（电气工程专业论文）基于iec61850的变电站间隔层保护监控设备研究.pdf

基于匝c 6 1 8 5 0 的变电站问隔层保护监控设备研究 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi e c 6 1 8 5 0i s p r o p i t i o u s t o i m p r o v et h eo p e n n e s sa n d e x t e n s i b i l i t y0 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 ， i tp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n tf o r p r o t e c t i o n a n d m o n i t o r i n go fp o w e rs y s t e m i nt h ed i r e c t i o no fn e t w o r ka n d i n f o r m a t i o n b u ta sap r e r e q u i s i t e ，i tb r i n g sf o r w a r dh i 曲e rr e q u i r e m e n t si ns u b s t a t i o n d e v i c e sc 0 i n m u n i c a t i o np e r f o r m a n c ea n dp r o c e s s i n gs p e e d e s p e c i a l l yf 6 rt h eb a y l e v e li n t e l l i g e n td e v i c e s ，b e c a u s et h e ya r ei nt h ef i f s tl i n ef o rs u b s t a t i o n sp r o t e c t i o n a n dm o n i t o r i n g ，t h e i rt a s ki sn o to n l yt op r o t e c ta n dm o n i t o rt h eb a yc o m p o n e n ti nt h e c e l lt h e yb e l o n gt o ，b u ta l s ot oc o o p e r a t ew i t ho t h e rb a yl e v e lo fs u b s t a t i o nl e v e l i n t e u i g e n td e v i c e st oc a r r yo u ts u b s t a t i o n sd i s t r i b u t i n gp r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n g f u n c t i o n s or e s e a r c h i n gh i g h p e r f o r m a n c e i n t e l l i g e n td e v i c e si nb a yl e v e li s a n i m p o r t a n tw o r kt 0i m p l e m e n tt h en e ws t a n d a r d s ，a n d i ti s0 f g r e a tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d p r a c t i c a l v a l u e h u n a n u n i v e r s i t y a n dw u h a n y a n g t z e c o m m u n i c a t i o n s c o m p a n ys i g n e d t h er e s e a r c h p r o j e c t “t h e m i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o nd e v i c ew i t he l e c t r o n i ct r a n s f o r m e ri n t e r f a c e ， a n dt h i sp a p e r sr e s e a r c h s u b j e c ti sa ne x p a n s i o no ft h ep r o j e c t o nt h ed e s i g no fb a yl e v e lp r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gd e v i c e ，t h i sp a p e rm a i n l yd o e st h ef 0 u o w i n gw o r k ： ( 1 ) f r o mr e s e a r c h i n gt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m sr e a l i z a t i o nt h o u g h to f d i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n di e c 6 1 8 5 0 sr e q u i r e m e n t si nc o n l m u n i c a t i o n s r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n di m p l e m e n t sb a yl e v e lp r o t e c t i o na n d m o n i t o r i n gd e v i c e sh a r d w a r ep l a t f o r mw i t hd i s t r i b u t e ds t r u c t u r e t h e r ea r es e v e r a l c p uu n i t sw o r k i n gi np a r a l l e l m a n n e r ，s h a r i n gi n f o r m a t i o na n dc o o p e r a t i n gw i t h c o n n e c t i o nb ye t h e r n e to rc a nb u s 1 na d d i t i o n ，i tc o n s t r u c t sas u b s t a t i o nn e t w o r k a n dv a l i d a t e st h a ti tm e e t st h er e a l t i m er e q u i r e m e n t so ff a s tp a c k e t si ni e c 6 1 8 5 0 t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ft h en e t w o r k sl o a da n dd e l a yt i m eu n d e rt h ew o r s t c i r c u m s t a n c e s ( 2 ) i tc o n s t r u c t st h es y s t e m ss o f t w a r ef r a m e w o r k t a k et h ec l i e n t s e r v e rm o d e l a n dp u b l i s h e r s u b s c r i b e rm o d e lf o re x a m p l e ，i tr e s e a r c h e st h ea d o p t e dc o m m u n i c a t i o n m o d e l ， a n da n a l y z e st h et w om o d e l sc h a r a c t e r i s t i c sa n da t t e n t i o n st h a ts h o u l db e t a k e ni nr e a l i z a t i o n ，a n di n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o np a c k e tf r a m e s f o r m a ta n d c o d i n g w i t ht h ee x a m p l eo fd i s t a n c ep r o t e c t i o n sr e a l i z a t i o na n dt h ec o n f i g u r a t i o no f l i n e p r o t e c t i o nl o g i c a ln o d e s ， i ti l l u m i n a t e st b e i m p l e m e n t a t i o n o ft h e s y s t e m 基于砸c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设备研究 f u n c t i o n s ( 3 ) i tr e s e a r c h e st h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m sc o n f i g u r a t i o np r o c e s s s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nu s e st h es c lt od e s c r i b et h es u b s t a t i o ni e d 、 t o p o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o n ；i nt h el a s t ，i ti n t r o d u c e sa n da n a l y z e st h es c l so b j e c tm o d e la n di t s s c h e m al a n g u a g e k e yw o r d s ： i e c 6 1 8 5 0 ； s u b s t a t i o nb a yl e v e lp r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n gd e v i c e ； d i s t r i b u t e dh a r d w a r es t r u c t u r e ；b a yl e v e ld e v i c es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ； s c l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：么雅才、瑰日期：伽踔岁月够日 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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：d 阻东瑰 导师签名： 翮废 日期：么肋了年岁月寥日 日期：2 彬g 年岁月够日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 变电站是输电和配电的集结点，它担负着电能转换、分配、控制和管理的繁重 任务，是电力系统的一个重要组成部分，对电网的安全和经济运行起着举足轻重 的作用。 随着电子、通信、软件及高压设备等技术的不断进步，变电站自动化技术也 在不断的发展，目前分层分布式的体系结构和面向间隔单元的设计成为主流。通 信技术成为变电站自动化技术的关键，工业以太网在变电站中的应用成为发展趋 势。这必将大大提高变电站自动化系统内部各智能电子设备( 1 e d ) 间的通信实 时性，扩大系统通信容量。以实现智能电子设备( i e d ) 之间互操作为目标的变 电站通信网络与系统标准( i e c 6 1 8 5 0 ) 是目前最为完善的变电站自动化通信标准， 代表了变电站自动化系统的发展方向，其实施必将大大提高变电站自动化的程度 及水平。 湖南大学与武汉长江通信公司签订了与电子式互感器接口的微机保护研究 合作项目，本论文的研究课题是该项目的扩展，可以作为与合并单元接口的微机 保护装置的系统平台，具有重大的理论意义和实际应用价值。 1 1 1 变电站自动化系统的发展趋势 传统的变电站监控系统【1 】是由许多安装在大控制室内的仪表及某些单项自动 化装置所组成的，例如： ( 1 ) 各种继电保护装置。 ( 2 ) 自动重合闸、低周减载、故障录波及故障测距等单项自动化装置。 ( 3 ) 各种变送器、远方终端( r t u ) 及其当地设备所组成的远动系统设备。 ( 4 ) 中央信号装置。 ( 5 ) 各种测量仪表。 由于一个装置只完成单个功能或少数简单功能，这样每个间隔单元就需要很 多不同功能的自动化装置，并需要大量电缆从开关现场将t v t c 、跳合闸线圈以 及各种位置信号触点一一引到对应装置，使得二次电缆接线复杂，造成电磁干扰 严重，安全性及可靠性低等问题。 随着现代i c 技术的发展，嵌入式微控制器及微处理器的处理速度越来越快， 而且通过与相关应用领域所需的特定外设集成，形成了非常适合特定应用领域的 片上系统( s o c ) 。如适合电力系统领域应用的数字信号处理器，像t i 公司的3 2 基于m c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设备研究 位定点数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，最高主频可达1 5 0 m h z ，片上集成了 1 8 k 木1 6 位的s r a m 及1 2 8 k 木1 6 位f l a s h ，3 个c p u 定时器，4 个1 6 位外设定 时器，6 个捕获单元，1 6 路p w m ，1 6 路1 2 位a d 转换器，e c a n 2 0 接口以及多 种串行通信接口和多组i o 口。还有技术越来越成熟、应用越来越广泛的基于 a r m 【2 】核的片上系统，最高主频可达4 0 0 m h z 以上，集成了l c d 控制器、以太 网控制器、定时器、通用串口等外设，如a t m e l 公司的a t 9 1 s a m 9 2 6 0 9 2 6 1 、 三星公司的s 3 c 2 4 4 0 等。 这些成果方便了变电站智能电子设备的硬件设计，可以大大降低c p u 进行各 种复杂的保护监控算法所需的时间，提高了设备保护监控的实时性及可靠性。同 时也为多功能智能电子设备的研究提供了硬件条件，使得在一个间隔单元中只用 一个间隔层智能电子设备来完成本间隔所有的保护监控功能成为现实。这就大大 简化了变电站二次部分的硬件配置，避免了接线及底层功能模块的重复，如电流 电压变换、模数转换等。 另外，高压设备新技术的发展也在一定程度上推动了变电站自动化系统的发 展，基于i e c 6 1 8 5 0 标准的采用分层分布式体系结构的数字化变电站已在某些变 电站中投入运行。高压设备新技术包括电子式电流电压互感器、智能化断路器、 组合式开关设备等。 ( 1 ) 电子式电流电压互感器 常规的电磁式互感器由于含有铁芯，存在饱和、铁磁谐振、绝缘困难、输出 信号过大等问题。为了解决这些问题，人们研究了电子式电流电压互感器1 3 - 8 l 。 电子式互感器按照其处于高压端的传感头是否需要电源，分为无源型和有源型两 种类型。无源型电子式互感器是基于f a r a d a y 效应磁光变换原理和p o c k e l s 电光变 换原理，由于存在双折射及光学材料温度稳定性问题，实用化进程比较缓慢。而 基于传统测量器件和光纤的有源型电子式互感器，如空心线圈( r o g o w s k i ) 电流 互感器、电阻分压电容分压电压互感器等，其传感单元性能稳定，在实际工程中 已有应用。 在高压、特高压系统中采用电子式互感器，一般是将一次模拟电信号经传感 头采集后就地变换为数字信号，再经电光转换模块将数字信号变为光脉冲传输到 低压侧合并单元进行数字处理，并组帧输出给间隔层保护监控设备。 ( 2 ) 智能化断路器 高压断路器二次技术的发展趋势是用微机、电力电子技术和新型传感器建立 新的断路器二次系统，开发新型智能断路器【乳1 0 】。其自成一体的监控系统可以完 成对自身参数的数据采集，分析设备运行状态、检测设备缺陷并进行故障预报等 功能。在需要跳合闸时由微机控制电力电子组成的执行单元执行跳合闸，并可按 电压波形控制跳合闸角度，精确控制跳合闸的时间。另外通过对断路器设备的运 硕士学位论文 行状态进行记录、分类和评估，为设备的维护维修提供了重要的决策信息。通过 监测信息完整化、判定方式多样化、监控手段综合化和专家系统的应用等手段， 可使故障的判定更加准确和及时。采用光网络连接技术，与其它过程设备和高层 设备进行完整的信息共享，完成状态上传、命令接收、开关联锁等功能，可以大 大提高故障诊断和状态检测的性能。 ( 3 ) 组合式开关设备 紧凑型组合式开关设备是高压组合电器的发展方向之一，它可以大大节省开 关设备的占地面积，而且可靠性高、安全性强、维护工作量小。具有代表性的产 品为瑞士a b b 公司推出的接插式开关系统( p a s s ，p l u ga n ds w i t c hs y s t e m ) 。p a s s 是在封闭式组合电器( g i s ，g a s i n s u l a t e dm e t a l e n c l o s e ds w i t c h g e a r ) 基础上发展 的新一代智能型开关设备，其最为突出的特点是在一次设备中采用了智能传感器 和微处理设备【1 1 】。p a s s 将一个间隔的全部设备，如断路器、隔离开关、接地开 关、电流电压互感器等都集成在一个内充s f 6 气体的封闭金属罩壳内。其所有一 次信息量通过过程信息接口( p i s a ，p r o c e s si n t e r f a c ef o rs e n s o r sa n d a c t u a t o r s ) 与外部二次设备相连。 以上高压设备新技术拥有一个共同的特点，即过程设备的智能化：采用串行 通信的方式实现一次相关参数的输入与输出，而不是传统的直接电缆连接。这一 变化对变电站自动化系统分层分布式结构的发展起到了直接推动作用，使得变电 站自动化系统按功能分为了三层：变电站层、间隔层、过程层，过程层与间隔层 之间可以采用过程总线进行信息传输，省去了大量复杂的二次电缆连接。过程总 线结合光纤技术的应用，就完全隔离开了过程设备与间隔层设备及站层设备的电 气连接，减少了电磁干扰的传入途径，增强了变电站自动化系统运行的稳定性及 可靠性。 间隔层作为中间层，一方面通过过程总线与过程层设备通信，完成本间隔设 备的保护监控；另一方面通过站总线与站层设备及其它间隔层设备通信，完成站 层保护监控功能。变电站层设备主要用于完成站层的保护监控，其主要通过监控 间隔层保护监控设备来实现；另外站层网络还要通过变电站远方通信终端( 1 盯u ) 与远方监控中心联网，以实现变电站的远方监控功能，为调度自动化系统提供本 站运行参数及控制手段。 1 1 2i e c 6 1 8 5 0 标准研究及应用现状 i e c 6 1 8 5 0 标准是国际电工委员会制定的关于变电站自动化系统结构和数据 通讯的一个国际标准，目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备之间通过一种 标准协议实现相互操作和信息共享，取消多种协议转换环节和转换设备，使系统 通信更加高效便捷。i e c 6 1 8 5 0 作为一个复杂的标准体系，不同厂家在研发过程中， 基于c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设备研究 对于标准的理解和实现可能会有不同，与标准本身可能会有偏差，这些偏差积累 到一定程度就会影响互操作的实现。为了使i e c 6 1 8 5 0 能够被各厂家正确理解和 实现，在标准大规模推广之前，各厂家进行互操作实验，在实验中发现和解决问 题，是保证各厂家i e c 6 1 8 5 0 标准实现一致性的有效手段。 国外厂商和广大用户对i e c 6 1 8 5 0 标准给予了高度关注。a b b 、s i e m e n s 、 a r e v a 等国外大公司于2 0 0 4 年全球同步推出了支持i e c 6 1 8 5 0 的新一代变电站 自动化系统。u c a i n g 等用户组织明确表示支持i e c 6 1 8 5 0 的使用，某些国家的 技术规范也进行了相应的修改，将i e c 6 1 8 5 0 明确写入变电站自动化系统技术规 范。i e c 6 1 8 5 0 互操作实验在a b b 、s i e m e n s 、a r e v a 、l 【】兰m a 等大公司进行过 多次，从时间上分为两个阶段。1 9 9 7 年2 0 0 2 年，这些大公司进行了多次互操作 实验，并根据实验结果对标准草案进行修改。该阶段主要考虑标准本身、样机研 制和标准实现的一致性。2 0 0 2 年后，考虑工程应用情况下的互操作性。经过这两 个阶段的互操作实验，最后实现了几个大公司i e c 6 1 8 5 0 系统之间的互操作，参 与实验的几个公司的产品也达到了工程应用的水平。 表1 1 国家电网公司组织的i e c 6 1 8 5 0 互操作试验 国内方面，从i e c 6 1 8 5 0 标准开始制定，国内在跟踪和研究方面就十分积极， 对协议及其应用进行了深入的分析和研究。目前国内的研究主要集中在理论分析 和站级总线的应用上。理论分析主要包括数字化变电站的体系结构研究【1 2 - 1 3 1 、变 电站自动化系统配置研究【1 4 d 5 1 、间隔层设备的硬件平台研究【1 6 】及其软件系统研究 【”】。站级总线的应用研究主要包括对原来具有以太网接口的保护装置重新进行建 模、编写规约，对无以太网接口的保护监控设备提供集中式或分散式的规约转换 硕士学位论文 装置等。 为了推动国内主要电力自动化设备厂家开展i e c 6 1 8 5 0 研究和提高产品、系 统开发水平，成功实现国内设备在i e c 6 1 8 5 0 标准下实现互操作目标，2 0 0 5 年5 月2 0 0 6 年1 2 月国调中心组织了由国内外主要厂家参与的6 次i e c 6 1 8 5 0 互操 作实验【1 8 】。6 次实验参加的情况如表1 1 所示。 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i e c 6 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l e c 6 1 8 5 0 标准的研究 和开发取得重大进展，各厂家所开发生产的设备已实现了i e c 6 1 8 5 0 标准中规定 的基本模型、服务和功能，并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已处于同一研究水平，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。 在工程应用方面，2 0 0 6 年3 月2 7 日，国电南自满足i e c 6 1 8 5 0 标准的p s 6 0 0 0 变电站自动化系统在西安1 1 0 k v 少陵变顺利投运，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 c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统。2 0 0 7 年6 月2 5 日5 0 0 k v 桂林变在国电南自 厂内通过中国电力科学研究院鉴定。国电南瑞已经投产浙江2 2 0 千伏外陈变电站、 河北承德西地1 1 0 千伏变电站、山东青岛1 1 0 千伏变电站，2 0 0 7 年6 月8 日采用 i e c 6 1 8 5 0 标准的北京顺义5 0 0 千伏变电站也顺利投运。许继电气2 0 0 6 年在湖北 投产第一个基于i e c 6 1 8 5 0 标准的左家坪变电站，下一个基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变 电站也会很快在洛阳实施。南瑞继保在安徽和浙江各投运两个i e c 6 1 8 5 0 变电站。 北京四方2 0 0 6 年投产采用i e c 6 1 8 5 0 标准的曹里村、朱雀变电站。以上这些已经 投运工程都是采用了i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站，但都是与自家的设备通信，或采 用过渡的方案，应该说只是应用了i e c 6 1 8 5 0 体系中的一部分内容。2 0 0 7 年6 月 2 8 日一个真正意义上的i e c 6 1 8 5 0 变电站西安市3 3 0 k v 聂刘变投运。该变电 站采用北京四方的c s c 2 0 0 0 变电站自动化系统，在间隔层不但有北京四方的测控 设备和保护设备，还有南瑞继保、国电南自、深圳南瑞的保护设备，各保护测控 设备采用i e c 6 1 8 5 0 标准通信，在实现不同厂家设备互操作方面上了一个大台阶， 这标志着国内i e c 6 1 8 5 0 研究应用取得了重大进展和突破。 2 0 0 6 年和2 0 0 7 年是i e c 6 1 8 5 0 在国内应用试验的阶段，预计2 0 0 8 年以后几 年会在全国大规模推广，特别是在2 2 0 k v 5 0 0 k v 电压等级变电站预计两年后会 全面使用：在1 1 0 k v 电压等级变电站由于自动化系统和保护监控设备基本采用一 个厂家的设备，没有互操作要求，推广的必要性和积极性稍低，但随着各厂家对 i e c 6 1 8 5 0 标准的全面采用，相信该标准以后会在各电压等级得到广泛应用。 基于m c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设备研究 1 2 论文所做工作 论文在研究了基于i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统通信模型的基础上， 主要做了如下工作： ( 1 ) 根据变电站自动化系统功能分层思想及对通信实时性要求，提出了一种 变电站自动化系统逻辑接口到物理接口的映射方案。以高压线路间隔的保护监控 为例，构建了一种间隔层保护监控设备的硬件平台，该硬件平台内部采用多c p u 系统的分布式体系结构，各c p u 系统由以太网及c a n 总线连成内部局域网，支 持功能的分布式实现。 ( 2 ) 组建了间隔层保护监控设备的局域网图，并通过对假设环境中最坏情况 下网络负荷及延时的计算，验证了该设备结构及其网络构建方式满足相关通信实 时性要求。 ( 3 ) 对系统的软件构架进行了一定的研究。提出了系统的总体软件构架，对 系统的通信模式、通信报文帧格式及编码、系统功能的实现方式进行了一定的研 究。 ( 4 ) 介绍了变电站自动化系统的配置流程。变电站配置采用变电站配置描述 语言( s c l ) 描述变电站i e d 设备、变电站系统拓扑结构和变电站通信系统的配 置；对s c l 的结构模型及模式定义语言进行了介绍和分析。 硕士学位论文 第2 章基于i e c 6 1 8 5 0 标准的间隔层保护监控设备功能 模型研究 2 1i e c 6 1 8 5 0 标准概述 i e c 6 1 8 5 0 是一个庞大的标准体系，其具体内容涉及了变电站自动化系统的功 能模型和通信要求、面向对象建立的信息模型及其信息交换服务模型、特定通信 服务映射、一致性测试及系统工程的管理。以下就i e c 6 1 8 5 0 标准的建模方法及 其标准体系内容进行分析和介绍。 2 1 1i e c 6 1 8 5 0 建模方法 按照i e c 6 1 8 5 0 标准，变电站自动化系统的功能分为三层【1 9 l ：过程层、间隔 层、变电站层。其中过程层功能是指与过程接口的全部功能，如开关量及模拟量 的采集、控制命令的发送等，这些功能通过逻辑接口4 和5 与间隔层通信，典型 设备有远方i o ，智能传感器和执行器。间隔层功能是指使用一个间隔的数据并 且对这个间隔的一次设备进行操作的一些功能，这些功能通过逻辑接口3 实现间 隔层内通信，通过逻辑接口4 和5 与过程层通信，典型设备为保护监控设备、测 量设备等。变电站层功能分为两类：一类为过程有关变电站层功能，即，使用多 个间隔或者全站的数据，对多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制，这些功 能主要通过接口8 通信，母线保护及间隔联锁就属此类；另一类为接口有关变电 站层功能，用于实现变电站自动化系统与本站运行人员的接口h m i ( 人机接口) 、 与远方控制中心的接口t c i ( 远动接口) 以及与监视和维护远方工程管理的接口 ( t m i ) ，这些功能通过逻辑接口1 和6 与间隔层通信，通过逻辑接口7 、1 0 与外 部通信。各功能层及其逻辑接口如图2 1 所示。 接口定义： i f l ：在间隔层和变电站层之间交换保护数据； i f 2 ：在间隔层与远方保护之间交换保护数据( 不在本标准范围) ； i f 3 ：在间隔层内交换数据； i f 4 ：在过程层和间隔层之间交换电压互感器p t 和电流互感器c t 瞬时数据 ( 比如采样值) ： i f 5 ：在过程层和间隔层之间交换控制数据； i f 6 ：在间隔层和变电站层之间交换控制数据； i f 7 ：在变电站层与远方工程师工作站之间交换数据； 基于m c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设备研究 i f 8 ：在间隔层之间直接交换数据，尤其是像联锁这样的快速功能； i f 9 ：在变电站层设备之间交换数据； i f l 0 ：在变电站层和远方控制中心之间交换控制数据( 不在本标准范围) 变电站层 间隔层 过程层 图2 1 变电站自动化系统功能层和逻辑接口 由于变电站各层功能具有一定的通用性，可以将变电站各层功能按独立性进 行分解并建模为不同的逻辑节点，使各逻辑节点包含其对应功能的信息模型( 逻 辑节点名、定值、状态等数据对象) 及其信息交换服务模型。进行功能分解有利 于功能的自描述，方便功能之间的接口实现，为实现实际装置的互操作奠定了基 础。进行功能分解后，一个功能将有几个逻辑节点配合完成，这就涉及到逻辑节 点间的通信问题。逻辑节点间通过逻辑连接( l c ) 相连，具体通信内容及性能要 求采用通信信息片( p i c o m ) 来描述。通用变电站功能的分解可通过图2 2 所示 实例进行说明。图2 2 给出了3 个通用功能的实例：同期断路器分合、距离保护、 过电流保护。 逻辑节点 1 人机接口 l 同期切换 i 距离保护 l 过流保护 断路器 间隔t a 间隔t v 母线t v 功能 图2 2 功能模块、逻辑节点和物理装置关系示意图 藩 涵 藩 酗 硕士学位论文 图2 2 中右侧数字代表具体的物理设备：1 为变电站计算机，2 为同期分合装 置，3 为距离保护单元，集成过流保护功能，4 为间隔控制单元，5 为电流互感器， 6 为电压互感器，7 为母线电压互感器。从图中可以看出，断路器同期控制功能分 解为5 个逻辑节点：人机接口、同期切换、断路器、间隔，r v 、母线t v ；距离保 护功能分解为5 个逻辑节点：人机接口、距离保护、断路器、间隔t a 、间隔t v ； 过电流保护功能包含4 个逻辑节点：人机接口、过电流保护、断路器、间隔t a 。 逻辑节点在物理设备上的分布情况为：人机接口位于变电站计算机，同期切换逻 辑节点位于同期分合装置，距离保护逻辑节点及过流保护逻辑节点位于距离保护 单元，断路器逻辑节点位于间隔控制单元，间隔t a 、间隔t v 分别为电流互感 器、电压互感器的逻辑映射，母线t v 为母线电压互感器的映射。 在硬件条件允许的情况下，可以将多个逻辑节点安排在一个物理设备中，比 如电压电流互感器逻辑节点及一些通用过程i o 可安排在一个物理设备“合并单 元”中，由合并单元通过多播报文提供给其他物理装置的保护监控功能。 i e c 6 1 8 5 0 标准正是通过上述方法将变电站自动化系统的功能进行分解，然后 对各功能进行面向对象的信息建模来实现的。标准中定义了变电站和馈线设备的 基本通信结构一一抽象通信服务接口。抽象通信服务接口是智能电子设备( i e d ) 的一个虚拟接口，用于建立与变电站自动化功能相关的基本信息模型及其信息交 换服务模型。基本信息模型包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属性， 用于描述变电站特定信息模型。信息交换服务模型包括数据集模型、取代模型以 及各种控制块、控制、时间同步、文件传输等服务模型，用于对数据、数据属性、 数据集进行各种操作服务。因此基本信息模型与信息交换服务模型是密切相关的。 各种模型在物理设备中的实例具有唯一路径，通过其路径即可访问其相关数据及 属性。各模型实例的路径可通过其上级容器类的读目录服务获得。这样做的优点 是对变电站自动化系统功能的标示通过面向对象建模的方法更加标准化，有利于 系统内部及与上级测控系统之间建立无缝通信连接。抽象通信服务接口概念性服 务模型如图2 3 所示。 对构成域特定信息模型的概念模型描述如下： ( 1 ) 服务器( s e r v e r ) 代表设备的外部可视功能。所有其它a c s i 模型包 含在服务器模型中，为服务器模型的一部分。服务器既用于与客户设备通信，又 用于向对等设备发送信息。 ( 2 ) 逻辑设备( l o g i c a l d e v i c e ) 包含由一组域特定应用功能产生和使用 的信息。 ( 3 ) 逻辑节点( l o g i c a l n o d e ) 包含由域特定应用功能例如过电压保护或断 路器等产生和使用的信息。 ( 4 ) 数据( d a t a ) 提供各种手段去规定包含在逻辑节点内的类型信息，例 基于m c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设各研究 如带品质信息和时标的开关位置。 图2 3a c s i 概念性服务模型 以上每个信息模型定义为类，这些类由属性和服务组成。 其他服务模型包括： ( 1 ) 数据集( d a l 隗s e t ) 将各种数据、数据属性编成组，用以直接访问、 报告、日志。 ( 2 ) 取代( s u b s t i t u t i o n ) 用其他值代替过程值。 ( 3 ) 定值组控制块( s e t t i n g g r o u p c o n t r o l b l o c k ) 定义如何从一 组定值切换到另一组定值以及如何编辑定值组。 ( 4 ) 报告控制块( r e p o r t - c o n t r o l b l o c k ) 和日志控制块 ( l o g c o n t r o l b l o c k ) 描述了基于客户参数集产生报告和日志的 条件。过程数据值的变化( 例如状态变化或死区) 或由品质变化触发产生报 告，记入日志以备以后检索。报告可立即发送或延迟发送( 缓存) 。报告提 供了状态变位和事件顺序信息交换。 ( 5 ) 通用变电站事件( g s e ) 控制块它支持输入和输出值快速可靠的系统 范围传输及i e d 二进制状态信息( 例如跳闸信号) 对等交换。 ( 6 ) 采样值传输控制块例如仪用互感器采样值快速组播传输。 ( 7 ) 控制( c o n t r 0 1 ) 描述控制服务，例如控制设备。 ( 8 ) 时间和时间同步一为设备和系统提供了时间基准。 ( 9 ) 文件传输( f i l e ) 定义了大型数据块例如程序的交换。 硕士学位论文 在实际实现中，逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属性及报告控制、日志控 制、定值控制等都有自己的对象名( 实例名) ，在它们所属的同一容器的相应类中 有唯一名称，另外，它们都有路径名( o b j e c tr e f e r e n c e ) ，它是各级容器对象名与 自身对象名的串联。 2 1 2i e c 6 1 8 5 0 标准的体系结构 i e c 6 1 8 5 0 是一个庞大的协议体系，共分为l o 个部分，以下就各部分的主要 内容作一简要介绍。 ( 1 ) i e c 6 1 8 5 0 1 概论 本部分对i e c 6 1 8 5 0 标准系列进行了介绍，定义了变电站内智能电子设备 ( i e d ) 之间的通信和相关系统要求。 ( 2 ) i e c 6 1 8 5 0 2 术语 本部分给出了i e c6 1 8 5 0 文档中涉及的关于变电站自动化系统的特定术语及 其定义。 ( 3 ) i e c 6 1 8 5 0 3 总体要求 本部分定义了变电站自动化系统中智能电子设备( i e d ) 之间的通信及相关 的系统要求，详细说明了系统通信网络的总体要求，重点是质量要求( 可靠性、可 用性、可维护性、安全性，可携带性、数据完整性以及总的网络要求) ，还述及了 环境条件( 温度、湿度、大气压力、机械震动、电磁干扰等) 和供电要求等方面， 并根据其它标准和规范对相关要求提出了建议。 ( 4 ) l e c 6 1 8 5 0 4 系统和项目管理 本部分规定了对系统和项目管理的要求。主要包括：工程过程及其支持工具； 整个系统及其l e d 的寿命周期；从研发阶段直至变电站自动化系统( s a s ) 及其 智能电子设备( i e d ) 停产和退出运行的质量保证( 责任、测试设备、系统测试、 工厂验收、现场验收) 。 本部分描述了对工程和项目管理过程的要求以及对工程和实验所需的专用支 持工具的要求。 ( 5 ) i e c 6 1 8 5 0 5 功能通信要求和装置模型 本部分规定了变电站自动化系统所完成功能的通信要求和装置模型。标识了 所有已知的功能和通信要求。 功能的描述并不是用于功能标准化而是用于标识远方客户和变电站之间、变 电站内智能电子设备( i e d ) 之间的通信要求。基本目标是实现组成变电站自动 化系统的各智能电子设备之间的互操作，提高系统的通信效率，增强设备间的协 作能力，提高系统可靠性及稳定性。 对于功能的具体实现方式，完全超出本标准的范围，因而，将功能分配到装 基于正c 6 1 8 5 0 的变电站间隔层保护监控设备研究 置往往不只一种分配策略。为支持功能自由分配要求，定义了将功能分解为相关 通信部分的方法，规定了交换数据和它们的性能要求。 ( 6 ) i e c 6 1 8 5 0 6 变电站智能电子设备配置语言 本标准规定了描述和通信有关的智能电子设备( i e d ) 配置、通信系统配置、 开关场结构及它们之间关系的文件格式。该文件的描述方法使得文件中的数据能 够在不同厂家的智能电子设备工程工具和系统工程工具间以兼容的方式进行交 换。 定义的语言为变电站配置描述语言( s c l ) ，用s c l 描述的智能电子设备 ( i e d ) 和通信系统模型要符合本标准系列第5 和第7 部分的规定。 配置语言采用扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g ex m l ) 1 o 版。 ( 7 ) i e c 6 1 8 5 0 7 1 变电站和馈线设备的基本通信结构 本部分描述的d l t 8 6 0 7 的建模方法、通信原理和信息模型。本标准是从视 窗的概念出发，帮助读者理解下述各项基本建模概念和描述方法：变电站自动化 系统的变电站特定信息模型；用于变电站自动化的设备功能；变电站内提供互操 作性的通信系统。 ( 8 ) i e c 6 1 8 5 0 7 2 变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口 ( a c s i ) 本部分用于变电站和馈线应用的a c s i 通信。a c s i 提供如下类抽象接口：一 是用以描述客户和远方服务器之间通信的抽象接口，它用于实时的数据访问和检 索、控制服务、事件报告和日志、设备的自我描述( 设备数据字典) 、文件传输等。 另一类是用于一个设备中的应用和不同设备中多个远方应用之间的快速和可靠的 系统范围事件分配( 发布者订阅者) 以及采样值传输( 发布者订户) 的抽象接口。 ( 9 ) i e c 6 1 8 5 0 7 3 变电站和馈线设备的基本通信结构公用数据类 本部分规定了有关变电站应用的公共属性类型和公用数据类。特别规定： 状态信息的公用数据类； 测量值信息的公用数据类； 可控状态信息的公用数据类： 可控模拟设定值信息的公用数据类； 状态定值的公用数据类； 模拟定值的公用数据类； 公用数据类的属性类型。 本部分用于描述变电站和馈线设备的设备模型和功能。 ( 1 0 ) i e c 6 1 8 5 0 7 4 变电站和馈线设备的基本通信结构兼容逻辑节点类 和数据类 本部分规定了与变电站应用相关的装置和功能的信息模型，特别规定了智能 硕士学位论文 电子装置( i e d ) 中通信用兼容逻辑节点名和数据名，包括逻辑节点和数据的相 互关系。逻辑节点名和数据名是在i e c 6 1 8 5 0 7 1 中介绍并在i e c 6 1 8 5 0 7 2 中定 义的相关类模型的一部分。本部分定义的名称用于建立层次对象引用，应用于变 电站内智能电子装置间的通信。 为避免专用、不兼容的扩展规则，本部分规定了多重实例及逻辑节点( l n ) 类和数据名专用扩展的标准命名规则。如： 使用逻辑节点实例标识的逻辑节点类多重实例； 使用数据实例标识的数据多重实例； 创建新的逻辑节点类和数据名。 举例说明了复杂情况中逻辑节点的使用，如线路保护中逻辑节点的使用；功 能不同层次的逻辑节点多重实例的应用。 ( 1 1 ) i e c 6 1 8 5 0 8 1 特殊通信服务映射( s c s m ) 映射到m m s ( i s 0 9 5 0 6 1 和i s 0 9 5 0 6 2 ) 和i s o i e c 8 8 0 2 3 本部分提供了i