计算机网络与通信-典型应用.ppt

章节内容提要 6 1变电站综合自动化的数据通信系统6 2配电网综合自动化的通信系统6 3配电网安全监控和数据采集系统SCADA6 4远程自动抄表技术ARM6 5现场总线及应用 6 1变电站综合自动化的数据通信系统 6 1 1变电站综合自动化的基本概念6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能6 1 3综合自动化系统的通信网络6 1 4变电站自动化系统中的传输规约6 1 5变电站自动化系统的通信网络及传输规约的选择 6 1变电站综合自动化的数据通信系统 6 1 1变电站综合自动化的基本概念变电站综合自动化是电网调度自动化的基础和信息来源之一 信息的正确采集 预处理 可靠的传输以及合理的利用是综合自动化的目标 变电站自动化技术是在微机技术 数据通信技术 网络技术 自动化技术基础上发展起来的 变电站综合自动化系统是变电站自动化监控管理的重要设备 是集计算机技术 自动控制技术和通信技术为一体的综合性电力装置 具有微机监测 保护 小电流接地选线 故障录波 低频减载 四遥远传等功能 监控和通信系统的信息处理能力 开放程度和运行可靠性是变电站综合自动化系统性能优劣的重要指标 6 1变电站综合自动化的数据通信系统 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能一变电站内信息传输内容二变电站远传信息的内容三综合自动化系统的通信功能四数据传输通信线路 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 一变电站内信息传输内容其传输内容包括当地开关场的采集控制单元与变电站监控管理层之间的通信 以及变电站当地与远方调度中心之间的通信 变电站自动化系统的结构形式一般有集中式和分层分布式两种 变电站分层分布式结构 61850标准内 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 1 现场一次设备和间隔层之间的信息传输现场一次设备的电压 电流互感器采集的电压值 电流值 采集设备的状态信息和故障诊断信息 这些信息包括 断路器 隔离开关位置 变压器的分接头位置 变压器 互感器 避雷器的诊断信息以及断路器的操作信息 2 间隔层的信息交换同一间隔层间的交换信息 测量数据 断路器状态 器件的运行状态 同步采样信息等 不同间隔层间的交换数据 主 备继电保护工作状态 互锁 相关保护动作闭锁 电压无功综合控制装置等信息 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 3 间隔层与变电站层的信息交换1测量及状态信息 正常及故障状态下的测量值和计算值 断路器 隔离开关 主变压器分接开关位置 各间隔层运行状态 保护动作信息等 2操作信息 断路器和隔离开关的分 合闸命令 主变压器分接头位置的调节 自动装置的投入与退出等 3参数信息 微机保护和自动化装置的整定值 此外 还有变电站层的不同设备之间的通信 要根据各设备的任务和功能的特点 传输所需的测量信息 状态信息和操作命令等 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 二变电站远传信息的内容变电站向调度中心传送的信息 遥测 遥信 通常称为 上行信息 而由控制中心向变电站发送信息 遥控 遥调 称为 下行信息 把变电站和调度中心之间的信息传送统称为 远传信息 这些信息包括 1遥测信息 变电站主变压器负载 有功功率 无功功率和电流 输电和配电线路的潮流 有功功率 无功功率 用电量 母线的电压和频率 联络线的交换电量等 遥测信息具有周期性特性 2遥信信息 变电站内主要电器设备的动作和运行状态信息 还有远动 通信设备运行故障信号等 3遥控信息 调度值班员遥控各级电压回路的断路器 隔离开关 自动重合器 投切补偿电容和电抗器 投入或退出自动装置等的控制信息 该信息对可靠性要求较高 因此必须有应答的特征 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 三综合自动化系统的通信功能变电站综合自动化系统实际就是由微机保护子系统 自动装置子系统及微机监控子系统组成的 因此 综合自动化系统的通信功能可以从以下三个方面来了解 1微机保护的通信功能微机保护的通信功能除了与微机监控系统通信外 还包括通过监控系统与控制中心的数据采集和监控系统的数据通信 2自动装置的通信功能与信息内容自动装置的通信包括 接地选线装置 备用电源自投 电压 无功自动综合控制与监控系统的通信 具体分述 1 小电流接地系统接地选线装置的通信内容 母线和接地线路 母线TV谐振信息接地时间 谐振时间 开口三角形电压值等 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 2 备用电源自投装置的通信功能 与微机保护通信功能相类似 3 电压和无功调节控制通信功能 除具有与微机保护相类似的通信功能外 电压和无功调节控制还必须具有接收调度控制命令的功能 3微机监控系统的通信功能 1 具有扩展远动RTU功能 无人值守变电站相对常规变电站主要扩展了对保护系统及其他智能系统的远动功能 如 保护定值远方监视 切换与修改 故障录波 故障测距的远方传送与控制等 2 具有与系统通信的功能 变电站微机监控系统与系统的通信具备两条独立的通信信道 一条是常规的电力线载波通道 另一条是数字微波通道或光纤通道 大部分是后者 6 1 2变电站综合自动化系统的通信内容及通信功能 四数据传输通信线路1电力线载波通信主要传送话音的模拟信息及远动 线路保护 数据等模拟或数字信号 相关参数 远动和数据的通信速率为300 1200bps 电力线载波主要是利用35 110kv输电线 载波频率一般为40 500kHZ 2音频电缆通信一般适合于与调度所或控制中心距离较近的无人值守变电站 主要用来传送远动和数据信息 3数字微波通信传输可靠 通信容量大 抗干扰能力强 通信质量高 相关参数 微波通信工作的频率一般为0 3 300GHZ 4光纤通信以其优越的性能 成为当今通信发展的趋势 已在变电站和电力其他通信领域得到广泛的应用 6 1变电站综合自动化的数据通信系统 6 1 3综合自动化系统的通信网络一局域网的应用二现场总线的应用 6 1 3综合自动化系统的通信网络 一局域网的应用第4章中讲解了LAN技术 它结合电力系统的特点采取某些措施 完全可以满足变电站综合自动化对网络安全性和可靠性的要求 目前应用最广泛的是以太网 IEEE802 3 以太网采用总线拓扑结构 是一种局部通信网 距离在1 10km的中等规模范围内使用 特点是 具有较宽的信道带宽 传输速率可达10Mbit s 误码率较低 具有高度灵活的扩充灵活性和互联性 6 1 3综合自动化系统的通信网络 二现场总线的应用变电站综合自动化系统中 各子系统间以及系统内的各功能模块间大多使用RS 422和RS 485通信接口 实现状态信息和数据相互交换 RS 422和RS 455串口传输速率指标在1000m内传输速率可达100Kbit s 短距离可达10Mbit s RS 422串口全双工 RS 455串口为半双工 媒介访问方式为主从问答式 属总线结构 不足点 这两个网络的节点数目都是有限的 无法实现多主冗余 有瓶颈问题 此外还有信号反射 中间节点等问题 总线网将网上所有节点连接在一起 可以方便的增减节点 具有点对点 一点对多点和全网广播传送数据的功能 常用的有LonWorks网 CAN网 两个网络均为中速网络 500m时LonWorks网传输速率可达1Mbit s CAN网在小于40m时达1Mbit s CAN网在节点出错时可自动切除与总线的联系 LonWorks网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网 媒介访问方式 CAN网为问答式 LonWorks网为载波监听多路访问 冲突检测 CSMA CD 方式 内部通信遵循LonTalk协议 6 1 3综合自动化系统的通信网络 CAN网开销小 一帧8位字节的传输格式使其服务受到一些限制 LonWorks网为无源网络 脉冲变压器隔离 具有强抗电磁干扰能力 重要信息有优先级 因此 LonWorks网络可作为一般中型110Kv枢纽变电站的自动化通信网络 应用网络方式 特别是用现场总线技术来解决变电站自动化系统的通信问题已成为发展的趋势 在变电站综合自动化系统中可依据变电站规模大小采用不同的网络结构 灵活应用CAN和现场总线技术 由此可见 一个变电站的通信具有多个网段 每个网段的总线类型 通信介质 通信协议等可以是不同的 但是这点又带来很多问题 因此才有IEC61850的高调出现 每个总线网段将所属的智能测控设备连接成一个子系统 这个子系统的基本功能与操作是不依赖整个变电站自动化系统而独立实现的 对于实时性要求较高的信息共享与综合控制也应优先考虑在子系统内部实现 对可靠性要求较高的子系统还可考虑双网或多网冗余通信 以确保信息传输的可靠性 6 1变电站综合自动化的数据通信系统 6 1 4变电站自动化系统中的传输规约一变电站和调度中心之间的传输规约二站内局域网的通信规约三电力系统电能计量传输规约 6 1 4变电站自动化系统中的传输规约 一变电站和调度中心之间的传输规约我国调度自动化系统中较常用有三类 应答式规约 SC1801 u4F和MODBUS等 循环式规约 CDT DXF5和C01 和对等式规约 DNP3 0 年 颁布了 传输标准 年我国电力部颁布了国际 规约的国内版本 该规约为调度端和站端之间的信息传输制定了标准 6 1 4变电站自动化系统中的传输规约 二站内局域网的通信规约 在 年颁布了 规约 我国在 年颁布了 规约的国内版本 规约为继电保护和间隔层 设备与变电站设备间的数据通信传输规定了标准 6 1 4变电站自动化系统中的传输规约 三电力系统电能计量传输规约对于电能计量采集传输系统 IEC在1996年颁布的IEC60870 5 102标准 即我国电力行业标准DL T719 2000 是我们在实施变电站电能计量系统时需要遵守的 随着网络技术的迅猛发展 为满足网络技术在电力系统中的应用 通过网络传输远动信息 IECTC57在IEC60870 5 101基本远动任务配套标准的基础上制定了IEC60870 5 104传输规约 采用了IEC60870 5 101的平衡传输模式 通过TCP IP协议实现了网络传输远动信息 它适用于PAD 分组装和拆卸 的数据网络 6 1变电站综合自动化的数据通信系统 6 1 5变电站自动化系统的通信网络及传输规约的选择不同类型的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求 在35KV的变电站可以采用RS 485或现场总线作为站内系统网络 在110KV变电站可以采用现场总线网络实现间隔层设备数据通信 在220 500KV的超高压变电站 由于站内节点数目多 应考虑使用以太网或profibus网 目前变电站自动化系统中使用的传输规约种类较多 各个公司的产品使用的标准尚不统一 系统互联性和互操作较差 在变电站和控制中心之间应使用101规约 在变电站内应使用103规约 电能计量计费系统应使用102规约 新的国际标准IEC61850颁布实施之后 变电站自动化系统从过程层到控制中心将使用统一的通信协议 另附 变电站通信网络和系统协议IEC61850介绍 内容提要 IEC61850标准出现的背景IEC61850标准出现的目的IEC61850标准主要内容概述IEC61850标准的技术特点IEC61850标准的分层逻辑接口IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850标准出现的背景 智能电子设备 IED 在变电站中普及应用 形成了许多单项自动化系统 单项自动化系统所用的IED种类繁多 提供的接口和功能各不相同 数据格式也多种多样 设备间不能共享信息 数据的一致性难以保证 这就产生了 自动化孤岛 问题 这种现象不仅造成了软 硬件设备的重复投资 还增加了变电站的运行维护成本 对数据的实时性传输也造成了很大的影响 IEC61850标准是基于通用网络平台的变电站自动化系统的国际标准 它改变了目前变电站自动化系统封闭式的结构 使之成为开放性和标准性的系统 制定IEC61850标准的主要原因是 1变电站自动化系统产品如通信协议 应用程序接口 数据描述等也不断增加 但没有关于变电站自动化系统通信网络和系统的统一标准或规范 各厂家使用的网络和通信协议互不兼容 为保证设备之间的互操作性 就必须花很大的代价做通信协议转换装置 这样一方面增加了系统的复杂性降低了可靠性 另一方而增加了系统成本和维护的复杂性 2在目前的变电站自动化系统中 有时候相同的数据 甚至是相同的功能 由于在不同的应用中使用 就必须重新进行设置 既烦琐又容易出错 将一些重复使用的数据或功能实现可配置化 将有效地减少工作量 3为了能够将新的应用技术持续快速地整合到现有的变电站自动化系统中 需要有能涵盖通信技术与应用数据含义的统一通信协议标准 IEC61850标准出现的背景 IEC61850标准出现的目的 制定IEC61850标准的目的主要有以下三点 1 实现设备的互操作性IEC61850标准允许不同厂商生产的电子智能设各IED进行信息的交换 且利用这些信息实现设备本身的特定功能 2 建立系统的自由结构分配到智能电子设备和控制层的变电站自动化功能并非固定不变 它与可用性要求 性能要求 价格约束 技术水平 公司策略等密切相关 IEC61850标准允许变电站自动化系统的功能在不同的设备间自由分配 3 保持系统的长期稳定性IEC61850标准具有一而向未来的特性 能够满足不断发展的通信技术与变电站自动化系统的需求 IEC61850标准主要内容概述 IEC61850标准共分为10部分 1 IEC61850 1基本原则 包括IEC61850的介绍和概貌 2 IEC61850 2术语 3 IEC61850 3一般要求 包括质量要求 可靠性 可维护性 系统可用性 轻便性 安全性 环境条件 辅助服务 其他标准和规范 4 IEC61850 4系统和工程管理 包括工程要求 参数分类 工程工具 文件 系统使用周期 产品版本 工程交接 工程交接后的支持 质量保证 责任 测试设备 典型测试 系统测试 工厂验收 现场验收 5 IEC61850 5功能和装置模型的通信要求 包括逻辑节点的途径 accessoflogicalnodes 逻辑通信链路 通信信息片PICOM pieceofinformationforcommunication 的概念 功能的定义 6 IEC61850 6变电站自动化系统结构语言 包括装置和系统属性的形式语言描述 7 IEC61850 7 1变电站和馈线设备的基本通信结构 原理和模式 8 IEC61850 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ACSI abstractcommunicationserviceinterface 包括抽象通信服务接口的描述 抽象通信服务的规范 服务数据库的模型 IEC61850标准主要内容概述 9 IEC61850 7 3变电站和馈线设备的基本通信结构 公共数据级别和属性 包括抽象公共数据级别和属性的定义 10 IEC61850 7 4变电站和馈线设备的基本通信结构 兼容的逻辑节点和数据对象DO dataobject 寻址 包括逻辑节点的定义 数据对象及其逻辑寻址 11 IEC61850 8特殊通信服务映射SCSM specialcommunicationservicemapping 到变电站和间隔层内以及变电站层和间隔层之间通信映射 12 IEC61850 9特殊通信服务映射SCSM 即间隔层和过程层内以及间隔层和过程层之间通信的映射 13 IEC61850 10一致性测试 上述10个部分中 IEC61850 7是标准的核心部分 它是变电站自动化系统上层应用和下层实现的接口部分 IEC61850标准的技术特点 IEC61850是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系 与传统的通信协议体系相比 IEC61850有如下突出特点 1 使用面向对象建模技术 对象实现自我描述 物理装置包含服务器 服务器又包括逻辑设备 逻辑节点 数据对象三层 定义了相应信息收集的方法以及数据对象 逻辑节点和逻辑设备的代号 并规定了命名方法 任何数据对象按照命名方法 叮以被唯一地标识 因而任何数据对象 数据类型均可进行自我描述 采用对象自我描述的方法 可以满足应用功能发展的要求 以及不同用户和制造厂传输各种不同的信息的要求 对于应用功能也是开放的 IEC61850同时也涵盖了IEC60870 5 101和IEC60870 5 103的数据对象 2 根据电力系统的特点归纳所需的服务类 根据数据对象分层和数据传输有优先级的特点定义了一套收集和传输数据的服务 定义了抽象通信服务接口 ACSI 和特殊通信服务映射 SCSM ACSI独立于所采用的网络的应用层协议 如现在采用的MMS 和网络协议 如现在采用的IP 是一个服务集 在和具体网络服务接口时 采用特定的映射 只需定义特定的映射 将来任何满足电力系统数据传输要求的网络都可以被电力系统所采用 这样就实现了面向网络开放 可以适应网络技术迅猛发展的形势 适用于不同规模 不同电压等级变电站自动化系统通信对不同带宽通信介质的需求 IEC61850标准的技术特点 4 大部分ACSI服务经由SCSM映射到所采用的OSI七层网络通信体系 使用MMS技术作为应用层通信协议 MMS采用了数据与通信相对独立的传输方式 定义了对象模型和服务 其数据传输理念与工EC61850的设计思想一致 由于SCSM可适用于不同应用层协议 即MMS是可选的 完全可以由另一个未来的适合的通信协议所替代 因而便于实现无缝通信 5 实现网络兼容和操作兼容 在所有控制层次都是无缝的协议栈 因而具有互操作性 便于在系统的运行过程中建立统一的数据库管理系统 采用唯一的统一命名进行访问 以及建立统一的编程环境用于系统分析 建模以及将来的系统升级和维护 与以往变电站通信协议不同 IEC61850并不仅仅是一个简单的通信协议 同时涉及通信网络一般要求 环境条件和附加服务要求 品质要求如可靠性 可用性 可维护性 安全性和数据整合等 IEC61850 3 以及工程要求 工程参数配置和文件化以及工程工具 对厂家的要求 对用户的要求等 IEC61850 4 并且包括对系统的一致性测试要求以及对设备的一致性测试要求等 IEC61850 10 IEC61850标准的分层逻辑接口 间隔层与变电站层之间的保护数据交换 间隔层与远方保护之间的保护数据交换 间隔层内的数据交换 过程层与间隔层之间电流互感器CT和电压互感器VT的瞬时数据交换 过程层与间隔层之间的控制数据交换 间隔层与变电站层之间的控制数据交换 变电站与远方土程师土作站之间的数据交换 用于快速功能的间隔层之间的直接数据交换 变电站层内的数据交换 变电站设备与远方控制中心之间的控制数据交换 其中接口2与接口10的标准规范正在完善中 IEC61850与其他协议标准之间的关系 1其他相关协议标准简介 IEC60870 5系列 UCA协议体系 2IEC61850与IEC60870 5系列规约的比较3IEC61850与UCA2 0 TASE 2的关系 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC60870 5系列IEC60870 5系列通信协议体系是国际电工委员会第57技术委员会第3工作组 IECTC57WG03 用了多年时间制定的一套用于变电站远动通信的协议体系 IEC60870 5系列协议根据应用领域定义了一系列配套标准 IEC60870 5 101用于常规远动 IEC60870 5 102用于电能计量信息的接入 IEC60870 5 103用于继电保护信号的接入 IEC60870 5 104是将IEC60870 5 101用在TCP IP网络协议之上的扩展 IEC61850与其他协议标准之间的关系 UCA协议体系UCA UtilityCommunicationArchitecture 即公共设施通信协议体系是美国电科院 EPRI 主持制定的一套通信协议 UCA通信协议体系主要由两部分组成 1 现场设备模型 FieldDeviceModel 这部分由变电站及配电设备通用对象模型 GOMSFE 和通用服务模型 CASM 组成 GOMSFE采用面向对象建模方法为变电站及配电系统中的RTU 有载调压 继电保护等设备定义了标准数据模型及处理方法 CASM定义了UCA体系中设备模型的通用服务模型及这些模型与MMS之间的映射关系 2 实时数据库信息交换 ICCP 在UCA体系中 这部分被称为TASE2 UCASpecifiesTelecontrolApplicationServiceElement2 在北美地区也叫ICCP 由以下3个文件组成 1 TASE2ServiceandProtocol该文件给出了与遥控 数据访问 报告等功能有关的基本服务和协议 并给出了它们与MMS之间的映射关系 2 TASE2ObjectModels该文件给出了与SCADA 电厂发电调度 负荷预测等有关的对象模型 并给出了这些模型与MMS之间的映射关系 3 TASE2ApplicationProfile这部分主要给出了EMS SCADA等控制中心之间信息交换的通信协议规范 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850与IEC60870 5系列规约的比较首先需要说明的是 IEC61850与IEC60870 5系列规约所针对的问题域是不同的 IEC60870 5系列规约主要适用于子系统之间的通信 IEC61850则主要针对子系统内部的通信 它的应用范围还可以扩展到子系统间的通信 下面进行的比较是为了进一步说明IEC61850作为变电站自动化系统通信体系标准所具有的优点 1 一般情况IEC60870 5系列标准的设计准则是带宽和硬件的优化利用 IEC60870一系列规约的数据模型是面向串行比特位串 而不是面向变电站自动化系统内的设备对象而设计的 IEC61850的设计准则是应用标准的系列通信规约 简化设备 数据 的工程化和整合 采用面向对象的建模方法 支持封装 继承 重用模型等 IEC6I850提供的是一个通信的体系结构 而不像IEC60870 5仅是一个个通信协议 因而IEC61850远IEC60870复杂 并能适应未来技术的发展 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850与IEC60870 5系列规约的比较 2 过程数据描述IEC60870 5系列标准虽然支持简单品质描述 时标 传输原因等属性 但仅能提供简单数据点的有限列表的交换 仅提供了少数几个应用特定的信息模型 在一条消息中仅能传送少数几个相同类型和相同传输原因的值 IEC61850则支持面向对象的建模以及I O和源数据的交换 提供了大约90个逻辑节点类和450多种数据类 允许制造商创建应用特定的扩展 灵活地为其他应用领域定义任意新的逻辑节点 数据和一般数据类 在一条消息中能传送多个任意类型的值 并且任意数据类的数据名称 类型 功能特性 报告触发选项 死区 值的范围等都是可定义和可访问的 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850与IEC60870 5系列规约的比较 3 操作服务虽然二者应用领域有所不同 但都提供了交换基本SCADA信息的服务 例如 数据的循环传输 总查询服务 时钟同步 IEC60870 5 I04不支持 控制命令 时间序列数据 事件顺序记录 报告数据值 文件传输服务 IEC60870 5系列标准支持限制性的自发传输 IEC60870 5 102不支持 IEC61850则支持灵活的自发传输 IEC60870 5系列标准仅支持单个值的读 写 IEC61850则支持许多值的读 写 还支持在线的远方替代 支持在任意时间记录和检索所选的任何带远方滤波控制或其他控制的历史数据 关于参数设置控制 IEC60870 5系列标准仅支持改变少数的测量值 IEC60870 5 101规约 或预先定义的保护设置组 IEC60870 5 103规约 IEC61850则支持灵活的定义 改变 编辑参数值 支持变电站事件交换 GOOSE和采样值交换 对CT和VT 这是优于IEC60870 5系列标准的 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850与IEC60870 5系列规约的比较 4 自我描述服务IEC60870 5系列中仅IEC60870 5 103规约能得到有限数据对象的目录 通用服务 IEC61850则能得到所有对象的目录 逻辑节点数据的名称和类型 即整个的信息分层结构 还能得到操作对象的定义 过程数据的名称 类型 范围 单位 报告的死区 等级 描述等 以及相关通信服务对象的定义 5 在线配置IEC60870 5 101 104和IEC61850支持使脚禁止通信控制对象 改变报告 记录行为 以及装载配置 IEC61850还支持定义数据组 选择要报告的数据 6 离线配置IEC60870 5系列仅有纸张文档提供装置配置的完整描述 IEC61850则通过XMI XMLDTD在线提供说明了装置 逻辑节点和真实变电站环境的数据的语法 描述了可选信息和专用信息 还支持不依赖于卖主的以LNs 数据和CDC的全部列表为基础的工程化工具的开发 IEC60870 5系列的配置分布在RTU或IED中 数据库中和应用程序中 IEC61850全部的配置在IED中 另外在任何时间与配置文档都是一致的 IEC6I850完整的信息模型可以在线找到 并与离线的配置文档相比较 进行在线和离线配置的自动验证 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850与IEC60870 5系列规约的比较 7 整合到应用数据综合方面 IEC60870 5系列将被索引的通信对象映射到应用对象 以及将应用对象映射到应用数据库或程序变量 需要复杂的数据转换 IEC61850是将标准命名对象直接映射到应用数据库或程序的变量 基本上取消了转换过程 8 体系结构和通信堆栈IEC61850提供了不依赖于服务的数据模型 和不依赖于通信网络的服务 IEC61850使用了7层模型 也可能是3层 实时性要求高 IEC60870 5系列则多数采用3层结构 IEC61850还支持对其他编码方式 XML等 的开放性 对其他服务系统 如HTTP等 的开放性 IEC61850与其他协议标准之间的关系 IEC61850与UCA2 0 TASE 2的关系IEC61850借鉴了UCA2 0的经验 采用OSI七层参考模型的profile来构建自己的结构 引进了面向对象的建模方法 提供了对象模型的抽象服务标准集 并且定义了将服务映射到MMS的方法 IEC61850的对象模型是以UCA2 O的GOMSFE和CASM为基础而建立的 同时 又对UCA2 O的对象模型和服务有所补充 UCA2 0以物理设备作为建模对象 IEC61850则提出了逻辑节点的概念 将物理设备对象划分为若干功能和子功能 功能进一步细化成相互通信的逻辑节点 相比之下 IEC61850的模型更加详细具体 可以解决逻辑层 进程间的 通信问题 并且模型细化到逻辑节点 可以很方便地监控 管理设备内部的属性和状态 充实了自我描述 UCA2 0在电力系统中的应用是TASE 2 虽然都应用于电力系统 并采用面向对象及MMS技术 但TASE 2与IEC61850原理上有很大差别 面向的应用目标也不同 TASE 2是控制中心之间交换实时数据库信息的协议 要求两个控制中心预先建立数据库和双边表 根据双边表进行数据的访问控制 TASE 2是面向数据库对象的 并不包含具体的现场设备对象 IEC61850的目标是来自同一或不同制造商的设备之间实现良好的互操作性 IEC61860定义了服务器类 逻辑设备类 逻辑节点类 数据对象及属性 数据属性具有各种数据类型 值和功能约束 并提供了用于数据访问的各种服务 自我描述的方法使得数据的访问和存储更加方便 由于定义了类以及相应的属性和服务 IEC61850是真正面向设备对象 并且一旦解决了模型的一致性问题 很可能扩展到控制中心之间的通信应用 6 2配电网综合自动化的通信系统 章节内容提要 6 2 1配电自动化的基本概念一配电自动化系统的分层二配电自动化系统的功能6 2 2配电自动化中的几种通信方式6 2 3配电自动化使用的通信方式的比较一架空明线或电缆二配电线载波三光纤通信四现场总线和 五微波通信六无线电通信6 2 4配网自动化中的通信实现方案一配电网通信网络总体结构二光纤以太网在配电网自动化中的应用三电力线载波在低压抄表中的应用 6 2配电网综合自动化的通信系统 6 2 1配电自动化的基本概念通常把从变电 配电到用户用电全过程的监视 控制和管理综合自动化系统统称为配电管理系统 DistributionManagementSystem简称 其内容包括 配电网络数据采集和监控 地理信息系统 网络分析和优化 工作管理系统 负荷管理和远方抄表以及计费自动化和调度员培训模拟系统 配电自动化系统 DistributionAutomationSystem简称 是一种可以使配电企业在远方以实时方式监视 协调和操作配电设备的自动化系统 配电网自动化系统包括配电网数据采集和安全监控系统 配电地理信息系统 和需方管理 及个部分 在城市供电网络中 我们习惯于把 以下的电压等级称为配电网络 6 2 1配电自动化的基本概念 一配电自动化系统的分层 配电自动化系统分为如下三层 一 配电自动化中心主站站层配电自动化中心主站层 位于配电网调度监控中心 是整个配电网监控和管理系统的核心 它从各配电自动化子站层获取配电网的实时信息 从整体上对配电网进行监视和控制 分析配电网的运行状态 协调配电子站层之间的关系 对整个配电网络进行有效的管理 确保整个配电系统处于最优运行状态 实现相应配电线路区域内的配电SACDA和故障处理功能 同时与调度SCADA MIS等其他网络系统共享信息 主要功能 配网SCADA监控功能馈线故障自动诊断与处理功能 DA AM FM GIS功能远程抄表功能配电管理及配电PAS 6 2 1配电自动化的基本概念 二 配电自动化子站层配电自动化子站层 一般设置在变电站或开闭所内 是配电自动化系统的中间层 它与配电监控和管理中心层的计算机形成一个局域网 同时又与配电自动化终端设备层的各种终端进行通信 完成信息的上传下达及对当地配网实时监控的功能 主要功能 变电站辖区内配网SCADA监控功能向配电自动化主站层转发实时数据所属范围内的故障处理功能向配电自动化配电主站层上报故障信息与站内自动化装置通信 6 2 1配电自动化的基本概念 三 配电自动化终端设备层配电自动化终端设备层 是整个系统的底层 该层沿配电线分布 用于对配电网及配电设备的信息采集和控制 主要功能 监控功能故障检测和识别功能电能质量测量功能断路器在线监视功能自诊断与自恢复 6 2 1配电自动化的基本概念 二配电自动化系统的功能配电自动化系统的功能涉及配电网的监控 保护和管理 主要涵盖的功能如下 1 配电网SCADA功能 对变电站10KV出线 开闭所 10KV配电线路 架空和电缆 配电变压器和重要用户的监控 2 馈线自动化 功能 实现配电网故障诊断 故障隔离和非故障区域快速恢复供电 并考虑与变电站出口断路器以及分支断路器保护的配合 3 与 集成的自动绘图 设备管理 地理信息系统 AM 功能 4 配电高级应用软件 包括配电网状态估计 拓扑分析 潮流计算 短路计算 负荷预报 电压 无功优化 静态安全分析 可靠性分析 线损统计与分析 网络重构等功能模块 6 2 1配电自动化的基本概念 5 基于 平台的配电网管理 功能 包括配电工作管理 故障投诉电话管理 停电管理内容 6 用户服务自动化系统 对用户的基本信息和用电信息进行管理 7 负荷管理功能 采集 大用户和配电变压器终端信息 实现对配电网负荷的监控 预测和负荷分配功能 8 远程抄表系统 变电站 关口表 大用户电能表及居民用户表实现集中 自动 远程抄表 9 与地调 系统 系统 电能量计费系统 负荷控制系统接口 实现资源共享 6 2配电网综合自动化的通信系统 6 2 2配电自动化中的几种通信方式通信系统是建设配电自动化系统的关键技术 通信系统的好坏从很大程度上决定了自动化系统的优劣 配电自动化要借助可靠的通信手段 将控制中心的控制命令下发到各执行机构或远方终端 同时将各远方监控单元 所采集的各种信息上传至控制中心 随着通信技术的不断发展 可供配电自动化采用的通信方式有很多种 目前采用的通信方式有以下几种 配电线载波 DistributionLineCarrier 脉动 音频 控制 RippleControl 过零技术 工频控制技术 ZCT ZeroCrossingTechnique 无线电通信系统 甚高频 特高频 微波 及卫星等 光纤通信 OpticalFiber 有线电视通道CATV 无线扩频技术 现场总线 6 2配电网综合自动化的通信系统 6 2 3配电自动化使用的通信方式的比较一架空明线或电缆其特点是建设简单 线路衰耗大 频带窄 容易受到干扰 电力系统自动化中只能做近距离传输信道 二配电线载波配电载波系统数据传输速率较低 且易受到配电网运行方式变化的影响 由于反射使得配电载波在馈线的某些部分存在盲点 其优点是技术相对简单 三光纤通信在配电网自动化中 光纤网目前较多的是组成环状网 一则结构简单 二则可靠性强 采用光纤自愈环网通信方式时 网络由各节点双向闭环串接而成 正常时 一环路工作另一环路备用 若其中某一段光纤因施工等意外原因而断开 则可以利用光纤双环网的自愈功能 继续保持通信联系 这种通信具有很高的可靠性 6 2配电网综合自动化的通信系统 四现场总线和 它是连接智能化的现场设备和自动化系统的双向的传输 分支结构的通信网络 它适合于 和附近区域工作站的通信 以及变电站内部各个智能模块之间的内部通信 现场总线可分为 ControllerAreaNetwork LonWorks LocalOperatingNetworks 和PROFIBUS ProcessFieldBus 对于一些实时性要求不高的场合 可以利用 代替现场总线进行数据信号的传输 五微波通信微波为点对点传输 而配电系统点多面广 显然不适合应用 但是一点多址小微波系统 它应用多址技术和统计复用技术 信道利用率高 稳定性好 适合于多点传输 其缺点是路由选择比较困难 六无线电通信传统的无线通信方式有 无线寻呼等也可以用到配电系统自动化的数据传输中 但它们只能单向传送 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 一配电网通信网络总体结构配网自动化系统一般分为三层 主站 自站 馈线 依据配电网规模的大小 主站层还可再分为主战和区域站两层 在主站和子站之间 由于信息量大 要求采用高速可靠的通信信道 但节点又不多 目前一般采用光纤通信 有两种形式 光纤以太网 光纤环网 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 一配电网通信网络总体结构 1 FTU单元直接与通信系统连接 而不需要通过子站连接 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 一配电网通信网络总体结构 2 抄表系统通过 与通信系统连接 而不是通过子站与通信系统连接 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 一配电网通信网络总体结构 3 抄表系统通过通信处理机直接和主站系统连接 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 二光纤以太网在配电网自动化中的应用光纤以太网高速灵活 技术资源丰富 有些问题是光纤环网难于解决而只能用光纤以太网解决的 例如子站管理的 本属于 子站管理 由 子站负责与之通信 运行方式发生变化后 变为 子站管理 由 子站负责与之通信 这种情况 光纤环网是处理不了的 再比如 馈线保护功能 要求 之间 与子站之间快速的交换信息 在 ms之内 也只有光纤以太网才能达到这种要求 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 三电力线载波在低压抄表中的应用以下是 系统的 结构图 6 2 4配网自动化中的通信实现方案 三电力线载波在低压抄表中的应用在设计上充分考虑 系统的通用性 兼容性 可靠性 实用性 尤其是在 系统作为馈线自动化的通信系统时 可靠方面经过了大量的努力 采用了一系列的软硬件及系统管理上的多种措施 能够实时监测系统的可靠性 整个远程抄表系统通信网络如图 6 3配电网安全监控和数据采集系统 章节内容提要 6 3 1SCADA系统概述6 3 2配电网SCADA系统一配电网SCADA系统的结构二配电网SCADA系统的特点三配电网SCADA系统的功能6 3 3配电网SCADA系统通信规约一配电网SCADA系统数据传输特点二配电网SCADA系统常用 6 3配电网安全监控和数据采集系统 6 3 1SCADA系统概述SCADA SupervisoryControlandDataAcquisition 系统即监视控制与数据采集系统 是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统 它一般采用分散式测控 集中式管理的方式 主要结构包括远程控制单元RTU RemoteTerminalUnit 通信传输网络和中心监控站 它的传输网络主要包括有线和无线两类网络系统 有线方式如 PSTN PLC等 无线传输方式如无线电台 GSM移动网以及卫星通信网等 6 3 2配电网SCADA系统 一配电网SCADA系统的结构配电网SCADA系统的体系结构 配电网络终端设备 通信网络和中心工作站 6 3 2配电网SCADA系统 一配电网SCADA系统的结构配电网络终端设备 硬件层上的各数据采集设备 如RTU FTU TTU PLC及各种智能保护设备和控制设备等 系统通信网络 用于RTU与中心站通信以及与其他RTU通信 中心站 完成对数据的收集和处理 它实际上是个局域网 包括控制中心主站 多个区域工作站和支持网络功能的设备 用以完成不同的工作 中心站触发的通信方式包括 1 轮询方式 由系统设置时间周期 每个周期内对系统查询一次 收集中心站所需现场数据 2 广播方式 中心站向所有RTU或某分组内的RTU下发命令3 控制命令下发方式 开 关控制命令 修改报警及控制权限 在通信上享有较高的优先级 4 RTU触发的通信方式 事件触发方式 突发传输方式 RTU对RTU的通信 6 3 2配电网SCADA系统 二配电网SCADA系统的特点配电网结构复杂 终端设备数量非常多 与输电网自动化的监控信息采集内容相比具有系统规模大 涉及到的现场自动化设备数量大 种类繁多 从而导致远方馈线终端采集的信息量大 种类繁多 因此配电网SCADA系统也就更复杂 其特点 1 配电网结构复杂 数据分散 给信息的采集带来困难 2 配电网设备多 数据量大 3 配电网操作频率和故障率远比输电网高 4 配电网需要有建立在SCADA之上的具有故障处理及恢复供电能力的自动操作软件 5 配电网SCADA系统对通信系统提出了比输电网更高的要求 6 配电网直接与用户连接 因此它的工作量大 6 3 2配电网SCADA系统 三配电网SCADA系统的功能SCADA系统的主要功能是数据采集 本地和远程控制等 配网SCADA系统的基本功能是 四遥 功能 即遥测 遥信 遥控和遥调 除此外还有 1 数据采集功能 实时采集各厂站相应数据 同时向各厂站RTU发送信息和命令 2 数据处理功能 SCADA系统采集数据后 进行某些数据处理 包括 模拟数据处理 状态量数据处理 脉冲量处理以及各种标志牌的设置 3 控制功能 主要是遥调和遥控 4 历史数据处理功能 5 安全管理功能 系统通过检查口令 对调度员的权限进行控制 权限分为四个级别 值班类 调度员 系统维护员 系统管理员 6 系统在线显示功能 7 人机界面功能 8 制表打印功能 9 系统组态 完成网络节点 路径 报警 安全等参数的设置功能 6 3 3配电网SCADA系统通信规约 一配电网SCADA系统数据传输的特点配电SCADA系统除了接入FTU外 还接入一些变电站RTU 或者接收从地调 县调转发来的数据 这里讨论的SCADA系统通信规约主要指SCADA主站后台系统或者子站后台系统和FTU的通信规约 配网SCADA系统数据传输的特点体现在以下几个方面 1 配电网SCADA系统和FTU系统之间的通信组织方式 不管是采用多点共线还是采用多点环形方式 或者二者混合方式 其本质都是共线挂灯笼方式 6 3 3配电网SCADA系统通信规约 一配电网SCADA系统数据传输的特点 2 FTU除了采集正常数据外 还要采集故障电流 电压数据 3 在馈线自动化中必须快速识别故障 隔离故障 恢复供电 这就要求故障发生时要优先快速传输故障状态信息 以往调度自动化系统多采用循环模式 远动规约 它适用于一对一的通信组织方式 无法适 的通信要求 所以配网 系统和 之间的通信组织方式决定了只能采用问答式 Polling 规约 6 3 3配电网SCADA系统通信规约 二配电网SCADA系统常用通信规约目前 国内外还没有专门的用于配电自动化系统的规约标准 在如今已实施的配电自动化项目中应用的最多的是DNP3 0 国际规约IEC60870 5 101基本远动任务配套标准 我国电力行业标准DL T634 1997 基本远动任务配套标准 简称101规约 则是最有希望成为配电自动化系统的国内国际标准传输规约 DNP3 0和101规约都是问答式规约 适合配电自动化系统多点共线的通信网络 DNP3 0简介DNP3 0规约是一种分层实现的协议 它实现了OSI七层协议中的三层 即物理层 数据链路层和应用层 实际应用中在数据链路和应用层之间还加了一个伪传输层 DNP3 0规约的文本共分为四个部分 数据链路层 传输层 应用层规约及数据对象库 6 3 3配电网SCADA系统通信规约 二配电网SCADA系统常用通信规约DNP3 0规约是一种开放的 智能化的 高效的现代 通信规约 它具有以下一些特点 请求和应答数据时 同一帧报文里可以包括多种类型的数据 数据分段校验 保证传输准确 只应答变化数据 根据数据重要性 为不同数据设置不同的传送优先级 非请求应答 报文主动上传 支持时间同步和标准时间格式 支持多点共线和点对点通信方式 允许用户自定义数据对象包括文件传输 6 4远程自动抄表技术 章节内容提要 6 4 1自动抄表技术一本地自动抄表技术二远程自动抄表技术6 4 2常见的自动抄表系统的通信方式一通信传输介质二通信网络结构6 3远程自动抄表系统的典型方案一总线式抄表系统二三级网络的远程自动抄表系统三采用无线电台的远程自动抄表系统 6 远程自动抄表技术 概论电能自动抄表系统 AutomaticMeterReading简称AMR 是指采用通信和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据 采用自动抄表技术 不仅能节约人力资源 更重要的是可提高抄表的准确性 减少因估计或誊写而造成帐单出错 使供电管理部门能及时准确获得数据信息 6 4 1自动抄表技术 一本地自动抄表技术本地抄表技术是由抄表员携带操作简单可靠 携带方便的抄表设备 如专用抄表机 笔记本电脑等手持终端 到现场完成自动抄表功能 各表计具有远红外通信 无线电通信 RS 232口 RS 485口 电力载波通信接口等 手持终端通过通信接口自动读取表计的数据 达到非接触性完成数据传输的目的 6 4 1自动抄表技术 二远程自动抄表技术远程自动抄表技术AMR是一种不需要人员到达先查功能就能完成自动抄表的新型抄表方式 它通过公用电话网 负荷控制信道或低压配电线载波等通信联系 将电能的数据自动传输到计算机电能管理中心进行处理 6 4 2常见的自动抄表系统的通信方式