（电工理论与新技术专业论文）scada系统通信软件研究与设计.pdf

1 1 4 5 2 0 0 6 a b s t r a c t s i n c ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h e l o g y s c a d a s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n i su s e dw i d e l yi ni n d u s t r yf i l e d e s p e c i a l l yi ne l e c t r i c p o w e rs y s t e mi nw h i c hs c a d a i sd e v e l o p i n gs p e e d i l y c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ei sap i v o t a lp a r to fs c a d a w h i c ht a k e so nt h ew o r k so f u p l o a d i n gt h ed a t ao ff i e l dd e v i c ei ns u b s t a t i o na n ds e n d i n gd o w nt h ec o u n n a n df r o m m a s t e rs t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h er e a l i z a t i o no f c o m m u n i c a t i o ni ns c a d a a n da c t u a l i z e s c o n f i g u r a t i o no f c o m m u n i c a t i o nc o m a n du n i t f i r s tt h ed e m a n d so f c o m m u n i c a t i o n i ns c a d ai nt h em o d e mw o r l da r es u m m a r i z e d a n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e r c o m m u n i c a t i o n s t i p u l a t i o n s a r c p r e s e n t e d 1 1 s c a d a t h e r e s e a r c h i n g c o m m u n i c a t i o ns e f t a r ei ni si n t r o d u c e d s u c ha st h ef u n c t i o n s t h ee n v i r o n m e n to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h em o d e so fn e tf r a m e w o r k a n dt h ef l a m eo fs o f t w a r e h a v i n gr e s e a r c h e do bs o m ep o p u l a rc o m m u n i c a t i o ns t i p u l a t i o n s s u c ha si e c 6 0 8 7 0 5 d n p 3 0a n di e c 6 1 8 5 0 t h i sp a p e rc h o o s e s i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3a ss t a n d a r df o r t h e i n f o r m a t i v ei n t e r f a c eo f p r o t e c t i o ne q u i p m e n t a n di e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1a st h et e l e c u n t r o l c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d f o ri t ss u p p o r t i n go fr s 4 2 2 4 8 5a n de a s yu p g r a d i n gt o i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 1 1 1 ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n gi sp r e s e n t e d w h i c hi n c l u d e st h e m e t h o do fu s i n ga p if u n c t i o nt oa c h i e v et h ec o mc o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n g d e s i g n o ft a l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e d e do ni e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 a n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t l l i n s u b s t a t i o nb a s e d e do ni e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 1 1 1 e p r e l i m i n a r yr e a l i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t a r ei nc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e mi s p r e s e n t e d t h ew o r ki nt h i sp a p a rh a sa c h i e v e dt h ea b o v ef u n c t i o n s r e m o t et e l e c o n t r 0 1 s u c h 鹅s w i t c h i n gi n o u t a n a l y s i sa n dr e c o r do f s o ew h i c hi n c l u d e st h et i m eo f s e n d i n ga n d r e c e i v i n gd a t a a n df a i l i n gd a t af r a m e s f i e l dd a t aa c q u i s i t i o n s u p p o r t i n gs e t u po ft h e p a r a m e t e r so fc o ma n du n i to nm a n m a c h i n ei n t e r f a c e s u c ha sa n a l o gv a r i a b l e s d i g i t a lv a r i a b l e s t o t a le n e r g yv a r i a b l e s a n dt e l e c o n t r o lo p e r a t i o n s k e y w o r d s s c a d a s o f t w a r e c o m u n i t s t i p u l a t i o n s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 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 毽 生 日期 三兰9 弓 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 研究生签名 垒查至 日期 导师签名 塑 p 6 4 s 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 s c a d a s u l v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n 即数据采集与监控系统 是以计算机 通信网络为基础的生产过程控制与调度自动化系统 通过对现场的运 行设备进行监视和控制 以实现数据采集 设备控制 测量 参数调节及各类信号 报警等功能 近年来 计算机应用技术飞速发展 s c a d a 系统在工业领域得到 了广泛的应用 尤其在电力系统中 发展更为迅速 电力系统中 现场数据不但包 括功率 电压 电流等测量数据 还包括分合闸 过流 速断等操作及事故所产生 的事件数据 当发生事故而导致跳闸时 还要记录现场的故障录波数据 需要通信 的数据量是一般工业控制中所无法比拟的 由于电力系统现场数据的变化非常快 一次过流可能只维持十几毫秒 数据稍纵即逝 所以对数据的实时性 通信速度的 要求是非常高的 可见 系统通信是s c a d a 系统成功的关键 对变电站通信网络有如下要求 j 1 传输各种的信息有不同的传输优先级 要传输响应时间也不同 因此对 网络也应有传输优先级的要求 在各种情况下的状态变位 如断路器的状态变化 要求立即传输 传输的响应时间要小 测量值等监视信息需要循环地定时传输 响 应时间应小于l s 电能累计量等的传输 传输的间隔周期可以比较长 例如5 r a i n 或者更长 对于为了保持变电站层控制系统的数据库刷新的一些信息 例如断路 器的状态 继电保护设备和自动装置的一些状态 定时召唤以及刷新数据库的周期 可以比较长 控制命令 升降命令 继电保护设备的投入腿出命令是随机的 传 输的间隔时间比较长 对于系统故障以后产生的状态变化的事件顺序记录 故障录 波 扰动记录的数据 这些事件的数据量大 传输时占用传输网络的时间长 且这 些信息供故障以后的分析用 因此传输的优先级比较低 设备层和间隔层单元之间 的信息交换的速度比较高 要求的响应时间比较小 2 在变电站内各个层之间以及各个单元之间需要时间同步 变电站控制系 统和各个层之间通过网络实现时间同步 对于断路器和继电保护的动作的事件顺序 记录 时间同步的准确度至少为l m s 对于扰动数据的记录事件的动作时间 l e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 有规定 事件顺序记录和扰动数据的时间要联系起来 时间同步的 要求更高 要求有微秒的分辨率 3 在变电站内有一些功能 例如后备继电保护 互锁 自动或自适应继电 东南 学硕士学位论文 保护 需要在间隔层各个单元之间传输信息 4 为了确保在变电站内通信网络上传输数据的可靠性 对传输网络的数据 完整性有一定的要求 1 2 电力通信规约发展概述1 2 删 通信规约就是整个自动化系统通信部分的核心 没有通信协议 自动化系统就 不能进行有效的信息交换 有时还会造成信息传递的紊乱 严重时还会引起整个通 信网的崩溃 为了整个变电站自动化系统安全 可靠 稳定地运行 必须采用合适 的通信规约 以使囡通信故障而引起的损失降到最低 目前许多国际组织和权威机构 如i e c c 1 2 g r e 1 e e e e p r 等 都在积 极地进行关于变电站规约的标准化工作 只有实现传输规约的标准化和传输网络的 标准化 做到传输规约和网络的统一和完全兼容才能实现变电站自动化系统内设备 的互换性和互操作性 这一点对于用户和制造厂来说都是非常重要和有利的 这可 以克服各个制造厂的设备无法连接和互换的弊端 可以避免在硬件和软件上进行二 次开发 以实现规约转换 国际电工委员会第5 7 技术委员会第三工作组 i e ct c 5 7w g 0 3 从9 0 年代初 就开始制定有关电力系统控制和通信方面的标准协议 1 9 9 0 年2 月完成第一份文件1 e c 6 0 8 7 0 5 1 帧结构 1 9 9 5 年1 1 月完成第一个完整规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动 1 9 9 6 年6 月完成第二个完整规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 r t u 与电表 1 9 9 7 年1 2 月完成第三个完整规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 r t u 与保护 2 0 0 0 年1 2 月完成第一个完整基于以太网规约的文件i e c 6 0 8 7 0 5 0 4 远动k 2 0 0 2 年1 1 月完成i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 第二版 远动 i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约的发展比较长 经历了l o 年才被除北美外全世界所接受 形成新的自动化功能规范串行均以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 3 为基本要求 以太网均 以i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 为基本要求的局面 当i e c 标准的数据链路帧格式和链路传输过程部分发布时 许多厂家在应用 层标准未发布情况下纷纷推出各自的远动规约 美国i e e e 的电力工程协会 p e s 也开始制定自己的规约d n p 3 0 并选择h a r r i s 公司的d n p d i s t r i b u t e dn e t w o r k p r o t o c 0 1 为蓝本 实际上d n p 3 0 仅仅在物理层和数据链层参照了i e c 6 0 8 7 0 5 应用层则完全与i e c 6 0 8 7 0 5 不同 而当时i e c 6 0 8 7 0 5 的应用层还没有制定出来 1 9 9 3 年d n p 发表的标准文件有 d n p 3 0 的数据链 d n p 3 0 的传输层 d n p 3 0 的应用层和d n p 3 0 的应用数据格式库 d n p 3 0 发布后占据了主流地位 成为事 实工业标准 直到1 9 9 5 年 i e c 5 7 技术委员会的0 3 工作组制定了 基本远动任务 配套标准 即i e c 8 7 0 5 1 0 1 才有了远动通信规约的官方国际标准 2 第一章绪论 i e ct c 5 7 在2 0 0 3 年又推出了i e c 6 1 8 5 0 标准 i e c 6 1 8 5 0 参考和吸收了已有的 许多相关标准 其中主要有1 4 1 m c s 7 0 5 1 0 1 远动通信协议标准 萤i e c 8 7 0 5 1 0 3 继电保护信息接口标准 由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系 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 u r e 2 0 i s oi e c 9 5 0 6 制造商信息规范 m m s m a n u f a c t u r em e 鹞a g es p e c i f i c a t i o n 需要明确的是i e c 6 0 8 7 0 5 系列规约在国际还是会得到相当大的支持的 采用 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 的r t u 已经比较多 再加上i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约 实现网络传输 就更容易 i e c t c 5 7 将始终关注着从i e c 6 0 8 7 0 5 系列到i e c 6 1 8 5 0 的转换和对象 映射 o b j e c tm a p p i n g 因为从一个开放的i e c 6 0 8 7 0 5 系列系统转换到新的系列 上来要相对容易的多而且效率高 所以国际电工委员会还是要在一定时期内支持 1 e c 6 0 8 7 0 5 系列标准的实施的 从i e c 6 0 8 7 0 5 系列的发展可以发现 i e c 6 1 8 5 0 和其它规约一样 肯定需要一个现场证明 改进 用户接受的过程 i e c 6 9 8 7 0 5 1 0 1 经过了7 年才有了修订补偿的第二版 在现有技术水平条件下 i e c 6 1 8 5 0 大部分 规约的可行性研究及实验证明是可行的 但i e c 6 1 8 5 0 规约还没有现场运行证明 1 3 本文的主要工作 本文研究与设计的通信软件所在的s c a d a 系统是与南京因泰来电器有限公 司合作开发的面向中小型用户的集数据采集 显示 控制 报表 通信等功能于一 体的开放式 组态化的电力自动化监控系统软件 其名称为i n t s c a d a 针对i n t s c a d a 对通信子系统的要求 本文主要做了以下几方面工作 l 分析目前应用范围较广和代表今后电力通信发展趋势的几套规约 选择了 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约作为远动通信规约 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约作为站内通信规约 2 基于i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约设计了远动通信模块 这部分子站被动应答主站 的询问 3 基于1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约规约设计了站内通信模块 这部分由子站向子站 内下挂单元召唤数据和接受数据 向下挂单元下发来自主站的命令和接受来自单元 的应答 4 实现了通信子系统串口和单元的组态功能 完成的工作是对单元的模拟量 开关量 电度量 遥控遥调量等成员的运行参数进行设定 支持用户在人机界面对 串口和单元进行参数设置 第二章s c a d a 系统简介 2 1 主要功能 第二章in t s c a d a 系统简介 l 数据采集 系统实时采集子站现场设备所上送的遥测 遥信 电度量 开关量 保护信息 等数据 同时向子站发送各种数据信息及控制命令 数据采集有以下内容 1 模拟量采集 包括 三相电流 三相电压 有功功率 无功功率 周波 值 功率因数 等测量值 2 开关量量采集 包括 断路器位置 事故总信号 下行通道故障信号 装置主电源停电信号 机组运行状态信号 3 电度量采集 包括 有功电度和无功电度 4 保护信息采集 包括 保护开关状态量 保护定值 保护测量值 保护 故障动作信息 保护设备自诊断信息 2 数据处理 系统采集数据后 立即进行数据处理 包括以下内容 1 模拟量数据处理 把标识符转换为技术地址 技术地址作为数据的关键字而访问数据库 并为 后面的其它功能提供数值 将原始数据转换为工程量 可条件复位到零 可进行异常数据剔除 可设定每个值归零范围 将近似为 零的值置为o 用于消除零漂 可以对遥测取绝对值 取反 越限检查 通过数据库为每个遥测值及计算值规定两个上限及下限 以检查 数据合理性 积分值和平均值计算 根据实际功率完成积分值 平均值 负荷率计算 最大值及最小值计算 将遥测在某一段时间内出现的最小值及最大值及出现 的时刻一同存入数据库 存贮入数据库 数据库中的遥测记录是由时标 工程值和量纲单位组成 数 据库中数值为后续子系统提供数据 可分配历史和未来数据等任务 各模拟量描述电力系统运行的实时量化值 包括 各线路及主变的有功 无功 电流电压值及周波等值 同时为这些量化值标出质量位 以确定各值所处的 状态 正常 越限等 通过人机界面为调度人员提供清晰的电力系统各级罩化概念 2 状态量处理 状态量处理任务完成如下功能 l 东南大学硕士学位论文 电网运行状态显示 显示内容包括 各开关位置 备刀闸位置 变电站开关状态及主变分接头位置 保护结点动作状态 各通道运行工况 监视电网及设备状态变化 迅速发出告警 处理过程如下 a 遥信发生变位 b 根据开关变化 保护动作及事故总信号判断是正常变位还是事故变位 c 确认监视并为操作员引出专门的文字信息表 语言信息和厂站工况图 d 区分不同的动作信息 如事故总信号 预告信号 保护信号 开关信号等 3 电度量的处理 1 对电度量进行分时累积计算 2 周期性地对数值作实时备份 4 保护和预告信息处理 形成保护动作事项和预告信息事项 送交告警程序 在显示器上显示变电站光字牌状态 4 控制功能 控制功能主要是对开关的遥控和对变压器分接头 电容 电抗器等的控制 对 带有综合自动化功能的变电站可实现无人值守 控制功能包括 实时对断路器和某些开关操作 投切有载变压器分接头 电容 器远方投切 电抗器远方投发 改变有载电容式无功成组调节器的整定值 保护定 值参数设定与修改 开关人工设置和标志操作的统一处理 执行遥控功能时可以做到 操作方便 操作是在厂站接线图上进行 容量可 控 遥控量可根据情况确定 可在数据库中任意扩充 安全正确可靠 具有防误 功能 自动顺序操作 5 计算功能 这一功能是为供电网调度员作各种统计计算用 运算方式包括加 减 乘 除 平方 开方 专用或检验公式 可以计算各种量 如用电流 电压 有功功率来求 无功功率 计算全网总负荷值等 一般来说 这些计算都可由系统人员按照要求事 先设定 6 报警功能 1 越限报警 调度员根据供电网内输电线传输能力 各主变压器容量 各段母线电压等设置 上 下限值 当实际运行数值越限时 发出报警信号 特别是对遥测值越限 用户 可提供两组限值 亦即告警值和故障值 对越限遥测以加底色方式显示该遥测处于 第二章s c a d a 系统简介 越限状态 限值可由远动维护人员在线修改 2 开关变位报警 开关变位分成正常操作变位及事故跳闸变位两类 用音响 如蜂鸣器等 提示 调度员 在m m i 屏幕的指定报警行上作出提示 自动调出相应画面 对变位开关 则以闪烁方式显示开关变位状态 7 事故追忆 事故追忆功能是在开关变位时将变位前后若干时间段内系统中的主要参数记 录下来 供事后分析用 时间段长度可由远动维护人员在系统参数库软件中修改 事故前追忆点数和事故后延续点数也均可在参数中修改 事故追忆的结果自动存 盘 供事后分析用 8 负荷曲线绘制 曲线软件模块能显示供电网中重要参数随时问而变的趋势 供调度员观察 曲 线分为两种 一种是历史数据用曲线形式显示 二是当前数据的曲线显示 前者是 指定时间段内将该参数的历史数据调出用曲线形式显示 这一功能模块保证所存储 的历史数据均能调出显示 趋势曲线的变化速度能由调度员在线设定 所显示的参 数也由调度员在线设置 9 电能数据存储 电能数据存储功能是将供电网中重要参数如供电网负荷 各重要线路功率中枢 点电压 总电量 所属各地区用电量等参数的整点值存储在外存设备上 调度运行 人员可调看硬盘上任意一天的有关参量 历史数据在硬盘上存储的时间按一年考 虑 这主要取决于硬盘的容量 1 0 事件顺序记录 s o e 事件顺序记录功能模块能将各子站的开关及继电保护接点动作顺序及时间记 录下来 供事后分析用 事件顺序记录的主要指标是动作时间分辨率 共分为两类 即站内动作时间分辨率和站间动作时间分辨率 2 2 软硬件环境 本系统的软硬件环境如表2 1 一表2 2 所示 表2 1 软件配置 开发环境 m i c r o s o f lv i s u a lc 6 o 数据库 s q ls e r v e r2 0 0 0 w e b 应用服务器 j i s5 0 w e b 服务器操作系统 中文w i n d o w s2 0 0 0 x p 数据库服务器操作系统 中文w i n d o w s2 0 0 0 x p 浏览器i e 5 0 以上 东南大学硕士学位论文 表2 2 硬件构成 l 显示1 6 k 增强色 分辨率8 0 0 6 0 0 以上 推荐1 0 2 4 7 6 8 l 内存 1 2 8 mb y t e s 以上 c p u p e n t i u m l l l l g 以上 2 3 系统组网方式 本系统可配置成从单个节点到多个节点不同规模的网络系统 在小规模厂站级 应用中 可单主机运行 简化系统 节约投资 在大规模厂站级应用中 可构成多 个主机之间能共享数据信息和相互控制操作的高速局域网络系统 小型系统 中型系统和大型系统的组网方式如图2 1 2 3 所示 图2 1 最小系统 第二章s c a d a 系统简介 图2 2 中型系统 图2 3 大型系统 2 4 系统结构组成 系统内核进行了精简化设计 具有很强的实时性和可靠性 系统内核由四个子 系统 通信子系统 数据子系统 w e b 子系统 监控子系统 和各种管理器构成 系统组成结构参见图2 4 8 东南大学硕士学位论文 图2 4 系统结构组成 2 4 1 通信子系统 通信子系统以以太网连接为基础 完成底层设备与其它高级应用系统之间的数 据通信 包括网络资源的申请及释放 网络数据的发送和接收 通信参数调整等 在这里将完成通信口 单元的创建及配置 模拟量 开关量 电度 保护定值 s o e 事件 操作等成员的运行参数设定 该子系统具有很强的可组态性和可扩展性 同时 系统提供各种常用的通信口 功能模块和单元功能模块 用户只要根据实际的网络连接 建立相应的通信口和单 元 即可完成通信网络设置 保证了本系统可方便地与国内外各种带通信接口的设 备实现系统集成 2 4 2 数据子系统 数据子系统管理着整个系统所有的应用信息 包括模拟量 开关量 电度 保 护定值和各种类型的操作 其主要的功能如下t l 对子系统内的数据 操作及各种运行参数实现有效的管理 2 接受通信子系统对其数据的刷新 3 为其它子系统和管理器提供数据 操作信息 4 通过数据库管理器 完成数据自动保存 为构建统计报表提供数据源 2 4 3 w e b 子系统 w e b 子系统采用b r o w s e r w e bs e r v e r d a t a b a s e 结构设计 由一台托管服务器组 成 w e bs e r v e r 数据库和w e b 应用程序都安装在服务器中 托管服务器根据客户 端浏览器发来的h t t p 请求 通过服务器扩展模块 从数据子系统中获取数据 然 后传回给客户端浏览器进行显示 w e b 子系统的功能模块如下 l 数据查询模块 用户可通过数据查询模块的w e b 页面查询数据服务器中使 第二章s c a d a 系统简介 用的有关数据 受权限控制 不同的用户只能查询到相应其权限范围内的信息 提 供多种查询方式 2 报表打印模块 用户可通过报表打印模块的w e b 页面按现有的格式打印报 表 3 系统维护模块 可通过系统维护模块的w e b 页面对系统中的操作用户及其 权限进行增加 修改 删除 4 授权及认证模块 在数据库服务器端建立用户名 密码及权限数据库表 登录用户首先必须通过认证 才可凭自己的权限访问相应信息和进行相应的工作 2 4 4 监控子系统 监控子系统由各种嵌入式的自动控制单元组成 每个自动控制单元装入一个自 动控制文件 自动控制文件以文件的方式存在于计算机中 由控制组态软件进行创 建和修改 利用数据子系统的数据信息和控制操作功能 结合具体的应用要求 完 成对整个应用系统的自动化控制和优化控制 可完成如综合电压无功控制 过负荷 控制 变压器经济运行点切换 变压器冷却风扇控制 备用电源自动投入 操作联 锁 联动等各种控制要求 一l o 第三章s c a d a 系统通信规约研究 第三章s c a d a 系统通信规约研究 3 1 通信规约的含义期 在通信网中 为了保证遥信双方能正确 有效 可靠地进行数据传输 在通信 的发送和接收过程中有一系列的规定 以约束双方正确 协调进行工作 我们将这 些规定称为数据传输控制规程 简称为通信规约 一个通信规约包括的内容主要有 代码 数据编码 传输控制字符 传输报文格式 呼叫和应答格式 差错控制步 骤 通信方式 指单工 半双工 全双工通信方式 同步方式及传输速度等 当主站和各个远方终端之间进行通信时 通信规约明确规范了以下几个问题 l 要有共同的语言 必须使对方理解所用语言的准确含义 这是任何一种通 信方式的基础 2 要有一个既定的操作步骤 控制步骤 即由计算机通信规定好的操作步骤 即使有共同的语言 如果没有也会因彼此动作不协调而产生误解 3 要规定检查错误以及出现异常情况时计算机的应对方法 否则 一旦出现 计算机处理不了的异常现象 就会导致整个系统的瘫痪 3 2 主要通信规约简介 下面将简要介绍目前虑用比较广泛和代表今后电力通信发展趋势的几套规约 i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准中的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 为电力系统电能累计量传输配套标准 在此不作介绍 3 2 1i e c 一6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约l l o h 1 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动通信标准是国际电工委员会第5 7 技术委员会第三工作组 i e ct c 5 7w g 0 3 于9 0 年代开始制定的有关电力系统控制和通信方面的标准协 议 我国在1 9 9 8 年 制订了电力行业标准d i d t 6 3 4 1 9 9 7 基本远动任务的配套标准 目前 国内电力标准化组织已经将d l t 6 3 4 1 9 9 7 版改版成为d l t 6 3 4 1 9 9 7 5 1 0 1 1 2 0 0 2 i e c 6 0 8 7 0 51 0 1 2 0 0 2 这次改版等同采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 配套标准 并于2 0 0 2 年1 2 月1 日起实旌 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动通信协议有其适用围 其主要应用于发电厂 变电站与调 度控制中心的生产调度数据的实时交换 1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约传送的实时信息的类 型主要有以下几类 遥信 数字量输入 遥控 数字量输出 遥测 模拟量输 入 遥调 模拟量输出 东南大学硕士学位论文 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 通信规约采用f t l 2 异步式字节传输 a s y n c h r o n o u sb y t e t r a n s m i s s i o n 的帧格式 包括可变帧和固定帧两种 可变帧用于数据传送 固定 帧用于确认或询问等通信问答 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 通信规约的网络层次模型源于开放式互联的i s o o s i 参考模 型 但由于实际应用领域要求在有限的带宽下满足较短的实时响应时间 所以采用 进化性能结构 e p a 模型 该模型仅有三层 即物理层 链路层 应用层 物理 层是模型的第一层 主要实现通信间比特流的处理 向数据链路层提供一个透明的 比特传输流服务 数据链路层的主要任务是将一条不太可靠的通信链路转化为对高 层协议而言是一条无错误的可靠的传输线路 数据链路层上的数据传送单元为帧 应用层是模型的最高层 为用户进程提供服务和工作环境 i e c 8 7 0 5 1 0 1 规约有2 种传输方式 平衡式和非平衡式传输 所谓的平衡式传 输方式是在全双工通道的点对点的配置方式下 通信链路的两个方向 调度中心与 变电站 均可以发起询问 而实际应用中 多采用非平衡式的传输方式 即主站 调 度中心 采用顺序的查询 召唤 子站控制数据传输 在这种情况下主站是请求站 它触发所有报文的传输 子站 变电站 是从动站 只有当它们被查询 召唤 时 才可能传输 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约规定的主要通信过程包括 链路状态应答 复位远方链路 应答 总召唤应答 背景扫描 变化数据传送 接受遥控以及设定点命令传送 初 始化等 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 采用的链路服务级别为3 级 其链路服务级别及功能如表3 1 所 示 表3 1 链路服务级别及功能 链路服务级别帧类型功能 s 1 发送 无回答发送广播命令 s 2 发送 确认设置参数等 s 3 请求 响应召唤数据或事件 1 0 1 规约的国家标准文本中定义的相当丰富的轮询问答过程 其中包括主站初 始化过程 主站询问的顺序过程 循环数据传输过程 收集事件的顺序过程 向子 站召唤过程的顺序过程 时钟同步过程 控制的顺序过程 收集累计值的顺序过程 装载参数的顺序过程 测试过程 文件传输过程等 但在实际中经常被用到的 不 过是其中一部分而已 1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 采用的问答过程大致依照以下的顺序 1 初始化过程 主站一子站 请求链路状态c l t q a h 子站一主站 回答链路状态 m r q j 慵j 主站一子站 复位远方链路请求c r l n a 一11 子站一主站 复位 1 2 第三章s c a d a 系统通信规约研究 远方链路确认mr ln a1 2 对时过程 主站一子站 时间同步的发送帧c c sn al 子站一主站 时问同步的确认 帧m c s n a 一1 3 总召唤过程 主站一子站 总召唤命令帧c i c n a j 子站一主站 总召唤确认帧 m 一1 c a j 子站一主站 遥测帧m m e n a i 或采用不带品质描述的遥测帧 m m e n d i 子站一主站 单点遥信帧m s p n a j 子站一主站 双点遥信帧 md pn a1 单双点遥信也可采用状态和状态变位的遥信帧m p sn al 子站一 主站 总召唤结束帧m j c a j 在这样的过程中 特别体现出了国标1 0 1 规约与 i e c i o i 规约的差别 4 一般轮询过程 当没有任何变化数据时 主站一子站 召唤二级用户数据帧cp 2n a i 子站 一主站 无所请求数据确认帧m n v n a l 或回答单个字符e 5 h 当有遥信变化 一级用户数据 时 理论上应该先回答1 个无所请求数据确认 帧m n v a j 同时把其中控制域的要求访问位置为l 等待主站下一次询问以 召唤一级数据帧而后以一级数据应答 但是考虑到提高效率 1 0 1 规约允许r t u 直 接以一级数据回答召唤二级数据的询问 减少了一次问答的过程 其过程如下 主 站一子站 召唤二级用户数据帧c 刚a j 子站 主站 单点遥信变化响应帧 ms pn al 或双点遥信变化响应帧md pn al 当子站发生遥测变化 二级用户数据 时 报告变化遥测 主站一子站 召唤 级用户数据帧cp 2n a j 子站一主站 遥测数据变化响应帧m m e a 1 当子站发生事件顺序记录s o e 二级用户数据 时 报告s o e 主站一子站 召唤 级用户数据帧c p 2 n a l 子站一主站 单点信息的事件顺序记录m s p t a i 或双点信息的事件顺序记录md pt a1 5 1 5 遥控过程 主站一子站 遥控选择命令的发送帧唧 n a j 子站一主站 遥控选择命 令的确认帧md cn a j 主站一子站 遥控执行命令的发送帧cd cn al 子 站一主站 遥控执行命令的确认帧md cn a1 3 2 2i e c 石0 8 7 0 孓1 0 3 规约1 1 3 h 1 6 1 9 9 7 年1 2 月 i e ct c 5 7w g 0 3 完成了传输规约1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 继电保护设备信 息接口配套标准 我国将i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 等同采用作为电力行业标准 d l t 6 6 7 1 9 9 9 已于1 9 9 9 年1 0 月1 日正式实施 1 3 东南大学硕士学位论文 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 传送的信息主要为s c a d a 的监控信息 而i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 传送 的信息主要是针对继电保护的相关信息 是用于控制系统与继电保护设备信息交换 中的继电保护设备的信息接口配套标准 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 提供了继电保护设备或间隔单元的信息接口描述 它用于变电 站控制系统与保护设备之间的交换信息 这些信息包括 1 采样值信息 遥测量上送 1 0 3 规约采用1 帧报文上送所有的遥测值 2 开入信息 遥信状态 和告警信号 利用 总查询 报文采集全遥信 可以获得保护装置所有开入通道的状态 一般采用多帧报文上送 如果某一路开入 状态发生变化 保护装置在下一帧报文中置 一级数据 标志 控制系统进行 一 级数据0 查询 保护装置将遥信变位信息上送 报文带有时标 所以变位发生的时 刻也被记录下来 3 保护动作信息 保护动作后 将 一级数据 标志置位 控制系统进行 一级数据 查询 保护动作元件信息上送 报文也是带有时标的 所以该保护元 件动作的时刻也被记录下来 4 保护装置自检信息 自身状态监视 微机保护都可以监视自身的运行 状态 如有任何部分运行不正常 则向监控单元发出告警信号 如电源故障 模拟 量采集回路故障等等 5 遥控 采用双命令 可以通过后台或者远方进行断路器的分合 此外还包括其它的一些内容 包括 时间同步 主变档位分接头升降 继电保 护设备的投退命令 接地试跳命令 电能脉冲计数量上送 保护定值远方读取 远 方修改 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 的配套标准兼容范围内报文并不包括保护定值传送报文 国内许多厂家采用通用分类服务的方式提供了这项功能 保护定值区的远方读取 远方修改 用户可根据运行的不同情况 预先设置几组定值 然后通过定值组的切 换 选择最合适的定值组 扰动数据 故障录波数据的传送 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 是在i e c 6 0 8 7 0 5 系列标准的基础上 采用f t l 2 帧格式 对物 理层 链路层 应用层 用户进程作了大量的具体的规定和定义 与1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 相同 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 使用的网络模型是增强性能结构 即 仅用到i s o o s i 基本参考模型的全七层结构中的三层 即物理层 链路层 应用层 根据远动系统的特点 考虑到传输速率 这种结构在出现故障时可以响应迅速 1 物理层 在变电站自动化系统中 物理层采用光纤传输系统和 或基于铜线的r s 4 8 5 总线 系统 它提供一个二进制对称和无记忆传输 标准的传输速率为9 6 0 0 b i t s 或 1 9 2 0 0 b i t s 2 链路层 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 的链路层与1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 有相同的应用 所有的传输过程均 1 4 第二三章s c a d a 系统通信规约研究 由主站启动 即轮询问答过程 由启动站向从动站触发一次传输服务 或者成功完 成 或者报告差错 之后才能开始下 轮的传输服务 链路层由一系列采用明确的 链路规约控制信息l p c i 的传输过程所组成 3 应用层 应用层为用户提供服务 是用户的窗口 它的服务直接提供给应用进程 应用 层包含一系列应用功能 它包含在源和目的之间应用服务数据单元a s d u 的传送 中 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 共享相同的应用数据结构和应用信息元素的 定义与编码 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 用户数据结构组成如图3 2 所示 类型标识数据单 数据单元 可变结构限定词 元类氆 用 标识符 传送原因 户 应州服务数据单元公共地址 数 功能类璎信息体 据 信息序号标识符 亟 信息元素集 一 信息体 时标m s 兀 信息体 时标m s 时标 时标m i n 任选 时标h 图3 2 用户数据结构组成 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 描述了两种信息交换方法 兼容范围和通用分类服务 兼容范 围基于严格规定应用服务数据单元 a s d u s 和为传输 标准化 报文的应用过 程 通用分类服务采用各间隔层单元自我描述和自我定义的方法对要求传输的信息 进行定义 它可以传输任何类型数据 除国内已经生产的继电保护设备可以在一段 时间内使用专用范围外 新开发的产品必须采用兼容范围和通用分类服务 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 中定义了下述基本功能 站启动 总查询 总召唤 时钟同 步 命令传送 测试模式 监视方向的闭锁 扰动数据传输 通用分类服务 但在 兼容范围中并不包括保护定值的远方读取和修改 如有需要的话 可采 j 通用分类 服务来完成 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准的推出 在实现变电站自动化的过程中 使得变电站内一 个控制系统的不同继电保护设备和各种装置达到互换 提高了继电保护设备的安全 性 有利于变电站自动化系统内不同继电保护设备和控制系统之间互联 3 2 3i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约1 1 6 1 q 1 e ct c 5 7w g 3 的工作范围涉及到数据网 基于路由的广域网 的远动协议 这 1 5 东南大学硕士学位论文 就是i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准 它提供了对i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 用标准传输协议 主要是 t c p p 协议 的网络访问 即在1 0 1 规约的a p d u 的基础上减少长度域和启动字符 各1 个字节 减掉票加以及结束字符共4 个字节 外加4 个字节的控制字符就可实 现网络传输 这是目前变电所到调度所用网络传输信息的最佳方案 也是投资最小 改动最小 见效展快的一个方案 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准己被我国等同采用 即d l t 6 3 4 5 1 0 4 2 0 0 2 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 的平衡传输模式 通过t c p i p 协议实 现网络传输远动信息 它适用于p a d 分组装和拆卸 的数据网络 i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 网络参考模型如图3 3 所示 根据i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 从 初始化用户进程 i e c 6 0 8 7 0 5 5 中选取的应用功能 a p c i 应用规约控制信息 应用层 第7 层 传输接口 用户到t c p 的接口 传输层 第4 层 网络层 第3 层 t c p i p 协议子集 r f c 2 2 0 0 链路层 第2 层 物理层 第1 层 注 第5 第6 层未用 图3 3i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 网络参考模型 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规定对i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 的应用规约数据单元的结构稍加变动 如下 i s j 1 保留1 个启动字符 1 个帧长l 删除第2 个启动字符 第2 个帧长l 校验及