（电力系统及其自动化专业论文）iec61850数字化变电站通信仿真研究.pdfVIP

a b s t r a c t s m a r te q u i p m e n t ss u c ha se c t e v t ，i n t e l l i g e n ts w i t c h g e a ra n de t c a r e g r a d u a l l ya p p l i e d i n p r a c t i c a lp r o j e c t t h e s t a n d a r do fs u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n ds y s t e mi e c 618 5 0p r o v i d e sc o m p l e t ec r i t e r i o nf o r c o m m u n i c a t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n s a l la b o v em a k e si tp o s s i b l ef o rt h e c o n s t r u c t i o no fd i g i t a ls u b s t a t i o n c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a ls u b s t a t i o n ， g r e a tc h a n g eh a so c c u r r e di nb o t ha s p e c t so f n e t w o r kf r a m e w o r ka n dm e s s a g e t r a n s m i s s i o nm o d ei nd i g i t a ls u b s t a t i o na u t o m a t io ns y s t e m s ot h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nd i g i t a l s u b s t a t i o ni sn e c e s s a r yt o b es t u d i e d e l e c t r i cp o w e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z i n gs i m u l a t o r ( e p o c h s ) i sa ne f f e c t i v et o o lf o rs i m u l a t i o ns t u d yo ni e c618 5 0s u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h er e s e a r c hs t a t u so fi e c 618 5 0s t a n d a r di sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h e m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fi e c 618 5 0d i g i t a ls u b s t a t i o na n dt h ec o m m u n i c a t i o n s i m u l a t i o ns t u d yo fs u b s t a t i o na r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h es u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，t h en e t w o r kb u i l d i n g s c h e m e si nd i g i t a ls u b s t a t i o nb a s e do nt h ei e c618 5 0s t a n d a r da r ed i s c u s s e d t h em e s s a g e st r a n s m i s s i o nd e l a yi ns u b s t a t i o ne t h e r n e ta n di t si n f l u e n c i n g f a c t o r sa r ea d e q u a t e l yr e s e a r c h e d ，a n dm e t h o d sw h i c hc a ni m p r o v et h e r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea r ep r e s e n t e d t h es i m u l a t i o np r o c e s so fi e c 618 5 0 m a i n p a c k e t t r a n s m i s s i o ni s e x p l a i n e d b a s e do ne p o c h s f o rt h e c o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o no fi e c 618 5 0d i g i t a ls u b s t a t i o n ，e p o c h sp l a t f o r mi s e x t e n d e da sf o l l o w s ：t h es i n g l ep h y s i c a ls u b n e ts t r u c t u r ei s c h a n g e da n dl i n k a g e a m o n gp h y s i c a ls u b n e t si si m p l e m e n t e di nn e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ( n s 2 ) ； v i r t u a ll a nm u l t i c a s tp r o t o c o lw h i c hi ss e to r i g i n a l l yi ns i n g l es w i t c hi se x t e n d e dt o s u b s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i e e e8 0 2 1qb u f f e rq u e u ew i t hm u l t i - p r i o r i t yb a s e d o nt h ee n d n o d ea n ds w i t c hi sd e s i g n e d ，a n dt h em e s s a g et r a n s m i t t e dw i t hp r i o r i t yt a g i sr e a l i z e d t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo fd i g i t a ls u b s t a t i o ni ss e tu po nt h ee x t e n d e de p o c h s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1ii 页 p l a t f o r m ，t h ee x p e r i m e n ti s c a r r i e do u tf o ri n t e r n a lu n i q u en e t w o r kf r a m e w o r k m e s s a g ed e l a ya n dd e l a yj i t t e r a r ec o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ef a c t o r s a f f e c t i n g c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kr e a l t i m et r a n s m i s s i o na r eq u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e db a s e do ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t k e yw o r d s ：i e c6 18 5 0 ；d i g i t a ls u b s t a t i o n ；s i m u l a t i o n ；e p o c h s ；n s 2 ；d e l a y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：酋建触 日期：工闪q ，6 j 指导老师签名：刁嘲嘎：荔 日期： 刃夕占厂 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 黄疟艘 2 岫吁，6 心 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 国际电工委员会t c 5 7 制定了变电站通信网络和系统标准 ( i e c 6 l8 5 0 1 ，i e c 6 18 5 0 成为目前变电站自动化系统唯一的国际标准；我国 于2 0 0 6 年等同采用为国家电力行业标准。i e c 6 18 5 0 运用当今先进的信息 技术，为变电站建立了统一的对象模型和通信接口，实现智能电子设备 ( i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e ，i e d ) 的互操作性，以降低整个系统的设计、施工、 运行、维护等费用，可以节约大量的人力、财力和时间。数字化变电站是 在国际通信标准i e c6 1 8 5 0 的基础上分层构建，采取信息就地数字化，能 够实现智能电子设备间信息共享和互操作的新型变电站。近几年，电子式 互感器、合并单元和智能化一次设备逐步由研发走向工程应用。j ，使建 设数字化变电站的实践成为可能，它代表了变电站自动化的未来发展方 向。通信技术是变电站自动化的关键 4 - 5 】，变电站通信网络的性能直接关 系到数据传输的实时性和系统功能的实现，因此研究i e c6 1 8 5 0 数字化变 电站通信网络有着十分重要的意义。 1 1ie c618 5 0 标准研究现状 1 9 9 5 年，i e c 认识到为了适应变电站自动化技术的迅速发展，必须要 制定一个更为通用、全面的标准，使其能够覆盖整个变电站的通信网络及 系统。国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 成立了3 个工作组 1 0 、1 1 、1 2 ( w g l0 11 1 2 ) ，负责制定i e c6 1 8 5 0 标准。工作组成员分别 来自欧洲、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，其中有一些成员参加过北美及欧洲一些标准的 制定工作。19 9 9 年3 月，提出了委员会草案版本。而后，相继提出委员会 投票草案c d v 版本( c o m m i t t e ed r a f tf o rv o t i n g ) 、国际标准最终草案 f d i s 版本( f i n a ld r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ) ，并定于从2 0 0 4 年开 始陆续推出i e c6 1 8 5 0 国际标准正式版。我国电力系统控制及其通信标准 化技术委员会，己经将i e c6 1 8 5 0 标准翻译完毕，对应的电力行业标准d l f l t 8 6 0 也出版发行。 在i e c6 1 8 5 0 理论研究方面，标准制订、翻译的过程中以及标准引进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 以后，各大高校，变电站自动化设备生产商和电力运行部门对协议及其应 用进行了深入的分析和研究，国内外目前关于i e c6 1 8 5 0 标准的研究及其 文献有以下这些： ( 1 ) i e c6 18 5 0 系列标准介绍及其内涵分析 6 - 1 2 】。主要说明选用 i e c 6 1 8 5 0 作为制定电力系统远动无缝通信系统基础的原因，对标准及其 体系结构和特点进行系统的介绍，指出i e c 6 1 8 5 0 标准是现在和将来变电 站自动化技术发展方向都将产生重大的影响，促进了对标准的理解，加速 了基于标准的产品开发。 ( 2 ) 系统建模的论述与分析【1 3 之。文章集中讨论了如何在现有设备功 能的基础上采用标准定义的逻辑节点、公共数据类来建立其模型。重点是 如何理解标准提出的逻辑节点与国内现有的自动化装置功能的对应。系统 建模包含i e d 设备建模和主站及子站的建模，这些文献在讨论如何建模的 过程中还提出了实现建模过程的配置系统的实现。 ( 3 ) 各种通信服务及其协议栈映射的研究分析【2 2 37 1 。主要分析采样值 传输、核心服务t c p i p + m m s + r f c l 0 0 6 方面的协议栈映射，着重介绍了 i e c 6 1 8 5 0 到报文制造规范m m s 的映射方法以及协议数据单元p d u 的 a s n 1 编码解码方法，对编码解码模块的设计具有参考价值。 ( 4 ) 基于i e c6 1 8 5 0 标准设计的新型智能电子设备【3 8 4 3 1 ，如合并单元、 母线保护设备和故障录波器等，提出了一些具体的软硬件实现方案，如采 用嵌入式系统实现，对于i e c6 1 8 5 0 的应用推广和变电站保护设备的研究 开发都具有较积极的意义 ( 5 ) 变电站配置语言的研究【4 4 却】。文献中重点提出了如何实现i e d 配 置，基于x m l 的s c l 的应用扩展，讨论了x m l 的先进性及其应用过程。 在i e c6 1 8 5 0 产品互操作试验的方面，国外变电站自动化设备制造商 a b b 、s i e m e n s 、a l s t o m 等厂家，作为i e c6 1 8 5 0 标准的制订者，在标准的 起草阶段就已经进行了多次互操作试验，并根据实验结果对标准草案进行 修改按。按照时间可分为以下两个阶段【4 8 j ： ( 1 ) 2 0 0 2 年以前为前期。主要是研究、探索性质。主要参与者有a b b a l s t o m ，s i e m e n s ，s i s c o 等，对i e c6 1 8 5 标准草案的正确性、合理性进 行验证和测试。内容为间隔层与变电站层设备的互操作性验证以及过程层 互操作验证。并根据实验结果对标准草案进行修改，这一阶段没有过多考 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 虑工程实际应用问题。 ( 2 ) 2 0 0 2 年以后为后期在考虑工程实现的情况下，对各个厂家的i e c 6 1 8 5 系统进行验证。利用几个厂家此前的研发基础进行实验，实验目的是 验证i e c6 1 8 5 0 的正确性，确保该标准能够按原定计划面世。参加者有a b b ， s i e m e n s ，a r e v a ，o m e c r o n 的保护测试仪，k e m a 的协议分析软件，s i s c o 的协议软件、t a r t d a r a c k 的协议软件。分3 个阶段进行：第1 阶段为间隔层 设备之间的通信( 互锁、报告) ；第2 阶段为间隔层与站级监控系统之间的 通信；第3 阶段为对配置等进行验证，并根据标准的最后版本进行适当修 改。 经过这两个阶段的互操作实验，最后实现了几个厂家i e c 6 1 8 5 0 系统 之间的互操作，参与实验的几个厂家的基于i e c 61 8 5 0 的系统也达到了可 以实际应用的水平。 在国外公司进行的i e c6 1 8 5 0 互操作试验的启示下，国内2 0 0 5 年5 月- 2 0 0 6 年1 2 月，国调中心成功组织国内外主要厂家进行了6 次i e c 6 1 8 5 0 互操作试验，对于国内电力自动化主要生产厂家开展i e c6 1 8 5 0 研 究和提高相关产品、系统开发水平起到了巨大的推动作用，受到业界人士 的高度评价【4 9 1 。这6 次互操作试验为国内外主要厂家和检测单位提供了 一个相互交流、学习的平台，实现了在ie c6 1 8 5 0 大规模推广之前尽早 发现问题、解决问题、加快研发进程的目标。经过这6 次试验的锻炼， 国内主要厂商对i e c 6 1 8 5 0 标准的研究和开发取得重大进展，国内各厂家 所开发生产的设备已实现了i e c6 1 8 5 0 标准中规定的基本模型、服务和 功能，顺利完成了与国内外主要厂家设备的互联互通，这表明国内大多数 厂家与国外厂家己处于同一研究水平，为国内企业研发、生产具有自主知 识产权的产品和系统奠定了基础。 在i e c6 18 5 0 产品的研发方面，国外变电站自动化设备制造商a b b 、 s i e m e n s 、a l s t o m 等厂家，作为i e c6 18 5 0 标准的制订者，早在2 0 0 2 年就已经推出i e c6 18 5 0 产品，并相互之间进行了一致性测试。2 0 0 4 年 1 1 月，西门子输配电集团( p t d ) 在瑞士承建了世界上第一个运用i e c6 18 5 0 标准的变电站自动化系统。西门子全球第1o o 国内一批领先的变电站自动 化设备制造商，经过引进消化吸收，目前，南瑞、南自、四方等厂家已经 研制出符合i e c6 18 5 0 的变电站自动化设备和系统。2 0 0 5 年9 月l6 日， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 西门子满足i e c6 1 8 5 0 规约的计算机监控系统在上海南桥站5 0 0 千伏变电 站投运，成为我国i e c6 18 5 0 标准的第一个工程实例。2 0 0 6 年3 月2 7 日， 国电南自满足i e c6 18 5 0 标准的p s 6 0 0 0 变电站自动化系统在西安1 10 k v 少陵变电站顺利投运。该系统包括保护、测控、监控、远动等技术领域中 共1 0 多种型号的产品，是国产第一套全变电站运行的完全满足i e c6 18 5 0 标准的变电站自动化系统，说明我国自主研发的满足i e c6 1 8 5 0 标准的变 电站自动化系统已具备推广应用条件。2 0 0 6 年1 0 月2 7 日，国电南瑞科技 股份有限公司研制的北京顺义5 0 0 k v 变电所应用i e c6 18 5 0 标准的 n s 2 0 0 0 自动化系统通过出厂验收，标志我国自主研发能够满足i e c6 l8 5 0 标准的高等级电压变电站自动化系统获得基本成功。2 0 0 8 年1 月2 3 日， 四方公司6 大类间隔层设备在i e c6 18 5 0 权威机构荷兰k e m a 公司顺利通 过了i e c6 18 5 0 一致性检测与认证。2 0 0 8 年2 月2 7 日，四方公司收到了 k e m a 公司发来的i e c6 18 5 0l e v e la 认证证书。 1 2 数字化变电站主要特点 变电站实现数字化，指的是变电站信息的采集、传输、处理全过程实 现数字化，且每个环节都具备完善的自诊断功能。变电站过程层的所有设 备都实现智能化，二次接线大大简化。整个变电站的信息模型，包括数据 模型和功能模型，都采用统一模式；各类设备的数据通信都采用开放的统 一的通信协议，实现所有数据的无缝交换：所有信息的可靠性、完整性、 实时性都能得到保证，数据测量精度高；通信介质全部采用光纤来取代传 统的电缆，各种设备和功能共享统一的信息平台，避免设备的重复投资， 整个变电站的管理实现全面的自动化和信息化。与传统的变电站相比，数 字化变电站有以下几个特点【5 0 】： ( 1 ) 变电站层次化：根据不同功能，变电站在逻辑结构上划分为过程 层、间隔层和变电站层：过程层实现所有与一次设备接口相关的功能，包 括开入开出、模拟量采样等；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；变电站层的功能是利用全站的数据对全站的一次设 备进行监视和控制及与远方控制中心的数据交换。过程层是专门针对数字 式过程层设备划分的，它分担了常规变电站间隔层的部分功能。 ( 2 ) 智能化的一次设备：一次设备被检测信号回路采用电子式电流互感 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 器电子式电压互感器，被控制驱动回路采用智能断路器，常规的强电模拟 信号测量电缆和控制电缆被数字光纤所取代。 ( 3 ) 网络化的二次设备：变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、 测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、 同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模 块化的微处理器设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二 次设备不再出现功能装置重复的i o 现场接口，通过网络真正实现数据共 享、资源共享。 ( 4 ) 自动化的运行管理系统：变电站运行管理自动化系统应包括电力， 生产运行数据、状态记录统计无纸化、自动化；变电站运行发生故障时， 能及时提供故障分析报告，指出故障原因及处理意见；系统能自动发出变 电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改为“状态检修。 1 3 变电站通信仿真概述 电力生产的特殊性对变电站内通信系统的传输质量提出了苛刻的实 时性和可靠性要求。因而，无论是在现有的网络改造、业务扩张还是新建 网络规划，精确地考察信息的网络传输性能成为关键问题，尤其是数字化 变电站通信网络已经延伸到过程层。 由于变电站内的通信网络非常复杂，网络行为具有随机性，如果采用 数学建模法来研究网络性能，对系统作精确的描述是十分困难的，或者虽 然能建立相应的数学模型，却因模型过于复杂庞大而根本无法求解，而对 系统进行大量简化后得出的结果又难以令人满意。结合现场硬件进行实测 得出的结果比较精确，但是对变电站内的通信网络来说，在现场进行测量 研究不仅得不到运行人员的支持，而且也很难观测到故障时的网络性能。 因此，采用仿真的方法来研究网络性能就成为一种切实可行的方法。仿真 就是模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行 过程的观察和统计，得到被仿真系统的参数和基本特性，以此来估计和推 断实际系统的真实参数和真实性能”1 1 。 目前商用软件有m e l 3 开发的o p n e t 、c a d e n c ed e s i g ns y s t e m 公司下 属的a l t a 小组的b o n e s 和c a c i 公司开发的c o m n e tii i ；科研用软件有 u c b l b n l v i v n 开发的n e t w o r ks i m u l a t o rn s 2 和s s f n e t 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 文献 5 2 ，5 3 分别利用随机离散事件系统研究了l o n w o r k s s d 轮询方式 通信网络的网络行为，具有相当的局限性。文献【5 4 分析了变电站的信息 业务类型划分为数据业务、视频业务和其他业务，采用网络仿真工具o p n e t 对各种业务的传输进行了实例仿真，但它对间隔层的数据进行了归一化处 理，没有研究遥信变位等实时性强的信息在间隔层网络传输的情况。 文献 5 5 】对周期性、随机性和突发性3 种类型数据分别进行了传输仿 真，验证了发布订阅协议应用于变电站自动化网络通信系统的可行性， 但是没有考虑各种数据流在网络上共同存在时的相互影响。文献5 6 根据 i e c 6 18 5 0 标准利用o p n e t 建立了2 层星型拓扑结构的数字化变电站通信 网络动态仿真模型，仿真分析了采样值报文、报告和控制报文的端到端延 时，对不同节点规模、不同网络配置和不同应用功能条件下的过程网络、 站级网络的实时性能进行了仿真分析 文献 5 7 ，5 8 对基于i e c 6 1 8 5 0 过程总线的母线保护通信结构进行了专 门研究，仿真比较了各种通信结构的适用范围，对过程层通信网络的设计 具有一定的参考价值。但其通信流量人为假设而并非来自由电力系统实 际，也无法仿真通信时延和网络故障的影响。 文献 5 9 ，6 0 电站通信网络涉及高压和低压的诸多设备，详细的分析 了变电站内网络的数据流，但在包含这些设备的实际网络通信环境中进行 性能研究、网络设计和开发，不仅耗资大，而且统计数据的收集和分析也 存在一定困难，客观条件也不允许进行单独测试。 在o p n e t 等网络仿真软件中，由于只能单独仿真网络通信，而不能 结合电力系统一起仿真，通信流量是人为假设计算的，各种通信流量都是 按固定频率固定的报文长度产生，这样处理以后的通信流量和真实电力系 统自动化通信的流量有较大差别。比如，文献【6 1 】中，断路器节点接收控 制器发的控制命令，控制数据频率为2 5 0 h z ，大小为16 字节，数据流量 为2 5 0 1 6 8 = 3 2 k b s ，显然真实电力系统中的断路器不可能按照2 5 0 h z 如此高的频率不停的进行分闸合闸。通信网络的仿真，应与特定的电力运 行场景结合，才能较真实地考察变电站通信网络在紧急情况下可能出现的 拥塞和丢包以及评价新的电力通信规约。因此，文献 6 2 将由已有仿真软 件通过组合构成电力通信同步仿真平台e p o c h s ( e l e c t r i cp o w e ra n d c o m m u n i c a t i o ns y n c h r o n i z i n gs i m u l a t o r ) ，它将电力系统电磁暂态仿真软件 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 e m t d c p s c a d 、机电动态仿真软件p s l f 、网络通信仿真软件n s 2 结合 在一起，为电力系统及其通信系统提供了一个同步仿真平台，能够较好地 实现了电力系统电气部分与通信部分的同步仿真。文献 6 3 将e p o c h s 应 用于变电站以太网通信的仿真，对与障类型紧密相关的突发性信息，直接 从p s c a d 仿真的电力系统中获取，仿真故障状况下保护动作信息和开关 变位信息的时域特征。文献 6 4 】采用e p o c h s 建立i e c6 1 8 5 0 采样值传输 仿真模型，较好地实现变电站电气部分与通信部分的同步仿真，但仅是过 程层采样值s v 报文传输，未考虑综合传输情况下其他数据流对网络性能 的影响。 1 4 本论文的主要工作 本文对数字化变电站以太网通信的实时性进行了分析，提出了实时改 进措施。为了实现数字化变电站通信仿真，对e p o c h s 平台进行以下扩展： 改造n s 2 中单物理子网结构，实现了交换机级联，将只能在单个交换机上 设置的v l a n 多播协议扩展到整个变电站通信网络；在交换机和通信端节 点添加基于i e e e 8 0 2 1 q 的缓冲队列，实现了报文按优先级传输。在扩展 后的e p o c h s 平台进行数字化变电站通信网络仿真实验，存在非实时数据 流的背景下，仿真分析了采样值s v 报文和通用变电站事件( g o o s e ) 报文 在各种不同条件下的报文传输时延和时延抖动。根据仿真结果，证明实时 改进措施的可行性。 论文的主要章节安排如下： 第一章指出了i e c6 1 8 5 0 标准的理论文献研究及国内外对i e c 6 1 8 5 0 产品进行互操作试验的概况，介绍了数字化变电站的主要特点，变电站通 信网络的仿真研究概述，相对于其他网络仿真软件，着重指出应用e p o c h s 平台研究变电站通信网络的优势。 第二章介绍了数字化变电站通信网络的要求，分析比较了两种通信网 络结构的优缺点。最后对以太网报文传输时延进行了定量地分析，根据分 析结果给出了相应的实时改进措施。 第三章介绍了e p o c h s 平台的组成网络仿真原理，i e c6 1 8 5 0 主要报文 传输服务的仿真实现。对e p o c h s 平台进行了以下扩展：改造n s 2 中单物 理子网结构，实现了交换机级联，将只能在单个交换机上设置的v l a n 多 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 播协议扩展到整个变电站通信网络；在交换机和通信端节点添加基于 i e e e 8 0 2 1o 的缓冲队列，实现了报文按优先级传输。 第四章。在e p o c h s 平台搭建一变电站电力系统模型，并配置了相应 的n s 2 网络参数，存在非实时数据流的背景下，仿真分析了采样值s v 报 文和通用变电站事件( g o o s e ) 报文在各种不同条件下的报文传输时延和 时延抖动。根据仿真结果，证明实时改进措施的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章数字化变电站通信中以太网的应用 2 1 数字化变电站通信网络的要求 通信网络的根本任务是解决数字化变电站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。通信网络是连接站内各种智 能电子设备( i e d ) 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。而由于变电站的特殊环境和变电站自动化系统的要求，使变电站 通信网络应具备以下特点和要求： ( 1 ) 实时性，即严格时限要求。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，要求信息能在站内通信网络上快速传送。要保证严格的时 限要求，规定在特定时间内完成特定的任务( 如测量、保护、控制、事件 记录的报文传输) ，特别是过程层的采样值报文和跳闸报文的传输都有严 格的时间限制，即使在极坏情况下也要确保报文响应时间是可确定性的。 ( 2 ) 可靠性。由于电力系统是连续运行的，变电站数据通信网络也必 须连续、可靠运行，通信网络的故障和非正常工作会影响整个变电站自动 化系统的运行。设计不合理的系统，严重时甚至会造成设备和人身事故、 带来巨大的经济损失，因此变电站自动化系统的通信网络必须保证很高的 可靠性。 ( 3 ) 良好的开放性。站内通信网络为调度自动化的一个子系统，除了 保证站内i e d 设备互连、便于扩展外，它还应服从电力调度自动化的总体 设计，硬件接口应满足国际标准，选用国际标准的通信协议，方便用户的 系统集成。 ( 4 ) 优先级。数据有轻重缓急之分，重要的数据须优先于其它数据传 输，要求支持优先级调度，以提高时间紧迫性任务的信息传输可确定性； ( 5 ) 良好的电磁兼容性能。变电站是一个具有强电磁干扰的环境，存 在电源、雷击、跳闸等强电磁干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 意采取相应的措施消除这些干扰的影响。 2 2le c6 18 5 0 数字化变电站分层结构和信息交换 i e c 6 1 8 5 0 为了完成变电站自动化系统的控制、监视和继电保护三大功 能，将变电站自动化系统按功能和逻辑通信抽象为3 层体系结构：变电站 层、间隔层和过程层。变电站总线用于变电站层和间隔层间通信，过程总 线用于间隔层和过程层间通信。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；间隔层主要使用一个间隔的 数据并对该间隔内的一次设备进行操作，完成如线路保护、间隔单元控制 等功能；变电站层的功能分为2 类【6 5 】：一是与过程层关联的变电站层功能， 使用多个间隔或整个变电站的一次设备信息并对该范围内的一次设备进 行监视和控制，如母线保护或全站范围内的闭锁等，二是与接口相关的功 能，主要是与远方控制中心( t c i ) 、远方监视和维护工程师站( t m i ) 以 及本地人机接口( h m i ) 的通信，而变电站自动化系统的装置可被安装在 这三个不同的功能层上。同时定义了10 种逻辑接口来完成各层之间的通 信，其中：i e c6 18 5 0 中的变电站自动化系统功能层次和逻辑接口模型如 图2 1 所示，其中的i f 是指接口( i n t e r f a c e ) 。 匹 图2 1变电站自动化系统功能层次和逻辑接口 护 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图中各接口的含义分别为： i f l ： i f 2 ： i f 3 ： i f 4 ： i f 5 ： i f 6 ： i f 7 ： i f 8 ： i f 9 ： 间隔层与变电站层之间保护数据的交换； 间隔层与远方保护之间的保护数据交换； 间隔内数据交换； 过程层和间隔层之间p t 和c t 瞬时数据交换( 尤其是采样) ； 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( 如连锁) ； 变电站层内数据交换； i f l 0 ：变电站设备与远方控制中心之间控制数据交换。 2 。3 变电站通信网络结构 合理的组网方式是保证以太网高效可靠运行的重要条件。在数字化变 电站中，合理的组网方式可以简单概括为：组建的网络在实现承载功能、 并满足性能要求的基础上，在不改变网络本体参数的条件下，通过对网络 结构和节点分布的优化，提高网络的效能和变电站信息化应用的水平，并 达到效能与投入的平衡【6 6 1 。 i e c6 1 8 5 0 将变电站自动化系统划分为变电站层、间隔层和过程层， 而变电站层与间隔层之间的站级网络、间隔层与过程层之间的过程网络的 组建方法并无明确规定。通常有2 种组建方案【6 7 1 ：根据站级网络与过程网 络是否联通，可以有独立过程网络和全站统一式网络2 种基本组建方式。 前者，站级网络与过程网络相互独立，包括2 层物理网络；后者，站级网 络与过程网络相互联通，整体为一个物理网络。 2 3 1 独立过程网络结构 如图2 2 所示，变电站网络由2 层物理网络构成，由交换机将所有的 间隔层智能电子设备( i e d ) 与变电站层设备连成站级网络，并由路由器将 远动网络接入，远动网络能够直接访问到间隔层设备；间隔层设备与过程 层设备之间根据不同间隔或功能划分为多个子网，当间隔具有唯一的间 隔层设备和过程层设备时，可直接采用点对点的连接方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 2 独立过程网络结构 独立过程网络的优点： ( 1 ) 与常规变电站通信网络相比，变电站网络的整体格局未发生根本 变化，只是间隔层设备与过程层设备之间的电缆接线变成了光纤以太网， 不必过多关心“数字化 给变电站自动化系统整体运行机制带来的影响。 ( 2 ) 按照不同的间隔或功能，数字化变电站的建设可以分阶段进行。 ( 3 ) 过程子网的节点数目少，网络负荷得到有效控制，不必过多关心通 信网络的性能，网络性能易于保障，为兼容原有设备或节约投资，甚至 可适当降低网络规格。 独立过程网络的缺点： ( 1 ) 虽然过程层信息( 如采样值、状态位置信息等) 已经数字化，但只能 被间隔内的设备获得，间隔之间无法共享，间隔i e d 之间只能通过站级网 络实现有限的信息交互，这会影响到过程层数据的集成应用或分布式自动 化功能的实施。 ( 2 ) 网络设备较多，设备投资增加。 ( 3 ) 间隔层i e d 需要有多个网口，才能分别实现站级网络和过程网络 的冗余。 总之，独立过程网络较易实现，但数字化变电站的功能发挥受到了 一定限制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 2 全站统一式网络 数字化变电站内的所有智能电子设备都接入同一个网络，任意智能 设备之间，特别是变电站层设备与过程层设备之间，都能够直接通过该网 络交互信息，如图2 3 所示。 图2 3 全站统一式网络 全站统一式网络的优点在于： ( 1 ) 全站统一式网络使过程层数据得到最大程度的共享( 借助远动网 络甚至可以实现电网范围的共享) ，变电站、电网的信息化水平显著提高。 ( 2 ) 由于过程层设备和数据可以复用，间隔层i e d 和网络设备得以精 简，各种集成应用和分布式自动化功能均能便捷实现，系统运行性能显 著提高，数字化变电站的效能得到充分发挥。 但全站统一式网络的通信规模较大、节点数目众多且位置分散、结构 复杂，组网和运行管理的难度有所增加，主要体现在： ( 1 ) 由于过程层设备数目众多且位置分散( 特别是高压变电站中) ，通 常需要多级交换，即先将地理位置相邻( 可能是同一间隔内) 的几个节点接 至1 个接入交换机，再将接入交换机串连成环网或汇聚至变电站层的核心 交换机。 ( 2 ) 由于所有智能设备都接入同一个网络，各种类型的数据流，如随 机出现的电能质量监测数据、录波数据、设备配置及程序文件等大流量数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 据，使数字化变电站通信网络整体的运行状况变得复杂，且较难评估。报 文区分优先级并采取全双工的通信方式是确保数字化变电站通信网络实 时性能的必要措施。 可见，数字化变电站信息化应用水平的提高有赖于以网络技术为主 的各项技术水平的提高。根据目前的技术条件，独立过程网络结构的站内 通信网络更易实现，而站内统一式网络可先在规模不大、节点数较少的低 压变电站中进行试验，当各项技术水平达到一定高度并积累了一定的组 网和运行经验后，站内统一网络将凭借其信息高度共享的优势，成为数 字化变电站通信网络的最终形式。 2 4 通信网络实时性分析 2 4 1 报文传输时延分析 数字化变电站实时网络通信中，报文的成功发送不仅取决于收到报文 的完整性，更取决于收到报文的时间。以太网实时通信要提供时限 ( d e a d l i n e ) 保证，就必须知道最坏情况下的报文端到端时延。 i e c 6 1 8 5 0 标准在第1 部分定义了报文传输延时如图2 4 所示 传输时间t ：t a + t b 托 t bt c 到盛 物理装置p d l 盛m 亟处理器l l ：! ： 物珂装置p d 2 图2 4报文端到端时延 端节点的处理时延t 。和t 。： 发送节点物理装置p d l 的发送功能f 1 进行报文分段、协议封装， 并将报文从p d l 的应用数据缓冲区拷贝到通信处理器的发送缓冲区所 产生的时延。t 。、t 。与通信处理机的性能、所采用的操作系统、通信 协议的性能有关，设计中应采用合适的微处理器、实时操作系统以及 高效的协议编解码算法。如果报文长度给定，协议封装、微处理器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 执行指针处理、数据拷贝等指令所耗费的时间，对于特定的微处理器， 时延t 小t 。为确定值。 网络传输延时t 。由以下延时组成 6 8 1 ： ( 1 ) 交换机存储转发时延l s f ： 现代交换机都是基于存储转发原理的，数据在交换机的存储转发 延时等于帧长除以传输速率，这个时延与被转发的帧的大小成比例， 与传输速率成反比。 如果对于l o o m b i t s 速率的交换机 最大的以太网帧1 5 1 8 字节时延： l s f = 1 5 1 8 * 8 ( 1 0 0 1 0 6 ) 1 2 1 9 s ( 2 ) 交换机交换时延l s w ： 交换机交换时延为固定值。交换机制由复杂的硬件电路执行存储 转发引擎、m a c 地址表、v l a n 、c o s 、及其它的功能。交换机制产生的 延时用以执行这些逻辑功能。 一般工业以太网交换机的交换延时不超过1 0 p s ( 3 ) 光缆传输延时l w l ： 电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3 x 1 0 8m s 。电磁波在网 络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些：在光纤中的传播 速率约为2 x10 8m s 。当部署很长距离以太网线路时，这个延时可能值 得注意。对于l k m 光缆传输时延 l w l ( 1 k m ) = l x l 0 3 ( 0 6 7x3 x 1 0 8 ) 5 9 s ( 4 ) 排队时延( l q ) ： 交换机发生帧冲突时均采用排队方式顺序传送，这给交换机延时 带来不确定性，因为很难精确预测网络上的通信工况。考虑最不利的 情况，假设交换机共k 个端口，所有其他( k 一1 ) 个端口同时向另一端口 发送报文，忽略帧间时间间隔。最长帧排队延时约为( k 一1 ) 木l q ，最 短排队延时则为0 ，平均排队延时为( k 一1 ) ，i cl q 2 。 2 4 2 通信实时性改进措施 结合以上分析，可考虑采取以下方法来减少报文在变电站网络中的 传输时延： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 ( 1 ) 优化组网方式，将同一间隔内的设备尽量分配到一台交换机上， 减少报文跨交换机传输。 ( 2 ) 采用虚拟局域网配置，采样值s v 报文和通用变电站状态事件g o o s e 报文按照基于虚拟局域网标签( v i d ) 的多播模式通信，实现一发多收，而 非广播转发，减低网络流量和接收设备的处理负担。因电力系统继电保护 有按间隔配置的特殊性，间隔间通常无信号联系或联系较少，母线则与母 线上所有间隔都有信号联系。这些信号量与一次接线方式和继电保护配置 密切相关，据此，可按间隔分散配置交换机v l a n 划分，让大部分只与本间 隔相关的设备多播报文在本间隔交换机内传输。 ( 3 ) 针对交换机处理帧排队缓冲时带来的延时不确定性，启用分级服 务质量( o o s ) 提供优先传输机制，保证重要报文优先传输。目前有两种机 制可