（电气工程专业论文）数字化变电站集成自动化系统的研究与实现.pdf

蠢 l i f t 伽 j t d t 声明尸明 1 1 1 11 1 11 111 11 1 1 11 1 1iil 17 8 5 5 8 3 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 数字化变电站集成自动化系统 的研究与实现 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 蔓1 i 塑兰日期 掣 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 导师签名 日期 y07 驴一 斑半 竖世 辈萼 斗 宙f 暴 华北电力人学i 程硕十学位论文摘要 摘要 介绍了数字化变电站自动化系统的基本内容和研究现状 对i e c 6 1 8 5 0 标准进行了 一定的描述 突出介绍了其抽象服务模型 面向对象的建模思想 采样值传输及g o o s e 传输模型 针对变电站自动化系统的需求和数字化变电站的特点设计了一种集成自动化系统 的解决方案 并对此方案的特点进行了详细的阐述 介绍了实现上述方案的智能终端设备和集成主机设备的硬件设计方案和基于可编 程配置的软件方案 并介绍了实际产品的应用情况 利用数字化变电站自动化系统信息高度集中的特点重点介绍了对集成保护的影响 和机遇 并结合实例进行了探讨 关键词 数字化变电站自动化系统 i e c 6 1 8 5 0 可编程 集成保护 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r o p e r t i e sa n dt h ed e v e l o p m e n t so ft h ed i g i t a ls u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m d e s c r i b e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fi e c618 5 0s t a n d a r ds e r i e s t h e n t h e a b s t r a c ts e r v i c em o d e l t h eo b j e c t o r i e n tm o d e l i n gm e t h o d t h em o d e lo fs a m p l e dv a l u e s a n dg o o s ea r ef u r t h e r e m p h a s i z e d i nt h i sp a p e r ap r o j e c to fi n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mi s d e s i g n e df o rt h en e e do f s u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e ma n dd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i g j i t a l s u b s t a t i o n m o r e o v e r t h ei n t e l l i g e n tt e r m i n a lu n i ti m p l e m e n t i n gt h ep r o j e c td e s c r i b e da b o v ei s p r e s e n t e d t h eh a r d w a r ed e s i g nf o ri n t e g r a t e dm a i n f r a m ed e v i c ea n dt h es o f t w a r eb a s e do nt h e p r o g r a m m a b l ea r r a n g e m e n ta r ef u r t h e ri l l u s t r a t e d n e x t t h ep r o s p e c to fp r o d u c ta p p l i c a t i o n s i se l u d e d o nt h eb a s i so fh i g hc o n c e n t r a t i o np r o p e r t i e so ft h e d i 百t a 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 mi n f o r m a t i o n t h ei n f l u e n c ea n do p p o r t u n i t yo fi n t e g r a t e dp r o t e c ti s s h o w na n d d i s c u s s e dc o m b i n ew i t hr e a le x a m p l e s l i uh a i b o p o w e re n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f y a n gm i n g y u k e yw o r d s d i g i t a ls u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m i e c 618 5 0 p r o g r a m m a b l e i n t e g r a t e dp r o t e c t j 华北电力大学j r 程硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论 1 1 1变电站自动化系统的发展背景 l 1 2 数字化变电站的特点 2 1 3 数字化变电站自动化系统的研究现状 4 1 3 1 国内外数字化变电站的研究现状 5 1 3 2 数字化变电站对变电站自动化系统的影响 6 1 4 本文所作的工作 7 第二章数字化变电站的核心标准le c 6 18 5 0 9 2 1i e c 6 18 5 0 概述 9 2 2i e c 6 18 5 0 的特点 1o 2 3 i e c 6 1 8 5 0 的基本构成 1 2 2 4i e c 618 5 0 的通讯模型 13 2 4 1信息模型 1 4 2 4 1 1数据属性 14 2 4 1 2数据 15 2 4 1 3 逻辑节点 1 5 2 4 1 4逻辑设备 1 6 2 4 1 5服务器 l6 2 4 2 服务模型 1 7 2 4 3 通信映射 1 8 2 5 采样值传输模型研究 2 0 2 6g o o s e 传输模型的研究 2 2 第三章数字化变电站自动化系统的方案设计 2 4 3 1 数字化变电站自动化系统的需求 2 4 3 2 数字化变电站集成自动化系统的方案设计 2 5 3 2 1过程层智能终端设备功能及性能设计 2 8 3 2 2 间隔层集成控制单元功能及性能设计 2 9 3 2 3 过程层网络设计 2 9 华北电力大学 i 程硕十学位论文日录 数字化变电站集成自动化系统的难点 3l 章数字化变电站集成自动化系统的硬件平台 3 2 智能终端硬件设计 3 2 4 2 集成控制单元硬件设计 3 3 第五章数字化变电站集成自动化系统的软件平台 3 5 5 1软件平台设计 3 5 5 2 可编程设计的思想 3 8 5 3 可编程设计的方案 3 9 5 4 可编程元件设计 一4 l 第六章基于数字化变电站的集成保护研究 4 4 6 1 集成保护的发展情况 4 4 6 2 数字化变电站中集成保护的特点 4 4 6 3 集成保护的配置研究 4 6 6 3 1 试验模型 4 6 6 3 2 集成保护的智能关联间隔识别 4 7 6 3 3 集成保护的智能差动 4 7 6 3 4 集成保护的综合后备保护 4 8 6 3 5 集成保护的站域保护 4 9 6 3 6 集成保护的异常判断 4 9 6 3 7 功能发展与完善 4 9 6 3 8 集成保护的测试 4 9 第七章结论 5 0 7 1 总结 5 0 7 2 展望 5 0 参考文献 5 2 致谢 5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 5 6 础设施在内的自动化系统 是将变电站的二次设备包括测量仪表 信号系统 继电 保护 自动装置和远动装置等经过功能的组合和优化设计 利用先进的计算机技术 现代电子技术 通信技术和信号处理技术 实现对全变电站的主要设备和输 配电 线路的自动监视 测量 自动控制和微机保护 以及与控制中心通信等综合性的自 动化功能 l 变电站自动化系统从上个世纪8 0 年代开始兴起到9 0 年代各项技术都已经成熟 并得到了广泛的应用 目前我国不仅在中低压电网中普遍采用了自动化技术实现了 无人值班 而且在2 2 0 k v 及以上的超高压变电站中也大量采用了综合自动化的新技 术 从而提高了电网建设的现代化水平 增强了输配电的可靠性 同时降低了变电 站的建造成本和运行维护成本 2 大量自动化技术的引进和推广也为电网的智能化 管理提供了及时广泛的信息 实践表明 变电站综合自动化技术已经带来了巨大的 经济效益和社会效益 然而 随着时间的发展社会的进步 人们对供电质量和可靠性提出了更高的要 求 同时限于装机容量的限制 使得对设备的使用效率的要求也更高 这就促使我 们不断的研究新的技术和理论 努力提高电网的效率和可靠性 进一步改善电网的 自动化水平 二十世纪九十年代成熟的变电站自动化的设计实施模式在大量的推广过程中也 逐步暴露出了一些缺点和不足 l 变电站内系统构成复杂且各自为政 一般变电站自动化系统由保护测控系统 防误操作闭锁系统 电源系统 通信系统 计量系统 故障录波系统等构成 对于 一些高压或特高压变电站及电厂供电站还有更多的辅助系统 这些系统独立运行 独立采集 控制和管理 造成系统信息 h j 数据交换复杂 即使实现了信息互联也往 往造成网络结构复杂 维护不便 效率下降等问题 而且完全独立的采集和控制也 造成了系统的重复设计 即造成了浪费又带来了更多的故障隐患p j 2 变电站自动化设备的规范不统一 各个设备制造商在相应标准允许的范围内 采用了大量的独特设计 在提高改进性能的同时带来了兼容性问题 由于通信标准 不统一导致变电站建设时需要大量的协调和二次丌发 造成系统构成复杂的同时也 带来了故障隐患 操作界面不统一给用户的学习和维护提出了更高的要求 功能不 华北电力大学 r 程硕十学位论文 一导致不同制造商的设备不能互换 为设备的后期维护和管理带来了巨大的麻 尤其现在一些制造商的退出直接导致了设备无人维护的尴尬局面 虽然 国家 关单位逐步制订和完善了很多标准但是对标准理解的不统一导致这一局面还不 能得到根本性的改观 3 部分一次设备的固有特征也是影响电网安全运行的重要因素 实践表明电流 互感器的电磁饱和问题是造成保护误动或拒动的主要原因 施工中大量的电缆连接 在导致成本高昂的同时 由于施工质量 验收测试导致的问题层出不穷 此外 由 于各种一次设备不能完善的自检而形成的定期检修模式也是我国停电的主要原因 同时对故障隐患的排查也不能及时彻底 4 对供电质量提出了更高的要求 随着社会的发展和进步人们对电能的需求越 来越高 不仅要求可靠的供电时间还要求良好的电源质量 短时的停电或电压波动 都有可能会给用户带来巨大的损失 而实现更好的电网管理需要变电站运行实时准 确的信息 从而为改进电源质量 减少停电提供判断依据 目前的变电站自动化系 统的运行效率和内容还不能满足这些要求 总之 变电站自动化系统已经在国内外的各电压等级的变电站中得到了广泛的 应用 并创造了巨大的经济效益 成为了典型设计 但常规变电站自动化系统在当 前社会也暴露出了一些问题 这些问题也促使我们进行新的研究和实践进而使变电 站的自动化系统能更好的满足实际需要 1 2 数字化变电站的特点 当前 随着智能开关 电子式互感器 高速可靠的网络技术 电子技术的快速发展 及状态检修 集成保护 i e c 6 1 8 5 0 等技术和标准的发展与成熟使变电站进入了数字化 时代 具有明显数字化特征的变电站就是数字化变电站 国内数字化变电站并没有一个严格而统一的定义 一般人们认为一次电气设备智能 化 二次设备的网络化 运行管理的自动化为其主要特征 而采用电子式互感器 i e c 6 1 8 5 0 通信标准 安全可靠的网络通信为其主要内容 通过变电站内信息高度共享 智能电子装置 1 e d 即插即用实现变电站自动化的保护 测控 运行监视 状态检修 等功能 下面详细介绍一下数字化变电站的各个特点 l 智能化的一次设备 智能化的一次电气设备主要包括电子式电流电压互感器 智能型断路器隔离开关 智能型变压器 以及其他电气辅助设备等 一次设备与二次设备的接口由原来的继电器 电缆等模式转化为光电数字接口 且接口满足相关的标准 能够被通用二次设备所访问 此外 智能化的一次设备还能对设备本身进行完善的实时信息记录和检测 把其健康状 2 华北电力人学t 程硕十学位论文 态 运行模式等信息直接以数字信息提供 现在电子式电流互感器一般遵循i e c 6 0 0 4 4 8 的标准 电子式电压互感器遵循i e c 6 0 0 4 4 7 的标准 4 5 1 经过智能设备合并单元 m u 转换成满足i e c 6 1 8 5 0 9 2 的采样值数据发送到过程总线 智能开关的相关标准j 下在制订 中 2 网络化的二次设备 常规变电站的智能二次设备 如 保护装置 测控设备 防误闭锁设备 电压无功 控制设备 同期设备 电能质量检测设备等不再以相互独立简单耦合的方式互联而均以 标准的以太网方式平行连接 接口方式 接口标准高度统一 实现数据 资源的高度共 享 这种接口标准就是i e c 6 1 8 5 0 从而使网络构成更加简单高效 6 此外 由于数据实 时共享直接简化了原有的重复采集 重复处理和重复设计 从工程角度避免了二次开发 从维护角度简化了方法 减少了备品备件的数量 3 自动化的运行管理系统 常规变电站的自动化系统主要实现了系统运行管理的自动化 而设备管理基本上处 于定期检修方式 造成大量的人力物力浪费之外 还使很多精密设备检修不合理导致寿 命的下降 更严重的是一些隐性故障不能及时发现和排除 从而带来事故的发生 而事 故又往往会导致事态的进一步扩大 造成难以估量的损失 而数字化变电站的所有一次 设备 二次设备均具备完善的自检和互检功能 能快速 准确的识别出设备的轻微异常 同时能够科学的根据设备的运行情况合理设计检修策略实现 状态检修 达到设备管理 自动化 从以上的特点可以看出 数字化变电站与常规变电站的自动化系统已经有了很大的 区别 网络构成方式 信息交换方式 解决的内容等环节均有了本质意义上的提高 而 实现数字化变电站也有许多新的问题需要解决 简单叙述如下r 7 l i e c 6 1 8 5 0 标准作为数字化变电站自动化系统的核心标准已经正式颁布 我国也 等同引用为d l t 8 6 0 系列 但标准的实施经验并不充分 很多内容不尽完善甚至不合理 而且制定标准的过程中也没有我国的专家参与 实施中发现与我国的实际应用有不小的 差异 目前标准正处于不断改进完善阶段 由于i e c 6 1 8 5 0 中支持了很多自定义的部分 同时为用户设计提供了较大的灵活度 这也从另一个角度导致了各设备制造商或研究机 构对标准有不同的理解 为实现互操作带来了一定的困难 所以标准的尽快完善和各种 相关规范的制定是实施数字化变电站的基础条件 2 数字化变电站自动化系统完全依赖于通信网络的可靠性 同时对网络性能也有很 高的要求 过程层一般由采样值实时报文和g o o s e 报文构成 信息量大而且不能出现 任何网络阻塞或丢失 否则均有可能对系统安全运行带来危害 间隔层内一些基于多 a g e n t 的集成保护控制功能也依赖于实时的全景数据 8 所以对网络的健壮性和可靠性 的要求很高 变电站内复杂的电磁环境 恶劣的工作环境以及不问断的运行需求对通信 网络的核心部件工业以太网交换机而言是一个考验 此外由于带宽或m c u 处理能力的 华北电力大学ji 程硕士学位论文 镜像 端口聚合 网络风暴抑制等高级应用功能也是交换机需 要解决的问题 3 对l e d 的软硬件平台提出了更高的要求 高速的网络数据处理 快速的应用数 据处理 庞大的网络协议栈及i e c 6 1 8 5 0 协议栈 超大内存需求 海量的数据存储等均 需要一个复杂的高速硬件系统 而综合调度硬件资源 合理分配c p u 的处理能力又要 求有一个实时性好 确定性强 可靠性高的嵌入式操作系统 这些均与简单实现常规的 变电站自动化系统有了巨大的差别f 9 埘 4 电子式互感器 户外l e d 设备的设计寿命是影响整个数字化变电站生命周期的 关键问题 在复杂的运行工况下如何既保证设备运行可靠又保证设备的高寿命也是现在 实施数字化变电站的一个敏感问题 1 3 数字化变电站自动化系统的研究现状 为了系统的解决常规变电站自动化系统的问题 国内外的专家学者 供电企业 科 研机构及设备制造商进行了大量的研究和尝试 早在2 0 0 0 年 清华大学卢强院士就提 出了 数字电力系统 d i g i t a lp o w e rs y s t e m s 缩写为d p s 的概念 并将其定义为 某一实际运行的电力系统的物理结构 物理特性 技术性能 经济管理 环保指标 人 员状况 科教活动等数字地 形象化地 实时地描述与再现 这一定义认为数字电力系 统主要包括管理和决策的科学化 安全稳定性实时评估与改善 经济运行策略制定和实 行 紧急控制的实施 最适解列方案的实施 快速恢复策略的制定 科学研究和系统规 划设计等七个方面的主要功能 卢强院士将一个实际的电力系统和一个数字电力系统对 应起来 通过数字电力系统的实时仿真来实现对实际电力系统的控制 随后电力系统的 数字化在稳步推进 国家电网公司提出了要建设数字化电网 信息化企业的发展战略 并制定了 数字化电网关键技术研究框架 试图探讨电网和企业的数字化问题 近年 随着i e c 6 1 8 5 0 标准 智能化开关 光电式电流电压互感器 网络通信技术 计算机技 术及i t 产业的快速进步 为实现全数字化 高度集成化 效率最大化的智能变电站提 出了坚强的支撑 近年来由于电力市场 安全与电能质量 环境等问题催生出了智能电网的概念 其 重点解决提高设备运行效率 缩短停电次数 降低停电时间 降低电力价格 与电力客 户实现互动 提高电网安全 可再生能源的接入等突出问题 智能电网 顾名思义就是 电网的智能化 它是建立在集成的 高速双向通信网络的基础上 通过先进的传感和测 量技术 先进的设备技术 先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用 实现 电网的可靠 安全 经济 高效 环境友好和使用安全的目标 其主要特征包括自愈 激励和保护用户 抵御攻击 提供满足2 1 世纪用户需求的电能质量 容许各种不同发 电形式的接入 启动电力市场以及资产的优化高效运行 由此可以看出数字化变电站作 4 华北电力人学工程硕十学位论文 为智能电网中智能变电站的一个子集与智能电网的建设需求一致 在2 0 0 9 年国家电网 公司颁布的 智能变电站技术导则 初稿中 更是明确提出了智能变电站采用 d l t 8 6 0 对应i e c 6 1 8 5 0 作为站内通信网络标准 采用高度集成的设计思想实现协同分 析综合控制 l 本文讨论的数字化变电站是智能变电站的基础是实现统一坚强智能电网 目标的重要组成部分 1 3 1国内外数字化变电站的研究现状 与数字化变电站相关的研究领域主要包括i e c 6 1 8 5 0 标准的制定 改进 实施及测 试 通信网络的设计与可靠性研究 同步技术的应用 电子式互感器的产品化与可靠性 研究等 目前这几个领域国内外的研究机构和厂商均进行了大量的工作也取得了一定的 成绩 i e c 6 1 8 5 0 是国际电工委员会i e c 的t c 5 7 工作组在2 0 0 4 年发布的一个标准系列 标准制定的主要目的是为了解决不同厂商的i e d 之间的互操作问题 达到 o n ew o r l d o n et e c h n o l o g y o n es t a n d a r d 的目标 标准主要参照了u c a 2 0 和i e c 6 0 8 7 0 的研 究成果和一些国际厂商的技术实践 在标准制定后期a b b s i m e n s a r e v a 等国际 公司直接参与进行的大量实验探索以验证标准的可行性和完整性 当2 0 0 4 年标准发布 时这些厂商已经有符合标准要求的i e d 以及过程层设备推出 所以国外无论对标准的研 究还是对产品的实现均作了大量的工作 当然 随着应用的深入i e c 也在不断的对标准 进行改进和完善 当前 许多国家已经开始引进此标准作为本国的变电站自动化系统的 设计规范 荷兰k e m a 公司参与了标准起草过程的各种试验他专注于研究i e c 6 1 8 5 0 通信分析 和测试工具以及i e c6 1 8 5 0 一致性测试和认证 经过各种试验 k e m a 公司完善了其i e c 6 1 8 5 0 通信分析工具 积累了对i e c6 1 8 5 0 产品进行测试的宝贵实践经验 开发出了i e c 6 1 8 5 0 一致性测试平台 并从u c a i n g 取得了对i e c6 1 8 5 0 产品进行一致性测试的资质 成为全球公认的i e c6 1 8 5 0 产品权威测试和认证机构 k e m a 公司的认证机制 使那些 未参与互操作试验的大多数厂家可以通过在k e m a 公司进行测试来达到i e c6 1 8 5 0 实 现的一致性 也为广大用户了解有关生产厂家的i e c6 1 8 5 0 产品实现一致性的情况提供 了参考 一些大型电气制造商在电子式互感器的研究和产品化方面也取得了较大的进步 a r e v a s i e m e n s a b b 等厂家已经可生产有源的或无源的用于高压电网的电子式电 流 电压互感器的全线产品 高压侧额定电流达4 0 0 0a 最高电压等级达7 6 5k v 准确度达 到0 2 级 1 由于数字化变电站采用了采样值传输的方式 所以采样的同步性成为了关键问题 在i e c 6 0 0 4 4 中引入合并单元概念实现关键信号按阳j 隔的同步 这种方式的缺点是没有 实现全站数据的同步 当前借助于i e e e l 5 8 8 i e c 6 1 5 8 8 实现全站的采样同步j 下处于 在电子式互感器研究方面 我国哈尔滨工业大学 华北电力大学 华中科技大学 清华大学 许继电气股份有限公司及国电南瑞科技股份有限公司等多家单位实现了罗氏 线圈原理和磁旋光原理的电子式互感器 并已经得到了一定规模的试用 其中有源电子 式电流 电压互感器已经达到较实用的水平 在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术 委员会的主持下 参照国际电工委员会制定的标准i e c6 0 0 4 4 7 i e c6 0 0 4 4 8 并结合我国 的实际情况 正在制定相应的电子式电压互感器标准及电子式电流互感器标准 目前已经 完成了送审稿 其正式文本不久即将颁布 国际电工委员会和我国制定 发布这2 个标准 的时机也说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入到了实用阶段e 1 3 1 4 1 3 2 数字化变电站对变电站自动化系统的影响 数字化变电站的自动化系统与常规变电站自动化系统已经有了很大的区别具有了更 6 华北电力大学 l 程硕 学位论文 鲜明的特征 对变电站的自动化水平有了很大的促进 l 数字化变电站的自动化系统的可靠性更高 数字化变电站由于采用光缆代替了大 量的电缆 从而使电磁干扰进入到i e d 和网络的途径大量减少 优化了二次设备的电磁 环境 提高了设备运行的可用性1 1 5 1 2 数字化变电站自动化系统的生产 运行效率更高 数字化变电站采用了统一的标 准减少了二次开发和网络设计的复杂性 自动化系统网络采用了三层方案 避免了更多 的规约转发 减少了通讯环节 从而使通讯效率跟高 数字化变电站中一次设备的智能 化避免了二次设备的重复采集和处理 提高可靠性的同时 降低了工程实施的复杂性和 工程造价 3 数字化变电站自动化系统包含了更多的内容 常规变电站自动化系统是以保护 测控 远动 监控等功能为核心通过通信接口把变电站内的防误闭锁系统 直流电源系 统 故障录波 电能计量系统等其它领域的设备信息实现信息汇总从而实现远程监控和 自动化管理等 数字化变电站把以上各不同系统完全整合为一个无缝系统 同时不仅考 虑系统的运行监视还把设备管理纳入到自动化系统范围内 4 数字化变电站自动化系统因为采用了高度的信息共享 所以可以实现变电站某一 断面的全部实时信息 为运行人员进行系统分析 故障排查提供了更完整 更全面的数 据 5 数字化变电站采用了电子式互感器 解决了常规变电站的的互感器饱和和线性传 变问题 降低了继电保护 故障录波等受一次设备影响程度 简化了设计 怕l 1 7 1 6 数字化变电站使对自动化系统的工程设计和施工简化 减少了设备的端子连接 电缆走向设计 优化电缆沟设计 1 4 本文所作的工作 本文是在查阅了大量的资料和文献的基础上 结合我国的实际情况设计了一个数字 化变电站自动化系统解决方案 该方案的主要特点是在i e c 6 1 8 5 0 的框架下的信息的高 度集成和控制的高度集成 并完成了方案中核心产品的软硬件平台和网络构架设计 主 要如下 l 第一章总结了变电站自动化系统和数字化变电站的特点 并就数字化变电站的自 动化系统的研究现状和区别于常规变电站自动化系统的特点进行了阐述 2 深入研究i e c 6 1 8 5 0 标准的技术体系 对i e c 6 1 8 5 0 的特点和内容进行了总结和 归纳 并重点对其与变电站自动化系统关联密切的服务模型和通讯架构 i e c 6 1 8 5 0 9 采样值传输模型 g o o s e 模型进行了深入研究与探讨 3 结合数字化变电站对自动化系统的需求设计了一种二次系统的解决方案 并分析 7 华北电力火学1 1 程硕士学位论文 方案的优缺点 指出了方案的发展契机 同时对构成本系统的各个关键的元件的功能 性能进行了详细的分析 4 对构成本系统的智能终端设备 集成控制设备的硬件平台进行了详细描述并分析 选用此平台的原因和理由 5 对构成本系统的产品的软件平台进行了深入细致分析 主要是操作系统的选择 编程的设计思想等内容 并给出了实际的设计实例 6 本文还在上述的数字化变电站的框架内探讨了集成保护的设计思想 采用集成化 护的必然性 并探讨了集成信息的框架对继电保护原理和配置的影响 并以实例的方 分析了一个变电站的保护配置及其特点 7 本文的最后部分对本文的内容进行了总结并提出了数字化变电站的实际应用过程 还有哪些问题和契机 对未来进行了展望 8 华北电力火学 i 程硕士学位论文 第二章数字化变电站的核心标准ie c 6 18 5 0 2 1i e c 6 1 8 5 0 概述 为了满足在变电站自动化系统s a s s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m 中系统集成的 需求实现不同厂商之间的智能电子设备l e d i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e 的互联互 通 国际电工委员会i e c i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n 认识到有必要 制订一个更通用 更全面能够涵盖整个s a s 的通讯标准 1 9 9 8 年i e c 的t c5 7 开 始以u c a 2 0 的设备模型和应用服务模型为基础并参考i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 的推广经验 制订i e c 6 1 8 5 0 标准 并在2 0 0 0 年的6 月决定将i e c 6 1 8 5 0 作为变电站通信网络与 系统的唯一国际标准和电力系统无缝通讯体系的基础 2 0 0 3 年9 月至2 0 0 5 年6 月 i e c6 1 8 5 0 的各部分版本陆续颁布 我国也把i e c 6 1 8 5 0 等同引用成国家标准的 d l t 8 6 0 系列 随着在全世界范围内的互操作试验 一致性测试及工程实践中暴露出的问题 i e c 也在不断对其修改完善 其中6 1 8 5 0 7 4 的逻辑节点模型已经有了很大的扩充 2 0 0 8 年9 月的年会上正式撤消了6 18 5 0 9 1 名称也从原来的 变电站通信网络和 系统 改为 电力企业自动化通信网络和系统 i e c6 1 8 5 0 的目的是规定各项要求并提供一个框架以达到由不同供应商提供的 i e d 的互操作性 并最终实现 一个世界 一种技术 一个标准 1 8 相比较于s a s 相关的其它标准 i e c 6 1 8 5 0 有了很大的改进和突破 i e c 6 0 8 7 0 5 系列更侧重于信息格式和信息语义的描述 甚至规定了部分保护功能 虽然提供了 一种信息扩展的功能 但仍然令其的适用范围和互操作的效果受到了很大的限制 u c a 2 0 标准虽然定义了通用对象和通用服务的模型并对应到了制造报文规范 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 的相应对象和服务上 但它又缺乏层次化 的结构设计 设备缺乏配置信息且未涉及到过程层等不足 i e c 6 1 8 5 0 充分考虑上这 些问题 通过抽象模型映射到m m s 实现了信息框架和服务框架 通过引入变电站 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 实现了设备的自描述 通过 i e c 6 1 8 5 0 9 2 的采样值规范实现了过程层的接口描述 而且i e c 6 1 8 5 0 大量引入成 熟的标准和规范 使其更侧重于一种规则的引入 所以i e c 6 1 8 5 0 是一个更全面 更丌放 通用性和普适性极强的标准 现在 i e c 正致力于将i e c6 1 8 5 0 和i e c6 1 9 7 0 变电站与控制中心之间的通信标准 进行整合成i e c 6 1 8 5 0 这样从变电站的过程 层到间隔层 间隔层到变电站层 从变电站到控制中心都将采用i e c 6 1 8 5 0 标准 作为电力系统无缝通信体系的基础 未来将广泛用于配电自动化系统 电能计量系 统 分布式能源以及火力水力风力发电厂自动化系统等 而成为电力系统中最完备 o 华北电力大学 l 程硕十学位论文 最重要的通信标准 i e c 已经决定不再发展其它已颁布的通信标准 i e c 6 1 8 5 0 庞大的标准体系及其引入的其它专业学科领域的概念 技术思想和支 撑工具 这不仅使标准本身变得复杂且难于理解 对设计开发l e d 的软硬件水平也 提出了较高的要求 具有相当的技术难度 虽然国内外的厂家已经进行了大量的研 究和实践 真正可靠 全面的实现i e c 6 1 8 5 0 是一个长期课题 2 2i e c 6 18 5 0 的特点 i e c 6 1 8 5 0 标准把变电站自动化系统分成三层即变电站层 间隔层和过程层并定 义了各层之间的接口 其中过程层实现与一次设备接口的相关功能 如模拟量采集 状态量采集 输出控制等功能 间隔层功能是利用本间隔的数据对一次设备产生作 用 变电站层是利用全站的数据对整个变电站进行综合控制 系统管理及与远方控 制中心 工程师站和人机界面通信的功能 过程层设备通过过程总线与间隔层设备 交换数据 其基本的通讯体系是i e c 6 1 8 5 0 9 的采样值传输协议和g o o s e 传输协议 间隔层之间以及间隔层与变电站层之间交换数据通过变电站层总线实现 主要采用 i e c 6 1 8 5 0 8 的制造报文规范m m s 和g o o s e 传输协议 实际应用中 一般把合并 单元m u m e r g i n gu n i t 智能开关控制设备定义为过程层设备 主要实现对模拟量 采集并按i e c 6 1 8 5 0 9 的协议标准发送到过程总线 把状态量信息采集并按g o o s e 传输协议发送到过程总线 同时接收间隔层的g o o s e 控制命令实现对断路器 隔 离开关的控制 保护 测控等设备作为间隔层的设备从过程层接收采样值信息和状 态信息并根据保护规则下发对开关设备的控制命令 保护设备间可以通过g o o s e 进行快速信息交换也是i e c 6 1 8 5 0 标准的一个重要成就 它为实现操作联锁 顺序 控制等功能提供了信息基础 目前已经有很多利用g o o s e 实现变电站高级控制功 能的成果 变电站层的设备主要指通讯服务器 工程师工作站等 它通过m m s 得 到间隔层保护的动作信息 测量信息及实现控制命令是i e c 6 1 8 5 0 标准重点解决的 部分 采用了协议分层的设计方法 设计出抽象通信服务接口a c s i a b s t r a c t c 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 它独立于具体的网络应用层协议 如m m s 且和 具体的网络无关 然后再利用特定通信服务映射s c s m s p e c i f i cc o m m u n i c a t i o n s e r v i c em a p p i n g 关联到成熟的通信栈如m m s 中 这样m m s 的发展只会带来 i e c 6 1 8 5 0 标准的进步而不会影响到其整个体系 当然如果有更加先进的通信栈的出 现i e c 完全可以设计新的s c s m 去与之映射而加以利用 可见i e c 6 1 8 5 0 标准的协 议分层的方式解决了标准的稳定性和未来网络技术发展之 自j 的矛盾 是其具有长期 生命力的主要手段 l o 华北电力大学 上 程硕士学位论文 采用了面向对象的统一建模 i e c 6 1 8 5 0 标准充分借鉴了u c a 2 0 的建模思想 1 9 1 而放弃了i e c 6 0 8 7 0 系列的线性数据库索引的信息构成方式 它参照了实际物理设 备和逻辑功能的特征但又不与它们的实际特性进行关联 抽象成一个个独立的对 象 每个对象的数据信息反应了实体的全部特征 这种面向对象的设计解决了信息 与功能的耦合关系 是增加其普适性的重要方法 2 0 1 i e c 6 1 8 5 0 7 3 部分对公用数据 属性和公用数据类进行了详细的规定 i e c 6 1 8 5 0 7 4 部分则详细的列举了信息实体 逻辑节点的种类 并对其扩展方法进行了规定 实际应用中公用数据类已经足够详 尽和完善 i e c 也不推荐再对此进行扩展 这部分规定使在i e c 6 1 8 5 0 标准框架内的 数据特征有了统一的平台 逻辑节点总类虽然已经列举了9 0 多种 但工程实践中 仍需进行扩展 目前i e ct c 5 7 正在对新的逻辑节点进行规定 这些就是i e c 6 1 8 5 0 标准中对信息实体的描述 所有的服务和数据交换均以此为基础 在进行i e d 开发 过程中可以借鉴这种面向对象的设计思想并利用逻辑节点的设计成果 直接把其功 能实体与信息实体进行关联 从而使对象特征更加完整 把i e c 6 1 8 5 0 标准不仅作 为规约来实现更是作为一种规范来遵循 这是全面实现i e c 6 1 8 5 0 标准的发展方向 也是必由之路 采用了变电站配置语言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 实现自我描述 在以往的规约中均是对数据格式和含义进行一种离线的描述和约定 任何部分的变 化均需信息发送和接收方进行同步调整 实际工程中更需对所有数据进行逐点校 对 工作量庞大而琐碎 i e c 6 l8 5 0 标准借鉴了成熟的扩展标记语言x m l e x t e n s i b l e m a r k u pl a n g u a g e 的技术并在其规则基础上建立了变电站配置语言s c l s c l 是 用来描述变电站的一次系统结构 网络配置 智能电子装置的配置及装置之间数据 交换配置的文件格式 它允许i e d 将其本身的配置信息传递给配置工具 同时也支 持配置工具结合变电站的实际情况对其进行修改从而对l e d 的通信功能进行调整 实际应用中l e d 生产厂商提供i e d 的配置文件或经i e d 配置器生成配置文件成为 i c d i e dc a p a b i l i t yd e s c r i p t i o n 用于对l e d 进行表征 所有i c d 文件传送给系统 配置器 系统配置器结合系统描述文件s s d s y s t e ms p e c i f i c a t i o nd e s c r i p t i o n 生 产新的系统配置文件s c d s y s t e mc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o n 和i e d 配置文件c i d c o n f i g u r e di e dd e s c r i p t i o n 前者用于描述s a s 功能 通信配置 后者描述了 i e d 和s a s 间的关联 再经过i e d 配置器 或直接 传送给i e d 这样即实现了利 用s c l 实现s a s 的基本过程 实际工程中i c d 文件由设备厂商提供 部分厂家需 要i e d 的配置工具 大部分厂家随设备直接提供 s s d 文件一般应设计单位提供 用于对全站信息进行描述 系统集成商利用系统配置器完成配置的全过程 c i d 文 件一般直接下载到l e d 内即可 理论上s c d 文件直接指导了监控系统 保护信息 管理系统的信息接e 1 但实际上这项技术并未成熟 总之 有了基于s c l 的各种描 华北电力大学工程硕士学位论文 述和配置文件实现了设备和工程的关联 也是实现互操作的前提条件 综上所述 i e c 6 1 8 5 0 不应简单理解为通信协议 因为它没有明确给出通信报文 的组织规范 而是通过分类和抽象s a s 中的各类自动化功能 从规范功能服务入手 去实现标准的目标 同时通过强制约束的结构化信息模型来标准化的承载s a s 的所 有信息 2 3i e c 6 18 5 0 的基本构成 标准采用功能分解 数据流和信息建模的方法制定 功能分解是为了理解分布 功能组件间的逻辑关系 并用描述功能 子功能和功能接口的逻辑节点表示 数据 流是为了理解通信接口 通信接口应支持分布功能的组件间交换信息的功能性能要 求 信息建模用于定义信息交换的抽象语义和语法 并用数据对象类的类型 属性 抽象对象方法 服务 和它们之间关系表示 4 1 i e c6 1 8 5 0 标准体系由1 0 个部分构成 其拓扑关系图2 1 如下所示 i基本原则i p a r tl p a r t8 5 c 5 n a i s c s hb 匿 隧 s b d c a 隆啾b 匿 p a r t 2 p a r t3 p a r t 4 p a r t 5 p a r t 6 p a r t 7 p a r t9 一 p a r t1 0 p 幽2 1i e c 6 1 8 5 0 标准的拓扑构成 其中p a r tl p a r t5 主要是对规约体系的整体描述与支撑 是做为一个完整的标准 所必须具备的内容 2 1 1 2 2 2 3 2 4 2 5 p a r t6 部分主要描述了在x m l 标准下建立的s c l 是实现信息自描述的主要工具 p a r t7 介绍了通讯模型中抽象服务接口的信息模型 1 2 冒圉 华北电力大学工程硕十学位论文 和服务模型是i e c 6 1 8 5 0 标准的精髓 也是本规约体系的核心内容 p a r t8 和p a r t9 是介绍了与抽象服务接口的两种特定服务映射 其中p a r t8 主要介绍了与m m s 的 映射方法 p a r t9 部分介绍了采样值传输的通讯模型 这两部分实际是实现 i e c 6 1 8 5 0 标准的主要工作内容 因为目前在间隔层与变电站层一般采用m m s 通讯 报文协议 而过程层主要是完成采样值的传输 可见p a r t7 一p a r t9 是理解和应用 i e c 6 1 8 5 0 的主要内容 p a r t1 0 部分介绍了一致性测试的方法和项目 是保证规约 一致性并最终实现互操作的重要环节 也是i e c 6 1 8 5 0 标准的特色所在 是指导设 计者实现i e c 6 1 8 5 0 标准的纲领性文件 2 4l e c 6 18 5 0 的通讯模型 i e c 6 1 8 5 0 的通讯模型主要通过i e c 6 1 8 5 0 7 部分表述 主要包括信息模型和服务 模型 其中i e c 6 1 8 5 0 7 1 部分对其基本的通信原理进行了描述是通讯模型的总括 i e c 6 1 8 5 0 7 2 部分对抽象服务接口进行了描述 主要侧重于服务模型的介绍 并在 i e c 6 1 8 5 0 8 1 部分详细规定了这种服务映射到m m s 的方法 早期的i e c 6 1 8 5 0 8 部 分还有8 2 版本 但在后期被终止了 i e c 6 1 8 5 0 7 3 部分对信息模型的基本数据属 性进行了详细规定 i e c 6 1 8 5 0 7 4 部分对主要的信息实体逻辑节点的种类进行了详 尽的描述 以上章节是i e c 6 1 8 5 0 对通讯模型的核心描述 其基本框架如下图2 2 所示 信息模型 1 5 c 61 0 弛7 2 i e c 6 1 8 站7 3 e c 6 幅缸 逻辑设备 f 一 l 逻辑i j 点 敦撤 敌捌幡忭 服务模型 取代 挖制