（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850的继电保护通信系统仿真与设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 i e c 6 1 8 5 0 作为新型数字化变电站通信网络和系统标准，为建设数字化变电站 提供了全面的规范。标准的实施以先进的通信网络技术为基础，同时对继电保护设 备提出了更高的要求。论文介绍了i e c 6 1 8 5 0 标准的产生背景和主要内容，分析了 标准的技术特点。结合o p n e t 仿真软件特点和变电站设备特性，建立了各种设备 的仿真节点模型和网络模型；通过改变网络带宽、采样频率等参数，对变电站过程 总线通信过程进行多次仿真，根据仿真结果分析网络报文端到端延时特性，确定网 络带宽；设置间隔层继电保护设备工作在不同c p u 使用率，收集通信报文端到端 延时，分析c p u 性能对报文延时的影响；最后论文分析了继电保护设备通信系统 的构成，设计出一套双c p u 结果的高性能通信系统。 关键字：i e c 6 1 8 5 0 ，继电保护，o p n e t ，通信系统，双口r a m a bs t r a c t a st h ec o m m u n i c a t l o nn e t w o r k sa n ds y s t e m ss t a n d a r d si ns u b s t a t i o n ，i e c 618 5 0 p r o v i d e st h ec o m p r e h e n s i v es t a n d a r d sf b rd i g i t a ls u b s t a t i o n t h es t a n d a r di sb a s e d0 n a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di t r e q u i r e sb i g h e rr e q u e s to nr e l a yp r o t e c t i o n e q u i p m e n t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fi e c 6 8 5 0s t a n d a r ds e r i e sa n dt h e m a i nc o n t e n t ，a n a l y z e si t st e c h n i c a lc h a r a c t e f i s t j c s b a s e do nl h ec h a r a c t e r0 fo p n e t s i m u l a t o rs o f t w a r ea n dt h ed e v i c e si ns u b s t a t i o n s ，i tb u i l tt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l s o ft h ed e v i c e sa n dt h en e 帆o r km o d e l s b yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r ss u c h 雏n e t w o r k b a n d w i d t ha n ds a m p l i n gf r e q u e n c y ，s i m u l a t et h ec o m m u n i c a t i o no ft h ep r o c e s sb u sa n d a n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c s0 ft h em e s s a g ee n d - t o - e n dd e l a ) ，s e tt h er e l a yp r o t e c t i o n e q u i p m e n tc p uw o r k i n gu n d e rd i f 诧r e n tu t i l i z a t i o na n dg e tt h er e s u l to ft h ee n d - t o e n d d e l a yo fc o m m u n i c a t i o nm e s s a g e ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c et om e s s a g ed e l a ym a d eb yc p u c h a r a c t e r i s t i c s 1 nt h e l a s t ， t h et h e s i se 1 2 l b o r a t e st h ec o m p o s i t i o no ff e l a yd e v i c e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dd e s i g n e dah i g h p e r f o 彻a n c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t h d o u b l ec p u s w uy b n g c h a o ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i c ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz e n g p i n g k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ， p r o t e c t i o nr e l a yd e v i c e ，o p n e t ， c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，d u a i p o r tr a m 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 的继电保护通信系统 仿真与设计，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：日 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：塑导师签名： 日 日 期：至哟：型i 华北电力大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 变电站是电力系统的一个重要组成部分，变电站的运行状况直接影响到电力系 统的安全稳定运行。变电站中的继电保护及测控装置担当着确保电力系统安全生产 及稳定运行的任务，为电力系统的运行安全和设备安全做出了巨大的贡献。随着新 技术的产生和应用，继电保护及测控装置也经历了漫长的从电子机械设备向数字化 发展的发展历程，最终发展成为智能电子设备，实现了变电站综合自动化功能，极 大地提高了变电站运行的自动化水平。变电站监控手段由光字牌提示、电话汇报发 展到采用变电站综合自动化系统监控，减轻了值班人员工作强度、增强了监控数据 的全面性、正确性、实时性，提高了值班人员操作处理的速度，并在此基础上提供 了很多新的功能，同时也造成了变电站内设备种类繁多、设备的接口和功能各不相 同、所采用的数据格式也多种多样等问题。变电站内智能电子设备间不能进行数据 共享，也很难保证数据的一致性，产生了“自动化孤岛问题。这种情况不仅影响 了变电站综合自动化功能的发展，也造成了设备软硬件的浪费，增加了生产运行维 护成本【7 1 。 上世纪八十年代，国际上提出了采用系统集成的方法来解决“自动化孤岛刀问 题，也就是建立一个标准化的、开放的系统平合，以达到数据共享的目的。互操作 性是以信息共享为基础的，开放式的平台需要一个标准化的、先进的通信网络作支 持。在i e c 6 1 8 5 0 标准发布之前，还没有统一的国际标准来规范变电站自动化系统 内设备间的全部通信行为，造成多种通信协议并存的现象。多种协议的采用使得不 同制造商的设备之间交换信息必须通过协议转换装置，这样增加了系统通信的成 本，影响了系统的实时性能。专用设备和专用规约的使用，也降低了用户选择系统 解决方案的灵活性，不利于系统的升级和扩展。 i e c 6 1 8 5 0 是国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 制定的关于变电站 自动化系统结构和数据通信的一个国际标准，目的是使变电站内不同厂家的智能电 子设备( i e d ) 之间通过一种标准协议实现互操作和信息共享，取消多种协议转换 环节和转换设备，使系统调试更加便捷，节省调试时间，实现“一个世界、一个技 术、一个标准 的目的。 ： i e c 6 1 8 5 0 于2 0 0 4 年正式发布，中国等同采用并作为电力行业标准，代号为d l t 8 6 0 系列。i e c 6 1 8 5 0 标准的设计思想先进，代表了变电站自动化技术的发展方向， 华北电力大学硕士学位论文 是实现数字化变电站的核心技术之一，对整个电力自动化技术都有深刻影响。 i e c 6 18 5 0 标准仍在不断更新中，变电站与控制中心通信的协议也在制定中， i e c 6 1 8 5 0 通信体系成为基于通信网络平台的变电站综合自动化系统的唯一国际标 准。i e c 6 1 8 5 0 将扩展到其它工业控制领域，成为基于通用网络通信平台的工业控制 的国际标准。i e ct c 8 8 已采用i e c 6 1 8 5 0 作为风力发电s c a d a 的通信协议。并且 i e c 6 1 8 5 0 与i e c 6 1 9 7 0 3 0 l 的公共信息模型的数据建模一致，将使该标准有更广泛 的应用基础。 根据i e c 6 1 8 5 0 的定义，互操作性是指来自同一厂家或不同厂家的i e d 之间交 换信息和正确使用信息协调操作的能力。i e c 6 1 8 5 0 体现了完善的互操作性支持和对 通信技术发展的适应性，体现出了无缝通信的特性。i e c 6 1 8 5 0 标准从系统项目管理、 功能要求、装置模型、通信配置语言、通信结构、通信服务映射等方面对整个变电 站综合自动化系统的通信进行了规范，使二次设备的结构由以特定功能为主向更高 的灵活性变化，逻辑节点间按照特定的规则进行数据交换并完成各自的功能，从而 增强了设备的互操作性。 目前二次设备一般以完成特定的功能为目的、面向过程的开发思路，按照软硬 件满足功能需要的方式进行开发设计，绝大多数装置不符合i e c 6 1 8 5 0 标准的要求， 对新的过程层智能设备缺乏支持，难以实现互操作性，以装置采用的软硬件电路来 完全满足i e c 6 1 8 5 0 的要求相对比较困难。而i e c 6 1 8 5 0 标准是目前电力系统变电站 综合自动化系统的最新标准，是一种开放性的标准，并在不断补充和完善中，成为 变电站综合自动化系统的唯一国际标准。符合i e c 6 1 8 5 0 标准的保护装置由于基于 相同通信服务模式，结构基本相同，其互操作性大大增强，研究符合i e c 6 1 8 5 0 标 准的继电保护和测控装置具有很高的现实意义。 1 2 课题背景及其意义 1 9 9 4 年国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e c t c 5 7 ) 在听取了各国委员会提出的 建议后，以公共通信体系u c a 2 o 的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结果纳 入i e c 标准，建立了世界范围的统一标准一i e c 6 1 8 5 0 。i e c 6 1 8 5 0 标准参考和吸收 了己有的许多相关标准，其中主要有：i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 l 远动通信协议标准； i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 继电保护信息接口标准；u c a 2 0 ( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t l l r e 2 0 ) ，由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系：i e c 9 5 0 6 工业制造报 文规范m 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 ) 。在我国采用该标准将大大提高 变电站自动化系统技术水平、提高变电站自动化系统安全稳定运行水平、节约开发 验收维护的人力物力、实现完全的互操作性【6 1 - 【1 。 2 华北电力大学硕士学位论文 作为基于通用网络通信平台的变电站自动化通信标准，i e c 6 1 8 5 0 系列标准具有 如下特点：分层的智能电子设备和变电站自动化系统；根据电力系统生产过程的特 点制定了满足实时信息和其它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迅猛发展的要求；采用对象建模技术，面向设备 建模和自我描述以适应应用的需要和发展，满足应用开放互操作性要求；快速传输 变化值；采用配置语言，配备配置具，在信息源定义数据和数据属性；定义和传输 源数据，扩充数据和设备管理功能；传输采样测量值等。并制定了变电站通信网络 和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准。 i e c 6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护三大功能采 用功能分解、数据流和信息建模的方法制定标准，将信息、功能进行了分层，无论 从逻辑上还是物理概念上，都将变电站的通信体系分为3 层，即变电站层、间隔层 和过程层，并且定义了层与层之间的通信接口。i e c 6 1 8 5 0 通过功能分解并将逻辑节 点( l n ，l o 舀c a ln o d e ) 、逻辑设备( l d ，l o g i c a ld e v i c e ) 及设备( d e v i c e ) 区分开来， 将所有变电站自动化系统的已知功能进行标识并分成许多逻辑节点，逻辑节点常驻 在不同设备内和不同层内，并可满足分布功能的要求。 过程层的典型设备有数据合并单元，智能传感器和执行器，主要完成开关量和 模拟量的采集以及控制命令的发送等与一次设备相关的功能。过程层概念的引进， 是i e c 6 1 8 5 0 对过去变电站通信协议体系( 如u c a 2 o ) 的重大突破之一。按照 i e c 6 1 8 5 0 的发展观点，变电站各个层次之间的联系都将建立在串行通信的基础上， 过程层与间隔层之间基于交换式以太网的串行通信方式在标准中称为过程总线通 信，间隔层与变电站层之间串行通信方式称为变电站总线通信。 现有的大多数变电站自动化系统中，并没有独立的过程层逻辑接口，因为过程 层大多数功能都是在间隔层设备内实现的，过程层到间隔层通常采用大量的电缆进 行连接。过程层和过程总线通信这两个新概念的提出与高压设备新技术的发展及其 要求是密不可分的。过程层的出现，有利于电子式电流电压互感器、智能化断路器、 紧凑式组合开关等设备的应用。 作为间隔层的重要组成部分，i e c 6 1 8 5 0 标准并没有对保护装置的结构做出具体 的要求，只是对其实现的功能做出了规定。从保护设备与过程层间和隔层通信系统 来看，继电保护设备需要处理的数据量较传统设备有大幅度提高；通信方式由传统 的电缆通信变为串行光纤网络通信；数据传输需要经过复杂协议栈，程序更加复杂 庞大。为满足i e c 6 1 8 5 0 标准，需要对间隔层继电保护设备通信系统进行设计。 华北电力大学硕士学位论文 1 3i e c 6 1 8 5 0 标准研究及其应用现状 1 3 1 国外ie c 6 18 5 0 标准研究及其应用现状 从1 9 9 4 年开始，i e c t c 5 7 委员会提出了制定变电站自动化系统通信标准的建 议，在广泛听取和采纳各国家委员会提出的制定关于功能体系、通信结构和一般要 求的标准、制定关于在单元( 间隔) 层和变电站层之内和之间的通信标准、制定关于 过程层和单元( 间隔) 层之内和之间的通信标准、制定关于继电保护信息接口配套标 准的建议，制定了继电保护设备信息接口配套标准i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ( d l t 6 6 7 ) 。委 员会以公共通信体系u c a 2 o 的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结果纳入 i e c 标准，建立了世界范围的统一标准i e c 6 1 8 5 0 。 虽然i e c 6 1 8 5 0 标准是从2 0 0 2 年1 月才陆续发布的，但a b b 和s i e m e n s 等公 司在此之前就进行了一系列成功的互操作实验，并推出了符合此标准的产品。针对 基于i e c 6 1 8 5 0 的过程总线通信，比较典型的互操作实验有三个【9 1 。 2 0 0 1 年1 月，a b b ，s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u c a 用户协会进行的跳 闸命令的网络传输测试实验，并于当年5 月在加拿大u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议上进行展 示。实验结果证明了通用对象的变电站事件( g 0 0 s e ，g e n e r i co b j e c to r i e n t e d s u b s t a t i o ne v e n t ) 适合在网络上传输断路器跳闸命令，并验证了使用变电站配置语言 ( 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 ) 配置来自不同厂商设备的g o o s e 的能力。 此次演示活动被认为是l e c 6 1 8 5 0 成为全球标准过程中的一个重要里程碑。 2 0 0 2 年1 月在美国进行，由a b b 和s i e m e n s 参加采样值的网络传输测试。 此次演示前，这两个公司在2 0 0 0 年c i g r e 会议上就宣布共同支持i e c 6 1 8 5 0 9 ，并 于2 0 0 1 年1 1 月在k e m a 通过了一致性测试。实验结果证明：按照i e c 6 1 8 5 0 9 1 以点对多点连接到电子式电流电压互感器的方式是可行的，这种方式将被a b b 和 s i e m e n s 所支持；支持i e c 6 1 8 5 09 1 的应用连接到以太网交换机上是实现过程总 线解决方案的第一步。 2 0 0 2 年9 月，a b b ，s i e m e n s 和o m e c r o n 在美国u t i l i t yi n i t i a t i v e 会议进行 采样值和跳闸命令经同一网络传输测试。该实验验证了采样值和跳闸命令经同一网 络传输的可行性。 在i e c 6 1 8 5 0 标准正式发布后，国外就有完全符合i e c 6 1 8 5 0 标准的设备出现， 国外无论在i e c 6 1 8 5 0 标准的研究和应用上都已非常成熟，产品也逐渐走向多样化。 就目前状况而言，国外无论是标准的研究还是标准的实际应用均远远领先于国内行 业界。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 国内ie c 6 18 5 0 标准研究及其应用现状 i e c 6 1 8 5 0 是目前变电站综合自动化系统的最新国际标准，应用该标准是一个循 序渐进的过程，在相当长的时间内，变电站内的设备将不符合该标准的要求。由于 目前国内常用微机保护装置的软硬件与i e c 6 1 8 5 0 标准的要求还存在着定的差距， 工程实际应用也集中在站级总线，通过增加规约转换器或改变现有保护的通信规约 来提供i e c 6 1 8 5 0 标准支持，而过程总线的工程实践方面的报道几乎没有。即使在 站级总线完成了i e c 6 1 8 5 0 的功能要求，其对电子式电流电压互感器、智能断路器 等新设备的应用能力也比较差。i e c 6 1 8 5 0 标准对网络通信能力要求比较高，而目前 的装置由于软硬件的限制在实现i e c 6 1 8 5 0 标准要求上并不理想。 据报道，2 0 0 6 年3 月2 7 日，国内首个满足i e c 6 l8 5 0 标准的变电站一西安1 1 0 k v 少陵变电站顺利投产。该变电站安装了国电南自生产的p s 6 0 0 0 变电站综合自动化 系统，对直流系统、接地控制系统等系统采用规约转换的方式接入变电站总线。中 国电力科学研究院对该变电站内设备进行了报文分析、性能考核以及互操作性测 试。各项试验均表明，该变电站已全面满足i e c 6 1 8 5 0 标准。该变电站基本代表了 目前国内i e c 6 1 8 5 0 标准应用的最高水平，标志着我国在i e c 6 1 8 5 0 相关技术上迈出 了实质性的一步。 到2 0 0 6 年底国内共进行了6 次互操作实验，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 c 6 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。经过实际锻炼，中国电力科学研究院检测中心作为i e c 6 18 5 0 的检测单位，积累了丰富的i e c 6 1 8 5 0 检测经验，掌握了i e c 6 1 8 5 0 的检测技术，为 i e c 6 1 8 5 0 在中国的推广做好了检测准备。 总的来说，i e c 6 1 8 5 0 的应用价值已在国内取得普遍共识，无论是自动化设备厂 商、电力科研单位还是相关高校都投入了相当的人力和物力对其进行积极研究。但 由于i e c 6 1 8 5 0 体系较为复杂、涉及面较广，受到技术、工具和测试手段等的限制， 国内对标准的研究和应用水平整体上与国外有一定差距。多数文献仍停留在对标准 的认识和理解层面上，能够直接指导工程实践的不多：已进行的几次互操作实验主 要集中在间隔层设备与变电站层之间特定应用功能的实现上，对数字化变电站整体 华北电力大学硕士学位论文 的把握，通过配置文件实现设备与系统的融合以及过程层通信等关键问题的实践还 需要深入开展。 1 4 本论文所做的主要工作 如果用一句话来概况i e c 6 1 8 5 0 所要实现的技术特点，那就是“智能化的一次 设备，网络化的二次设备 。i e c 6 1 8 5 0 标准采用了先进的通信技术，无论是一次数 据的采集、传输，还是跳闸、闭锁等命令的传输，传输方式都发生了变换，数字信 号代替了模拟信号，交换式以太网代替了点对点式的连接方式。 通信方式的改变简化了二次接线，使设备间共享数据实现互操作成为可能，带 来的问题是设备对通信系统的依赖性增强，需要一套高可靠性的通信系统作为支 撑。就继电保护设备而言，其处在间隔层内，既要与过程层进行采样值、跳闸、闭 锁等报文的传输，又要向变电站层传输事件记录等信息，因此，为继电保护设备设 计一套可靠的通信系统具有重要意义。本论文首先进行网络仿真，根据仿真结果设 计保护设备的通信系统，具体工作如下： 1 深入学习i e c 6 1 8 5 0 标准及相关知识，掌握过程层、间隔层、变电站层之间 的报文种类，报文特点以及对实时性的要求，为后期工作做准备。 2 学习并熟练使用o p n e t 网络仿真软件，根据i e c 6 1 8 5 0 对各层设备通信要 求搭建相应的设备模型，通过设备间发送接收报文来模拟过程层网络和变电站层网 络通信过程，分析不同采样速率下和不同网络带宽下数据流的延时和网络负载，为 继电保护设备选取合适的以太网接口，确定c p u 主频等参数。 3 根据仿真结果，设计满足i e c 6 1 8 5 0 标准的继电保护设备的通信系统，包括 与过程层、变电站层通信接口以及设备内硬件之间的数据通信接口。 6 华北电力大学硕十学位论文 第二章 ie c 6 18 5 0 标准介绍 2 1le c 6 18 5 0 起源和发展 早在2 0 世纪9 0 年代初，国际电工委员会意识到不同厂家的保护设备需要一个 统一的信息接口，实现设备的互操作性。为此，i e ct c 5 7 和i e ct c 5 9 成立了一个 联合工作组，制定了“继电保护设备信息接口标准一，即i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准。美 国电科院e p r i 在1 9 9 0 年开始了公共通信体系u c a ( u t i l i t yc o m m u n j c a t i o n m c h i t e c t u r e ) 标准制定工作，其目的在于提供一个具有广泛适应性的、功能强大的 通信协议，使各种智能电子装置i e d 能够通过使用该协议实现互操作【7 】【1 0 】。 为适应变电站自动化技术的迅速发展，有必要制定一个更通用、全面的，能够 覆盖整个变电站通信网络和系统的标准。1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技术委员会 ( i e ct c 5 7 ) 成立了3 个工作组( w g l o 1 1 1 2 ) ，负责制定i e c 6 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，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。 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1 1 工作组负责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。 i e c 以公共通信体系u c a 2 0 的数据模型和服务为基础，将u c a 的研究结果纳 入i e c 标准，建立世界范围的统一标准i e c 6 18 5 0 。除了u c a 2 0 以外，w g l 0 1 1 1 2 ， 3 个工作组参考和吸收了已有的许多相关标准。其中主要有：i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动 通信协议标准；i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 5 继电保护信息接口标准；i s o i e c 9 5 0 6 制造商信息 规范m m s ( m 锄u f a c t l l r em e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 。 1 9 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 i l u i l i t t e ed r a rf 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 r i n t e m 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 c 6 1 8 5 0 国际标准正式版。 2 2 ie c 6 18 5 0 标准主要内容 i e c 6 1 8 5 0 系列标准是由国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 从1 9 9 5 年 开始制订的，目前，i e c 6 l8 5 0 共1 4 个部分已经全部通过为国际标准。我国的标准 化委员会对6 1 8 5 0 系列标准进行了同步的跟踪和翻译工作。标准构成及各部分名称 i e c 6 1 8 5 0 标准各组成部分具体内容如下【l 】【5 】【2 3 】- 【3 1 】： 7 华北电力大学硕士学位论文 l 介绍和概述 介绍i e c 6 1 8 5 0 标准的制定目的、历史沿革，并对其它标准的核心内容作了一 个提炼并加以介绍，对以后的标准中涉及的核心概念作了初步的阐述。 2 术语 给出了整个i e c 6 1 8 5 0 系列标准所涉及的术语解释、缩写名词定义、规范性引 用文件。 3 总体要求 从质量要求、环境条件、供电条件三个方面对数字化变电站系统的性能进行了 规范。质量要求包括可靠性、系统可用性、可维护性、安全性、数据完整性；环境 条件包括对温度、湿度、大气压、振动、污染、腐蚀、电磁干扰的耐受能力；供电 条件包括对供电电源的电压、频率范围以及瞬时失电的耐受能力。 4 系统和项目管理 描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所用的专用工具调度 要求。主要包括：工程要求( 参数分类、工程工具、文件) ；系统寿命周期( 产品版本、 停产、停产后的支持) ：质量保证( 责任、测试设备、型式试验、系统测试、工厂验 收、现场验收) 。 5 功能的通信要求和设备模型 详细阐述了功能、逻辑节点和通信信息片三个概念以及三者的相互关系，对不 同等级的变电站内的不同种类的通信报文的通信时间提出了要求，以及如何验证整 个系统的通信性能要求。 6 变电站自动化系统配置描述语言 该标准描述了基于x m l l 0 的变电站自动化系统配置( s c l ) 语言的语法，并 在附录中提供了模式文档定义( s c h e m a ) 文件的文本，并给出了一个不完整的变 电站的s c l 文件的实例。 7 1 原理和模型 分别从应用、设备、通信的观点为对象建模，模型分别是逻辑节点及数据、逻 辑设备物理设备、客户服务器，另外简要介绍了6 1 8 5 0 7 2 ，3 ，4 的内容及相互 关系。 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 主要从三个方面进行描述了抽象通信服务接口：抽象通信服务接口、抽象通信 8 华北电力大学硕士学位论文 服务的规范、设备数据库结构的模型。 7 3 变电站和馈线设备的基本通信结构公用数据类 定义了和变电站应用有关的公共属性和公共数据类，这些公共数据类用于 6 1 8 5 0 7 4 部分。 7 4 变电站和馈线设备的基本通信结构兼容的逻辑节点类和数据类 规定了i e d 之间通信用的兼容逻辑节点名称和可能包含的所有数据名称。所定 义的名称用于建立分层对象引用，供i e d 内部以及i e d 之间通信使用。 8 1 特定通信服务映射( s c s m ) 在i s 0 8 8 0 2 3 上映射到m m s 该标准将a c s i 映射到m m s ，形成了基于8 0 2 3 ，传输层至少支持t c p i p 的应 用层协议，该协议适用于变电站层和间隔层设备，或间隔层设备间，或变电站层设 备间的通讯。 9 1 特定通信服务映射( s c s m 卜串行单方向多点共线点对点链接 该标准将6 1 8 5 0 7 中有关采样测量值传输的部分映射过来，形成了基于8 0 2 3 ， l l c 采用无应答无连接，不使用网络层、传输层、会话层及表示层的应用层协议， 该协议适用于间隔层设备和过程层设备间的通信 9 2 特定通信服务映射过程总线 定义了在局域网过程总线上完成s c s m 中采样值传输的方法，定义了局域网过 程总线电子式电流互感器、电子式电压互感器、合并单元、保护装置、间隔控制器 及间隔测量装置之间的采样值传输方法。 1 0 一致性测试 一致性测试是对通信以及因为通信组成了系统的i e d 的型式试验，为各厂家的 装置实现互操作做好测试基础。对采用i e c 6 1 8 5 0 协议的变电站二次装置或变电层 设备进行通讯规约的测试分析，包括正向、反向测试，最终给出一致性评估报告。 2 3le c 6 1 8 5 0 主要技术特点 2 3 1 功能分层的结构 i e c 6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护三大功能， 将信息、功能进行了分层，无论从逻辑上还是物理概念上，都将变电站的通信体系 分为3 层，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层与层之间的通信接口。过 程层与间隔层之间通信网络称为过程总线，间隔层与变电站层之间通信网络称为变 9 华北电力大学硕士学位论文 电站总线【3 】【6 】。如图2 1 所示 图2 1 变电站层次结构 过程层是一次设备与二次设备的结合面，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，通过逻辑接口4 ，5 实现过程层与间隔层之间 通信。 间隔层设备包括保护控制设备，汇总本间隔过程层实时数据信息；实施对一次 设备保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他控制功能；对 数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；承上启下的通信功能， 即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能。通过逻辑接口l 、6 与变电 站层通信，通过逻辑接口3 完成间隔层i e d 之间数据交换。 变电站层包括过程层关联的变电站层功能，即通过逻辑接口8 使用多个间隔或 整个变电站的数据并对多个间隔或整个变电站的一次设备进行监视和控制；也包括 变电站层的相关功能，变电站自动化系统与本站操作h m i 的接口、与远方控制中心 的接口，与远方监视和维护工程师站的接口。 层与层之间以总线的方式连接在一起，完成层之间以及间隔内部的通信工作， 通常将变电站层与间隔层之间的网络称为变电站总线，间隔层与过程层之间的网络 称为过程总线，两个总线上传输的数据不同，组网方式也有很大区别。 2 3 2 面向对象的信息建模 变电站自动化系统中的功能都是在智能电子设备i e d 中实现的，变电站自动化 系统的通信其实就是i e d 之间的信息交换。i e c 6 1 8 5 0 利用面向对象技术，定义了 i e d 的分层对象模型和作用于每层对象的抽象服务。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 建模方法为：首先，定义若干语义模型类，用来规范数字化变电站涉及到数据、 结构、操作以及广义的s c a d a 语义；接着，对照语义模型类，将i e d 的自动化功 能和相关信息抽象、分解，并通过对语义模型类的继承、重载或直接引用，生成特 定的应用实例；最后，将这些实例按照“类”的形式层次化的构成具有一致性和确 定性的信息模型( 即服务器) 。信息模型的属性包含逻辑设备( l o 西cd e v i c el d ) 、逻辑 节点、数据对象和数据属性4 个层次： ( 1 ) 逻辑设备，用于包含一组特定应用功能的产生和使用信息的虚拟设备， 逻辑设备由逻辑节点和附加的功能服务聚合而成。每个物理设备包括一个或多个逻 辑设备，每个逻辑设备至少包含三个逻辑节点。 ( 2 ) 逻辑节点，逻辑节点是功能分解的最小单位，也是信息交换的最小单元， 可以分布在不同的物理设备中。一个逻辑节点代表服务器的一项基本功能或i e d 中 的一组设备信息，可以与其它逻辑节点进行信息交互，并执行特定的操作，逻辑节 点由数据对象、数据属性、数据属性列表以及对应的功能服务聚合而成。 ( 3 ) 数据对象，包含逻辑节点的所有信息，是最小的信息单元，从不同的公 共数据类及兼容数据类继承而来。 ( 4 ) 数据属性，数据对象的内涵，是模型中信息的最终承载者。 2 3 3 抽象通信服务接口( a c s i ) i e c 6 1 8 5 0 总结了电力生产过程特点和要求，归纳出电力系统所必需的信息传输 的网络服务，采用抽象建模方法设计出抽象通信服务接口( a c s i ) ，它独立于具体 的网络应用层协议，和采用的网络无关。一个符合i e c 6 1 8 5 0 标准的系统是建立在 将抽象的通信服务映射到具体通信协议栈基础上的。由于电力系统生产的复杂性， 信息传输的响应时间的要求不同，在变电站内可能采用不同类型的网络。i e c 6 1 8 5 0 采用抽象通信服务接口就很容易适应这种变化，只要改变相应的特定通信服务映射 ( s c s m ) 。抽象通信服务接口是一样的，不同的网络应用层协议和通信栈与不同的 s c s m 相对应。i e c 6 1 8 5 0 标准使用a c s i 和s c s m 技术，解决了标准的稳定性与未 来网络技术发展之间的矛盾，即当网络技术发展时只要改动s c s m 层，而不需要修 改a c s i 层1 5 j 【2 7 】。 a c s i 定义了两类通信服务模式：客户服务器模型和对等模型，如图2 2 所示。 客户服务器模式采用单播方式进行传输，i e c 6 1 8 5 0 标准定义的绝大多数服务都采 用该模式，如控制、读写等服务。对等模式采用多播方式，如采样值传输、g s e 服 务。 华北l h 力人学碰十学位论文 罔2 2 a c s i 服务筷式 采用客_ f i | 服务器方式通信时，通信双方应该先用a s s o c i a t e 原语建芷关联，在 舷务结束时，应用r e l e a s e 原语释放二者之问的关联。在抽象通信服务接ua c s l 中，除了$ e n d g o o s e m e s s a g e 。s e n d g s s e m e s s 3 9 e 和s e n d m s v m e s s 3 9 e 外，所有的 服务函数都是客户服务器模式的。 对等方式不需要用a s s o c l a t e 和r e l e a s e 原语建立和释放关联。多路广 斋服务的 每次信息交换可以理解为“关联报文”，它包含关联参数和数据。一旦服务被处理， 应用关联即终止。 234 特殊通信服务映射( s g s m ) a c s i 层对信息模型的属性和服务进行了定义，但设备之问的通信需要具体的网 络实现i e c 6 1 8 5 0 8 部分定义了s c s m 特殊通信服务映射，实现由抽象层到具体通 信协议的映射，根据不同的服务和报文要求选取不同的映射方法及报文通过的协议 栈，映射示意网如图2 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 特定接口应用 网络1 层巧层 图2 - 3 a c s i 层到s c s m 层映射 i e c 6 1 8 5 0 定义了4 种a c s i 到s c s m 映射方法，它们都以o s i 七层模型为基础 并都选择以太网作为通信网络的物理层和数据链路层，具体如下： ( 1 ) 基于客户机服务器模式的核心a c s i 服务向m m s 的映射 m m s 即制造报文规范，作为应用层协议的一种，能运行于多种通信网络和协 议栈。m m s 最初用于计算机集成系统中，规范具有通信能力的智能互感器、智能 控制设备和i e d 的通信行为，以实现不同厂商设备之间的互操作和系统集成，后来 成功用于工业控制、工业机器人等工业自动化系统领域，m m s 具有互操作性和独 立性特点，电力系统中的t a s e 2 舢c a 和i e c 6 1 8 5 0 等通信标准都选择m m s 作为应 用层协议的规范。该映射一般结构为：m m s + o s l 模型+ t c p i p + 以太网。 m m s 将网络上的通信的两个节点之间的关系定义为c l i e n t s e n r c r 关系，s e r v e r 是一个包含v m d 及其对象( 变量) 的应用或设备，c l i e n t 是一个网络化应用或设备询 问来自s e e r 的数据和向s e n r e r 发出请求或命令。m m s 的客户服务器互相交互是 通过在网络上发送接收请求、指示、响应和确认服务原语来实现的。m m s 的通信 服务流程可以划分为2 种类型，带确认的服务类型和不带确认的服务类型。节点之 间的数据访问是通过表示层的a s n 1 编码形成协议数据单元佃r o t o c o ld a t au n i t 即 p d u ) 来进行传输，m m s 标准中规范的p d u 采用a s n 1 编码规范。 ( 2 ) g o o s e 报文传输服务和s a v 服务向以太网数据链路层映射 g o o s e 和s a v 服务用于快速可靠地传输保护、控制以及采样值信息，采用发 布者订阅者发送模型。由于这两种服务对实时性要求很高，为了减小报文传输和协 议封装解析的时间开销，g o o s e 报文传输和s m v 报文传输直接由应用层映射到数 华北电力大学硕士学位论文 据链路层( 或在表示层进行b e r 编码) ，而网络层，传输层和会话层均为空。这种 映射方式降低了报文的可靠性，但提高了报文的实时性能，适合g o o s e 、s m v 报 文的传输特点，同时标准采用重发机制提高g o o s e 报文的可靠性，对于s m v 报文， 接收s a v 报文的订阅者发现报文丢失时，并不要求发布者重新发送，因为传输最新 的电压、电流值比重传旧数据更为重要。 ( 3 ) g s s e 报文传输服务映射 从抽象通信服务模型控制块的属性和服务定义两方面比较，g s s e 模型与 g o o s e 模型差异不是很大，主要的区别是信息交换的种类不同：g o o s e 支持由数 据集组织的范围较广泛的公共数据交换，并提供灵活的手段规定交换的是何种信 息；g s s e 则仅提供了传输状态变化信息的能力。g s s e 的提出是为了与u c ag o o s e 报文保持兼容，最终会被g o o s e 完全代替。 g s s e 报文传输映射采用g s s e 协议作为应用层协议，采用基本编码规则( b e r ) 对应用层的p d u 进行编码，采用无连接的o s i 模型进行传输。 ( 4 ) 时间及时间同步服务向简单网络时间协议( s n t p ) 映射 时间服务器从外部时钟源( g p s ) 获取时间信息，并通过t i m e s ”c 报文校准请求 同步的i e d 的内部时钟，以实现变电站范围内的时间同步，报文应用层采用简单网 络时间协议，通过u d p i p 协议栈进行传输。 2 4ie c 6 18 5 0 报文类型及性能要求 逻辑节点是一个由数据和方法组成的对象。与主要设备相关的逻辑节点不是主 要设备本身，而是它的智能部分或者次级系统的映像。以通信的观点来看，逻辑节 点是同其它特殊的逻辑实体相互交换数据的最小逻辑实体。因而，一个逻辑节