（电气工程专业论文）基于iec61850的数字化变电站工程实践.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化变电站 工程实践，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： 盛垒盖日 期：兰! 应： 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： 日期： 导师签名： 盒逐 日 期：捌翌：f ：虚 i ：1 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 本文对i e c 6 1 8 5 0 标准的架构进行了分析。在此基础上，对i e c 6 1 8 5 0 的核心部 分：数据模型、通信服务和工程组态进行了研究，并与传统技术进行了全面对比。 对国内外数字化变电站主要的网络构成方案进行研究，分析了各自的优缺点和适用 范围，提出了数字化变电站通信网络构成原则。对数字化装置实现的主要策略进行 了研究，分析了数字化装置的构成原则和使用注意事项，提出了数字化装置实现的 原则。最后以唐山郭家屯2 2 0 k v 数字化变电站为实例，将上述研究结果在该工程进 行了实际应用。通过实际工程应用，对研究结论进行了检验。 关键词：数字化变电站，i e c 6 1 8 5 0 ，网络构成、数字化装置，工程组态 a b s t r a c t t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h es t a n d a r ds t r u c t u r eo fi e c 6 18 5 0 o nt h i sb a s i s ，t h ep a p e rh a sd e e p l y s t u d i e di nd a t am o d e l ，c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa n dp r o j e c tc o n f i g u r a t i o no fi e c 618 5 0 ，a n db e e n c o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u e sr o u n d l y i th a sr e s e a r c h e dt h em a i n l yn e t w o r kc o m p o s i t i o n s c h e m eo fd i g i t a ls u b s t a t i o n o n eb yo n ea th o m ea n da b r o a d ，a n a l y z e dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa n ds c o p e so fa p p l i c a t i o n ，a n dh a sp r e s e n t e dc o n s t i t u t i v ep r i n c i p l e so fd i 【g i t a l 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 th a ss t u d i e dm a i ns t r a t e g yt oa c c o m p l i s ho fd i g i t a ld e v i c e s ，n o t o n l ya n a l y z e dc o n s t i t u t i v ep r i n c i p l e sa n dc a u t i o ni ns e r v i c eb u tp r e s e n t e dr e a l i z a t i o np r i n c i p l e so f d i g i t a ld e v i c e s a tt h ee n d o ft h i sp a p e r , t a k e2 2 0 k vd i g i t a ls u b s t a t i o no fg u o j i a t u nf o re x a m p l e ，t h e r e s p e c t sa p p l i c a t i o nr e s u l t sa b o v em e n t i o n e do ft h i sp r o j e c th a v eb e e na c t u a l l ya p p l i e d t h r o u g ht h e a c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，i th a sm a d ei n s p e c t i o nt or e s e a r c hc o n c l u s i o n s q i a ny u c h u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) ，directedb yp r o f x uy u q i na n dq i nc h a o y u n k e yw o r d s ：d i g i t a ls u b s t a t i o n , i e c 6 1 8 5 0 ，n e t w o r kc o m p o n e n t s ，d i g i t a ld e v i c e s ，p r o j e c t c o n f i g u r a t i o n l 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 数字化变电站概述1 1 1 1 非传统互感器( n c i t ) 1 1 1 2i e c 6 1 8 5 0 标准1 1 1 3 网络通信技术1 1 1 4 智能断路器技术2 1 2 建设数字化变电站的实际意义2 1 2 1 解决互操作问题一2 1 2 2 解决传统电磁式互感器带来的问题3 1 2 3 解决二次回路复杂问题4 1 2 4 解决电磁干扰问题4 1 2 5 解决一次设备智能化问题4 1 2 6 解决继电保护状态检修问题5 i 3 问题的提出和选题的意义5 1 3 1i e c 6 1 8 5 0 标准一5 1 3 2 通信网络5 1 3 3 数字化装置实现5 1 4 论文的主要工作6 第二章i e c 6 1 8 5 0 标准研究7 2 1 引言7 2 2i e c 6 18 5 0 数据建模7 2 3i e c 618 5 0 通信服务8 2 4 工程组态9 2 5 小结1 1 第三章数字化变电站通信网络1 2 3 1 引言1 2 3 2 数字化变电站网络总体架构1 2 3 3 变电站层网络1 4 华北电力大学工程硕士学位论文目录 3 3 1 双星型以太网1 4 3 3 2 单星型以太网1 4 3 3 3 单自愈环网1 5 3 3 4 测控装置逻辑互锁通信1 5 3 4 过程层网络1 5 3 4 1 采样值( s v ) 网络15 3 4 1 1s v 点对点模式1 6 3 4 1 2s v 组网模式1 6 3 4 2g o o s e 网络1 7 3 4 2 1 双星型以太网双出口1 7 3 4 2 2 双星型以太网单出口18 3 4 2 3 单星型以太网1 8 3 4 2 4g o o s e 网分段配置l8 3 4 3 通过v l a n 进行网络流量控制1 9 3 4 4 交换机配置策略1 9 3 4 4 1 按间隔配置交换机2 0 3 4 4 2 集中配置交换机2 0 3 5 探索中模式2 l 3 5 1g o o s e 与s v 合一2 1 3 5 2g o o s e 与m m s 合一2 l 3 5 3i e e e l 5 8 8 对时2 l 3 6 数字化变电站网络应用模式选择原则2 1 3 7 小结2 2 第四章数字化装置实现2 3 4 1 引言2 3 4 2 采样值s v 2 4 4 3g o o s e 2 5 4 3 1o o o s e 报文内容：2 6 4 3 2g o o s e 的配置：2 6 4 4 各类装置的实现2 7 4 4 1 测保一体化装置2 7 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 5 5 现场测试方案3l 4 5 5 1 保护系统测试3 2 4 5 5 2 单装置测试3 2 4 6 装置通信过程记录与分析3 3 4 6 1 系统构成3 3 4 6 2 通信监视与记录3 3 4 6 3 记录报文分析3 4 4 6 4g o o s e 在线监视和分析3 4 4 6 5 技术发展未来趋势3 5 4 7 数字化装置的实现原则3 5 4 8 小结3 6 第五章工程应用实践3 7 5 1 引言：3 7 5 2 郭家屯工程概述3 7 5 3 系统网络架构3 8 5 4 站控层设备3 9 5 5 电子式互感器4 0 5 6 对时方式4 0 5 7 双重化保护保持独立性4 0 5 8 测控、保护一体化设计4 l 5 9 对开关内部二次回路进行改造4 1 5 1 0 采用分散式故障录波一4 2 5 1 0 1 传统变电站故障录波分析4 2 5 1 0 2 数字化变电站故障录波器的功能设计4 3 5 1 0 3 分散式故障录波在郭家屯数字化变电站的实现4 4 5 1 0 3 1 记录数据的类型一4 4 5 1 0 3 2 启动录波的方式4 4 5 1 0 3 3 录波的记录方式4 4 5 1 1 保护自动、闭环测试4 6 5 1 1 1 数字式保护测试现状4 6 5 1 1 2 自动、闭环测试4 6 5 1 1 2 1 定值的自动读取4 7 5 1 1 2 2g o o s e 参数的自动配置4 7 5 1 2 数字化变电站条件下实现全站一、二次设备顺序控制4 8 5 1 2 1 数字化变电站条件下对顺序控制的需求4 8 t i i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 5 1 2 1 1 数字化技术应用带来的需求4 8 5 1 2 1 2 运行操作规程的要求4 8 5 1 2 2 几种变电站自动化系统顺序控制实现方案4 8 5 1 2 2 1 集中式方案和分布式方案的比较4 9 5 1 2 2 2 基于态转换方案和基于一体化五防操作票系统方案对比4 9 5 1 2 3 基于一体化五防操作票系统的集中式顺序控制方案5 0 5 1 2 3 1 需要解决的问题5 0 5 1 2 3 2 满足先预演后操作的规程要求5 0 5 1 2 - 3 3 基于i e c 6 1 8 5 0 标准自动生成事故总信号5 0 5 1 2 3 4 实现顺序控制和现场操作之间的转换5 1 5 1 2 3 5 顺序控制过程的权限控制5 1 5 1 2 3 6 实现对于软压板的预置操作流程的顺序控制5 1 5 1 2 4 顺序控制在郭家屯数字化变电站的实现5 l 5 13 小结5 2 第六章结论5 3 参考文献5 4 致谢5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 9 i v 1 1 1 非传统互感器( n c i t ) 展历史。 带来了 家i e d 不 d - 3 i e c 6 1 8 5 0 。数字化 次设备网 非传统互感器有两种基本类型：一种是电子式互感器；一种是电光效应的互感 器。其特点是可以输出低电平模拟信号和数字信号，直接用于微机保护和电子式计 量设备，去除了很多中间环节，适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。同 时动态范围比较大，能同时使用于测量和保护两种功能“1 。 1 1 2le c 6 18 5 0 标准 i e c 6 1 8 5 0 是新一代的变电站网络通信体系，代表了变电站自动化系统技术发展 方向。该标准根据变电站网络通信需要，制定了满足实时性信息传输要求的服务模 型：采用抽象通信服务接口、特定通信服务映射，以适应网络技术的不断发展；采 用面向对象建模技术，面向设备建模和自我描述，以适应功能扩展，满足应用开放 互操作要求；采用配置语言，配置工具。该标准还对一致性测试进行了规定啼】。 i e c 6 1 8 5 0 标准为电力自动化产品的“统一标准、统一模型、互联开放”的格局 奠定了基础。 。 1 1 3 网络通信技术 电力系统二次系统作为一次系统的辅助回路，主要由测量仪表、控制及信号装 置、继电保护装置、自动控制及监测或反馈装置、远动装置及相关控制回路等组成。 二次系统的作用是对电气一次系统进行测量、控制、监视和保护。当一次系统运行 不正常或发生故障时，二次系统根据异常时电气量的变化，发出相应的信号，报警 或者切除故障电气设备。由于传统的二次设备不但需要从互感器中获得一次系统的 i 华北电力大学工程硕士学位论文 电压、电流信号，还需要利用一定的功率来驱动二次设备，互感器n - - 次设备以及 二次设备之间多采用模拟式连接方式嫡1 。 二次系统包括信号回路和控制回路，而互感器输出的电压、电流值由电缆传送 到各个二次设备构成了主要的二次回路。随着二次设备逐步升级换代到微机型设 备，光纤通信技术、网络技术的飞速发展及其在变电站自动化系统中的不断深入应 用，加上电力系统规模的扩大和自动化水平的提高，用数字通信手段传递电量信号、 用光纤作为传输介质取代传统的金属电缆，构成网络通信的二次系统已成为可能口1 。 网络技术的发展是变电站自动化技术从集中式向分散式发展的基础，二次设备 不再出现常规功能装置重复的i o 现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共 享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。以太网技术正被广泛引入变电站自动 化系统过程层的采集、测量单元和间隔层保护、控制单元中，构成基于网络控制的 分布式变电站自动化系统，系统的通信具有实时性、优先级、通信效率高等特点1 们。 1 1 4 智能断路器技术 n c i t 的出现以及计算机的发展，使得对于断路器设备内部的电、磁、温度、机 械、机构动作状态监测已经成为可能。可通过收集分析检测数据，判断断路器设备 运行的状态及趋势，安排检修和维护时间，实现设备的状态检修，代替传统的定期 检查试验和预防性试验。智能化一次设备采用数字化的监视和控制手段，机械结构 简单，体积小，既减少了设备停电检修的几率和时间，减少了运行成本，也减少了 人为因素造成的设备损坏。 智能断路器可根据所检测到的电网中断路器开断前一瞬间的各种工作状态信 息，自动选择和调整操作机构及与灭弧室状态相适应的合理工作条件，以改变现有 断路器的单一合闸特性。例如，在无载时以较低的分闸速度开断，而在系统故障时 又以较高的分闸速度开断，可获得开断时电气和机构性能上的最佳开断效果n 朝。 1 2 建设数字化变电站的实际意义 数字化变电站技术可以解决许多常规变电站难以解决的问题，其中比较突出的 是：互操作问题、传统电磁式互感器带来的问题、二次回路复杂的问题、控制电缆 引起的电磁干扰问题、一次设备智能化问题、继电保护状态检修问题等n 扣。 1 2 1 解决互操作问题 在变电站自动化系统中，不同厂家往往使用各自不同的通信技术，从最初的 r s 一4 8 5 ，到后来的各种现场总线以及现在的以太网技术，所使用的通信协议也是各 种私有通信协议。由于变电站自动化系统内部存在不同的通信网络和协议，造成了 2 华北电力大学工程硕士学位论文 不同厂家设备之间缺乏互操作性，使得系统集成周期长、集成费用高、可靠性降低、 后期维护不方便。虽然各厂家都在向i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 协议靠拢，但由于1 0 3 协议 是面向串行通信方式，不能适应网络环境要求，并且1 0 3 协议内自定义部分各厂家 使用方法不同，不同厂家设备依然不能实现互操作n 钉。 i e c 6 1 8 5 0 是关于变电站自动化系统通信网络和系统的国际标准。制定i e c 6 1 8 5 0 的主要目的是为了实现变电站内不同厂家智能电子设备之间的互操作。该标准对站 内智能电子设备的信息描述方法、访问方法和通信网络进行了全面定义，使得不同 厂家的智能电子设备可以互操作。因此，建立在i e c 6 1 8 5 0 标准之上的数字化变电 站有效地解决了互操作问题n 卜捌。 1 2 2 解决传统电磁式互感器带来的问题 传统电流、电压互感器是电磁式互感器，它们具有维护成本低，可靠性高的特 点。存在的问题也很突出，主要有： 1 ) 电流互感器在大电流情况下，会出现铁芯饱和现象，这是继电保护不正确动 ”作的主要原因之一。 2 ) 暂态传变特性差，降低了继电保护动作速度。而改善暂态传变特性需增加投 资。 。1 h 3 ) 电流互感器二次侧输出对负载有严格要求，当开关场到控制室的距离过远时， 难以保证传变精度。 4 ) 电流互感器二次不能开路，否则会产生数千伏的高压，危及人身和设备的安 全；电压互感器二次不能短路，否则也将危及设备的安全。 5 ) 为解决绝缘和传变特性，当电压等级越高，短路电流越大时，必然将增大体 积，使设备变得更加笨重，制造困难，安装运输也不方便。 随着电网发展，高电压大容量输电要求控制、保护设备响应速度更快，监测精 度更高，传统电流、电压互感器如要满足要求，制造工艺将更复杂、体积将更大， 造价增加比电压等级增加要快得多，同时，有些缺陷是不可克服的。 电子式互感器具备体积小、重量轻；具备数字接口，通过光纤输出；不含铁芯， 消除了磁饱和、铁磁谐振等问题；暂态特性好，测量精度高，频率响应范围宽；绝 缘性能好，造价低等优点。电子式互感器的出现解决了传统互感器的问题，具备很 高的性价比，特别是在高电压条件下优势更为明显，可在数字化变电站中采用 2 1 1 。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 3 解决二次回路复杂问题 传统二次回路完全由控制电缆通过复杂接线完成，一座变电站有大量端子接 线，每一个接线错误或异常都有可能带来严重的后果，这给基建和运行维护带来了 极大的工作量和风险。随着二次设备技术水平和制造工艺的进步，继电保护装置的 可靠性也大幅提高，由于继电保护装置本身原因造成的继电保护不正确动作呈下降 趋势，而二次回路原因造成继电保护不正确动作就变得十分突出。如何简化二次回 路，降低二次回路基建、运行维护工作量，提高变电站自动化系统运行可靠性，成 为变电站自动化技术继续发展需要解决的主要问题之一在数字化变电站条件下， 用光纤通信代替控制电缆硬连接，一根光纤可以传递过去很多根电缆表达的信息。 因此，二次回路大为简化。 1 2 4 解决电磁干扰问题 通过控制电缆耦合而造成的变电站运行电磁干扰一直是困扰继电保护工作者 的问题，各种干扰源通过控制电缆耦合进入二次设备，造成设备的损坏或保护装置 的不正确动作时有发生( 在1 9 9 7 年兴城变电站在投c v t 的时候由于控制电缆不是 屏蔽电缆，在电缆芯线上产生了上万伏的高频电压，造成了多块保护插件的损坏， 2 0 0 6 年0 8 月1 2 日，山西鲁能河曲电厂，由于通过控制电缆产生的电磁干扰造成断 路器保护中的“发变三跳失灵 功能误动，跳开四台发变组断路器使# 1 、# 2 机组 停运) 。 此外，直流接地或交流混进直流造成的继电保护不正确动作随着光隔及快速中 间继电器的采用也变得日益突出( 比如，2 0 0 6 年6 月1 2 日，河北南网5 0 0 k v 石北 变电站微机母差保护由于直流系统接地造成了失灵直跳功能误动，使5 0 0 k v # 1 、# 2 母线停电：2 0 0 6 年8 月6 日赵店子变电站由于直流母线上的放电器间歇性击穿形成 直流系统正极接地造成2 2 4 5 开关非全相保护误动跳闸。) 针对以上问题虽然目前采 取了一些措施，比如：敷设继电保护专用铜地网，增大继电器动作功率等，但由于 控制电缆的存在，均无法根本解决。在数字化变电站条件下，用光纤通信代替控制 电缆硬接线，消除了干扰传输媒介，从根本上解决了这个问题。 1 2 5 解决一次设备智能化问题 目前大多数变电站的一次设备都不具备智能化接口，一次设备的状态信息和控 制信息需要通过控制电缆的硬接线方式传递。而数字化变电站用通信手段传递控制 信息，必须要求一次设备具备通信接口，因此，在一次设备不具备条件的情况下， 通过二次设备与一次设备的结合来完成对一次设备的智能化改造。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 6 解决继电保护状态检修问题 状态检修是目前减少停电时间、提高供电可靠性、降低现场工作强度的有效方 法。但是，状态检修的实施需要技术手段的支持，需要对设备的关键数据进行实时 监测。随着继电保护装置技术的提高，目前装置本身大多具备了完善的自检功能， 具备状态检修的条件，但是，与继电保护装置相关的二次回路却无法做到实时监视， 只能通过保护传动来验证，很大程度上制约了二次状态检修的实施。在数字化变电 站条件下，由于二次设备之间的信息以数字信号的形式传输，具备完善的自动闭锁 及告警机制。变电站内所有与保护相关的信息均在实时监测之下，因此可以做到真 正意义上的状态检修乜2 吨钉。 随着电子、计算机、光纤通信等技术的发展，一次设备和变电站自动化技术将 有较大的进步，上述问题的解决成为可能。数字化变电站技术的出现，为我们解决 以上问题提供了技术途径。 1 3 问题的提出和选题的意义 数字化变电站是多种新技术的综合运用，从工程设计、产品研发、测试、系统 集成、运行和维护的各个环节都有很多需要研发和解决的问题。可以说数字化变电 站是个系统工程。本课题选择了数字化变电站的i e c 6 1 8 5 0 标准、通信网络、装置 实现、工程组态这四个核心技术问题进行研究，并将研究成功应用于唐山郭家屯 2 2 0 k v 数字化变电站工程，使研究成果得到工程实际的检验盥 嚣1 。 1 3 1ie c 6 18 5 0 标准 i e c 6 1 8 5 0 标准是数字化变电站的核心技术，该标准的主要作用就是让来自不同 厂家的i e d 能够互操作乜卜3 。为此从通信服务、数据模型、特定通信服务映射、描 述语言和一致性测试多方面进行了定义，篇幅浩大，内容丰富。在数字化条件下， 如何运用该标准，需要注意哪些问题，值得思考和研究。 1 3 2 通信网络 通信网络是数字化变电站的重要组成部分。通信网络直接影响到数字化变电站 的可靠性和建设成本。国内外目前存在多种数字化变电站组网方案，这些方案各有 其适用范围。有必要对现有各种主要组网方式进行分析研究。 1 3 3 数字化装置实现 数字化变电站中的装置与传统变电站中的装置差异非常大。有必要研究数字化 装置的构成原理，不同实现策略的差异和优缺点，以及数字化装置实现应遵循的原 5 华北电力大学工程硕士学位论文 则。 1 4 论文的主要工作 本文主要进行了如下工作： 1 ) i e c 6 1 8 5 0 标准 本文对i e c 6 1 8 5 0 的核心部分：数据建模、通信服务、工程组态进行了深入分 析，并与传统技术进行了全面对比。 2 ) 通信网络 本文对国内外数字化变电站主要网络构成方案逐一进行研究，分析了其优缺点 和适用范围。提出了数字化变电站通信网络构成原则。 3 ) 数字化装置实现 本文对数字化装置实现的主要策略进行了研究，分析了数字化装置的构成原则 和使用注意事项。提出了数字化装置实现的原则。 4 ) 工程实例 以唐山郭建屯2 2 0 k v 数字化变电站为设计实例，完成了相应的技术应用。实际 工程实践说明了技术的可行性和有效性。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第二章ie c 6 18 5 0 标准研究 数字化变电站的主要特点是一次设备智能化，二次设备网络化。在一个实际的 变电站中，会有大量来自不同厂家的一次设备和二次设备，一次智能化设备与二次 设备之间的信息传递，二次设备之间的逻辑闭锁配合，都以网络通信方式取代了现 有的电缆硬接线方式。众多来自不同厂家的设备通过网络通信进行配合，因此互操 作是必须解决的问题。为实现互操作，各厂家需要采用统一的通信标准。在现有的 各种协议和标准中，只有i e c 6 1 8 5 0 能够提供满足数字化变电站的通信需求和互操 作要求。i e c 6 1 8 5 0 是目前建设数字化变电站唯一可选用的网络通信标准口2 3 钉。 i e c 6 1 8 5 0 标准的全称是变电站通信网络和系统，该标准对变电站的网络通 信提出了一套完整解决方案，包括：变电站通信要求、数据模型、通信服务、工程 配置语言、一致性测试等内容。i e c 6 1 8 5 0 标准是由i e ct c 5 7 用了1 0 年时间( 1 9 9 5 年 2 0 0 4 年) 制定的。该标准总结了变电站自动化技术在过去2 0 多年的发展经验， 同时也考虑了智能一次设备等新技术的需求。因此，该标准代表了变电站自动化相 关技术的发展方向。 i e c 6 1 8 5 0 提出了变电站通信的完整技术体系，采用了大量新技术，标准也很庞 大，文本超过了1 0 0 0 页。该标准所采用的技术和方法通用性很强，不仅用于变电 站内网络通信，也可用于电力系统其他领域。目前i e c 已经在i e c 6 1 8 5 0 基础上制 定了风力发电、水电厂监控、电能质量、数字开关、分布式能源等标准。因此， i e c 6 1 8 5 0 未来将成为电力自动化技术的重要基石之一。 本章从i e c 6 1 8 5 0 数据建模、通信服务和工程组态这三方面内容分析与传统技 术相比采用i e c 6 1 8 5 0 标准在工程应用上的优势。 2 2i e c 6 1 8 5 0 数据建模 传统技术采用序号对信息进行标记，通信过程基于序号。例如i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 、 一1 0 3 协议对信息的表示通过f u n 和i n f 完成。这种做法的优点是简单、直观，软件 易于实现。其缺点是信息点之间是孤立的，没有表示出信息之间的横向联系。需要 通信双方事先约定，通过定义一个完备的数据定义表来统一不同厂家的信息表达， 自描述性差。不能满足用户各种需求，往往需要扩充，扩充后不能相互识别，无法 互操作。 7 华北电力大学工程硕士学位论文 例如保护装置使用最多的是1 0 3 协议，该协议在中国有近2 0 0 个版本，甚至一 个厂家都有多个版本。不同厂家之间必须使用保护管理机( 规约转换器) 才能相互 通信。它使用点号来定义信息，例如如果知道了i a 的序号，可以访问i a 。但无法 通过i a 访问i b 和i c 。因为i a 、i b 和i c 都是以独立的、不相关的方式组织的。点 号只是一个数字，从点号不能看出所代表的物理量的含义，同一点号可能有不同意 义。因此，需要通信双方进行相互约定和配置，过程复杂，需要大量人工干预。可 读性和可维护性都很差。因此，传统技术所描述的信息就如同一盘散落的珍珠。 i e c 6 1 8 5 0 标准采用面向对象建模技术，将变电站自动化系统监视、保护和控制 三大功能需求，细分为9 0 多种子功能，针对每种子功能定义了相关对象类( 逻辑 节点) 。将构成9 0 多种逻辑节点的公共属性进行归纳和抽象，定义了3 0 0 多种基础 类( 公用数据类) 。标准提出了建模原则。基于这些定义，使用者可以根据装置的 功能情况，使用i e c 6 1 8 5 0 所定义的对象类，进行信息建模。这个过程类似搭建积 木。标准所定义的对象类如同积木块，标准使用者可根据需求搭建出各种造型。当 标准所定义的对象类不能满足需求是，可根据标准所规定的扩展原则，进行模型扩 展。因此，基于i e c 6 1 8 5 0 建立的数据对象是立体的，信息点之间的联系被清楚表 达出来的，就如同一串珍珠项链，而不是散落的珍珠。 由于数据模型通过s c l 表达出来，将数据类型及其关系提供了完整的自描述。 其他厂家可以通过处理s c l 文件来识别数据模型，通信双方不需要事先约定。简化 了数据管理和维护工作。在实际应用中只需要在客户端配置服务器网络地址就可以 访问服务器模型，可以通过通信方式获得测点名，无需手动配置。这种动态方法一 方面可以满足各种i e d 的个性化需求，另一方面也能实现互操作。这也是i e c 6 1 8 5 0 的精华所在。 2 3ie c 6 18 5 0 通信服务 i e c 6 1 8 5 0 所定义的通信服务种类齐全，完全可以满足包括数字化变电站在内的 通信需求。与传统技术相比，i e c 6 1 8 5 0 新增了2 类服务，支持在线获取数据模型和 支持保护设备之间横向通信( g o o s e 报文) 。这2 类服务使i e c 6 1 8 5 0 的通信服务功 能大大增强，可以实现很多传统技术无法实现的应用功能，为开发新的应用功能模 式提供了新的通信支撑口1 。 1 ) 在线获取数据模型 传统通信协议没有完善的自描述机制，通信双方基于点表，需要通过大量的人 工进行对点和配合才能使双方的通信关系建立起来。这也是目前故障信息子站调试 困难的主要原因。在一个已投入运行的变电站中，调试故障信息子站时，工程调试 8 华北电力大学工程硕士学位论文 人员首先需要已投入运行好几年的继保装置的信息点表。但业主单位往往拿不出准 确信息点表，即使提供了点表，也无法确定是否与装置实际运行情况相符。此时， 往往需要继保装置厂家来人配合。整个过程非常麻烦。 i e c 6 1 8 5 0 标准定义了通用服务，通过这些服务可以实现在线获取装置的数据模 型。在i e c 6 1 8 5 0 条件下，上述的调试变得非常简单。工程人员只需要知道继保装 置的i p 地址，子站就可以与之通信，通过i e c 6 1 8 5 0 在线服务，获得装置的详细数 据模型，并得到实时数据，整个过程只有1 分钟左右。也不需要继保厂家的人员进 行配合。 2 ) g o o s e 在传统变电站中，间隔层设备与一次设备之间都是通过大量的控制电缆硬连接 进行信息的沟通。间隔层设备之间也通过控制电缆进行闭锁逻辑的配合。这就使得 二次回路非常复杂，设计、施工、扩建和维护都非常复杂。 i e c 6 1 8 5 0 提供了一种通过网络快速传输信息的通信机制g o o s e 。通过g o o s e 通 信机制，可以实现设备之间通过网络快速交换信息并满足继保装置跳闸等对实时性 有严格要求的功能的需要h 卜捌。 i e c 6 1 8 5 0 所提供的g o o s e 通信机制，为变电站自动化系统的实现方式和智能一 次设备的发展带来了革命性的变革。以前通过控制电缆硬连接实现的复杂二次回 路，现在可以被简单的光纤网络连接所替代。电缆硬连接传输信号，无法实现介质 的复用，一根电缆只能传送一个信号。但光纤不同，在其上传输的是经过编码的数 字信息，因此一根光纤可以被复用传输多种信息。所以，一根光纤可以传输以前使 用很多电缆传输的信息。使用光纤通信网后，二次回路可以得到极大地简化。减轻 了设计、施工、维护、扩建改造的工作量，也降低了复杂度。 另一方面，g o o s e 通信机制的出现，也为智能一次设备提供了有力的通信手段， 使得智能一次设备得到快速发展。 2 4 工程组态 传统变电站自动化系统在做系统集成时主要靠人工进行。监控系统厂家作为系 统集成商先收集需要集成的i e d 的信息点表，不同厂家的信息点表格式和描述方式 各异。集成商根据这些点表人工建立数据库，并不断与i e d 厂家的调试人员确认， 最后生成数据库，开始通信对点。一个工程完成后，留给甲方业主的是一堆格式各 异且准确性存疑的信息点表。工程以后改扩建时，就基于存档的信息点表，但往往 发现信息不准确，描述的情况与实际情况不符。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 从上述描述，可以看出传统做法存在以下主要缺点： 1 ) 没有统一的工程数据格式，各厂家的信息点表格式各异，不能自动处理； 2 ) 信息不全面，对站内主接线等一次连接关系没有表述，只是简单的给出信 息点编号： 3 ) 由于没有电子化，存档和复用不方便。 i e c 6 1 8 5 0 定义了变电站配置语言s c l ( 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 ) ， 以此统一了各厂家的工程数据格式，使得各厂家工程工具实现了互操作，使系统集 成可以基于工程组态工具半自动进行，极大地提高了处理速度和准确度，缩短了系 统集成调试时间。s c l 包含了主接线和间隔的描述，内容更加丰富。由于实现了电 子化，存档、复用、合法性检查都变得很方便h 卜盯1 。 i e c 6 1 8 5 0 6 定义了一种基于x m l 技术的变电站配置语言( s c l ) ，用于形式化描 述一个变电站自动化系统和一次开关场之间的关系以及智能电子设备( i e d ) 的配 置情况。制定s c l 语言的目的是为不同厂商的工程工具提供一种统一和标准的描述 格式，使各种工程工具之间能够实现互操作，从而简化变电站自动化系统的集成过 程并降低集成费用。s c l 是i e c 6 1 8 5 0 技术体系的重要组成部分，是数字化变电站工 程实现的重要保障，也是研发及应用i e c 6 1 8 5 0 时需要考虑的重要方面h 引。 与传统方式相比，s c l 为变电站自动化系统的系统集成带来了变革。这主要体 现在下列方面： 1 ) 对i e d 模型的描述 目前i e d 广泛支持的i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 协议，通常需要i e d 厂商向系统集成方 提供信息点表，信息点表的形式和格式不统一，无法实现计算机自动处理。 使用i c d 文件可以将i e d 复杂的i e c 6 1 8 5 0 模型及所支持的服务方便、清楚地 描述出来，即可人读，也可以实现计算机自动处理。 2 ) 对系统规范的描述 对变电站自动化系统的系统配置目前没有一种统一的描述方式，而s s d 文件则 可以满足这方面的需求。 3 ) 系统配置过程的描述 现有变电站自动化系统在系统集成过程中对各个l e d 信息点的取舍、通信地址 的分配等信息的处理和归档没有统一的规范和格式，往往因厂商而异。这种情况给 厂商和业主都带来了很多麻烦。 i e c 6 1 8 5 0 6 定义了s c d 文件之后，变电站自动化系统的信息集成过程可以通过 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 工程工具一系统配置器来完成，系统配置结果完全体现在s c d 文件中。在s c d 文件 中记录了不同电压等级下的各个间隔及其中i e d 的配置等情况。通过s c d 文件可以 清楚了解整个系统的情况，使信息的处理、保存和查找实现自动化。 4 ) i e d 被配置后的描述 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 等现有通信协议大都是信息点表形式的，系统集成商可以根据 系统需求，对信息点表中的信息点进行选择，但是选择后的结果是没有统一和标准 的格式来表达，往往通过人工以口头或书面方式来表达，无法实现i e d 对被配置后 信息的自动处理。i e c 6 1 8 5 0 6 定义了i e d 被配置后的描述文件c i d ，这样可以实现 不同系统集成商i e d 配置结果描述的统一，使i e d 对配置后信息实现自动处理成为 可能。 i e c 6 1 8 5 0 6 与i e c 6 1 8 5 0 7 3 、i e c 6 1 8 5 0 7 4 配合使用，能够将使用者建立的 模型描述清楚，真正实现了信息的自描述。i e c 6 1 8 5 0 - 6 定义的上述4 种s c l 文件为 现有变电站自动化技术带来了很大的变革，使系统集成过程从人工处理向自动化处 理转变。这种转变将使系统集成时间缩短，使系统集成费用降低，为制造厂商和业 主都带来益处。 2 5 小结 本章对i e c 6 1 8 5 0 标准中的关键技术数据建模、通信服务和工程组态进行了分 析，并与传统技术进行了全面对比，说明了目前条件下数字化变电站建设采用 i e c 6 1 8 5 0 标准的优势所在。 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 引言 第