（电力系统及其自动化专业论文）iec+61850产品开发及工程化应用研究.pdf

s t u d yo np r o d u c t sd e v e l o p m e n ta n de n g i n e e r i n g p r a c t i c eu s i n gi e c618 5 0 h ud a o - x u s u p e r v i s e db yg u ow e i ，m a w e e - l o n g ( e l e c t r i c e n g i n e e r i n g d e p a r t m e n t o f s o u t h e a s t u n i v e r s i t y , g u o d i a n n a n j h a g a u t o m a t i o n c o ，l t d ) a b s t r a c t ：i e c6 1 8 5 0i st h en e w e s ta n du n i q u e l yv a l i di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da b o u tc o m m u n i c a t i o no fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o n u s e rr e q u i r e m e n t sd r i v et h es t a t n d a l d , a n dt h ei n t e r o p e r a b i l i t ya c t st h ec h i e fg o a l t h es t a n d a r dp a y s s p e c i a la t t e n t i o nt oe n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，b u ta l s oh a sas u c c e s s f u ll a y o u to nt e c h n o l o g ys c o p e ，s y s t e m i n t e r f a c ea n dl o n gt e r ma p p l i c a b i l i t y s p e c i a lp r o d u c t sd e v e l o t n n e n ta n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eb a s e di e c6 1 8 5 0a l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s u b s t a t i o n a u t o m a t i o np r o d u c t sa r eu p d a t e dt os u p p o r ti e c6 1 8 5 0b yu s i n gm m s ( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) m i d d l e w a r ea n dd a t a b a s em a p p i n gm e t h o d i ts o l v e sp r o b l e m so ng o o s e ( g e n e r i co b j e c to r i e e t e ds u b s t a t i o n e v e n t ) m u l t i c a s t i n gu n d e rv x w o r k s s n t p ( s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) w i l l lm u l t is e r v e r sa n dm sl e v e l p r e c i s i o n , c h o i c ea n di m p l e m e n to fs c s m s ( s p e c i f i ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p p i n g ) a b o u ts a m p l e dv a l u e s ，e t e h v ( h i g hv o l t a g e ) a n dl 、7 0 l 0 wv o l t a g e ) p r o t e c t i o n s ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t s o ld e v i c e s ，m o n i t o r i n gs y s t e m , t e l e c o n t r o l e q u i p m e n t sa n dp r o t o c o lc o n v e r t e r s a r ci n c l u d e di nt h ef i r s tn a t i o n a lm a d ei e c6 1 8 5 0p r o j e c t c o n n m m i c a t i o nu p d a t i n gm a k e sn oc h a n g et om a i nf u n c t i o no fp r o d u c t sa n dc o n v e n t i o n a lt e l e e o n t r o la n d p r o t e c t i o ni n f o r m a t i o na r ed i s p o s e d i e c6 1 8 5 0g o a l so f d e c r e a s i n gr e d u n d a n c yi n f o r m a t i o na n dr e d u c i n gc o s to f r e f u r b i s h m e n ti sn o tr e a c h e db e c a u s eo f t h ei n s u f f i c i e n c yi nd e v i c em o d e l i n ga n dc o n f i g u r a t i o nf l o w t h e r ea l es t i l ls o l l l es h o r t c o m i n g so nn e t w o r kb u i l d i n g , p r o t e c t i o nr e l a yi n f o r m a t i o n , f u n c t i o nr u l e s ，t e s t i n go f c l i e n t sa n dl o c a l i z a t i o ni ni e c6 1 8 5 0 i ta l s on e e d st oi n p r o v et h ee e g i n e e r i n gp r a c t i c eo np r o t ：e s sl e v e l c o m m u n i c a t i o n , g o o s e ，s c l ( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ) f l o w , d i s t u r b a n c er e c o r d e r a n df a u l tp r a m e t e r s 0 b i e c t - o r i e n t e dm o d e lf i t st h ei d e a lo fd i r e c t l y1 0 r o c e s sl e v e lc o m m u n i c a t i n g , w h i l eu s i n g g g i o ( g e e e r i cp r o c e s sv o ) l o 垂c a ln o d e sm a yg e ti n t e r o p e r a b i l i t yu n d e rs c a d a s o m a t i cs p a c en o w f u r t h e r m o r e ， i tr e q u i r e st h a tp r o p e rm a n a g e m e n to um o d e l se x t e e t i o n f r o mn o wo n , n e e d sa n df i m c t i o n ss h a l lb em o r ed e t a i l e d a n dt h ec o n f l i c t ss h a l lb es o l v e di ni e c6 1 8 5 0 m o r e o v e r , t h ed e v e l o p m e n to fs c s ma n da p p l i c a t i o ns h o u l db e c o n s i d e r e d w e l l t h e p r o c e s s l e v e lc o u n n u n i c a t i o n w i l l l e a d t h ec h a n g e o f i n d u s t r y a n d m a n a g e m e n t i t i s b e l i e v e d t h a tt h ed i g i t i z e ds u b s t i o ni st h ei m p e t u sa n dg o a lo f 正c6 1 8 5 0a n di tw o u l db eal u n gt e r mg r o w i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：i e c6 1 8 5 0 ；s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ；i n t e r o p e r a b i l i t y ；d i g i t i z e ds u b s t a t i o n ；m m s i i i 声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲! 纠萄导师躲避日期：川矗7 前言 刖吾 目前在变电站自动化方面只有最新且唯一有效的国际标准，即i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e o r o t e e l m i c a l c o n m a i s s i o n ，国际电工委员会) 制订的c6 1 8 5 0 变电站通信网络和系统系列标准。该标准涵盖了 变电站自动化的方方面面，理论上所有的智能设备都应该遵守。i e c6 1 8 5 0 的第一版标准己于2 0 0 3 到2 0 0 5 年问相继发布l 1 4 ，整个标准的共1 4 个部分系统性地定义了变电站自动化系统中各智能装置应该符合的外 部通信特性。出于国际化接轨的考虑，我国对i e c6 1 8 5 0 标准进行了引进和等同采用，文献 1 】、【3 】、 4 】、 8 】、 9 m p 为目前已经完成发布的相应电力行业标准。 i e c6 1 8 5 0 标准借用了现代软件工程的思路和方法，系统地分析了现代变电站自动化系统的通信需求 以及技术背景1 ，”，进而对变电站内的通信网络和系统进行了抽象设计。，然后映射到了基于以太网的协 议栈进行具体实现1 1 - 1 3 ，并在最后给出了协议一致性测试方法 “】；与此同时，标准也关注了变电站自动化 系统项目质量管理以及环境、电磁兼容性等方面的一般需求。卅；总的说来， e c 6 1 8 5 0 是变电站自动化专 业涉及面广泛、设计较为完备的的最新国际标准【1 5 ”。 在i e c6 1 8 5 0 制订和推广的过程中，国际上对标准有很多的探讨和研究 1 “9 3 。由于国内变电站自动化 系统的市场需求十分巨大，用户不满于现有的各厂家不同规约难以直接互联的现状，因而从2 0 0 0 年就较 早开始了相关的跟踪研究工作【l ”。文献口”4 还讨论了i e ct c 5 7 无缝通信体系的规划，指出i e c6 1 8 5 0 变 电站自动化标准的重要性和良好的发展趋势。从这些国内外研究可以看出，i e c6 1 8 5 0 系列标准应用了最 新通信和信息技术的全新设计，具有分层、a c s i ( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c ei n t e r f a c e ，抽象服务接 口) 、自描述、配置管理、建模等特点，在未来一段时期内将会成为国际上变电站自动化系统通信方面的 主流标准。i e c6 1 8 5 0 能够满足用户迫切需求的各厂家产品互操作性要求，并可能由于定义了智能一次设 备的过程层通信而可能引发相关自动化产品的全新变革。 国内外基于i e c6 1 8 5 0 的产品开发及工程应用研究正方兴未艾【“1 t 2 ”。总的说来基于i e c6 1 8 5 0 的 变电站自动化产品尚未完全成熟，除了主要参与标准制定的三五个国际化大厂商初步开始商业化推广外o ”，具体的实施方案很多尚处在理论研讨阶段。在本课题立项时，国内还没有厂商能够提供完整的产品解 决方案a 尤其关于保护功能相关的采样值以及g o o s e ( 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 ne v e n t ，通用面 向对象变电站事件) 通信，国内外都尚未有成功的工程应用报道。 笔者负责了所在公司的i e c6 1 8 5 0 产品开发工作，并率先投运了首个国产化i e c6 1 8 5 0 变电站自动化 工程【帅】。本文将对整个产品开发和工程实践的过程进行总结，针对作者所认识的c6 1 8 5 0 标准要点进行 阐述，讨论目前产品和标准中存在的若干问题，进而对这些问题的解决以及技术发展进行了分析和展望。 如果您已初步了解i e c6 1 8 5 0 标准，正打算进行相关产品的研发或者工程应用，或许阅读本文将取得 一定的收获。 在此列出i e c6 1 8 5 0 标准第l 版共1 4 部分的名称聊作备忘： i e c6 1 8 5 0 1 变电站通信网络和系统第1 部分：概论 i e c6 1 8 5 0 - 2 变电站通信网络和系统第2 部分：术语 i e c6 1 8 5 0 - 3 变电站通信网络和系统第3 部分：总体要求 i e c6 1 8 5 0 - 4 变电站通信网络和系统第4 部分：系统和项目管理 i e c6 1 8 5 0 5 变电站通信网络和系统第5 部分：功能和设备模型的通信要求 i e c6 1 8 5 0 - 6 变电站通信网络和系统第6 部分：与变电站有关的i e d 的通信配置描述语言 l 东南大学硕士学位论文 i e c6 1 8 5 0 7 1 型 c6 1 8 5 0 - 7 - 2 服务接口( a c s i ) c6 1 8 5 0 7 3 类 m c6 1 8 5 0 - 7 - 4 辑节点类和数据类 变电站通信网络和系统 变电站通信网络和系统 变电站通信网络和系统 变电站通信网络和系统 第7 - 1 部分：变电站和馈线设备的基本通信结构 第7 - 2 部分：变电站和馈线设备的基本通信结构 第7 3 部分：变电站和馈线设备的基本通信结构 第7 _ 4 部分：变电站和馈线设备的基本通信结构 原理和模 抽象通信 公用数据 兼容的逻 i e c6 1 8 5 0 8 1 变电站通信网络和系统第8 - 1 部分：特定通信服务映射( s c s m )到m m s ( i s o i e c 9 5 0 6 第1 部分和第2 部分及i s o i e c 8 8 0 2 3 的映射) i e c6 1 8 5 0 - 9 1 变电站通信网络和系统第9 - 1 部分：特定通信服务映射( s c s m ) 单向多路点对 点串行通信链路上的采样值 i e c6 1 8 5 0 9 - 2 变电站通信网络和系统第9 - 2 部分：特定通信服务映射( s c s m )映射到i s o i e c 8 8 0 2 3 的采样值 i e c6 1 8 5 0 1 0 变电站通信网络和系统第l o 部分：一致性测试 2 第一章i e c6 1 8 5 0 要点概述 第一章i e o6 1 8 5 0 要点概述 m c6 1 8 5 0 的标准的1 4 个部分文本一共约1 1 0 0 页，其中还引用了m m s 标准的大部分内容，因此该 标准虽然被看作是新世纪变电站自动化系统的“一本圣经”，但同时在很多人眼中它也是“一本天书一。作 者在从事i e c6 1 8 5 0 工作之初，也常常为标准中纷繁芜杂的术语、概念乃至技术细节而苦恼，但在因项目 需要而深入研究之后，发觉其实蕴含在i e c6 1 8 5 0 背后的思想其实很连贯，标准的整体脉络也非常清晰。 在本章中作者将不揣冒昧，在尽量不引用原文的情况下，努力用通俗的语言将标准要点作一个大致的梳理。 1 1 出发点：用户需求 任何一项工程上的技术革命必须以切实的用户需求为出发点，否则由于缺乏足够的商业利益支撑将无 以为继，i e c6 1 8 5 0 标准也是这样”j 。在标准制订之前，世界上已经有数千个变电站自动化系统投入了运 行，新兴的计算机、通信、自动化技术和电力的生产运营相结合，为电力公司乃至最终用户获得了现实的 好处。然而，由于变电站自动化是一个相对开放的市场，存在有多家公司多种技术在自由竞争，世界各地 的电力公司( 业主单位) 很快发现这些来自不同厂商的技术很难兼容【4 ”。设备间的兼容性问题导致业主在 采购时受到很多限制，在一个成套系统中往往被迫接受部分性价比并非最优的组成设备，更给以后的改扩 建造成诸多障碍h 。同时，多种变电站自动化技术并存的格局也给运行维护人员带来了许多困难，他们往 往要接受多种技术的训练才能上岗，而不幸的是，往往过几年后这些以前的许多学习己经因为过时而失效。 为了解决变电站自动化技术不够统一的难题，i e c 的t c 5 7 ( 电力系统控制及其通信标准化技术委员会) 于1 9 9 5 年制订了i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 继电保护设备信息接口配套标准。该标准基于传统的远动串行通信技术， 在使用中很快发现了它的诸多不足 4 3 j ，尤其由于网络通信技术的飞速发展，甚至有人认为i e c6 0 8 7 0 - 5 - - 1 0 3 从一出现在技术上就已经过时，落后于当时国际上若干厂商的工程化水平。另外，i e c6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 3 主要考 虑了继电保护设备的通信需求，在变电站自动化系统的实践中往往还有其它许多设备需要通信接口，为了 实现功能，那些采用i e c6 0 8 7 0 5 - 1 0 3 协议实现变电站自动化系统的厂商往往进行了各自的私有扩充，而 这些私有扩充加上协议本身的缺陷最终导致不同厂商间设备很难直接接1 ：3 1 4 4 。不过，虽然如此，i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 的出现还是给不同厂家的继电保护设备相互接! z l 提供了可供参考的依据，在工程中可以通过 规约转换方式实现装置和系统的互联，也确实给用户带来了现实的利益。 i e c 总结了i e c6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 的得失，正视用户在变电站通信方面统一国际标准的现实需求，在1 9 9 8 年i e c 、i e e e 、美国电科院达成共识，启动了i e c6 1 8 5 0 系列标准的制订工作】。该标准制订的时机恰好 处在应用蓬勃发展的阶段，能够在满足顾用户需求的前提下，兼顾技术的先进性和可实现性，有望成为一 个成功的国际标准 1 “t t l 。 强调i e c6 1 8 5 0 以用户需求为出发点还有另一层意思，即在标准的工程化推广中，仍需要立足用户需 求的实际情况，着眼于解决现实中的具体问题而推进标准的执行，切不能够一味追求技术的先进性，为了 6 1 8 5 0 而6 1 8 5 0 e “ 。须知，脱离了用户需求的技术会成为美丽的空中楼阁，简单地冒进将可能导致失败。 1 1 1 总体拥有成本 从满足用户需求的角度出发， e c6 1 8 5 0 首先把降低变电站自动化系统的总体拥有成本作为考虑目标 i 蛔。诚然，从短期来看，推行一个新的通信标准无疑需要软硬件开发费用，从某种程度上说由于标准的技 术前瞻性和统一性也许将带来设备成本的上升，即为了通用性目标通常是无法在局部取得最优的。然而， 变电站自动化设备很大程度上不同于消费类民用产品的是，这些设备通常需要长时间的运行维护甚至可能 会随着变电站规模的变更而进行改扩建。以往厂商提供的不兼容设备在这整个生命周期中会大大增加总体 3 东南大学硕士学位论文 拥有成本，具体表现在：工程调试成本、维护管理成本、人员培训成本、备品备件成本、更新风险成本等。 而一旦全新制订的i e c6 1 8 5 0 标准能够成为变电站自动化系统通信的主流技术并为全世界所接受，那 么不同厂家的设备将很容易集成、所有的相关人员只需要学习同一种技术、工程调试时间将大大缩短、设 备停产或者更新时也很容易取得替代的提供商，所有这一切，都将从根本上降低系统的总体拥有成本， 也将会让大家发现初期增加的少许投入( 设备涨价和学习成本) 是完全值得的。 1 1 2 工程调试时间 现有的变电站自动化系统工程往往分为两种，一种是主要的二次设备( 继电保护、测控等) 由同一个 厂家供货，主要用于1 1 0 k v 及以下的变电站：另一种则是主要的二次设备由多个厂家供货，主要应用于 2 2 0 k v 及以上等级的高压变电站。使用同一个厂家的设备能显著减少工程调试时间并保证可靠性，然而， 由于高压继电保护的重要性，用户要求主保护必须采用不同的原理，并最好来自于不同厂家做两套冗余配 置。另外，由于存在着不同的技术竞争领域，诸如直流电源、电度表、小电流消谐系统等等，这些设备往 往也由独立的厂家提供。一般在我国现有的变电站自动化系统工程中，由于在低电压等级的变电站中需要 通过规约转换接入的不同厂家设备较少，所以1 1 0 k v 变电站的调试周期往往大大短于2 2 0 k v 及以上的高 压站。除去高压设备调试固有的复杂性，高压站大量通过规约转换接入的不同厂家设备联调也是工期变长 的重要原因【4 3 】。 而若将来主要的变电站自动化设备都能遵循i e c6 1 8 5 0 通信标准，那么系统集成时的规约转换问题将 不复存在。通过协议的一致性陈述和测试，可以在设备订货时即可明确系统集成后所能达到的功能，不再 需要繁琐的设计联络以及现场调试，可以大大减少通信联调时间，满足用户的缩短工期、降低费用的现实 需求。 1 1 3 信息转换中的损失 在i e c6 1 8 5 0 出现之前，不同厂家往往采用私有的信息模型表达，虽然在工程中可以通过规约转换实 现异种信息模型的互联，然而任何的信息转换都可能导致信息损失。一方面规约转换因为附加了延时而为 广大用户所诟病，另一方面异种架构间的信息转换只能保留两者间的交集，在设计思想差异较大的系统间 转换往往会带来较多的信息损失。 考虑到用户对于信息损失的不满，i e c6 1 8 5 0 建立了一套全新的统一信息模型，遵循该标准的设备间 将很容易进行信息的共享。来自于不同厂家的设备建立在同一种信息模型的框架下，哪怕设备间存在些差 异性的信息扩展，相互间也可实现无损失的信息对接，完全避免了信息转换中可能带来的差错和歧义性， 这种理想化的通信方式无疑将给最终的广大用户带来福音。 1 1 4 软件的质量 谈到i e c6 1 8 5 0 满足用户需求、解决现存的问题，还应该谈一谈软件质量问题。固然存在有一系列保 证软件质量的软件工程方法，并且还可以针对软件的质量问题加强测试，然而我们还是不可避免的看到在 其它条件相同的情况下，软件的质量往往和它的重复使用次数密切相关。在目前的变电站自动化系统中， 通信问题往往是整个系统中最为突出的问题，而其中的薄弱环节往往在于通信软件中存在有遗留的缺陷。 而迸一步的统计发现，这些容易表现出缺陷的通信软件经常是为了满足特定需求而临时开发的模块，它们 通常由于工期和资源的限制不能被充分的测试和验证，同时也缺乏足够的运行积累来逐步地消除这些缺 陷。 统一的i e c6 1 8 5 0 通信标准将有助于打破这个瓶颈。一方面规约转换等特殊的软件开发会降到最少 4 第一章i e c6 1 8 5 0 要点概述 另一方面各种设备和系统反复使用i e c6 1 8 5 0 通信软件也将逐步解决开发阶段的遗留缺陷，随着工程运用 的增加，系统通信软件的问题将越来越少，同时能在功能和性能两方面趋向最优。 1 1 5 改扩建 在经济发展速度较快的地区，变电站的改扩建往往是经常遇到的另一个难题脚l 。变电站的最终规模通 常按照供电范围内的远景来进行规划，然而在一期工程同时投产又在经济上很不划算，这就需要根据电力 市场需求的实际情况进行合理地多期工程规划并在适当时候启动变电站的改扩建工程。由于一次设备技术 比较成熟和稳定，也容易在前期的设计中进行预留，因此变电站改扩建中主变、母线、线路等一次设备很 少遇到问题；然而由于变电站自动化系统中二次设备的技术发展较快，往往会找不到和一期能够完全兼容 的方案。造成这种现象的原因有两个，一是原有设备提供商的转产甚至倒闭，二是原有设备提供商己进行 过系统升级。有时即便一期设备的制造厂商能够提供自动化系统改造的二期方案，由于缺乏竞争和技术的 先进性，也可能会导致二期自动化设备的价格高昂。这种尴尬问题有两种追不得己的解决方案：要么把所 有自动化系统推倒重来，要么一期和二期的自动化系统作为信息孤岛各自为政。很显然，所有这些不得已 的解决方案都是那么地令人沮丧。 i e c6 1 8 5 0 把标准的长期稳定性作为重要的追求目标，一方面采用了先进技术努力保持标准的前后向 兼容，另一方面强调了装置和系统的配置信息标准化来实现设备更换时的信息继承，总之希望能达到标准 的长期适用。如果i e c 的这个目标能够实现，那么在变电站改扩建时自动化设备的选择余地将大大增加旧， 既可以通过设备的标准兼容性而灵活选择性价比最高的方案，也可以借助于监控系统的配置继承性实现软 硬件升级而获得性能的提升。 i 2 首要目标：互操作性 为了满足电力系统的用户需求h 3 ，同时也实现标准的历史使命，i e c6 1 8 5 0 从一开始就把设备间的互 操作性作为标准的首要目标1 。她托“。不仅在第1 部分的概述中对互操作性目标进行了诠释，还在多个标 准的引言里开宗明义地指出“使用本标准可以实现不同厂家设备间的互操作”。确实，如果说i e c6 1 8 5 0 给我们描绘出了许多令人向往的前景，那么互操作性无疑是这些美丽蓝图的承载实体。 所谓互操作性，按照i e c6 1 8 5 0 的定义，是指“一个制造厂或者不同制造厂提供的两个或多i e d s ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n cd e v i c e s ，智能电子设备) 交换信息和使用这些信息执行特定功能的能力” 1 1 。具体 而言，实现设备的互操作性应该具有3 层含义目： 1 语构：i e d 可采用共同的协议连接于共同的总线； 2 语义：i e d 可理解其他i e d 向其传输的信息； 3 功能分布：i e d 可共同完成某一功能。 需要说明的是，互换性和互操作性并不是同一个概念。互换性以互操作性为基础，但除此之外还需要 功能乃至机械结构：接线端子的完全一致性。i e c6 1 8 5 0 的互操作性只保证了在设备的通信端口视图能够 相互理解，而互换性则需要很多更为严格的限制来消除设备间的差异性，这完全超出了现阶段i e c6 1 8 5 0 的范畴”1 。 1 2 i 不拘泥于厂家技术 众所周知，i e c6 1 8 5 0 主要由a b b 、珏门子、a r e v a 等欧洲公司发起和制订，在标准制订之初，这些 公司已经有了各自成熟的变电站自动化系统【2 “。这些大公司为了自身利益，都想让新的国际标准采纳本公 5 东南大学硕士学位论文 司的一些做法，为此其代表人物还在工作组内展开过激烈的争论。然而，正是在这些争论中它们意识到， 国际标准不应该迁就任一公司的利益，而应着眼于技术的前瞻性和长远发展，与其在争论中浪费时间，不 如大家妥协于全新的体系。 这时，流行于北美的u c a 2 0 ( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o n sa r c h i t e c t u r e ，公共通信体系) 以及底层的m m s ( m a n u f a c t u r i n g m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，制造报文规范) 进入了工作组视线p j 。由于历史的原因，i e c 一向 被认为具有浓厚欧洲的色彩，其制订的系列标准和北美的体系往往存在冲突，导致在工程中北美电力自动 化往往自成体系。u c a 2 0 和m m s 就是此前在北美广泛应用于电力系统等公用事业互联的通信体系口，删， 然而由于标准本身的复杂性以及其他原因，这套体系并没有能在变电站自动化系统中得到应用。在考察了 u c a 2 0 和m m s 的优缺点之后，也部分为了鼓励北美积极参与i e c 活动，i e c6 1 8 5 0 工作组决定借鉴 u c a 2 0 的思路【l “，使用共同的m m s 基础标准，引入面向对象的建模方法，并考虑未来发展而提出了抽 象通信服务接1 2 概念，最终构架了i e c6 1 8 5 0 整个体系。 从i e c6 1 8 5 0 制订的过程就可以看出，该标准不妥协于任一厂家原有的变电站自动化系统，而采用了 主流开放的工业标准( m m s t c p i p ) 作为基础，并且取得了包括北美在内的全世界多个成员国的广泛支 持眇】。所有这一切，都为国际厂商的平等参与和互操作性方面奠定了良好的基础。 1 2 2 自描述体系 通用标准和产品个性往往会发生冲突。如果不规定有一定的扩充办法，标准往往可能失于死板而得不 到足够的产品支持而丧失生命力；而若规定的扩充办法太过于灵活，又可能导致具体的实现五花a f ，产 品的随意性将掩盖掉标准的意义。在i e c6 1 8 5 0 之前，同一技术委员会( t c 5 7 ) 制订的i e c6 0 8 7 0 - 5 系列 标准就曾经为这个尺度的把握而苦恼过。i e c6 0 8 7 0 5 ，1 0 1 标准没有预留标准的扩充办法，导致其应用范围 受到一定的限制，无法支撑诸如“程序化控制”等新出现的应用；而i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准预留了通用分 类服务可供扩充，然而其对扩充的管理又偏弱，导致不同厂家的通用分类服务很难互操作p q 。 i e c6 1 8 5 0 标准充分考虑扩充和互操作之间的矛盾，规定了一套严格的扩充办法和自描述体系，从理 论上可以保证各个厂家的自由扩充而不产生冲突，并且在互操作时又能取得足够的信息去理解各种私有的 扩充”。i e c6 1 8 5 0 的自描述通过两种方法实现，一是借助于变电站描述语言( s c l ) 在工程配置中进行 理解4 ”，另外也可在设备在线运行时通过读目录实现模型信息的探索和校验。 1 2 3 规范接口 为了达到互操作性目标，m c6 1 8 5 0 着力于产品间接口的规范，并给厂商具体的产品实现留下了足够 的自由度。标准试图给出充分而又必要的最小规范集合，满足该规范即可实现变电站自动化系统产品集成 时的互操作呻】。在几部标准的引言中，都十分强调了标准并不限定具体产品的实现，只是规定了实现的外 部可视特性，以及这些特性的一致性要求【1 3 l ，即规定了为了实现互操作性目标必须满足的条件。 标准中的规范接1 2 包括但不限于实时通信协议，还包括设备所必须满足的基本条件，以及工程实施中 不同角色间可能交换的标准文件。所有这一切，都围绕了互操作性这一根本主题。 1 2 4 一致性测试 i e c 是一个非赢利性的国际组织，它往往只制订相关的国际标准却不为任何厂商的产品提供符合性认 证。这种模式在以前的一些标准中曾出现了问题，表现在声称符合同一标准的若干厂家对标准的理解和执 行有异，然而却都通过了某些测试机构的检测。究其原因，往往是因为这些标准没有给出明确的一致性测 试条件。目前广泛应用的i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准就出现过此种现象，t c 5 7 意识到此问题后抓紧给出了该系 6 兰二兰望曼! ! ! 竺要塞墼 列标准的若干一致性测试导则。亡羊补牢，犹未为晚，但更为可喜的是后续的i e c6 1 8 5 0 等标准在制订之 初就同时规划了一致性测试部分，给出了明确的测试方法、测试用例乃至测试报告格式m 。 有了一致性测试标准，厂家在实现时就无法偷工减料，检测机构也有了明确的执法依据。标准的一致 性测试部分的及时颁布，必将给设备间广泛的互操作创造良好的前提条件。 1 3 工程化追求 i e c6 1 8 5 0 不仅仅是一个通信标准，它还试图涵盖变电站自动化工程的许多方面。标准总结了工程实 施中的普遍规律，发掘出若干可能影响工程质量、进度或者维护的若干因素，并对这些因素进行了规范。 当然，工程项目的差异性客观存在，因此标准并不能给出详细的实施细则，它只是提示了工程化应用中值 得关注或必须遵循的一些导则。 1 3 i 功能自由分布 功能自由分布是i e c6 1 8 5 0 中的一个重要概念p ，1 啦7 1 。本来，设备互操作的目的就是能使多设备协作 完成特定功能，可以说，如果不存在功能分布的要求，亦即单独的设备即可完成用户要求的所有需求，那 么通信将不再必要。i e c6 1 8 5 0 将通信的单位抽象到最小的逻辑节点单元，典型的一个功能将会由若干个 相关的逻辑节点共同完成9 “，比如v q c ( v o l t a g eq u a d e r g yc o n t r o l ，电压无功控制) 功能就可以涉及若干 个逻辑节点，分别完成电容器和变压器的测量和控制功能。 功能自由分布具有两层含义，一是逻辑节点和物理设备之间可以自由组合，亦即一个物理设备可以包 含一个或多个逻辑节点，这便赋予了厂家设备的实现以充分的灵活性；另一方面是指i e c6 1 8 5 0 没有规范 特定的功能如何实现，但为这些功能提供了可能的通信接口，这便把功能相关的工作留给了系统集成时来 具体完成。总的说来，标准不限制装置如何实现，但是从通信的角度制定了若干最小功能单元( 逻辑节点) ， 实际的装置可以从这些逻辑节点挑选一些进行组合，而现场需要的实际功能可以由一个或者多个实际装置 依托通信来共同完成。 1 3 2 质量和项目管理 i e c6 1 8 5 0 - 4 部分定义了质量和项目管理【4 】。比较重要的是，质量和项目管理，尤其完整的生命周期支 持，同样是降低用户总体拥有成本的重要内容。这也是标准追求长期适用性的一种努力。比较令人遗憾的 是，目前尚没有太多的人对标准的本部分给予足够重视，这可能和技术标准本身的强制力不够有关，也可 能由于各地工程项目管理已习惯了目前的模式。技术对管理的影响总是需要过程的，也许在将来这一部分 内容会成为厂商和业主共同关注的内容。 1 3 3 环境和电磁兼容等总体要求 为了评价产品的工程适用性情况，i e c6 1 8 5 0 3 还规定了变电站自动化设备应该满足的环境、电源、 电磁兼容性等诸多指标9 】。这些指标往往引用了i e c 的其它一些基础标准，并在大多数时候可以允许厂商 自行选择合适的级别，但必须进行必要的声明。但是，考虑到电磁兼容性是变电站设备所必须考虑的重要 问题，标准规定了多项电磁兼容性指标并选取了较高的级别，i e c6 1 8 5 0 产品的开发和使用人员都必须注 意。 需要指出的是，i e c6 1 8 5 0 - 3 规定的这些指标适用于变电站自动化系统中的所有设备，也包括监控计 算机、以太网交换机等辅助硬件。以往的工程中往往只对继电保护以及测控等“装置类产品”提出有环境 7 东南大学硕士学位论文 和电磁兼容性要求，随着i e c6 1 8 5 0 的推广与实施，应该发展出全套符合i e c6 1 8 5 0 标准要求的通用计算 机和网络设备 3 9 1 。 考虑到技术实现的代价以及需求的实际情况，i e c6 1 8 5 0 - 3 这部分标准规定在进行一些实验时允许有 部分的自动化功能受影响而暂时失效，但所有和保护相关的功能则不能受任何影响 1 3 4 需求分析 i e c6 1 8 5 0 的制订借鉴了现代软件工程的方式方法，整体上按照可行性研究、需求分析、设计、实现 以及测试等部分展开。标准的第5 部分可看作是针对工程实践的需求分析”，在这部分里详细分析了变电 站自动化系统可能存在的通信需求，并对这些需求的功能和性能指标进行了研究。这些需求的研究和定义 是制订所有后续标准的基础，反过来也可以用这些需求是否得到很好的实现来检验其它标准制订得是否成 功。 i e c6 1 8 5 0 5 的重要内容是分析变电站自动化系统内的数据流。它的分析基于理论计算和l a n 仿真之 上，针对人中小等典型的变电站规模给出了正常和故障情况f 的数据流晕。这些数据将是工程网络设计和 优化的基础，并且在i e c6 1 8 5 0 广泛实施后，还应该给出足够的实测数据对它进行修正。 1 e c6 1 8 5 0 - 5 对通信需求的深入在某种程度上削弱了对功能需求的关注，而实际工程的需求应更关注 功能。由于功能的定义可能会牵涉到产品实现，也许标准还需要根据工程上的功能需求补充出一些具体的 应用导则。 1 3 5 工程实施流程 基于逻辑节点模型，标准规定了两种可能的工程实施流程抱2 ”，可看作是自下而上和自上而下两种工 程思路。自下而上是指装置厂家提供模型给系统集成商，由系统集成商根据业主需求进行设备的选择和组 合，并在= 程实施过程中将所有装置的模型实例化；自上而下是指业主或者系统集成商提出特定的设备模 型，分配给各厂商来进行具体实现。实践过程中两种方式可能会结合使用，主要取决r 设备定制的成本和 工程的特殊性刚。 在整个工程实施过程中，i e c6 1 8 5 0 定义了业主、系统集成商和i e d 制造商3 种重要的不同角色，并 且结合t 程化过程，设想了这3 种角色间需要交换的信息，并为此定义了标准化的接口文件9 q 。这些接口 文件都使用基于x m l ( e x t e n s i b l em a r k - u pl a n g u a g e ，可扩展标记语言) 标准的s c l ( s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e mc o n f i g u r a t i o nl a n g u a g e ，变电站配置描述语言) ，有着严格的语法检查和格式限制，有利于计算机 对它们进行处理m ”j 。虽然标准提到了处理这些文件可能的软件工具，但也特别指出这些工具都是厂家内 部的具体实现问题，标准对此不作规定，而只是规定厂家间应该交换的文件格式必须被标准化l l 。 i e c6 1 8 5 0 定义的这种工程实施流程和角色分工和目前国内普遍的电力公司、设计院、厂商实施模式 不能直接对应，随着i e c6 1 8 5 0 工程的增多，必然会逐渐磨合出符合我国实际的工程实施流程以及角色分 工定义。 1 4 技术范围 谈到i e c6 1 8 5 0 的技术范围，图1 是被各种文献经常引用的变电站通信接口模型1 ，1 5 , ”，其中各种接 口的定义如下： 间隔层和变电站层之间保护数据交换； s 第一章i e c6 1 8 5 0 要点概述 间隔层与远方保护之间保护数据交换 间隔层内数据交换； p t 和c t 输出的采样值； 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办公地数据交换； 间隔之间直接数据交换，如联锁等快速功能 变电站层内数据交换； 变电站和远方控制中心之间控制数据交换。 图1 变电站自动化系统接口模型 i e c6 1 8 5 0 指出其中的和远方保护通信的接口不在标准范围之内，甚至也不属于t c 5 7 远动标委会， 而应由t c 9 5 继电保护标委会来规范。至于其中对远方控制中心通信的接口，也就是传统的远动通信， 虽然同属于t c 5 7 管理，但i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 等标准仍现行有效，第1 版i e c6 1 8 5 0 也未将其包括。不过， 目前正在制订的第2 版i e c6 1 8 5 0 将会考虑变电站到控制中心通信的要求。 1 4 1 过程层数字化 目前大量工程应用的变电站自动化系统采样了分层分布式结构，即整个变电站自动化系统分为变电站 层和间隔层 5 6 - 5 7 。变电站层包括监控、远动、五防闭锁等需要集中全站信息完成的功能，而间隔层设备主 要对应于一次间隔设备的保护、测量和控制。间隔层设备和互感器之间采用1 0 0 v 5 a 的模