（计算机应用技术专业论文）基于iec+61850的电力远动实时信息交换的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电子技术、计算机技术、通信技术的迅速发展，电力远动系统将面临重 大的技术革新。本文通过对当前电力远动系统的分析，提出了基于i e c6 1 8 5 0 的 电力远动实时信息交换方案。本文对i e c6 1 8 5 0 中涉及的技术进行了详细研究， 着重考虑了具体实现中应该注意的问题。通过对i e c6 1 8 5 0 的建模方法、信息交 换方法、特定通信服务映射、变电站描述语言详细分析，裁减了i e c6 1 8 5 0 的信 息交换模型使之用于电力远动实时信息交换；扩展了s c l 语言用于变电站单线图 描述：并使用n e t 框架模拟实现了该方案，验证了该方案的可行性。 本文最后对基于1 e c6 1 8 5 0 的嵌入式系统、即插即用进行了初步探讨。 关键词：i e c6 1 8 5 0 ，实时信息交换，无缝体系结构 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , p o w e r t e l e c o n t r o ls y s t e mw i l lf a c et h es i g n i f i c a n tt e c h n i c a l r e n o v a t i o n b ya n a l y z i n gt h ep r e s e n tp o w e r t e l e e o n t r o ls y s t e m ，ar e a l t i m ei n f o r m a t i o n e x c h a n g es c h e m eo fp o w e r t e l e c o n t r o lb a s e do i li e c6 1 8 5 0h a sb e e np r e s e n t e d t h e i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si n v o l v e di ni e c 618 5 0 ，e s p e c i a l l ys o m e p r o b l e m t h a ts h o u l db e p a i da t t e n t i o n t oi nt h es p e c i f i cr e a l i z a t i o no fi e c6 1 8 5 0h a v eb e e nr e s e a r c h e df u r t h e r o nb a s i so ft h ea n a l y s i sa n dr e d u c t i o no ft h em o d e l i n gm e t h o d s ，i n f o r m a t i o ne x c h a n g e m e t h o d s ，s p e c i a l c 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 ，s u b s t a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e s c lo fi e c618 5 0 ，t h em o d e lo fr e a l - t i m ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ei np o w e rt e l e c o n t r o l s y s t e m h a sb e e ne s t a b l i s h e d ；t h e s i n g l e - l i n e o fs u b s t a t i o nh a sb e e nd e s c r i b e d b y e x t e n d i n gt h es c l t h em o d e lh a sb e e ns i m u l a t e du n d e r t h e n e tf r a m e ，a n dt h er e s u l t s p r o v et h ev a l i d a t i o na n df e a s i b i l i t yo f t h es c h e m e a t l a s t ，s o m ea s p e c t ss u c h o st h ee m b e d d e d s y s t e m ，p l u g - a r i d - p l a yb a s e d o ni e c 618 5 0h a v eb e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e n d ij i a n ( c o m p u t e r a p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h uy o n g l i k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ，r e a l - t i m ei n f o r m a t i o ne x c h a n g e s ，s e a m l e s sa r c h i t e c t u r e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i e c6 1 8 5 0 的电力远动实 时信息交换的研究，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：重灶日 期：妒轳z - 己b 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) 作者签名：阻导师签名：! 垫! ! 堑。 日期伊彤，z ；l日期 丝! ：生7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章引言 电力远动系统是实现电力系统生产过程监视、控制、管理的重要手段，是电 力系统自动化的重要组成部分。电力远动系统最初关注远动、远方保护及其远方 通信，后来发展到电力系统控制及其通信领域，包括：s c a d a ( 监视控制和数据获 取) 、e m s ( 能量管理系统) 、d m s ( 分布式管理系统) 、d a ( 分布式自动化) 、远方 保护及其通信。现在进一步发展为电力系统管理及其信息交换，增加了和电力系 统的计划、操作和管理有关的实时信息交换和非实时信息交换内容。新一代电力 远动系统的基础条件已经具备，电力远动系统将面临重大的技术革新“”。 1 1 1 电力远动系统传输规约 随着变电站自动化技术的快速发展，国内外厂商推出了各式各样的电力远动 设备。各自使用专用的远动通信协议，这导致了系统结构复杂、系统可靠性降低， 同时也增加了系统的成本和维护费用。因此，有必要制定各个厂商共同遵守的变 电站自动化系统对内对外通信协议国际标准。了解电力远动规约的发展过程，有 助于规约现状及发展趋势。下面介绍电力远动规约及相关标准的发展情况。 1 11 1c d t 规约 循环式远动规约( c y c l i cd i g i t a lt r a n s m i t ，简称c d t ，d l4 5 1 9 1 ) 规定 了电网数据采集与监控系统中循环式远动规约的功能、帧结构、信息字结构和传 输规则等。适用于点对点的远动通道结构及以循环字节同步方式传送远动设备与 系统”3 。适用于调度间转发实时信息的系统。 主要优点：这种传输模式不需要主站干予；传输信息时只需使用单向信道： 当传输过程中某些数据出现差错时，可以用下一次循环中的数据来补救。 主要缺点：循环传输模式的传送时延与一次循环中传送远动信息的数量有关， 传送的数量越多，传送的时延就越长；这种传输模式即使用户数据毫无变化，也 照样向主站发送数据，因此在正常情况下，信道的有效利用率不高，且下行困难； 奇偶校验检错能力差( 偶数位同时出错时认为正确) 。 1 1 1 2p o l l i n g 问答式远动规约规定信息传输采用异步通信方式，是一种主从的远动规约。 由调度端不断地发出召唤代码发动通信，变电站只有在在响应后才上送本站信息。 第l 页共5 i 页 华北电力大学硕士学位论文 问答式主流规约p o l l i n g 规约传送的报文以八位字节为单位，附加起始停止位， 但不带奇偶位。 主要优点：主站可以要求被控站发送某些远动信息，也可以要求发送某些类 型的信息等等，工作方式灵活。 主要缺点：由于传送信息的主动权在主站，因而被控站的紧急信息难以及时 发给主站，故上行不够及时：轮流问答的时间太长；数据流的下行难；校验和检 错能力不够。 以上无论哪种通信规约都是采用的传统的串行工作方式，为低速网络设计， 并且采用点到点的电路交换方式进行数据传输，独占通信信道，已经不能满足现 代电力自动化系统的通信要求。 1 1 1 36 0 8 7 0 - 5 系列规约 i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信协议体系是国际电工委员会第5 7 技术委员会第3 工作 组( i e ct c 5 7w g 0 3 ) 于1 9 9 0 年开始制订的用于变电站远动通信的协议体系，即 “远动设备和系统”的第5 部分：传输规约。它借鉴了网络通信协议的分层技术， 运用了三层参考模型即：物理层、数据链路层和应用层，应用层直接映射到数据 链路层。数据链路层通过i e c6 0 8 7 0 5 1 ( 对应g b t1 8 6 5 7 12 0 0 2 ) 、i e c6 0 8 7 0 5 2 ( 对应g b t1 8 6 5 7 一2 0 0 2 ) 描述；应用层的基础部分通过i e c6 0 8 7 0 5 3 ( 对应 g b t1 8 6 5 7 一2 0 0 2 ) 、i e c6 0 8 7 0 一j 一4 ( 对应g b t1 8 6 5 7 一2 0 0 2 ) 和i e c6 0 8 7 0 一j 一5 ( 对应我国国标g b t1 8 6 5 7 一2 0 0 2 ) 描述。i e c6 0 8 7 0 5 系列协议根据应用领域 定义了一系列配套标准：i e c6 0 8 7 0 一j 一1 0 1 ( 对应d l t6 3 4 1 9 9 7 ，d l f l t 6 3 4 5 1 0 12 0 0 2 ) 用于常规远动”3 ；i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 2 ( 对应d l t7 1 9 - 2 0 0 0 ) 用于 电能累计量传输配套标准：i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 ( 对应d l t7 1 9 2 0 0 0 ) 规定继电保 护设备信息接口配套标准。为了充分利用以太网资源，1 9 9 8 年8 月制定了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ( 对应d l t6 3 4 5 1 0 4 2 0 0 2 ) 标准，此协议是将i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 1 的应用层与t c p i p 提供的传输功能相结合，在t c p i p 内的各种网络类型都可以 使用，包括x 2 5 、f r a m er e l a y 、a t 、i s d n ，欧美一些国家调度主站与变电站r t u 的通信主要采用此标准。 i e c 6 0 8 7 0 5 协议体系及其配套标准对变电站内外数据通信协议作了定义，这 对于规范变电站自动化系统的通信体系起了一定作用。但是i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信 协议没有对变电站自动化系统内部的各种实际对象进行建模和描述。各个厂商按 照各自不同的理解进行设计，这是导致不同系统之间互操作性差的根本原因。i e c 6 0 8 7 0 5 一1 0 3 协议适用于r s 一4 8 5 总线的主从式通信协议，它不适合网络通信情形。 i e c 6 0 8 7 0 5 系列通信协议是一个基本的定义，这些定义对于解决互操作问题还远 第2 页麸5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 远不够。由于上述局限性，许多国外学术团体和组织都在积极开展研究工作，他 们尝试着突破i e c 6 0 8 7 0 5 系列的局限，使用新技术、新方法建立新的通信协议体 系，使互操作性问题得到解决。 1 1 1 4 ie o6 0 8 7 0 6 规约 i e c6 0 8 7 0 - 6 系列通信协议是i e ct c 5 7w g 0 7 制定的一套旨在与i s o 和i t u t 兼容的用于电力系统控制的计算机数据通信协议。我国等效采用为国家标准( g b t 1 8 7 0 0 1 ) 。t a s e 2 映射到应用层协议m m s 。但要求通信双方预先建立双边表，是 面向点的协议。i e c6 0 8 7 0 6 系列先后出了两个互不兼容的通信协议体系t a s e 1 和t a s e 2 。现在t a s e 2 已经取得了主导地位，获得广泛的应用。 t a s e 2 是s c a d a e m s 等电网调度控制中心之间的通信协议。但实际上这套协 议不只用于电力调度控制中心之间的通信，也可用于大型枢纽变电站与电网调度 控制中心之间通信。我国已有超高压枢纽电力变电站使用t a s e 2 通过中国电力数 据网( c e d n e t ) 与网调中心和国调中心通信的成功范例。但由于t a s e 2 是调度中 心之间交换信息的协议，采用t a s e 2 作为r t u 和调度中心之间的网络传输协议在 性能上不能完全满足要求，而且t a s e 2 在和变电站自动化系统其他部分的无缝连 接方面存在问题“。 1 1 1 5d n p 3 分布式网络规约第3 版( d i s t r i b u t e dn e t w o r kp r o t o c o l 一3 ，简称d n p 3 ) 是 g eh a r r i s 公司推出的一种远动通信规约，是目前电力系统自动化产品市场上的 一种主流通信规约。它既可作为馈线终端单元( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ，简称f t u ) 与配网主站之间的规约，又可作为r t u 与调度主站之间的规约。 d n p3 o 是开放、智能、稳定、高效的现代的s c a d a 协议。它有以下特点：1 、 能在一个信息包内请求和响应多种数据类型。2 、多帧分段信息确保很好的错误检 测和恢复。3 、响应数据包中仅包括改变的数据信息。4 、对数据项分配优先级并 以他们的优先为依据周期地请求数据项。5 、没有请求的响应( 主动报告) 。6 、支 持时间同步和标准时间格式。7 、允许一点到多点和点到点操作。8 、允许用户可 定义的对象包括文件传输。 d n p 3 0 采用了i s o 七层模型中的三层：物理层、数据链路层和应用层，其结 构为增强协议结构。这种分层结构使得数据传送的可靠性大大提高，同时也便于 软件编程的模块化。物理层一般采用普通的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ：链路层数据帧中每 1 6 字节插入一个1 6 位c r c 校验；为了满足较长数据包的传送，又增加了一个伪 传输层。发送数据时它可以将较长的应用层报文拆分为多个短帧，然后进行多帧 第3 页麸5 1 页 华北电力大学硕士学位论文 传送，反之，接收时将短帧组装成完整的应用层报文。 11 2l e o6 1 8 5 0 和其它远动规约比较 如果电力系统远动采用网络作为通信手段来交换信息，网络传输协议有几种 选择：1 、i e c6 0 8 7 0 5 ：2 、i e c6 0 8 7 0 6 一t a s e 2 ；3 、d n p 3 ：4 、i e c6 1 8 5 0 。其 中i e c6 1 8 5 0 5 包括5 1 0 1 、5 一1 0 2 、5 1 0 3 、5 一i 0 4 o 传统的s c a d a 协议设计时主要考虑：1 、如何有效利用带宽；2 、如何有效利 用硬件( 处理器、r a m 、r o m 空间) ，i e c6 0 8 7 0 一j 和d n p 3 从众多私有协议中发展 为数据采集互操作协议，随着s c a d a 应用的重点从数据采集转移到信息管理，i e c 6 1 8 5 0 前进了一大步，它为大多数公共实际设备和设备组件建立了对象模型，这 些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制，内容涵盖信息管理、一致的 系统知识、标准的信息模型、自描述、元数据、在线验证、利用标准名字而不是 点号操作数据。比较这些远动规约，可得出以下结果“”“”： 1 、所有的方案都为电力远动系统相关需求提供了交换基本实时数据的服务， 例如：单点状态和控制，循环的和自发的报告，数据询问等； 2 、i e c6 1 8 5 0 为采样值和故障命令提供了实时数据交换的手段； 3 、1 0 l 、1 0 3 、1 0 4 、d s p 3 、t a s e 2 具有主要地固定功能；而6 1 8 5 0 支持广泛 的应用，覆盖数据建模，自描述服务，配置服务以及先进的通信模型和服务； 4 、1 0 l 、1 0 3 、d n p 3 、t a s e 2 有许多产品和应用；1 0 4 也有产品可用：i e c6 1 8 5 0 还在开发中； 5 、i e c6 1 8 5 0 、t a s e 2 、1 0 4 以及d n p 3 的一部分采用通用通信网络技术，i 0 1 、 1 0 3 、1 0 4 和d n p 3 的一部分采用经过检验的( 受限制) 的通信解决方案； 6 、所有的解决方案提供第一层的数据获得互操作性； 7 、i e c6 1 8 5 0 将有可能在未来的i e ct c 5 7 无缝的远动通信体系( s t c a ) 中 成为优先的i e c 解决方案，其它解决方案的应用将会逐渐地转移到i e c6 1 8 5 0 ； 在2 0 0 2t c 5 7s p a g 会议上决定使用i e c6 1 8 5 0 作为优先期望的方案； 8 、i e c6 1 8 5 0 有潜能在几乎所有的电力应用领域( 火电、配电、燃气、水利、 风力) 中被当作整合的信息管理使用，给使用者在线提供系统的一致知识； 9 、i e c6 1 8 5 0 提供应用领域特定信息模型( 与语意有关的数据) ，允许高层 的应用互操作性，而不仅限于数据交换服务的互操作。 第4 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外研究状况 1 2 ，1i e c6 18 5 0 研究现状 1 9 9 4 年，德国国家委员会提出了统一通讯协议的设想。1 9 9 5 年i e ct c 5 7 为 此成立了3 个工作组w g i o 1 1 1 2 ，目标是变电站内通信网络及系统，负责制定i e c 6 1 8 5 0 标准。3 “，工作组成员来自欧洲、北美和亚洲国家，3 个工作组有明确的分工， 第1 0 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求，第l l 工作组 负责变电站级数据通信总线的定义，第1 2 工作组负责过程级数据通信协议的定 义。这三个工作组参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要包括： ( 1 ) i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 l 1 0 4 远动通信协议标准； ( 2 ) i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 继电保护信息接口标准； ( 3 ) u c a 2 0 美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系： ( 4 ) i s o i e c9 5 0 6 制造商信息规范( m m 8 ) 。 以上这些标准的内容在i e c6 1 8 5 0 中都有不同程度的引用和反映。1 9 9 7 年1 0 月正式与e p r i u c a 工作组合作。1 9 9 8 年4 月在瑞士鲁萨恩( l u z e r ns w i t z e r l a n d ) i e c 、i e e e 和美国e p r i 达成共识，由i e c 牵头，以美国u c a 2 0 为基础，制定一 个全世界通用的变电站自动化标准，其后i e ct c 5 7 工作组研究i e c6 1 8 5 0 及其数 据模型。1 9 9 9 年3 月，3 个工作组出了i e c6 1 8 5 0 委员会草案版本。1 9 9 9 年8 月 国际电工委员会第三协调局( i e cs b 3 ) 成立配电自动化工作组，指出应围绕统一 的体系结构要求，统筹、协调地制定标准，要制定无缝通信协议，统一数据建模， 并有更多的配电专家参与标准制定。国际电工委员会t c 5 7 在1 9 9 9 年召开的日本 京都年会的战略决策会议( s p a g ) 上决定在将来j l o 年内t c 5 7 的工作重点是将该 标准作为整个电力系统传输协议的唯一国际标准，即“无缝通信系统体系”，并暂 定名为“变电站和控制中心通过6 1 8 5 0 通信”。2 0 0 0 年6 月在德国n u r e m b e r g 召 开的s p a g 会议上确定了建立远动无缝通信协议的必要性和技术途径。2 0 0 1 年6 月1 1 日在挪威奥斯陆s p a g 会议上正式确定名称为“变电站一控制中心通过i e c 6 1 8 5 0 通信”( s u b s t a t i o n - c o n t r o lc e n t e rv i ai e c6 1 8 5 0c o m m u n i c a t i o n ) 的标 准，即电力系统的无缝远动通信体系结构的统一的传输协议6 1 8 5 0 。在i e ct c 5 7 工作组2 0 0 2 年北京会议上，指出今后的工作方向为：追求现代技术水平的通信体 系，实现完全的互操作性，体系向下兼容，基于现代技术水平的标准信息和通信 技术平台，在i t 系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现开放式系统，例如 变电站通信标准用于所有类型的分布式s c a d a 系统。i e c6 1 8 5 0 不仅用于变电站 内通信，而且用于变电站和控制中心通信。i e c6 1 8 5 0 标准经过多年的酝酿和讨 第5 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 论，现在已出版1 5 个部分中的1 3 个。i e c6 1 8 5 0 标准是全世界唯一的变电站网 络通信标准，也将成为电力系统中从调度中心到变电站、变电站内、配电自动化 无缝自动化标准，还可望成为通用网络通信平台的工业控制通信标准。当前，生 产相关产品的国外各大公司都在围绕i e c6 1 8 5 0 开展工作，并提出i e c6 1 8 5 0 的 发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、 一个标准”。 在制定i e c6 1 8 5 0 的过程中，在美国、德国、荷兰等国都有示范工程，用以 验证标准，通过实践来进一步促进标准的完善“。e p r i 进行的变电站通信论证初 步计划( t h eu c a s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n sd e m o n s t r a t i o ni n i t i a t i v e p r o j e c t ) ，该计划按照u c a 2 0 标准至少实现1 2 个站，用于验证u c a 标准的正确 性并将结果反馈回来以便修改标准。1 9 9 8 2 0 0 0 年在德国进行了o c i s ( t h eo p e n c o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n s ) 工程，主要由f g h 、v e w 、a b b 、a l s t o n m 、西门 子等参加。目标是为制定世界统一标准的i e c6 1 8 5 0 积累经验，协调u c a 2 0 和 i e c6 1 8 5 0 ，验证i e c6 1 8 5 0 的抽象通信服务接口和通信棱的独立性。得出的结论 是i e c6 1 8 5 0 中定义的通信概念符合变电站通信要求；需要扩展u c a 2 0 以适应欧 洲市场：以太网技术适合用作站总线：基于i e c6 1 8 5 0 的应用独立于通信栈；i e c 6 1 8 5 0 提供了不同厂商设备之间的互操作性。2 0 0 1 年在范库弗峰( v a n c o u v e r ) 进 行了i e c 面向变电站事件的通用对象( 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 n e v e n t ，简称g o o s e ) 工程，目标是验证i e c6 1 8 5 0 增强的面向变电站事件的通用 对象概念，验证变电站配置语言的基本概念，结论证明面向变电站事件的通用对 象概念的正确性，利用配置语言配置面向变电站事件的通用对象消息可以实现不 同厂商设备之间的互操作性。2 0 0 l 一2 0 0 2 进行的i e c6 1 8 5 0 - 9 一l 的试验验证了i e c 6 1 8 5 0 9 一l 的可行性和正确性。2 0 0 卜2 0 0 3 年进行了i e c6 1 8 5 0 原型试验，目标是 利用可用组件在真正的平台上实现i e c6 1 8 5 0 原型，验证基于i e c6 1 8 5 0 的过程 总线采样值和跳闸信号的实时性，验证按i e c6 1 8 5 0 9 2 的采样值的编码。结论 证明了i e c6 1 8 5 0 的通信技术能够满足变电站自动化保护和控制的实时性要求， 通信接口能够严格保证操作的正确性，同时改进了i e c6 1 8 5 0 - 9 - 2 的采样值编码。 2 0 0 2 2 0 0 4 由c i g r e 进行了一系列试验，包括i e c6 1 8 5 0 9 ，i e c6 1 8 5 0 8 1 等， 证明了新标准满足变电站自动化系统的要求，满足互操作性要求。国外，s i e m e n t s 、 a b 8 等1 3 家公司已推出了符合i e c6 1 8 5 0 的变电站自动化系统的产品“”。据称我 国几个大公司也有d e m o 版本，但这些主要是i e c6 1 8 5 0 在变电站内的应用，而且 还很不实用，未见在变电站到控制中心的应用报道，因此我们有必要加强对规约 的研究与理解，开发出拥有自主产权，符合6 1 8 5 0 规约的产品，主要用于变电站 到控制中心的无缝通信。 第6 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 12 2 信息交换技术现状 1 2 2 1 交换式以太网技术 以太网高度灵活、相对简单、易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域 网建网技术。统计数字表明，目前全球8 j 的网络采用以太网技术“。就目前而 言，以太网技术发展趋势主要体现在以下几个方面：1 、速度飞速提高。以太网、 快速以太网、千兆以太网、万兆以太网。2 、服务质量及保护能力得到提高，流量 控制机制逐渐完善。3 、交换机与路由器逐渐融合，交换能力增强，冲突机会减小。 4 、安全性得到提高。5 、范围逐步扩大，逐渐从办公楼向城域网并向广域网迈进。 以太网和现场总线都属于局域网技术，但以太网采用的是同等身份的随机访 问模式，而现场总线，大都采用主、从访问模式。美国电力研究院( e p r i ) 和国 际大电网会议( c i g r e ) 的第3 j 工作组对以太网用于变电站自动化系统中的网络 传输实时性作了研究分析，结果表明当使用交换式l o m b s 以太网时，完全可以满 足实时性要求。研究还表明，采用交换式l o o m b s 快速以太网，大大拓展带宽的 同时缩短了以太网的碰撞域，使传输效率大为提高。 因此，为了满足变电站自动化系统对电磁兼容性和覆盖范围的要求，最好采 用光纤介质的支持v l a n 的交换式l o o m b s 以太网。 1 2 2 2t c p ip 技术 传输控制n 际协议( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l ，简 称t c p i p 协议) 是互联网的标准通信协议。t c p i p 基于四层体系结构：应用层、 运输层、网际层、网络接口层1 。 t c p i p 在用于远动数据的传输时，传输的实时性有一定要求，因此如果开发 或购买t c p i p 协议栈软件，应注意几个方面问题：1 、运输层和网际层的几个协 议都应该实现。即t c p 、u d p 、i p 、i c m p 、a r p 、r a r p 。2 、t c p 是向上层提供面向 连接的服务。由于t c p 是面向连接方式的传输数据，每次成功的接入，只要服务 器端和客户端没有执行过关闭操作，就一直是接通的。一旦客户端数目达到极限 时将导致无法建立连接，这会引起线程阻塞，导致重要数据无法及时传输。3 、 t c p 是面向“流”的传输协议，通常它要等待数据流填满缓冲区后才进行数据的 传输，这样可能导致部分小包数据的传输比较慢。4 、另外，t c p 协议处理网络拥 塞的方法是分组删除。虽然t c p 会检测出丢失的分组，并会进行重传，但这不利 于实时数据的传输，所以有必要在应用层中增强传输可靠性。 1 2 2 3 制造报文规范技术 制造报文规范( m a n u f a c t u r em e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，简称m m s ，i s o9 5 0 6 ) 第7 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 是由i s o 于1 9 9 0 年提出的网络环境下计算机或智能电子设备之间交换实时数据 和监控信息的国际标准报文规范。是面向工业自动化应用的网络协议栈中的i s o o s i 应用层协议。 m m s 服务规范i s 0 9 5 0 6 1 共定义了九大类应用功能：上下文管理，v m d 支持， 域管理，程序管理，变量访问，信号量管理，操作者通信，事件管理和日志管理。 共计8 4 种服务，i e c6 1 8 5 0 8 1 中用到了其中的6 种对象和2 3 种服务。 m m s 协议规范i s 0 9 5 0 6 2 包括：l 、报文的执行序列。2 、报文或编码的格式。 3 、m m s 层与o s i 参考模型其它层的相互作用关系。m m s 协议的主要功能是为应用 系统提供所需的m m s 服务。m m s 协议是采用面向对象的观点进行描述的。因此只 有用面向对象的方法实现才能真正体现m m s 协议的设计思想。 现有的m m s 实现大都作为一个子模块直接硬编码进应用系统的程序之中，与 应用程序具有强耦合性，并没有真正起到应用系统支撑平台的作用。在电力远动 系统中实现m m s ，应该把所有与m m s 协议相关的对象和调度机制都集成在一个对 象库中，屏蔽底层平台，提供同步对象接口、使得用户可以透明地访问服务器上 的m m s 对象，并通过标准中的映射规则完成对实际设备的监视和控制。 1 3 实用价值与理论意义 由于电力生产的特殊性( 必需随时保证生产和消费之间的功率平衡) 、重要性 ( 对国民经济和人民生活至关重要) 和复杂性( 包括发电、变电、输电、配电、 用电及相关辅助系统) ，以及自动发电控制( a g c ) 技术的需求，电力市场的建立 和大电网安全分析系统数据准确性的要求，迫切需要远动信息的网络传输以及建 立基于广域网的大电网系统，建立通用的通信模式和实时信息交换模型，解决远 动信息一发多收和信息转发过程中造成的延时问题，使各相关主站同时共享厂站 的实时信息，达到实时信息全电网共享，为电网安全分析系统和调配系统提供基 于同一时刻的准确数据，进而实现电网高效、安全、经济运行。通过远动信息的 网络传输，可彻底改变主站和厂站之间的主从关系，网络路由器取代传统的通信 前置机，使网络数据可双向传输，真正实现各个通信终端的网络平等。主站可直 接同各种配电智能终端单元交换数据，并可直接下发命令控制终端设备，消除了 传统的通信前置机在通信中的“瓶颈”现象。另外大大节省了投资，减少了现场 的维护工作量，使实时数据传输能力有很大提高。 目前远动协议之间无法完全兼容，必须经过协议转换才能互相连接，即增加 了费用和难度又降低了系统性能，很难适应形势发展的需要，因此有必要从信息 源( 变电站) 的过程层一直到调度中心采用统一的通信协议、数据对象统一建模。 第8 页共5 1 页 华北电力大学硕士学位论文 形成无缝的远动通信体系结构。i e ct c 5 7 提出追求现代技术水平的通信体系，实 现完全的互操作性，体系向下兼容，基于现代技术水平的标准信息和通信技术平 台，在i t 系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现开放式系统。i e c6 1 8 5 0 是i e ct c 5 7 制订的关于变电站自动化系统计算机通信网络和系统的标准，同时也 是电力系统无缝的远动通信的基础，它采用分层、面向对象建模、抽象通信服务 接口( a c s i ) 映射到制造报文规范的服务和协议，这些服务和协议运行在开放系 统互联( o s i ) 和传输协议通信框架之上。采用无缝通信系统协议能大幅度改善信 息技术和自动化技术的设备数据集成，减少工程量、现场验收、运行、监视、诊 断和维护等费用，节约大量时间，增加了自动化系统使用期间的灵活性，减少无 畏的中间转换，提高系统性能。 本课题的意义是：1 、统一标准的网络化远动系统，解决传输速度低、缺乏透 明度、软件和维护费用高等问题，增加灵活性和可扩充性。2 、采用先进的国际标 准，实现可互操作性，提高我国远动系统水平。3 、采用分层、分布思想，使用独 立的抽象服务接口，软件设计和网络技术发展分离，便于利用网络技术的最新成 果。4 、扩充变电站配置描述语言，使之用于变电站单线图描述，有利于变电站一 次接线图的重用。5 、使用u m l 描述兼容逻辑节点类和兼容数据类、公共数据类、 数据属性、数据类型等，有利于实现数据建模的无缝体系。 1 4 研究内容和重点 本文研究的主要内容包括：以6 1 8 5 0 标准的实现为基础，建立网络化电力远 动系统模型，实现电力系统实时信息的网络化交换。模拟实现i e d 设备，把远动 数据从面向点的描述过渡到面向对象的描述。实现i e d 自描述x m l ，为进一步实 现嵌入式i e d 设备、实现远动的无缝体系结构打下基础。 一 1 研究现场运行的电力远动体系结构和规约，分析i e c6 1 8 5 0 的结构、内容、 特点、数据模型、建模方法等，以6 1 8 5 0 标准为基础，实现网络化电力远动系统。 2 研究i e c6 i 8 5 0 标准的抽象通信服务接口( a c s i ) 、公共数据类、兼容逻 辑节点类和兼容数据类并具体实现。 3 研究基于x l 的i e d 自描述的实现方法，为进一步实现嵌入式i e d 设备做 准备。 目前国内外基于通用网络的电力远动系统尚处于研究实验阶段，基于i e c 6 1 8 5 0 系列规约的面向对象网络化电力远动系统在国内末见实际应用。本选题设 计了网络化电力远动体系结构，实现a c s i 、公共数据类、兼容逻辑节点类和数据 类，并对此方案进行系统的实时性、可靠性、可互操作性等性能验证。 第9 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 2 1le c6 18 5 0 的目的 第二章i e c6 18 5 0 分析 i e c6 1 8 5 0 的目的可以从三个方面理解：1 、互操作性：允许不同厂商的智能 电子设备间，通过标准的数据模型和信息交换模型，交换信息以便完成自己的功 能。2 、自由配置：用户和厂商可根据具体情况自由的设计通信网络结构以及把功 能分配到不同的层次中。3 、延长系统的生命周期：抽取公共的、长期相对稳定的 数据和功能，使之独立于快速发展的通信技术和系统需求的变化，以增加系统的 长期稳定性。 i e c6 1 8 5 0 的制定思路是：1 、由面向通信协议的描述转向面向信息交换的描 述。2 、由面向点的描述转向面向对象的描述。3 、应对通信技术和网络技术迅速 发展的挑战。4 、满足应用技术迅猛发展的要求。 i e c6 1 8 5 0 的最终设想是一个世界( 变电站自动化世界，甚至更远分布式能 量资源，甚至更远高级分布自动化) 、一种技术( 分层、分布、统一建模) 、一个 标准( 基于i e c6 1 8 5 0 的标准) 。i e c6 1 8 5 0 的结构如下图所示： 系配 统 兼容逻辑节点类和兼容数据类7 4 置致 方 公共数据类7 - 3 语性 面 面测 和6试 要抽象通信服务接口7 2与第 求原十 第 特定通信服务映射8 - 9 理部 17 - 1分 5 通信网络 2 2ie c6 18 5 0 的特点 图2 - 1 i e c6 1 8 5 0 的结构示意图 通过对i e c6 1 8 5 0 的分析，可以总结出i e c6 1 8 5 0 的主要特点“”1 ：采用分 层、分布的体系结构，便于功能的自由分配：采用面向对象的信息建模技术，在 信息源定义数据和数据属性，使维护和管理更加方便；采用基于实时应用的信息 第1 0 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 交换模型，使信息与信息交换分离，信息交换模型能够交换将来扩展的信息；采 用抽象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络技术的迅速发展：采用配 置描述语言进行设备自描述，易于实现功能扩展和设备即插即用；整个电力系统 统一建模，易于实现无缝体系结构；采用面向未来的、开放的体系，能有效延长 自动化系统的生命周期，有效节省人力、物力。另外系统一致性测试，保证了互 操作性的最终实现，由于没有正式出版，这里不做讨论。 2 2 1 分层、分布的体系结构 i e c6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的主要功能( 控制、监视和继电 保护) 和维护功能( 系统配置、通信管理、软件管理) 等，从逻辑上将系统分为 3 层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了1 0 种逻辑接口“”。i e c6 1 8 5 0 给 出的变电站自动化系统接口模型如图2 - 2 所示。 变电站层 间隔层 过程层 图2 2 变电站自动化系统分层和接口模型 过程层主要完成开关量i o 、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 ( 过程层和间隔层之间c t 和v t 即时数据交换 的接口，特别是采样值) 和逻辑接口5 ( 过程层和间隔层之间控制数据交换的接 口) 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 4 和逻辑接口5 与过程层通信，通过逻辑接口3 ( 间隔层内数据交换的接口) 完成 间隔层内部的通信功能。接口4 和接口5 可以用二次电缆连接，但二次电缆接口 第l i 页共5 i 页 华北电力大学硕士学位论文 超出i e c6 1 8 5 0 范围。逻辑接口2 ( 问隔层和远方保护之间保护数据交换的接口) 超出i e c6 1 8 5 0 标准第5 部分的范围，但由于本接口交换的数据和变电站内相同， i e c6 1 8 5 0 系列未来的应用推荐这个接口。变电站层的功能分为2 类：一是与过 程层关联的变电站层功能，主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站 的一次设备进行监视和控制，如母线保护或全站范围内的闭锁等，通过逻辑接口 8 ( 间隔层之间直接数据交换的接口，特别是快速功能例如互锁) 完成通信。变电 站层功能之间通过逻辑接口9 ( 变电站层内数据交换的接口) 完成通信功能；二 是与接口相关的功能，主要指与远方控制中一t l , ( t c i ) 、远方监视和维护工程师站 ( t m i ) 及当地人机接口( h m i ) 的通信，通过逻辑接口1 ( 间隔层和变电站层之 间保护数据交换的接口) 、逻辑接口6 ( 间隔层和变电站层之间控制数据交换的接 口) 完成变电站层和间隔层通信，通过逻辑接口7 ( 变电站层和远方工程师工作 站之间数据交换的接口) 完成和远方控制与外部通信功能。逻辑接口1 0 ( 变电站 设备和远方控制中心之间控制数据交换的接口) 超出本标准范围，相关的i e c 标 准是i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 4 。在控制中心之间交换的数据与变电站到控制中心交 换的数据部分相同，因此要考虑和i e c6 0 8 7 0 6 的协调。接口7 和接口1 0 存在交 叉，故需要协调。但本标准应该用于未来从过程层一直到控制中心的无缝通信结 构。 变电站自动化系统的设备可被安装在不同的功能层上，图2 - 3 显示了三种不 同的分配方法。 变电站变电站变电站变电站变电站 网关h m i网关h m i网关 层圈变电站层il变电站层ii 间隔层由 一白 l 南 l i i 过程层过程层 图2 - 3 功能的自由分配 第1 2 页共5 l 页 华北电力大学硕士学位论文 由于功能分解为能够通信的逻辑节点，它包含数据及相关服务， 辑节点分配到不同的设备时，相关的通信特点也自动随之分配。 2 互2 面向对象的信息建模技术 变电站自动化系统的信息交换机制主要依赖于良好的信息模型“3 和建模方法是i e c6 1 8 5 0 的核心内容。 当把这些逻 。信息模型 i e c6 1 8 5 0 7 4 给出了适用于变电站应用的兼容逻辑节点类和兼容数据类的 定义。逻辑节点类通过名字进行标识，