电流 互感器、智能电子装置等在变电站系统中的逐渐推广应用，电气设备在线状态检 测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机网络技术的高速发展， 使得建设数字化变电站具备了必要的技术条件。因此本文对数字化变电站的建设 方案以及与常规系统的兼容模式进行深入的研究，为数字化变电站的迸一步推广 打下基础。 数字化变电站与常规的综合自动化变电站在网络结构，特别是一、二次设备 之间的结合面( 即过程层) 的通信方式，取消电缆后的信息传输要求，一次智能 设备及电子式互感器等方面均有很大差异，需要在原有变电站的模式上提出新的 建设方案才能满足建设要求。 变电站中大量常规综合自动化系统和常规一次电气设备在今后较长一段时 间内还要与新建的数字化变电站的一、二次系统同时存在，需要探讨过渡方案以 及与常规自动化系统和一次设备的兼容问题。 上述工作具有如下意义： 基于i e c 6 1 8 5 0 标准的数字化变电站在国内外基本处于试验和积累经验阶 段，目前建成的或正在建设的数字化变电站大多不具备真正意义上数字化变电站 的全部特征。有些变电站仪实现了站内的i e d 按照i e c 6 1 8 5 0 标准进行通信，或 者在站内采用电子式互感器。即使同时采用了以上两项技术，离实现整个变电站 的数字化通信还有一段距离，特别是对断路器、隔离开关及变压器的数字化研究 还不是很成熟。因此研究全数字化变电站的关键技术和理论以及建设方案对数字 化变电站的推广应用以及今后的安全运行都具有重大意义。 在现有技术条件下，由于不能完全按照数字化变电站建设方案来实施，可以 按照过渡方案逐步推进。进行数字化变电站过渡方案以及与常规自动化系统和一 次设备实现兼容的方案研究，可以节约变电站改造或建设费用，提高改造或建设 2 方案的可操作性和实用性，使数字化变电站的推广应用更具有吸引力。 总之，完善的建设方案将确保建成的数字化变电站具有先进性和实用性，提 高变电站的自动化水平，减少变电站的占地面积，使变电站内的设备维护和升级 改造更容易，最终达到提高效益、增加可靠性的目的。 1 2 相关技术概况 i e c 6 l8 5 0 标准的颁布给数字化变电站提供了理论基础，电子式互感器和智 能断路器等一次设备地智能化是建立数字化变电站的必备条件，计算机网络技术 和光纤通信技术是安全、可靠地传送变电站信息的重要保证。以上标准、技术的 应用都是建设数字化变电站不可或缺的因素，其研究和发展也处于不同的阶段。 1 2 1 i e c 6 1 8 5 0 标准及相关智能设备研制 i e c6 1 8 5 0 标准是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，国 际电工委员会( i e c ) t c 5 7 工作组( w g l o 1 1 1 2 ) 从1 9 9 5 年开始制定，2 0 0 2 年提出草案，2 0 0 4 年大部分内容正式颁布。其核心可归纳为信息建模、抽象服 务、具体映射三部分。与传统通信协议体系相比，具有以下特点：采用分层体系； 信息传输采用与网络独立的抽象通信服务接口( a c s i ) 和特定通信服务接口 ( s c s i ) ；信息模型采用面向对象、面向应用的自描述；具有互操作性1 2 。它 的制定和发布为构建数字化变电站的通信网络提供了理论基础和技术依据，将逐 步成为变电站自动化系统统一的国际标准。我国也正在将该标准等同引用为国家 标准g b t8 6 0 。 国外厂家在制定i e c 6 1 8 5 0 标准时就展开了基于i e c 6 1 8 5 0 的i e d 研制，并 进行了互操作性试验，目前已积累了不少经验。国内i e d 厂家从前几年就已经 积极开展基于i e c6 1 8 5 0 标准的i e d 研制和实际应用，目前国内规模较大的几个 厂家都推出了相关产品，但在国内应用的数量不是很多，量产还需要一定的时间。 1 2 2 变电站自动化技术的应用 变电站自动化技术一直是我国电力行业的热点技术之一，新建的变电站基本 上都采用了自动化系统模式。目前主流产品均采用面向间隔、面向对象 ( o b j e d o r i t e d ) 设计的分层分布式结构模式。该模式按变电站的控制层次和对 象设置全站控制级( 站控层) 和就地单元控制级( 间隔层) 的二层式分布控制系 统结构。站控层一般采用以太网，间隔层采用现场总线或以太网。变电站自动化 技术地广泛使用极大地推动了数字化变电站技术的发展和实用化进程。 但是之前由于缺乏统一和先进的通信标准，以及受一次设备非数字化的制 约，变电站自动化技术已不能完全满足现代电网发展的要求。 1 2 3 电子式互感器及接口设备的应用 电子式互感器指有别于传统的电磁型电压电流互感器的新一代互感器，简 称e c t e v t ，主要包括以罗柯夫斯基( r o g o w s k i ) 线圈为代表的有源电子式电 流互感器和采用法拉第效应光学测量原理的无源( 光电式) 电流互感器。电子式 互感器具有无磁饱和，抗电磁干扰能力强，动态范围大、测量精度高，无二次开 路危险、绝缘结构简单等优点。 电子式互感器的接口设备主要包括合并单元和扩展仪用传感器单元i t u 。 i e c 6 1 8 5 0 标准定义了电子式电流电压互感器的接口设备合并单元，其主要 功能是同步采集多路e c t e v t 输出的数字信号后按照标准规定的格式发给保 护、测控设备。它与二次设备的接口是串行单向多路点对点连接。i e c 定义的扩 展仪用传感器单元i t u 既具备将传统互感器的输出模拟量进行数字化的功能， 也具备输出模拟量的功能，从而具有较高的灵活性，很容易与各种系统接口配合 使用。 国外几家大公司从上世纪5 0 年代就开始研制电子式互感器，目前已经研制 出1 1 5 7 5 6 k v 精度达到0 2 级的电子式互感器并进行了挂网运行，取得了较丰 富的运行经验，部分电子式互感器已经进入商业化运行。我国自二十世纪九十年 代以来有多家科研机构开始进行研制工作，目前有多种电子式和光电式互感器样 机研制出来，取得了一定的试运行经验，并逐步进入实用化阶段。电子式互感器 与断路器设备集成技术将是今后的研究方向。 1 2 4 智能断路器技术的应用 智能断路器技术是指应用微电子技术、计算机技术和新型传感器建立的具有 4 智能化操作功能的断路器。能自动调整断路器的运动特性，实现重合闸的智能操 作以及分合闸相角控制，实现断路器选相合闸和同步分断，同时实现对断路器的 在线监测。目前对于断路器操作技术的智能化尚处于研究、试验阶段，实际工程 应用的许多技术问题还有待于解决。作为智能断路器技术的补充，断路器智能监 视和智能控制技术得到了相应的发展和应用。 智能断路器技术迟迟不能完全进入实用化阶段丰要原因在于断路器的跳闸 方式发生了根本性变化，从以往电缆传输跳合闸命令的操作方式变为通信报文操 作方式，在技术和观念上都发生了重大变化。基于i e c 6 1 8 5 0 标准的g 0 0 s e 等 快速报文传递合闸命令的可靠性、实时性还需要时间来验证，断路器跳合闸回路 的重要性使断路器制造商和电力企业在智能断路器的研制和使用上都非常谨慎。 国外已经研制出了5 0 0 k v 及以下等级的智能断路器，如文献【4 】，日本三 菱公司5 5 0 k vm i t s 智能化开关，它通过将断路器、隔离开关接地开关及测量 互感器集成在一个装配单元实现了设备的一体化。可以抑制开关分、合闸过程中 产生的过电压，使系统的电压波动减至最低，并且可以省略合闸电阻、延长触头 寿命。 1 2 5 计算机网络技术的应用 计算机网络技术和光纤通信技术是支撑数字化变电站关键技术之一。随着以 太网技术不断成熟，嵌入式以太网在工业控制领域地广泛应用，使变电站网络有 条件采用低廉、成熟的以太网。国外大量的实验证明，在网络负荷小于2 5 情况 下，以太网可以满足变电站实时通信的要求。 虚拟局域网( v l 悄) 技术是一种利用现代交换技术将局域网内的设备逻辑 地划分为多个网段的技术。这样，变电站中控制网段和非控制网段可以从逻辑上 划分，而不是依赖物理组网方式以及设备的安装位置，从而有效保证了控制网段 的安全性。 快速生成树协议i e e e 8 0 2 1 w ( r a p i ds p 锄i n g t r e ep r o t o c 0 1 ) 卯：传统以太网 中不能出现环路，因为由广播产生的数据会引起无限循环而导致阻塞。依靠快速 生成树协议可以解决上述问题，这样使变电站中可以采用多种冗余链路设计，保 证网络的可靠性。 i e e e 8 0 2 1 p 排队特性采用带e e 8 0 2 1 q 优先级标签的以太网数据帧，使得 具有高优先级的数据帧获得更快的响应速度。该技术使得数字化变电站的网络结 构有可能得到简化。 实时以太网将成为解决工业以太网实时性的一个根本措施硒1 。实时以太网将 以太网上的节点分为两类：有实时性要求的实时节点和没有实时要求的标准以太 网节点，即非实时节点。把网络上相距最远的两个节点之间信号传输时延的2 倍定义为最小竞争时隙。当有数据要发送时，首先侦听信道，如果节点在一个最 小竞争时隙内没有检测到冲突，则该节点认为信道空闲，获得了信道的访问控制 权，节点便开始发送。发送报文后如果检测到冲突，实时节点按照优先级的高低， 决定是否坚持发送竞争信号，还是把信道让给更高优先级的节点。具有高优先级 的实时节点坚持发送竞争信号。竞争信号的长度不小于最小竞争时隙的长度。非 实时节点若检测到冲突，都会在实时节点发送完一个竞争信号之前停止信号发 送，执行退避算法，按c s m c d 协议继续侦听。当实时节点发送完一个竞争信 号后，如果检测到信道上的冲突已消失，说明其他的实时节点都已经退出竞争， 该节点就取得信道的访问控制权，停止传输竞争信号，重传被破坏的数据帧。通 过这种总线竞争仲裁机制，使实时节点的通信实时性得到保证。 可以预计，千兆以太网的成功应用和下一代局域网的发展将使变电站的通信 网络得到简化，也使站内、外数据通信更加可靠、快速盯1 。 1 2 6 数字化变电站的建设情况 国内外数字化变电站的研究和建设均处于起步阶段。我国的数字化变电站建 设基本上按照先在1 1 0 k v 及以下变电站中进行试点，然后往高的电压等级发展 的思路，当然这中间还需要进行大量的研究。“十一五”期间作为数字化电网基础 的数字化变电站工程试点应用将成为电网建设和变电站控制技术发展的新热点。 至今有云南、山东、江苏、陕西等省已进行l l o k v 电压等级的数字化变电站的 改造、建设并投入运行，取得了一定的经验。国家电网公司制定了未来5 年内研 究和推广数字化变电站技术的实施方案，在国家电网公司新技术推广纲要提 出了数字化变电站的实施进度表：2 0 0 7 年在无锡1 1 0 k v 苑石变电站示范应用( 已 投运) ，2 0 0 9 年在铜陵2 2 0 k v 南郊变电站示范应用，2 0 0 9 年吉林公司安排5 0 0 k v 6 电子式互感器示范应用；“十一五”后期开展5 0 0 k v 变电站示范应用。 1 3 小结和展望 我国拥有各种电压等级的变电站，随着经济增长，电力需求在不断增加，我 国的变电站数量也将大幅增加，将这些变电站建成( 或改造) 为信息高度集成的 数字化变电站将极大地提高变电站的自动化水平和运行可靠性，从而提高电力企 业的经济效益和管理水平。 但是，我们必须清楚地看到，数字化变电站的建设刚刚处于探索阶段，构成 数字化变电站的关键技术和设备需要不断研究和完善，数字化变电站的推广需要 大量的经验积累。今后需要在以下几个方面进行重点研究： ( 1 ) 加快智能断路器技术理论研究和实用化进程，这是实现数字化变电站 必须解决的一个重要技术问题。 ( 2 ) 进一步加强电子式互感器的实用化研究以及与高压开关设备集成技术 的研究，充分发挥其应有的优势。 ( 3 ) 解决i e c 6 1 8 5 0 标准在实际应用中的互操作性问题。由于对i e c 6 1 8 5 0 标准理解不统一，各厂家生产的基于i e c 6 1 8 5 0 标准的设备也存在差异，需要对 i e c 6 1 8 5 0 进行更深入地研究，以便真正实现变电站i e d 的无缝连接和即插即用。 ( 4 ) 研究基于数字量测系统的微机保护软件和硬件，解决各种可能出现的 新问题。 1 4 本文主要工作 本文将对数字化变电站的建设方案问题进行深入研究与分析。在已有数字化 变电站的相关理论基础上，结合本人对数字化变电站的研究成果和工作经验，提 出先进、可靠的数字化变电站建设方案，并对数字化变电站近期的过渡方式、与 常规变电站自动化系统以及一次设备的兼容方案作进一步探讨。对于与常规综合 自动化变电站相似的内容在本文中不做详述。所做的重点工作如下： ( 1 ) 在充分总结数字化变电站相关理论和技术的基础上，初步形成数字化 变电站的整体模型，提出了数字化变电站的特征和需要实现的功能。 ( 2 ) 对变电站三层网络进行技术分析，针对一个常规的2 2 0 k v 变电站，提 出了过程总线和变电站总线的组网原则，并按照提出的组网原则构建数字化变电 7 站的通信网络结构。 ( 3 ) 对构建数字化变电站的主要产品和关键技术进行调研基础上，提出了 数字化变电站的主要设备配置原则和选择方案，形成了先进、可靠的数字化变电 站建设方案。 ( 4 ) 对国内某些进行试点研究的数字化变电站建设方案进行总结和归纳， 运用前面的研究成果，探讨在现有技术条件下建设数字化变电站需要采取的一些 过渡方案和技术措施，并进一步讨论在目前大量常规一次设备和现有综合自动化 系统存在的情况下，如何实现与这些设备的兼容，使本文提出的数字化变电站建 设方案更具有实用性和可操作性。 8 第2 章变电站数字化发展及其标准的现状 2 1 变电站数字化的发展 i e c 将“变电站自动化系统”( s u b s t a t i o na m t o m a t i o ns y s t e m s a s ) 解释为“在变 电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统”( s a s s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t 锄： t l l es a s p r 0 v i d e s a u t o m a t i o ni nas u b s t a t i o n i n c l u d i n g t h e c o m m 珊i c a t i o ni n 行a s 劬l 咖e ) 。在国内，我们所说的变电站自动化系统，包含传 统的自动化监控系统、继电保护、自动装置等设备，是集保护、测量、控制、远 传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次 设备及系统咖。我国的自动化系统发展基本上可以归纳为以下几个阶段： 第一阶段为8 0 年代面向功能设计的集中式r 1 u 加常规保护模式，该类系统 实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设r 1 可装置，功能主要为与 远方调度通信实现“二遥”或“四遥”( 遥测、遥信、遥控、遥调) ；与继电保护及安 全自动装置的联结通过硬接点接入或串行口通信较多。见图2 1 ，此类系统称为 集中i 玎u 模式，目前仍有少量使用。 r 羽 。一l _ l _ _ - l l - - - o o - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 i “e 丽硬币面m mo 矗e 丽h r r u h 变压； 分接头调节 交芷【漉采样ll 开关蜓采懿ll 电能袭胜冲采粱| | 开关控制输 1 ci i丫xl iy m| |y k 图2 1 以i 玎u 为基础的变电站自动化系统 9 0 年代初，数字式保护的广泛应用，使变电站自动化技术取得快速的进展， 出现了面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式。即在变电站控制室内设 置计算机系统作为变电站自动化的控制中心，另设置数据采集和控制部件用以采 集数据和发出控制命令。保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各 自信息送到后台或调度端计算机。微机保护通过数据通信与自动化系统进行信息 交换，并应用了现场总线和网络技术，此类集中式变电站自动化系统可以认为是 国内集中式变电站自动化系统的第二阶段，图2 2 是此类系统的典型框图。但这 种系统电缆互联仍较多，扩展性不强。 9 图22 集中式变电站自动化系统典型框图 9 0 年代中期，随着计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发艘出现了 面司隔、m i _ 对象( o b l c c t 一0 n e n t e d ) 设计的分层分巾式结构模式，这是第= 三阶 段的变电站自动化系统。该模式按变电站的控删层次和封缘设置全站控制缴( 站 控层) 和就地单兀控制级( 隔层) 的j 层式分布控制系统结构。站控层大致包 括站捧系缋s c s ( s u b s t m l o nc o n t m ls v s t e m ) 、站临视系统s m s ( s u b s t m l o n m o n l t o n n gs y s t c m ) 、站工群师_ t 怍台e w s ( e n 9 1 n e 廿w o r k t n gs t a i 】o n ) 及与电i 叫 调度- p 心的通信系统r t l 鹏c a d a 。 h 前卜4 内外 ：流j 家均采j h 了此类结构模式。1 1 0 k v 以f 电压等级变电站 保护洲摔装置般采l f j 一体化装旨：1 1 0 k v 及以 ，电压等级保护、测控人多按q 隔分别蹬n 时趟高压变电站的规模比较人的系统，为减少t p m 环节，避免通信 瓶领拦求装黄卣接i 。以a 网与监控后台通信甚争要求保护和监拧删络独市组 嘲。见罔23 分布式变电站自动化系缝典型框吲， 阿 一i l l 。一 干f o f 1i 蛰。j ； 国2 3 分布式变电站自动化系统典型框图 变电站自动化系统采用分布式结构相比前面几种结构可以大大减少电缆，降 低造价。同时由于采用了先进的网络通信技术和面向对象设计，整套系统配置灵 活、扩展方便。 但是，即使是采用分布式自动化系统的变电站，由于各种i e d 需要互感器 提供多组不同功能的二次绕组，它们之间信息也不能实现共享；变电站内一次设 备和二次设备以及二次设备之间还需要依靠大量的电缆连接来实现信息及命令 地传输；i e d 之间互操作性和互换性差，系统升级改造工作复杂，影响面大。因 此变电站自动化系统需要采用更新的技术来适应目前电网的发展需要。 2 2 变电站自动化系统通信规约简介 在通信网中，为了保证通信双方能正确、有效、可靠地进行数据传输，在通 信的发送和接收过程中有一系列的规定，以约束双方正确、协调进行工作，我们 将这些规定成为数据传输控制规程，简称为通信规约。一个通信规约包括的内容 主要有：代码( 数据编码) 、传输控制字符、传输报文格式、呼叫和应答格式、 差错控制步骤、通信方式( 指单工、半双工、全双工通信方式) 、同步方式及传 输速度等四1 。 当主站和各个远方终端之间进行通信时，通信规约明确规范了以下几个问 题：要有共同的语言；要有一个既定的操作步骤( 控制步骤) ；要规定检查错误 以及出现异常情况时计算机的应对方法。 目前，用于电力系统的通信规约种类很多，有国际标准、国家标准、也有行 业标准。电力系统经常使用的主要有以下通信协议：部颁c d t 循环通信协议、 d n p 3 0 通信协议、m o d b u s 通信协议、i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信协议等。 ( 一) 部颁c d t 循环通信协议 该协议是电力系统使用最早的通信协议，数据以帧结构循环发送。由于其简 单可靠，至今还被广泛使用。但是由于其帧结构的局限性，c d t 规约循环不停 地上报所有事先规定的信息，不管信息是否有变化或主站是否需要，都会不停地 上报。给发送端和主站增加了负担，这种循环发送式的通信方式造成了时间上的 延时和资源的浪费，严重时会影响到系统的性能。 ( 二) d n p 3 o 通信协议 d n p 3 0 是美国i e e e 的电力工程协会在i e c 的基础上制定的美国国家标准。 d n p 3 0 将基本应用数据分为四大类：固态值、事件数据、固态冻结数据、事件 冻结数据。基本扫描方式有四种：哑态工作方式；非请求变位工作方式；变位扫 描方式；扫描静态方式。在最常用的变位扫描方式中，d n p 3 o 可以利用2 种方 法获得变位数据，一种是读取事件数据来获得变位数据，这种方法灵活性好，且 可以在线修改。另一种是利用简单的方法读取固定的变化数据，这种方法通道利 用效率较高。该协议的特点是传送信息量很大，支持突发事件主动上报、变化信 息上报和提供通信链路确认的功能，但d n p 3 o 规约本身功能复杂，需要很大的 程序才能实现。 ( 三) m o d b u s 通信协议 该协议是a b b 为其自动化设备提供，用于实现主从结构的控制网通信协议。 该协议为问答式通信协议，采用读写累存器的格式。m o d b u s 通过r s 2 3 2 通信 支持多点连接，最多能支持3 2 个节点，通信报文结构简单，可完成较简单的对 从机的读写操作，最高通信速率为1 9 2 0 0 b p s 。 由于m o d b u s 不提供s o e ( 事件顺序记录) 的功能，在电力系统的事故分 析方面造成了不便。因为采取被动的问答式通信，变化信号不提供主动上报，造 成信号上报速度慢，所以m o d b u s 只适用于实时性不高不要求s o e 的系统。 ( 四) i e c 6 0 8 7 0 5 系列 该规约由三大部分组成： ( 1 ) 物理层的选用及数据链路层的定义和选用。 ( 2 ) 应用层基本功能定义及选用。 ( 3 ) 各个典型工业过程的数据及功能定义标准。 该通信规约主要内容如下：i e c 6 0 8 7 0 一5 1 ，传输帧格式；i e c 6 0 8 7 0 5 2 ，联结 传输步骤；i e c 6 0 8 7 0 5 3 ，应用数据通用格式；i e c 6 0 8 7 0 5 4 ，应用数据的定义 和编码；i e c 6 0 8 7 0 5 5 ，规定基本的应用功能；i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ，用于电力系统 远动通信；i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 ，用于电力系统总加数据传输的补充标准； i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 3 ，用于继电保护设备信息接口配套标准；i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ，用于 远动、就地监控主站与i e d 设备间的s c a d a 监控信息的通信。 1 2 i e c 6 0 8 7 0 5 ，1 0 l 协议已经成为我国电力系统远动通信标准，其传输的信息量 很大，信息地址可以是2 个字节或3 个字节。具有平衡方式和不平衡方式两大类， 平衡方式是主站可以查询r 1 u 的信息状态，对l 玎u 进行控制，r 1 w 也可以主动 和主站建立通信联结，不平衡方式是主站只能对i 盯u 进行查询。目前在我国大 多使用的是不平衡方式。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 协议功能强大，一旦产生突变信息， l 玎u 便插入变化信息的标志，然后主站进行查询变化数据；上报的速度也很快， 平时丰站仅查询变化数据，i 玎u 有数据变化就把变化的信息上报，报文格式比 较简单，所占的资源比较少。 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 协议用于控制系统与继电保护设备信息交换中的继电保护 设备的信息接口配套标准，物理层采用光纤传输或r s 4 8 5 接口。该协议在继电 保护装置的r s 4 8 5 串行通信接口中应用较为广泛。 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 协议是国际电工委员会为了满足1 0 1 远动通信协议用于以 太网而制定的。 1 0 3 协议和1 0 4 协议同属于i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准的配套标准，它们共享相 同的应用数据结构和应用信息元素的定义和编码，会给通信数据的处理带来较大 方便。 由于目前使用的规约比较多，不同的设备生产厂家使用的规约不同，甚至同 一个厂家在不同时期生产的产品使用的规约也不同。这样往往造成同一个变电站 之内存在两种或更多的规约，系统集成时需要厂家根据不同的工程项目开发不同 的规约转换器来实现，增加了工程工作量，同时造成i e d 之间的数据交换产生 额外时延。而且目前采用的规约都是面向点的，而不是面向设备的，设备之间的 互操作性差，系统的扩展、升级困难。 因此变电站通信系统标准不统一以及标准的局限性是制约变电站自动化系 统发展的一个重要因素，i e c 6 1 8 5 0 是新一代的变电站通信网络和系统协议，为 变电站自动化系统向全数字化方向发展提供了基础1 。 1 3 第3 章i e c6 1 8 5 0 标准 i e c6 1 8 5 0 标准是国际电工委员会( i e c ) t c 5 7 工作组( w g l 0 1 l 1 2 ) 从 1 9 9 5 年开始制定一部面向未来的变电站内的通信标准，2 0 0 4 年大部分内容正式 颁布。它的制定和发布为构建数字化变电站的通信网络提供了理论基础和技术依 据，将逐步成为变电站自动化系统统二的国际标准。我国也正在将该标准等同引 用为国家标准g b 厂r8 6 0 。 3 1 主要内容 i e c 6 1 8 5 0 标准是目前国际上统一的变电站无缝网络通信标准，一共分为1 0 个部分： ( 1 ) 6 1 8 5 0 1 ：基本原则，包括i e c 6 1 8 5 0 的介绍和概貌。 ( 2 ) 6 18 5 0 2 ：术语。 ( 3 ) 6 1 8 5 0 3 ：基本要求，包括质量要求( 可靠性、可维护性、系统实用性、 轻便性、安全性) ，环境条件、辅助服务，其他标准和规范。 ( 4 ) 6 1 8 5 0 4 ：系统和工程管理，包括工程要求( 参数分类、工程工具、 文件) ，系统使用周期( 产品版本、工程交替、工程交接后的支持) 、质量保证( 责 任、测试设备、典型测试、系统测试、工程验收、现场验收) 。 ( 5 ) 6 1 8 5 0 5 ：对功能和设备模型的通信要求，包括逻辑节点的途径，逻辑 通信链路，通信信息片p i c o m ( p i e c eo fi n f o m a t i o nf o rc o m m u n i c a t i o n ) 的概念， 功能的定义。 ( 6 ) 6 1 8 5 0 6 ：变电站自动化系统的结构语言，包括装置和系统属性的形式 语言描述。 ( 7 ) 6 1 8 5 0 7 ：变电站和馈线设备的基本通信结构，其中： 6 1 8 5 0 7 1 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一原理与模型。 6 1 8 5 0 7 2 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一抽象通信服务接口 ( a c s i ) 。a c s i 定义了与实际所用的通信协议无关的应用。a c s i 提供了6 种服务模型：连接服务模型，变量访问服务模型，数据传输服务模型，设备 控制服务模型，文件传输服务模型，始终同步服务模型。 6 1 8 5 0 7 3 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一公共数据级别的属 1 4 性，包括抽象公共数据级别和属性的定义。 6 1 8 5 0 7 - 4 ：变电站和馈线设备的基本通信结构一兼容的逻辑节点和数 据对象的寻址，包括逻辑节点的定义、数据对象和他们的逻辑寻址。 ( 8 ) 6 1 8 5 0 8 ：特殊的通信服务映射( s c s m ) ，变电站和间隔层内以及变电 站层和间隔层之间的通信映射。 6 1 8 5 0 8 1 ：映射到m m s 。 ( 9 ) 6 1 8 5 0 9 ：特殊的通信服务映射( s c s m ) ，间隔层和过程层以内以及间 隔层和过程层之间通信的映射，其中： 6 1 8 5 0 9 1 ：串行单向多路点对点链路；该部分规定了用于间隔层和过 程层之间通信的s c s m ，规定了一种模拟量采样值传输的抽象服务映射，这 种传输基于与i e c 6 0 4 4 8 相一致的单向多路点对点串行通信链路。可用于变 电站内电子式电流互感器( e c t ) 和电压互感器( e v t ) 的合并单元与间隔层 i e d 之间的通信。 6 18 5 0 9 2 ：特殊的通信系统映射。 ( 1 0 ) 6 1 8 5 0 1 0 ：一致性测试。 3 2 标准的特点 i e c 6 1 8 5 0 标准是关于变电站自动化系统第一个完整的通信标准体系，其核 心可归纳为信息建模、抽象服务、具体映射三部分，与传统通信协议体系相比， 在技术上有如下突出特点： 3 2 1 使用分布、分层体系 i e c 6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要求完成的控制、监视和继电保护三大 功能从逻辑上和物理概念上将系统分为三层，即变电站层( 第2 层) 、间隔层( 第 l 层) 、过程层( 第0 层) ，并定义在3 层间的9 种逻辑接口。i e c 6 1 8 5 0 给出的 变电站自动化系统接口模型如图3 1 所示。在变电站和间隔层之间的网络采用抽 象通信服务接口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 i p ) 以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太 网。变电站内的智能电子设备i e d 均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。 匍粕版 一簟口 i 生坛 图3 1 交电站自动化系统接口模型 间隔层和变电站层之间保护数据交换。 间隔层和远方保护之间保护数据交换。 间隔层内数据交换。 过程层和间隔层之间，r v 和t a 暂态数据交换( 主要是采样) 。 过程层和间隔层之间控制数据交换。 间隔和变电站层之间控制数据交换。 变电站层与远方工程师站数据交换。 间隔之间直接数据交换，尤其是像联闭锁这样的功能。 变电站层内数据交换。 过程层丰要完成开关量、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相 关的功能。过程层通过逻辑接口4 、5 与间隔层通信。间隔层的功能是利用本间 隔的数据对本间隔一次设备产生作用，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4 、5 与过程层通信，通过逻辑接口3 完成间隔 层内部的通信功能。变电站层的功能分为两类： ( 1 ) 与过程相关的功能，主要指利用各间隔或全站的信息对多个间隔或全站一 次设备发生作用的功能。如母线保护或全站范围内的闭锁等，变电站层通过逻辑 接口8 完成通信功能； ( 2 ) 与接口相关的功能，主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信， 通过逻辑接口1 、6 及7 完成通信功能。 i e c 6 1 8 5 0 的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同。在现有系统中 过程层的功能主要是在间隔层设备中实现的，于是就没有独立的逻辑接口4 、5 1 6 了，随着电子式电流、电压互感器的使用，现代电力技术的发展趋势是将越来越 多的间隔层功能下放到过程层中去，可见i e c 6 1 8 5 0 是个面向未来的开放的标准。 如文献【1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 】，i e c 6 1 8 5 0 除了将变电站自动化系统分成变电站层、 间隔层、过程层之外，每个物理装置又由服务器和应用组成，将服务器( s e r v e r ) 分为逻辑装置( 1 0 9 i c a ld e v i c e ) 逻辑节点( 1 0 酉c a ln o d e ) 数据对象( d a t a 0 b i e c t ) 数据属性( d a t aa t t r i b u t i o n ) ( 如图3 2 所示) ，物理装置内包含服务器 和应用。从应用方面来看，服务器包含通信网络和i o 。由i e c 6 1 8 5 0 来看，服 务器包含逻辑装置，逻辑装置包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性。 从通信角度来看，服务器通过子网和站网相连，每1 个i e d 既可扮演服务器角 色也可扮演客户的角色。功能、逻辑节点和物理设备的关系如图3 3 所示。 貔 图3 2 客户_ 服务器和逻辑节点 这种分层，需要相应的抽象通信服务来实现数据交换。a c s i 服务有服务器 模型、逻辑装置模型、逻辑节点模型和数据集模型，通过s e r v e rd i r e c t o 巧收集 服务器中的逻辑装置名字和文件名字，通过l dd i 砌冀o r y 收集每个逻辑装置中的 逻辑节点名字，通过l nd i r e c t o 拶收集每个逻辑节点中的数据对象名字，通过 d a t ad i r e 咖收集每个数据对象中的数据对象属性名字，通过这样的服务建立 起完整的分层数据库模型。通过g e td a t ad e f i n i t i o n 服务中的参数分别读取全部 数据对象属性定义、一个数据对象属性定义或受请求功能约束的全部数据对象属 性。这样提供可直接访问现场设备，对各个制造厂的设备都用同一种方法进行访 问，这种方法可以用于重构配置，很容易获得新加入设备的名称和用于管理设备 1 7 的属性。因此i e c 6 1 8 5 0 是面向设备和对象的 曰33 功能、逻辑节点和物理设备的关系 32 2 采用与网络独立的抽象通信服务接口和特定通信服务接口 电力系统f i 息传输的 蔓特点是信息传输有轻重缓急之分，并l 应能蛮规时 间步，此变电站通信网络应囱优先缓和满足时间步要求。i e c 6 1 8 5 0 标准 总结了| b 力牛产过程特点和受求，纳h 1 电力系统所必须的信息传辅的网络吸 务，设计m 抽馨通信服务接口a c s t f a b n r a c tc o m m u n i c a t