（电力系统及其自动化专业论文）基于iec61850的母线保护的应用研究.pdf

华北电力大学硕+ 学位论文摘要 摘要 本文研究的是基于i e c 6 18 5 0 协议的母线保护，即网络化母线保护。首先从变 电站和i e d 这两个角度展开论述，研究了如何从整体上支撑协议的具体实现，为母 线保护的研究奠定了基础；其次分析了与网络化母线保护紧密联系的两项基本技 术：合并单元的实现技术和嵌入式以太网技术；然后从结构、硬件组成和软件的相 关设计等方面，具体研究了网络化母线保护的实现方案；最后分析了过程总线中数 据流的特征和规律，集中探讨了网络化母线保护的实时性问题，并最终落实到采样 率的选择上。 关键词：i e c 6 1 8 5 0 ，网络化，母线保护，嵌入式以太网 a b s t r a c t n e t w o r k e db u sp r o t e c t i o n ，w h i c hi sb a s e do ni e c 6 18 5 0 ，i ss t u d i e di nt h i sp a p e r a t f i r s t ，t h ep a p e r f r o mt w os i d e s ：s u b s t a t i o n 锄di e d ，c o n c l u d e sh o wt oe n t i r e l yr e a l i z em e s t a n d a r ds e r i e s ，l a y i n gt h ef o u n d a t i o nf o rn e t w o r k e db u sp r o t e c t i o n ；t h e n ，i n t r o d u c e st w o e s s e n t i a lt e c h n o l o g i e sw h i c hi s c l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ep r o t e c t i o n ：m e r g i n gu n i t r e a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e de t h e m e tr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ；a f t e rt h a t ，s t u d i e s t h er e a l i z i n gs c h e m e 行o ma s p e c t ss u c ha ss t m c t u r e 、h a r d w a r ec o m p o s i t i o na n dt h e s o r w a r er e l e v a n c ed e s i g n a tl a s t ，i no r d e rt oi l l u s t r a t ed e e p l yt h er e a l - t i m ep r o b l e mo f n e t w o r k e db u sp r o c t e c t i o n ，t h et y p ea n dm l eo fa r r i v a l t i m eo fp r o c e s sb u sd a t as t r e a m s a r ep r o p o s e d ；a n dt h ek e y e v e n t u a l l yc o m et ot h ec h o i s eo fs 锄p l i n gr a t e “x i o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n j u n k e yw o r d s ：i e c 618 5 0 ，n e t w o r k e d ，b u sp r o t e c t i o n ，e m b e d d e de t h e r n e t 声朋尸，f 1 月 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 的母线保护的应用研 究，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：查垄 坌 日期： 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：日期： 丝饵 沪宫。；卑 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言帚一早ji百 1 1 变电站的现状和发展趋势 变电站自动化系统( s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns v s t e m ，s a s ) 在我国应用发展了十 多年，为保障电网安全经济运行发挥了重要作用。但是由于变电站整体数字化、信 息化水平不高，缺乏能够完备变电站通信标准，以致目前也存在着二次接线复杂， 自动化功能独立、堆砌，缺少集成应用和协同操作，数据缺乏有效利用等问题。同 时，随着电网的不断发展和电力市场化改革的深入，对电网安全经济运行和供电质 量的要求不断提高；而变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，要求提供的信 息量和实现的集成控制越来越多，数字化、信息化以及信息模型化的要求越来越迫 切，数字化变电站成为s a s 当前发展的主流方向。 而在设备领域里的电子式电流互感器( e l e c t r o n i cc u l l r e n tt r a n s f o m e r e c t ) 、电 子式电压互感器( e 1 e c t r o n i cv - o l t a g et r a n s f o m e r ，e v t ) 以及智能开关设备( i n t e l l i g e n t s w i t c h g e a r i s g ) 等等的诞生，使得建设数字化变电站成为可能，而高速、可靠和开 放的通信网络及完备的通信系统标准是数字化变电站实现的保障，特别是最新颁布 的变电站通信网络与系统i e c 6 1 8 5 0 国际标准，为数字化变电站提供了全面的建设 规范。因此，研究和实践基于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电站通信网络具有现实和重要 的意义。 所以，变电站的发展趋势可总结如下：变电站系统的信息化，甚至是智能化， 将是未来的发展趋势。作为智能化，当前还只是在其起步状态：不管是硬件还是软 件方面的研究，都还是远远不够的，不过随着互操作、互交换以及无人值班变电站 等等方面的不断发展，可以预见，我们正处于变电站系统向智能化发展的过程中， 而当前的几乎一切技术( 与变电站相关的) ，正是在为智能化的目标而在铺设道路。 1 2 母线保护的现状和趋势 1 2 1 传统的集中式母线保护 在现阶段的微机型母线保护里，母线保护一直以集中式结构为主，可以将其界 定为“传统集中式 ，即：将母线上各条出线电流互感器( c t ) 的二次侧按同极性 分别相连，并在模拟量和回路上接入差动继电器构成保护。在硬件结构上，集中式 微机母线保护因袭了传统保护的作法，即将各条出线的c t 二次侧用电缆引至控制 室的保护屏上。微机母线保护一般没有公共的差电流回路，并且利用软件补偿来解 决变比不一致的问题，对数字量运算还便于采用更为复杂、可靠的判据。 华北电力大学硕十学位论文 这种保护方式存在着以下缺点： 1 ) 随着变电站综合自动化在全国的逐步推广，保护分散布置、就地化已成为 发展的趋势。而作为综合自动化变电站一部分的母线保护，如采取集中布置，就必 然存在大量的从开关场连接到控制室的二次电缆，这不仅会提高整个工程的造价， 而且造成整个变电站设计与建造的不协调，导致维护与管理上的困难。 2 ) 从c t 二次侧到控制室的二次电缆使得c t 二次阻抗较大，不利于防止 c t 饱和。 3 ) 从c t 二次侧到控制室的二次电缆较长，也使得模拟电流信号容易受到变 电站强电磁干扰的影响。 4 ) 随着变电站母线上的出线数目日益增加，母线保护所要处理的信息量也随 之增大，这对于集中式数字保护中c p u 的处理能力提出了更高的要求，从而导致 了保护硬件结构的复杂化，可靠性降低，以致无法适应就地布置的要求。另一方面， 集中式微机母线保护以其结构和处理能力，也限制了它的灵活性和扩展性。 总之，这种传统的集中式母线保护是应该淘汰了。 1 2 2 分布式母线保护 传统的集中式母线保护之所以不能满足新形势下的要求，是因为这种保护从硬 件系统的结构设置到所用到的元器件( 如传统的电流和电压互感器) 已经全方位的 落后于新技术群的发展了。有鉴于此，国内早在1 9 9 9 年明确提出了研制分布式母 线保护的新设想，并在近几年罩，成为了母线保护业内最热门的课题，而且一直在 对这种方案进行不断地实现和完善。 所谓分布式母线保护，就是将集中式微机母线保护各项工作分布实现，在母线 所连接的每一个线路出口处，都设置相应的间隔处理单元，以此来实现分布式数据 采集、分布式数据存储及所选定的保护算法，在此过程中为了完成不同分布间隔的 数据共享，又不可避免地采用了间隔之间的组网技术，甚至是计算机网络技术。 在此，难点在于间隔之间的通信问题：1 ) 由于在此方案中需要传送大量的数 据，而母线保护又对实时性有着非常高的要求，因此如何快速而又可靠地完成通信 就是重中之重；2 ) 从保护的实现原理角度来说，尤其是如果采用采样值差动算法 的话，那么数据的采样同步问题就是另一个无比重要的问题了。而在硬件方面，间 隔单元主要建议应用d s p 或者a r m 芯片，相应的通信协议自行设计。 分布式母线保护分为完全分布式和不完全分布式两种。两种方案各有其优劣 性：1 ) 对于前者，优点是每一个分布问隔( b u ) 都可以独立完成保护功能，可基 本消除造成母线全部停电的重大事故；缺点是通信相对复杂，对通信网的依赖性很 大，一旦通信网出现故障，整个保护就可能无法工作；因此冗余性的设计是需要多 2 华北电力大学硕十学位论文 方考虑的；2 ) 对于后者来说，通信方式相对简单，实现起来也比较容易，但是由 于各b u 都由c u 进行重要算法上的控制，所以总体来说，由于c u 的存在，使得误 判导致各条线路全部停电的故障出现的几率增大。所以，集中式可以看作是一种过 渡方案，完全式则是分布式保护的最终目的和形态。 分布式母线保护有着很多独有的优势，的确克服了集中式的诸多不足之处，在 一定程度上适应了母线保护的发展趋势；但是随着i e c6 1 8 5 0 协议的推广，却又再 一次被它所存在的大环境所超越，在理论上，可以把它看作是比较完善的艺术品， 但是从应用及推广的历史来看，即便是完全分布式母线保护也好，仍然只能是在全 方位的变电站信息化过程中，出现在母线保护领域中的一种过渡方案。 1 2 3 网络化母线保护 不同于以往的变电站通信协议，并不能把6 1 8 5 0 协议只简单地看作是一种通信 协议，因为它对变电站的二次系统从结构方面一直到智能化电子装置( i e d ) 的编程 方面，都作了颠覆性的新设计，因此各类二次系统的设计及创新方面都要与之全面 地相符合，网络化母线保护，也就是基于i e c6 1 8 5 0 协议的母线保护。与分布式母 线保护相比，它具有以下优势： 1 ) 保护功能就地完成。缩短了c t 二次电缆的长度，既有利于防止c t 饱和， 又降低了工程造价。在这一点上二者是相当的。 2 ) 利用光纤作为通信链路的介质，可较好的防御变电站的电磁干扰。这也是 相当的。 3 ) 数据共享。毫无疑问，网络化母线保护在这方面达到了更高的水平。 4 ) 母线保护与相应的线路保护和变压器保护互为备用，从而实现了保护的双 重化。在网络化母线保护中，由于可以使得功能自由分布，所以它可以进一步实现 “异质冗余性 。 5 ) i s g 的应用，可使得由于人员误操作、误碰等原因造成的母线上所有断路 器跳闸等恶性事故发生的机会进一步减少。 网络化母线保护在各方面都优于分布式母线保护，这是无疑的。本课题的工作 就是研究符合i e c6 1 8 5 0 协议的母线保护。 1 3 本课题的工作 i e c 6 1 8 5 0 协议有众多的制定目标，这些目标有：互操作、易于扩展、功能自由 分布、长期稳定性等，而此成文协议就是对这些目标进行权衡后所研究出的成果。 这使得它不只是单纯的通信协议，而是从硬件到软件都作了相应的颠覆性的规范， 具体到符合此一协议的母线保护的实现，本文做了如下工作： 3 华北电力人学硕士学位论文 1 ) 认真研究了i e c 6 1 8 5 0 协议，并在此基础之上，分析了此协议对变电站的设 计产生了哪些影响，继而对协议本身的实现作了比较全面的考察，主要是从变电站 站内网络和i e d 的软件流程这两个角度对此实现展开了研究。 2 ) 母线保护与站内整个通信网络关系十分紧密，它的实现也依赖到网络的实 现，因此本文介绍了过程层的实现方法，尤其是其中合并单元的具体实现方法；研 究了嵌入式以太网，对i e d 的接网方式以及嵌入式以太网的软件流程作了分析研 究。 3 ) 重点探讨了网络化母线保护的一些重点问题：反思了近几年来如火如荼的 分布式母线保护结构，提出在“一网到底 的网络化环境中，集中式的结构才是适 合的选择；研究了集中式母线保护的硬件结构，主要是双嵌入式以太网结构的运用； 研究了其软件的实现，主要是信息建模及其相关的重要问题，为它的实现奠定了基 础。 4 ) 总结了过程总线上数据流的类型及到达时间规律，结合数字化变电站的具 体应用，建立了简单数据流模型，为表征数据流、研究数据流业务特征提供了有用 工具，研究了网络化母线保护为了达到所需要的实时性，所连接的线路数目与采样 率应该满足什么样的约束条件等问题。 4 华北电力人学硕士学位论文 第二章i e c 6 18 5 0 协议实现的研究 本文研究的是网络化母线保护，即基于6 1 8 5 0 协议的母线保护，作为符合此协 议的一种保护，网络化母线保护与其余的很多保护在实现上是很类似的，研究它有 着比较普遍的意义。但是在这一协议的语境之内，并没有哪种功能可以独立地存在， 而是每一功能都与整个变电站系统，尤其是站内通信网络系统紧密耦合在一起，因 此，首先对这一协议的实现有个全体性俯瞰性的认识，将是有益而且必要的。本章 即对其实现方面进行一下综述，主要是从变电站的组网和i e d 的丌发这两个角度进 行展开，在所涉及到的步骤上，相关的新技术新方法也会被适当地关注到。 2 1 数字式变电站的通信系统网络设计 合理的网络系统是变电站能够实时、可靠工作的i j 提。对于数字式变电站来说， 通信网络的合理性可具体描述为：在实现变电站自动化系统( s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m ，s a s ) 各项功能并满足传输时间要求的基础上，通过网络结构和节点分布的 优化来促进网络实时性、可靠性、安全性和信息共享化水平的进一步提高。因此， 设计出合理的通信网络是保证s a s 工作性能的关键问题。首先需明确这样一个观 点：数字化变电站中的变电站层、间隔层和过程层的划分是用来在逻辑上表示功能 的分类( 物理上，有些自动化设备涵盖了多层功能) 。因此，远动网络、站级网络 和过程网络的划分也只是用来在逻辑上表示网络承载的不同功能，实际网络的组建 可不必拘泥于这样的划分【l 】。 2 1 1 变电站组网方式 在经济允许的情况下，建议尽量采用交换式以太网，其详细的技术内容留待下 节介绍，本节主要是从过程总线和变电站总线这两个角度对变电站的组网方案进行 综述。 1 ) 过程总线 过程总线可以采用不同的组网方式，i e c 6 1 8 5 0 标准中列举了4 种基本方案， 如图2 1 所示，它们体现了不同的组网原则，可以满足不同的数据流要求及可靠性 要求，并可应用于不同场合。 面向间隔原则。在方案1 中，每个间隔有其自身的总线段，同时还装设1 个独立的全站范围的总线以连接各间隔的总线段。面向间隔的组网方案的优点是结 构清晰、易于维护，缺点是需要多 装较多的交换机和路由设备，成本较高。该方案 适用于2 2 0 k v 及以上系统以及重要间隔。另外，设备的互操作性乃至互换性既可在 i e d 层面获得，也可在间隔层面获得。在i e c6 1 8 5 0 实施初期，由于缺乏足够的互 5 华北电力人学硕士学位论文 图2 1 可选的过程总线结构 操作性实践，间隔层面的互操作性更容易得到保证，这也就自然导致了面向间隔的 组网方案。 面向位置原则。方案2 中每个间隔总线段覆盖了多个间隔。当i e d 的安装 位置处于多个传感器的安装位置的中心时，从高压端到i e d 的光纤传输距离最短。 另外，2 2 0 k v 双母线接线多采用母线p t ，该p t 可以为多个间隔所共用，从而节省 了p t 的安装数量。 单一总线原则。方案3 是一种全站单一总线方案，所有设备都与该总线连 接。该方案的优点是节省了交换机，成本较低；缺点是系统可靠性差，需要较高的 总线速率。该方案适用于网络负载较轻、实时性要求不高的中、低压系统。 面向功能原则。方案4 中的总线段是按照保护区域来设置的，其突出优点 是总线段之间的数据交换量最小。 2 ) 变电站总线 过程总线的结构确定以后，由于变电站总线的拓扑不同，使得变电站通信网络 采取不同的组网方式，主要有以下两种【37 1 。 独立过程子网 采用该方案时，数字式变电站通信网络( c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nd i g i t a l s u b s t a t i o n ，c n d s ) 由站级网络和多个物理上相互独立的过程子网组成：通过交换机 将站内所有间隔层i e d 和变电站层设备连接成站级网络，并通过路由器将外部网络 接入，站外网络能够直接访问站内间隔层i e d ，间隔信息可以得到最大程度的共享； 6 华北电力大学硕士学位论文 间隔层i e d 与过程层设备之间根据不同间隔或功能划分成多个物理上相互独立的 过程子网，当间隔具有惟一的间隔层i e d 和智能过程层设备时，则可以直接采用点 对点的连接方式，如图2 2 所示。此方案的特点是：位于间隔层的i e d 需要2 套以 太网接口，分别接入过程总线和变电站总线。 这种方案的优缺点都很明显，优点是易于实现；其缺点是：对间隔单元来 兑， 过程层的信息无法实现真正的共享；问隔i e d 需要至少两套以太网接口，增加了成 本。 总之，采用过程子网的c n d s 使数字化变电站效能的发挥受到了一定限制，也 就是说，在这种方案里，网络的功能介于c n d s 和常规变电站通信网络之间，这种 组网方式应该被视为一种过渡性的组网方案。 远方运行中心 调度控制中心 图2 2 独立过程子网 全站唯一网络 合并变电站总线和过程总线，这样一来，c n d s 就成为了惟一物理网络，站内 所有的智能设备都接入同一个网络，都能够直接通过c n d s 进行信息交换，而间隔 层i e d 只需1 套以太网接口，既简化了结构又降低了设备和维护费用，如图2 3 所 示。 全站惟一网络使过程层信息得到最大程度的共享，变电站信息化水平显著提 高；利用从c n d s 上获取的丰富的过程层信息，各种协同操作和分布式应用功能均 能便捷实现，s a s 的整体性能得以提高；由于过程层信息和功能可以复用，间隔层 i e d 或其网络接口、组网设备的数目得以精简，设备投资减少；数字化变电站的效 能得到充分发挥。 7 华北电力大学硕士学位论文 远方运行中心 调度控制中心 图2 3 全站唯一网络 但与此同时，由于网络规模较大、节点数目众多且位置分散，c n d s 的结构变 得复杂，组网和运行管理的难度有所增加，同时实时数据和非实时数据、控制性数 据和非控制性数据共享同一网络，容易导致争夺网络资源以及安全性问题。 对这些弊端必须采取相应的措施，基本做法有：通过交换机划分v l a n ，限定 节点访问范围，合理分配流量，与过程子网不同，v l a n 的划分十分灵活，可以根 据应用功能的变化，即时改变过程层信息的共享范围；对不同报文设置不同的优先 级；i s g 必须具备报文筛选能力。 评价 从过程子网到惟一网络，随着过程层信息共享程度的提高，数字化变电站信息 化水平和效能得到了提高，但同时对网络性能、组网技术及运行管理水平的要求也 更高。在变电站信息化水平不断提高的过程中，值得关注以下4 个问题：a ) 息的标 准化，非标的信息，丧失了信息化的意义；b ) 信息的利用，面对c n d s 提供的海 量信息，如何选择有用信息，实现新的有益功能或满足新的需求，是信息化后必须 要考虑的问题；c ) 运行管理机制的改进，在技术条件已经成熟的情况下，可能会因 为运行管理机制的相对滞后，使信息化的效能大打折扣；d ) s a s 稳定安全与灵活开 放之间的矛盾。 依据目前的技术条件，短期时问内，两层物理网络的c n d s 即独立过程子网更 易实现，而全站惟一网络可先在规模不大、节点数目较少的新建中低压变电站中尝 试进行，待积累一定的组网和运行管理经验后，全站惟一网络将凭借信息高度共享 等优势成为c n d s 的最终形态。 华北电力人学硕士学位论文 2 1 2 网络的冗余性设计 冗余性的设计，是为了保证变电站通信网络系统的可靠性，在实现时要从两方 面着手，即网络结构和功能单元：对于前者，是要设计可容错的网络结构，这主要 是靠交换机来支撑，因此可以从交换机的角度去分析并加以设计；对于后者，涉及 的则是问隔层i e d 的冗余性。 1 ) 交换机端 通过交换机实现网络冗余是一项关键的组网技术。由交换机的不同连接可以得 到不同的网络拓扑，不同的拓扑，其网络性能也是不一样的，因此拓扑的选择是网 络设计的一个重要方面。以太网有3 种基本拓扑：总线型、环型和星型( 星型在逻 辑上仍属于总线型) 。其中总线型具有较好的扩展性，但缺乏可靠性；环型具有较 好的安全稳定性，但扩展性稍差，设备投资也较大；而星型兼顾了网络的安全稳定 性和扩展性，并且最易于布线。基于这三种基本的网络结构，就可以设计出大量具 有高可靠性的网络结构，如多星型加环型的单网冗余设计，在一些对可靠性要求特 别高的系统中，还可以设计出双网的多环形拓扑结构，这些方案都极大地提高了系 统的可靠性；总之，对于c n d s 而言，采用何种网络拓扑并没有明确规定。通常视 乎变电站的重要程度、网络节点数目、地理位置及建设资金等的不同，选择既能够 满足性能要求又不至造成不必要浪费的网络拓扑结构。 根据不同拓扑，由同一厂商交换机组成的环型网络可采用厂商专有的环网冗余 协议( 如m o x a 的t u r b o r i n g ，科动的r a p i d r i n g t m ) ，虽然实现细节不同，但多数 都是由设定的主交换机收发特定的协议帧检测环路，将环网中某个交换机的2 个端 口分别设定为转发态和阻塞态，当检测到某个链路发生故障后，主交换机立刻将阻 塞端口变成转发端口并告知其它交换机改变转发路径，如图2 4 所示。环网冗余协 议的特点是网络自愈速度快( 删e 瞻 & 匕& 8 e f v i c e s l n p r i v a 协一i n s t a n c e s m a p p i 叼 l nc l a 鹅e s c ：= = 沪 & 一 _ p n v a t e s 切c k y d oc b s s e s ll | i 姗c 啪n l 图2 7i e d 产品设计步骤 开发者根据所要开发的产品并结合i e c 6 1 8 5 0 5 中对变电站自动化系统的功能 和逻辑节点分类，提出产品的通信要求，然后从i e c 6 1 8 5 0 7 中选择标准数据类( 标 准中没有的数据类，开发者可以自己定义私有逻辑节点类) ，从i e c 6 1 8 5 0 一7 3 中选 择出标准数据对象类，以这些类作为模板，派生出所需的实例，这些实例包括逻辑 设备和逻辑节点，i e c 6 1 8 5 0 一7 2 中定义的a c s i 模型和服务规范了逻辑节点通信模 型和服务，然后根据实际使用的网络和协议栈，利用i e c 6 1 8 5 0 8 一x 一9 一x 定义的 s c s m ，将a c s i 映射到s c s m 中去，到这一步，就完成了产品的设计。最后根据 i e c 6 1 8 5 0 1 0 的规定，完成兼容性检测。整个过程与u c af i e l dm o d e l 的实现过程 类似，都是先提出通信要求，然后从标准所提供的模型中派生出实例的过程，这是 使用面向对象建模技术通信标准的显著特点。 4 ) 软件体系概览。就整体来看，实现6 1 8 5 0 协议的软件体系如图2 8 所示。 1 4 华北电力大学硕上学位论文 在这罩，继保功能与通信功能连结在了一起。通信功能的实现有赖于继保功能的软 件设计，因为对于软件所选择的信息模型的不同，所需要的服务模型以及在实现通 信的过程中，所要完成的通信映射也会有所不同。 5 ) 测试。包括一致性测试和保护功能测试，前者是为了测试这一系统在多大 程度上能够符合i e c 6 1 8 5 0 的协议要求，可以参考协议的第十部分；后者则是要测 i 各对象实例 主程序 及其a c s i u 调度中断程序】 屏幕显示 l l - 厂 i 各保护算法 【x m l 解析器i 键盘输入 i i i i 虚拟制造设备( v m d )m m s 处理模块 i l l i ，、 i 通信控制报文发送报文接收 i i模块模块模块 l、lj ：报告记录集通信 ：缓冲区 t c p 协议t d p 协议 i p 协议( a r p 协议，i c m p 协议等) r 1 r o s 内核 板级支持包 j 图2 8 软件体系结构 试能否满足保护自身所提出的要求，不再赘述。 2 3 小结 高级应 片j 子层 m m s 子层 通信 子层 基础层 本章里从网络系统和i e d 这两个角度概述了i e c 6 1 8 5 0 的实现方法。 1 ) 从过程总线和变电站总线这两方面，总结了站内通信网络的主要拓扑，这 些方式的具体采用，要根据当地变电站的具体规模和性能要求，进行选择和裁剪。 2 ) 冗余的要求是影响组网方式的一个重要方面，本章即就此一方面，分别从 交换机端和i e d 端进行了细致探讨，以实现通信设备和通信链路的冗余；它们综合 起来，与系统拓扑一起，以复杂的方式进一步影响着网络结构结构。 3 ) 讨论了几种重要的网络性能的保障措施，主要有实时性、可靠性和安全性 1 5 华北电力大学硕士学位论文 这三个方面，所提出的方法都是当前可行的，有现实的指导意义。 上述三个方面基本涵盖了通信网络的主要内容，在此之后，本章又从i e d 的角 度上介绍了对网络通信功能的支持和实现间隔层功能的软件丌发等几个问题，以期 对协议的实现有一整体性的把握。 1 6 华北电力人学硕十学位论文 第三章网络化母线保护的设计基础 网络化母线保护，其本质只是一种基于6 1 8 5 0 协议的分布式功能。要完整地实 现这一功能，单单组网技术还不够，还需要一些基本的技术支持，这些技术是网络 化母线保护的有机组成部分，其中有些是协议本身新提出来但没有规范其实现的设 想，另有一些散开在其他领域的技术群里。本章即对这些相关的重要技术作一考察。 3 1l e c 6 18 5 0 协议对继电保护产生的影响 新技术( 对变电站领域而言) 是应需而生的，因此全面地考察一下协议本身对 变电站设计产生的影响，就可以对这些技术得到一个概览。 1 ) 以太网的全面应用 协议建议站内的所有数据通信单元都规范为标准的接口，按照“一网到底 的 方式，用以太网技术将变电站层、间隔层与过程层的所有设备都直接连接到一起， 同时为了保证数据传输高可靠性，采用双以太网冗余配置。这就改变了以往的以太 网加现场总线的站内网络的不规则模式。 这里所产生的问题，除了上一章所讲到的组网问题外，就是嵌入式以太网的实 现及其相关技术。 2 ) 过程层的出现 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。随着电子式电流电压互感器，智能化断路器以及组合式开关设备等高 压设备新技术的发展，有必要独立出一个数字式物理层，来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，这就是过程层。过程层与间隔 层之间基于交换式以太网的串行通信称为过程总线通信，间隔层与变电站层之间串 行通信称为站级总线通信。 过程层以及过程总线的出现，所衍生出来的问题有两个：设备上的合并单元 的实现，可划分为采样的同步性、多路采样数据的处理以及串口发送这三个主要问 题；过程总线的实现( 与所选用的组网类型相关) 。 3 ) 全新的功能单元设计方法 由于i e c6 1 8 5 0 协议所提出的全新的信息模型，使得在功能单元的程序设计方 面引入了统一建模、多任务运行处理和面向对象的设计思路，这就改变了以往的面 向实现的设计模式。 这方面的影响是深远的：例如面向对象的设计方法，就使得功能模块可以在i e d 1 7 华北电力大学硕十学位论文 之间自由地进行分配，能够更好得实现硬件资源的最大化和性能的最优化；对丌发 人员来说，可以更简易得进行二次开发；反过来，全新的设计思路也给传统的开发 人员带来了新的挑战：实时性操作系统的移植、嵌入式以太网的实现、模块内外层 之间的映射等等，都不是简单的题目。 4 ) 硬件的选择 由于i e c 6 1 8 5 0 协议的实现比较复杂，使得i e d 的核心处理芯片所要完成的工 作量相应加大，加上通信实时性和通信可靠性的要求，这就给c p u 芯片的选择提 出了更高的要求，因此建议使用a r m 芯片；另一方面，为了满足网络冗余性的要 求，可能要用到内嵌以太网控制器的芯片，如m o t o r 0 1 a 公司的p o w e r p c 系列的微 处理器m p c 8 2 6 0 。 而在软件的结构中，由于移植了实时性操作系统以及嵌入式以太网的实现，还 有信息模型和相关服务模型的映射，就需要比较大的存储器，这也是必须注意到的。 5 ) 新方法的研究 i e c 6 l8 5 0 协议有丰富的目标内涵，为了实现这些目标，协议提出了很多新的 设计策略，这就为开发新方法，实现新功能敞开了大门。 举例言之：在本协议中允许功能的自由分布，那么基于多智能体的设计思路， 可以比较轻易地实现他处寄生式的后备冗余的功能。 可见，i e c6 1 8 5 0 协议对继电保护设计产生的影响是全面而且深远的，在本章 里，主要对前两个方面加以详细研究。 3 2 过程层的实现 过程层的典型没备有远方输入输出( i o ) 、智能传感器( 如e c t e v t ) 和执行 器( 如智能化断路器和组合式开关设备) ，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。关于过程层和过程总线的研究文章已经 很多了，而过程总线自身的组网方式，在上一章里也已经比较详细地总结过了。这 一节里，主要针对与过程层有关的重要元件一一合并单元的实现以及过程层中的通 信方式做一分析。 3 2 1 合并单元的实现 合并单元( m e r g i n gu n i t ，m u ) 定义首次在i e c 6 0 0 4 4 8 中提出，它用于连接数 字化输出的电子式互感器与保护、测控设备，其主要功能是同步采集多路( 最多1 2 路) e c t e v t 输出的数字信号后并按照规定的格式发送给保护、测控设备，如图3 1 所示。 华北电力大学硕十学位论文 外部同步 图3 1 合并单元的作用示意图 在6 l8 5 0 协议的9 1 中，更细致地规定了合并单元的内涵，其功能模型如图3 2 所示。分为3 个功能模块： 1 ) 多路数据采集和处理模块。也可称为接口模块，这是与e c t e v t 接口的主 要功能。在合并单元给多路d 发送同步转换信号后，将同时接收多路( 最多1 2 路) 通道的输出数据并对其有效性进行校验。此外，合并单元还需对这些数据进行正确 排序并输出给串行发送模块。 2 ) 同步模块。在正确识别外部输入的同步秒脉冲时钟信号( 一般来自于g p s 接收机的输出1 后，合并单元给各路d 转换器发送同步转换信号。同步转换信号 的频率应符合二次保护、测控设备的采样率要求。 3 ) 串行发送模块。将各路采样值数据进行组帧并发送给保护测控设备。此功 能体现了e i c 6 0 0 4 4 8 和e i c 6 1 8 5 0 9 1 中合并单元设计的主要区别。前者基于f t 3 格式进行曼彻斯特编码发送，由于传输速率较慢( 编码前为2 5 m b p s ) ，限制了采样 率，不适用于对采样率要求较高的计量和差动保护应用等，后者通过以太网进行发 送，速度可达1 0 0 m 甚至更高，应用更为广泛。 至于这些模块的具体实现，由于合并单元需并行采集多路数字信号和实时处 理，要求有较多i o 端口，单个单片机一般难以完成此任务。多个单片机进行联机 处理能够解决此问题，但是系统的集成度不好，性能会降低，因此建议使用f p g a 技术来加以实现；f p g a 器件是x i n l i n x 公司1 9 8 5 年首家推出的，它是一种将门阵 列的通用结构与可编程逻辑器件( p l d ，p r o g r 锄m a b l el o g i cd v e i e e ) 的现场可编程特 性结合于一体的新型器件。f p g a 可解决电子系统小型化和低功耗、高可靠性等问 题，它具有较多的可由用户自由配置的i o 端口。由于采用模块化设计思想，利用 f p g a 设计时一般将系统分成几个子模块，各子模块可并行执行。f p g a 实质是基 于硬件电路实现，其执行速度是纳秒级，这是单片机无法比拟的。这些优点使得选 择f p g a 来完成合并单元与e c t e v t 接口更为合理上述三个模块【2 】： 1 ) 接口的实现主要包括三个功能模块：异步串行数据接收模块，可以通过 1 9 华北电力人学硕+ 学位论文 图3 2 合并单元功能模型 对计数器的设置束实现；循环冗余编码校验模块，利用f p g a ，使用长除法很容 易实现；各路数据正确排序模块，只需采用高速先进先出队列的方法即可，在此 需考虑一种特殊情况：当合并单元与e c t e v t 之间的传输介质( 光缆) 出现故障或由 于其它原因导致某路数据无法正常传输给合并单元时，不应影响其它路的数据传输 给保护、测控设备。通过设置最长等待时间限定值( t m 。) 可解决此特殊问题。 2 ) 同步的实现过程是这样：合并单元收到外部同步时钟输入信号l ( 以下简称 信号1 ) 后，给各路a d 发送同步转换信号2 ( 以下简称信号2 ) 。通常全站的合并单元 共享信号1 ，由于其频率是l h z ，不能满足保护测量的采样要求，故不能直接用作 同步采样和模数转换命令，需进行倍频等处理以产生信号2 。信号2 的频率应考虑 实际要求，例如对于距离保护，一般要求一次电流电压每周波2 4 点采样，即采样 率为1 2 0 0 点每秒，故同步转换信号的频率是1 2 0 0 h z ，其帧格式及传输速率可白定 义。 因此，它的实现主要包括以下三个功能：快速、准确、可靠的识别信号l 。 对信号1 是否合理的判断依据有两点：相邻脉冲上升沿的到来时刻应在1 秒左右； 脉冲宽度需大于1 0 u s 。给各路a d 发送高精度信号2 。信号2 的生成采用软件同 步采样法，因为这可省去硬件环节，结构简单，其原理依然是计数器的使用。异 常情况处理，指信号1 若短时丢失，应该可以对此信号进行跟踪，以便当它恢复时， 可用重新进行强制同步。 关于采样值的同步，还有2 0 0 2 年底发布的i e e e l 5 8 8 ( 或i e c 6 1 5 8 8 ) 协议是 用于测量和自动化系统中的高精度网络时钟同步协议，能够达到亚微秒级同步精 度。协议中定义的各种类型同步报文均是基于u d p i p 协议发送的，因此尤其适合 于在以太网上实现，其具体应用还要视情况而定。 2 0 华北电力人学硕十学位论文 3 ) 串行发送功能的实现：可以选择带以太网控制器的微处理器( 单片机) ，也可 以选择单独的以太网控制器，对第二种方法，还需要利用f p g a 实现网 芯片的驱 动。第一种方法的实现流程为：f p g a 在完成与e c t e v t 接口功能和合并单元同 步功能后，将要发送的数据包按照e i c 6 1 8 5 0 9 一l 要求进行编码( 建议使用9 1 而非 9 2 ，后文有述) ，写入所选：芯片并启动发送命令，此时芯片会自动把数据包转换成 物理帧格式在物理信道上传输，以太网协议由芯片硬件自动完成，对程序员透明。 3 2 2 过程层通信方式 过程总线上数据通信种类较多，采样值和保护跳闸命令是其中最为重要的两类 信息。这两类信息的传输方向是不同的，因此在应用交换式以太网的情况下，其传 输是并行不悖的。这两类信息中，尤以采样值的问题为难点，也是重点。 1 ) 通信结构。通信结构一般可分为三类：点对点( p e e r - t o p e e r ) 、客户服务器 ( c l i e n t s e v r e r ) 和发布者订阅者( p u b l i s h e r s u b s c r i b e r ) 。对采样值传输来说，采用发布 者订阅者通信结构是最佳选择。这种结构的要义是：提供对节点的简单存取，只要 告知需要什么信息( 订阅) ，随后系统便会按节点的需要把信息传送给它。这种通信 结构允许从一个发布者向多个订阅者发布同样的信息，且订阅同一主题的订阅者可 以接收多个发布者的信息。这种灵活性使其能够满足传输流量大、实时性要求高、 要求信息共享的采样值传输功能。 2 ) 传输方式。采样值传输指的是合并单元的数据通过过程总线传输到间隔层 设备上，其通信过程由发布者的采样值控制( s v c ) 模块控制，此模块可选择多点传 送采样值控制( m s v c b ) 或单点传送采样值控制( u s v c b ) ，它们对应了不同的传输方 式，前者是广播组播，后者是单播。在此建议使用m s v c b 的方式。 3 ) 信息模型。在6 1 8 5 0 协议中，信息模型与服务模型是封装在一起的，对于 采样值的信息来说，在协议的9 1 和9 2 部分，各自定义了一种信息模型。这两种 模型的关系是这样：从服务模型来说，第二种模型的服务方式更为全面；从信 息模型来说，第二种模型的信息构成更为自由，不像第一种那样规范化严密化； 从实现角度来看，与第二种模型相比，第一种模型更加实现容易，而且在能够满足 当前的所有功能；而第二种模型虽然有着种种好处，但它的实现却很是个问题。因 此推荐使用9 1 中所规范的信息模型。 按照9 1 ，合并单元所传输的报文不仅包括通用( u n i v e r s a l ) 数据集，而且还包括 状态指示( s t a t u si n d i c a t i o n ) 数据集。其中，前者包括三相保护用电流、测量用电流和 中性点电流，以及三相电压、中性点电压和母线电压，还包括其品质信息，后者主 要反映开关状态输入及其品质的信息，对应于通用输入输出过程节点( g g i o ) 的数据 对象内容；其服务只支持报文传输服务( 即所谓的s e n d m s v m e s a s g e ) 。 2 l 华北电力人学硕七学位论文 4 ) 信息模型的映射。s v g o o s e 传输服务用于快速、可靠的传输采样值信息 和保护及控制信息，s v 报文和g o o s e 报文的应用层协议数据单元( p d u ) 专门定义。 关于这些映射，具体参见协议的第8 部分和第9 一x 部分，兹不赘述。需要说明的是， 对s v 报文来说，应用协议数据单元( a p d u ) 置入发送缓冲区之前，负责将一个或多 个应用服务数据单元( a s d u ) 连接成一个a p d u ，如图3 3 所示。其中a s d u 的个 数与采样率有关。 a p c i ( 应用协议控制信息) a s d u ( 应用服务数据单元) 、 r、一 1 i 标记长度a s d u 个数 a s d u la s d u 2a s d u n i a p d u ( 应用协议数据单元) 图3 3 若干a s d u 连接成a p d u 然后在表示层采用a s n 1 的b e r 对采样值缓冲区中的数据进行编码，编码格 式为t l v ，即，由标记、长度和值组成；链路层选择交换式以太网，默认情况下报 文的目的地址是广播，以太网类型与一般的i p 包区分，由e i e e 著作权注册机构进 行注册，是o x 8 8 b a ，这是独一无二的，支持报文传输的优先级服务( i e e e 8 0 2 1 p ) ； 在物理层，以太网的速率与采样率有关：假设采样率是2 4 点周波，此时a p d u 中 只有一个a s d u ，则帧长为9 8 4 b i t ( 包括9 6 位的帧间隙) ，速率选择1 0 m b p s 即可， 计算如下：( 2 4 5 0 彪) 9 8 4 6 豇= 1 1 8 l 脚 f ) f ，f 专o o ，1 口 2 ；o f f 状态( 不产生数据) 的持续时间