（电力电子与电力传动专业论文）基于网络化通信的新型保护监控装置在变电站自动化系统中的应用研究.pdf

苎璺兰! 壁垒曼! a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea p p l y i n go ft h en e w t e c h n o l o g yl e a d st ot h eq u i c kd e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mt h et h e s i sm a i n l ym a k e st h e r e s e a r c ho nt h ei n t e r n a ld a t ac o m m u n i c a t i o n ，t h ed e s i g no fc o n t r o la n dp r o t e c t i o np l a t f o r mo ft h es u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m f i r s t l y i tl o o k sb a c kt h eh i s t o r ya n da n a l y s e st h en o wa n df u t u r e o ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e m t h e n 山et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h et w op r o b l e m s o n ei st h ec h o i c eo ft h ei n t e r n a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，a n o t h e ri st h ep t a t f o r md e s i g nm e t h o do ft h ec o n t r o la n dp r o t e c t i o nd e v i c e s e c o n d l y , t h et h e s i sa n a l y s e st h er e q u i r e m e n to ft h ei n t e m a ld a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ，b r i n g sf o r w a r dt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ee t h e m e t b a s e do nt h e t h e o r y , w ec o n s t r u c tt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mw i t ht h ee t h e m e tn e t w o r k ，a n da n a l y s e sh o wt oa p p l y t h ei e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3u n d e rt h ee 山e m e ts t r u c t u mt ot h ei n t e r n a ld a t ac o m m u n i c a t i o no fs u b s t a t i o f fa u t o m a t i o n s y s t e m e x c e p t t h e s e i t d i s c u s s e do n t h es t r u c t u r e o f m c 6 1 8 5 0e o m l n u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h i r d l y , t h et h e s i sd e s i g nt h en e w - t y p ec o n t r o la n dp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nt h ed s pb yt h ep l a t f o r m d e s i g nm e t h o d a n di n t r o d u c et h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ei od e t a i l s i nt h ee n d ，i tc o n c l u d e ss o m ee x p e r i e n c ei nt h ed e v e l o p i n gc o u r s e ，b r i n g sf o r w a r ds o m ei d e a sa b o u t p l a t f o r md e s i g nm e t h o d ，a n dh a sa l r e a d yf i n i s h e dt h ed o u b l ec p uc o n t r o la n dp r o t e c t i o np l a t f o r md e s i g n k e y w o r d 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 ，e t h e m e t ，d s p , p l a t f o r m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：日期 关于学位论文使用授权的说明 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( 包括千q 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。 签名：导师签名： 日期 第一章绪论 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展和人民物质文化生活的不断提高，电力用户对电能的需求和越来越 大，对供电质量的要求也越来越高。过去的几年里，全国的电力投资达到了一个新的高峰，遍及全国各 地的各种电压等级的变电站，如何保证供电质量，保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性，是电 力部门非常关注的问题。电子和微电子技术的飞速发展，电子计算机和微型计算机技术硬件和软件技术 成果日新月异，为电力系统通讯技术的发展提供了有力的技术支持。近年来变电站综台自动化系统在全 国如雨后春笋般的发展起来，建成了一批能够实现综台自动化功能的局域性网络。 l - 1 变电站自动化技术及其发展n 1 变电站自动化技术的概念在最新的1 e c 1 s o6 1 8 5 0 - - 变电站通讯与网络的术语( 6 1 8 5 0 2 ) 中定义为 变电站自动化系统实现变电站内包括基础通信自动化。对于技术人员来说，变电站自动化着眼于自动化 中的技术和实现功能，通常来说：变电站自动化技术是指为了在变电站中实现遥控、遥测、遥信、遥脉、 遥视等自动化功能而采取的信息处理技术的总称。 国内一般把采用了变电站自动化技术而形成的变电站控制和保护系统称为变电站自动化，它包括7 个功能组：远动功能，自动控制功能，测量表计功能，继电保护功能，与继电保护相关功能，接口功能 和系统功能。 实际上随着电子和网络技术的不断发展，变电站自动化的定义和内涵还在不断的发展和充实。几十 年来，我们国家的变电站自动化技术有了很大的进步。 在6 0 、7 0 年代，变电站采用的是机电式的继电保护装置和电子式的远动装置，变电站自动化技术 主要采用的是基于晶体管的技术和集成电路技术的布线逻辑。随着电子技术和微处理器的高速发展，国 外从8 0 年代开始研制了微机远动装置、微机式继电保护装置、微机式故障保护录波装置等一系列以微 处理器和计算机为基础的变电站二次设备：这些微机化设备尽管功能各异，但其数据采集、输入输出回 路等硬件结构大体相似，因为是统一考虑变电站二次回路的功能集成化的自动化系统，受到了人们的青 陕。这种变电站自动化系统实际上只是在r 1 1 基础上另以一台微机为中心的监控系统，这种传统的集 中式r 1 哪系统实现现场数据的采集，信息的上传和下送，对现场设备的控制，微机只起监控作用( 见 图1 1 ) 。 图1 1 集中式r t u 系统结构图 这种集中式的r t u 由于要完成模拟量的输入( y c ) 、数字量的输入计算( y x ) 、遥控命令 查壹盔堂塑圭兰笙堡奎 的输出( y k ) 、各种脉冲量的积分输入( y m ) ，还要完成调度和监控的通讯任务，c p u 占用率过高， 导致冗机死机现象频有发生；其次由于集中式r t u 的大量信息的传输由二次电缆完成，由各个保护监 控单元发出，经转接屏接到r t u ，安装工作量大，配置不灵活，成本高。这一切，制约了变电站自动 化技术的提高和无人值班工作。 到了9 0 年代中期，计算机技术、通信技术和网络技术飞速发展，根据变电站的实际情况，一种结 合开放的网络技术和网络协议的单元分布式分层综合自动化系统在广泛的实际应用中体现出越来越大 的优势。这种新型综合自动化系统采用分层分布式思想，系统资源综合考虑，采用面向间隔的设计， 将全站的保护、测量、控制功能依其对应的一次、二次设备按照单元分布下去，各种单元智能装置( i e d ) 用于处理各开关单元的继电保护和完成监控功能。在变电站层设置计算机控制系统，通过管理保护单 元和现场各间隔装置进行联系( 如图i 2 ) 。通信方式由早期的串口r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ，到近年来的现场总 线技术( 加l o n w o r k s 网、c a n 网，p r o f i b u s 等) 和以太网( e t h e r n e t ) 技术；在变电站综 合自动化的功能，将遥测、遥信采集和处理，遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元装置独立 完成，通过监控网络，将这些信息送至后台主计算机，变电站的综合功能均由后台计算机系统承担。 图1 2 分层分布式综合变电站结构 婀度 墒 这种分层分布式系统相比集中式r t u 系统有如下优点： 减轻了安装工作量和维护工作量。由于站控层设备和间隔层之间，间隔层设备之间的信息交 换是通过通信来实现，因此安装时节约了大量的二次电缆，取之而使用比较便宜的同轴电缆 或取绞线，节约了投资费用，减轻了安装工作量。对于维护来说，由于变电站是面向间隔设 计，结构分明，调试容易，也大大减少了维护的工作量。 增加了运行可靠性和安全性。由于分布式自动化系统各间隔单元保护，测控功能均在该间隔 内单独实现，即便菜单元模块发生故障，也不会影响整个斓络。 综合自动化系统站控层设备信息共享提高变电站的运行管理能力；在信息共享的基础上。在 高压变电站中站控层可以通过设置数据服务器，工程师工作站，保护工作站。运动主站，g p s 系统等等，工程开发人员非常方便地设计了一些运行辅助工具，如设备管理数据库，保护管 理平台等，大大提高了系统的运行管理水平。 增加了扩展性和兼容性。只要在保护管理单元的软件上稍做修改，只要遵循通讯网络协议， 确定新增单元的地址，增加再多的不同厂家的单元装置都不成问题，体现了开放性的原则。 设计工程师可以根据不同的变电站的规模进行设计，而在硬件上不需要做修改，增加了系统 的兼容性。 目前国内国电南京自动化设备总厂、南瑞继保、系统、城乡电网，四方公司等厂家均推出了 2 引l引j 塑二童缝鲨 这种综合自动化系统，并在全国各级变电站中实际运用。 上述变电站产品类型基本反映了目前在变电站自动化中存在的两种观点： 第一种技术观点认为：变电站自动化系统主要考虑“四遥量”的采集，以点为对象，面向功能设 计，故变电站综合自动化系统应以传统的r t u 装置或在其基础上发展起来的数据采集装置、主控单元、 遥控执行等装置组成的监控组成，它与微机保护保护的联系只要通过装置上的串行接口收集信息即可， 并且特别强调保护的独立性，即两者之间不能有任何硬件上的融合。由于变电站综合自动化源自“传 统四遥”并在微机远动和微机保护基础上发展起来的，且保护和远动分属不同部门和专业，故这种技 术一度流行。 第二种技术观点认为：综合自动化技术是以先进可靠的微机保护为核心，以成熟的网络通信技术 将测量控制和继电保护融为一体，共享数据资源，并十分强调系统的总体结构优化以及系统的可靠性。 系统是以对应的一次设备为对象，采用面向“对象的设计”。主张在决不降低保护可靠性和功能的前提 下，目前至少在低压上采用保护和监控合一的综合装置。 随着微机保护技术的成熟并向网络化多功能方向发展，以及按这一概念设计的变电站综合自动化 系统的成功投运，第二种技术观点正逐步成为大家的共识，它也成为了目前综合自动化技术发展的趋 势和潮流。 1 2 当前变电站自动化中存在的问题和讨论 自从1 9 9 4 年我国第一套分层分布式变电站自动化应用以来，随着综合自动化系统越来越普及、经 验的积累，综合自动化系统也越来越成熟。但是在网络技术和通讯技术不断进步的情况下，变电站综 合自动化系统也面临着不断的改革。目前对变电站的一些共性问题的讨论也比较活跃，这里提出几个 目前的讨论热点问题”1 ： a 通信网络的标准化和可靠性问题； 变电站综合自动化系统分为变电站层，间隔层，和过程层；各个层次的信息传输采用何种 方式。目前在现场应用中变电站层应用较多的是以太网和现场总线通信方式。问隔层之间，间 隔层到变电站层之间应用较多的是采用串1 2 1 通信方式，现场总线方式。间隔层设备之间有无需 要也采用以太网方式? 过程层到间隔层是否也采用网络通信方式? 目前各厂家在变电站站内通信方式存在很大差异，采用通信协议不尽相同，如何解决接口兼 容问题，实现无缝通信? 采取何种方法可以解决变电站尤其高压变电站普遍电磁干扰比较严重下保持通信可靠性问 题? b 1 e d 是否能集成更多的功能的问题； 变电站中传统的设计方法是在间隔内将保护、测控等二次功能按功能独配置装置；能否在变 电站中实现保护、测控等功能集中的装置是否可行? c 关于分层分布式系统中的对时问题； 目前国内变电站内对时方案是选择网络对时方案，还是脉冲对时方案? 有无必要在每个间隔内 设置一个g p s 接收装置? 1 3 本课题研究的重点和所做的工作 本课题在研究和学习k t 2 0 0 0 中低压变电站综合自动化系统的基础上，开发了以d s p 为核心的中 低压保护监控平台。其主要内容如下： 学习了国内外中低压变电站自动化技术的技术发展现状，对变电站综合自动化概念和技术有了一 定了解。 在对国内外变电站综合自动化系统( 包括四方公司c s c 2 0 0 0 、南瑞电网的d s a ，国电南自的 r c s 9 0 0 0 等) 做了重点调研之后，并在实际工作中参与了k t 2 0 0 0 系统的应用和研究，在对国内目前 综自产品其功能和性能有了深入了解之后，详细分析了目前变电站通讯网络中的信息传输要求，并对 目前比较常用的r s 4 8 5 4 2 2 总线、c a n 总线，l o n w o r k s 总线、以太网在变电站通信中的传输性能 3 奎查丕堂塑主釜焦鲨三 进行了比较分析，提出了未来变电站自动化系统的通信模型。 综合自动化系统的一个重要目的是允许网络的局部更新和兼容性，因此实现一个先进的，能适应 未来发展需要的变电站站内通信规约非常重要。以前大多数中低压变电站中通信网络是基于串口总线 的，两i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 是部颁的变电站站内基于串口总线的通信规约，已经广泛应用于变电站站内通 信系统中了，极大的提高了变电站自动化的系统的互操作性和兼容性。而随着以太网技术的发展及其 在工业中不断的成功应用，变电站自动化系统通信刚络也逐渐要求采用以太网组网的方式，不同的网 络结构使得原有的通信协议不再能做到无缝移植，各变电站自动化系统厂商纷纷定义了自己的基于以 太网的通信协议，这又极大的影响了变电站自动化系统的兼容性，因此在i e c 6 1 8 5 0 协议实际应用之 前，制定一个符合发展潮流、兼容现有规约协议的基于以太网的站内数据通信协议显得较为有实际应 用意义。基于此背景，本课题研究设计了基于以太网的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 规约，并探讨学习了如何实现 未来变电站自动化的无缝通信标准规约i e c 6 1 8 5 0 。 本文设计了以1 1 公司d s p 为平台的基于嵌入式以太网的中低压保护测控装置平台，并详细介绍 了硬件模块、软件设计流程和应用过程。 在文章的结尾，展望了微机保护、测控装置平台的发展方向和变电站综合自动化系统的未来。 1 4 本章小节 本章分析了国内外变电站综合自动化系统的发展和目前的技术水平，分析提出了目前变电站综合 自动化系统中的一些热点问题。之后又对本文所作的工作进行了概括和说明。 4 第二章分布式变电站站内通信系统的选择与设计 第二章分布式变电站站内通信系统的选择与设计 变电站综合自动化通信网络系统是连接站内各种智能电子设备( i e d ) 的纽带，是数字化变电站自动 化系统的命脉，通信网络的根本任务是解决综合自动他系统内部以及与其他系统之间的实时信息交换， 而网络是不可或缺的功能载体，那么构建一个可靠、实时、高效的通信网络系统是变电站自动化系统关 键。 2 1 变电站综合自动化系统站内通信网络 2 1 1 分布式变电站站内通信网络要求 通信网络是变电站自动化的命脉，如何保证通信网络可靠性、经济性和传输信息的快速性决定了 系统的可用性。而基于变电站的特殊环境和综合自动化的要求，变电站综合自动化系统内的数据网络 具有如下几个特点和要求”j ： 1 1 很高的可靠性 电力系统是连续运行的，数据通信网络也必须连续运行，通信网络的故障和非正常工作会影响 整个变电站综合自动化系统的运行特别是数字、图像信息的多媒体技术的应用，我们会更加依赖 通信网络，因此，一个可靠的通信网络是首要条件。 2 )快速的实时响应能力 综合自动化系统的数据网络要及时的传输现场的实时运行信息和操作控制信息。在电力工业 标准中对系统的数据传输都有严格的实时性指标，网络必须很好的保证数据通信的实时性。 3 ) 开放性 站内通信网络为调度自动化的一个子系统，除了保证站内i e d 设备互连、便于扩展外，它还应 服从电力调度自动化的总体设计，硬件接口应满足国际标准，选用国际标准的通信协议，方便用户 的系统集成。 4 ) 优良的电磁兼容性能 变电站是一个具有很强的电磁干扰的环境，存在电源、雷电、断路器、开关跳闸等强电磁干 扰和地电位差干扰，通信环境恶劣，数据通信网络必须注意采取相应的措施消除这些干扰的影响。 5 ) 分层式结构 这是由整个系统的分层分布式结构决定的，也只有通信子系统的分层，才能实现整个变电站 综合自动化系统的分层分布式结构，系统的各层次又各具有特殊的应用条件和性能要求，应此每 层都应有合适的网络系统。 随着变电站的无人化以及自动化信息量的不断增加，通信网络必须有足够的空间和速度来存储和传 送事件、电量、操作、故障以及录波等数据。为改善电压运行质量，无人值班变电站要求通信网络具有 电压无功自动调节功能、系统对时功能等。另外自诊断、自恢复以及远方诊断，在线状态检测是钟对运 行维护提出的几项功能要求。 2 1 2 变电站综合自动化系统通信体系及传输要求 2 1 2 1 变电站综合自动化系统结构 变电站综合自动化系统分为变电站层、间隔层和过程层三层结构( 如图2 1 所示) 。 变电站层：汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库；按既定规约把有关数据信息送往调度 或控制中心；接收调度或控制中心有关控制命令井转间隔层、过程层执行；具有在线可编程的全站 操作闭锁控制功能；具有( 或各有) 站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等 功能以及图像、声音等多媒体功能；具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态、 5 查童盔堂堕主兰焦鲨兰 在线修改参数的功能；具有( 或各有) 变电站故障自动分析和操作培训功能。 间隔层：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。 过程层：过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能化电气设备的智能化部分， 其主要功能可分为三类：电气运行的实时电气量检测。即利用光电电流、电压互感器及直接采集 数字量等手段，对电流、电压、相位及谐波分量等进行检测。运行设备的状态参数在线检测与统 计。如对变电站的变压器、断路器、母线等设备在线检测温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及 工作状态等数据。操作控制的执行与驱动。在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及 其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相 角下实现断路器的关台和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。 ( 简 。 远 保 n 护 ( 过程层) 图2 1 变电站综合自动化结构系统图 次设备 在变电站层、间隔层和过程层结构的变电站综合自动化系统中，存在下面几种方式的数据传 输流：变电站层内部的通信( 接口9 ) ，不同设备之间的数据流；变电站层和远方调度的通信 ( 接口7 ) ；变电站层和间隔层之间的通信( 接口1 ，6 ) ；间隔层设备之间的通信( 接口8 ) ； 间隔层和过程层之间的通信( 接口4 ，5 ) 。 2 1 2 2 报文传输时间的定义 报文的完整传输时间指一个报文的完整传输包括了在两端必要的处理。时间计时是从发送者把数 据内容放在它的传输栈顶那个时刻开始，一直到接受者从栈中取走数据时结束。 传输时间的要求应用于如图2 2 所示的完整传输链。在物理装置p d l 中，功能f 1 把数据发送到位 于物理装置p d 2 中的另一功能f 2 中去。传输时阔将包括单独的通讯处理器的时间加上网络时间，其 中有等待时间、网络设备所耗费的时间。 2 1 2 3 报文类型及传输性能要求 i e c 6 1 8 5 0 在变电站综合自动化系统中定义了7 种类型的报文和3 种性能级别； 性能类a 用在小型变电站或者可以允许较低数据速率的地方。 性能类b 是一组正常情况下的需求，如果用户不另外指定就使用该类。 性能类c 是用在当站内对通讯速率和数据流的要求极其高的情况下。 6 第二章分布式变电站站内通信系统的选择与设计 图2 2 报文传输总时间定义 报文类型： 类型1 一快速报文 这类报文典型地包含数据、命令或单一报文的简单二进制代码。例如，“跳闸”、“合闸”、重合命 令、“启动”、“停止”、“闭锁”和“解锁”、“触发”、释放、状态改变等。接受的i e d 通常是接受到这 类报文后立即执行。 对于性能类a ，总的传输时间必须小于一个周期( 1 6 2 0m s ) 。 对于性能类b ，总的传输时间必须小于四分之一周期( 4 - 5m s ) 。 对于性能类c ，总的传输时间必须小于i m s 。 类型2 一中速报文 此类报文的发生时间很重要，但传输时间无关紧要。报文在发送方要有自己的时标，接收方在一 定时间的传输时间延时后正常反映，然后按时间标志给出的时问来进行计算。通常的状态信息属于此 类报文。这种类型的报文也可以包含一个单独的测量变量，如从第4 类信号计算出来的一个有效值， 不需要带有时标。 总传输时间必须小于l o o m s 。 类型3 一低速报文 此类报文含有复杂的报文，可能需要时间标志。这种类型的报文般用于低速自动控制功能、事 件记录的传输、读取或改变设置点的值，还有系统数据的一般表示。不管时间标记需要( 正常) 还是 不需要( 例外) ，都应有实际应用所决定。对正常警报，事件的处理，警报和时间应有时间标记。非电 量测量( 如温度) 属于此类报文。 此类报文传输时间应小于5 0 0 m s 。 类型4 一原始数据报文 该报文类型包含了数字化传感器和数字互感器的输出数据。数据由来自每个智能电子装置i e d 的 连续的同步数据流构成，来自其它智能电子装置i e d 的数据交叉予其中。 对于性能类a l 撤据类型分辨率【位】速率【采样，秒l传输时间， 保护电压 1 34 b o1 0 m s 保护电流1 34 8 01 0 m 8 计量电压 1 21 5 0 0 1 0 0 m s 计量电流 1 41 5 0 0 1 d 0 m s 东南大学硕士学位论文 对于性能类b l 数据类型分辨串【位】速率【采样1 秒】传输时间i l 保护电压 1 69 6 04 m s 保护电流1 69 6 0 4 m s 计量电压1 44 0 0 0 1 0 0 m s 计量电流1 64 0 0 0 1 0 0 m s 对于性能类c 数据类型分辨率【位】速率【采样1 秒】 传输时间， 保护电压 1619 2 04 m s 保护电流 1 61 9 2 0 4 m s 计量电压 1 61 2 0 0 01 0 0 m s l 计量电流 1 81 2 0 0 0 1 0 0 m 8 表2 1 数据报文分类及性能要求 类型s 文件传输功能 为了达到记录或通知的目的丽传输大型文件的数据时使甩该报文类型。为了允许其它的通信网络 活动，数据必须被分割成固定长度的块。 传输时间并不重要，无具体的限制，对于远程控制，文件传输的请求应该具有存取控制。因此， 这种请求报文应该是第7 类型。 类型6 - 时间同步报文 该报文类型用在同步变电站自动化系统的内部时钟上。根据不同的目的( 事件的时间标示或原始 数据的采样精度) 而要求不同级别的时间同步精度。 这些都是功能上的需求。比如说如果l e d 中的时钟同步必须比功能需求所要求的高一个数量级， 需求由实现决定。 性能级精度 m s 】 用途 a a1 对事件时间进行标记 b b 0 1 对过零时间标志和数据的时间标 记进行分布式同步检验。支持波 形交换点的时间标记 表2 2 标准智能电子装置l e d 时间同步 类型7 带存取控制的龠令报文 该报文类型用于传输控制命令，控制命令由要求较高安全性的本地或远程人机接口( v i i ) 功能 发出。这种类型的报文基于类型3 ，并加上了额外的密码和( 或) 验证过程。 由上面可以看出，对于分层分布式变电站中的网络报文信息传输实时性要求最高的“遥控跳闸” 报文，晟小传输时间要求为等于或小于4 m s 。 2 2 综合自动化系统站内通信网络选择 在目前的变电站综合自动化系统中，变电站层设备之间的通信大多采用以太网的局域网技术。间 隔层设备通信方式采用的有r s 4 8 5 4 2 2 ，现场总线、以太网等。 8 第二章分布式变电站站内通信系统的选择与设计 2 2 1 现场总线技术1 o 1 1 1 在我国目前的变电站综合自动化系统中，串行通信技术( e i a r s 2 3 2 ，e i a r s 4 8 5 4 2 2 ) 于其结构 简单，抗干扰性好等优点，已经广泛应用于变电站通信网络。但随着通信技术和变电站综合自动化系 统实时性要求的不断提高，串行通信网络暴露出了一些问题： 不能适应中高压等级变电站中的变电站层多服务器设备的要求，不能享受多主机系统带来的优越 性能，因此不适合做变电站层的通信网络。 通信速率较低。现在应用较普遍的变电站站内通信规约1 e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 3 ，m o d b u s 等，般规定 串行通信波特率为9 6 k b i t s ，最大为1 9 2 k b i t s ，在传输实时性要求高的报文，如遥控，遥信变位等报 文时，显得力不从心。 只能实现非平衡式传输方式。由于间隔层设备都是单独的从节点，不能主动上传报文信息，如果 总线设备过多，对报文的实时性影响很大，速度和效率不能满足越来越高的通信要求。 现场总线技术随着在工业控制系统中广泛的应用，作为一种比较成熟的通信技术已经越来越多的 应用于变电站综合自动化系统通信。现场总线技术比较r s 4 8 5 通信方式有系统开放，多主通信，通信 速率高，抗干扰强的优点。目前在国内变电站自动化系统中主要应用的现场总线有c a n 总线和 l o n w o r k s 总线。 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ，即控制局域网，是国际上应用最广泛的现场总线技术之，c a n 最初是出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s o l l 5 1 9 ( 低速应用) 。c a n 是一种多主方式的串行通信总线，总线上c a n 层定义和开放互联模型( i s o ) 一致，其主要特点有： 较高的传输速率和很远的传输距离。它在最高传输速率为l h b s 时，最大传输距离约4 0 m ；当最 高传输速率5 0 0k b s 时，传输距离为l o o m ；当最高传输速率5 k b s 时，传输距离是l o k m 。 c a n 可实现分布式多机系统，每个网络节点均可主动发送，总线最多可支持1 1 0 个节点。 报文不包含源地址和目标地址，仅用标志符来指示功能信息，可实现优先级传送。因此在变电 站通信信息传输中一些重要实时响应要求较高的报文可采用高优先级传送。 节点在错误严重的情况下自动退出总线，不影响总线的工作。 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 技术是美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o r o a 和东芝公司 共同倡导的现场总线技术。处于现场控制层的l o n w o r k s 网络由通信介质、现场节点和通信协议组成。 每个现场节点由神经元芯片、收发器及外围i 0 构成，每个l o n w o r k s 核心芯片内都集成了网络通信、 i o 功能及可编程能力。l o n w o r k s 采用总线型拓扑结构，总线晟大可支持3 2 7 6 8 个节点，其主要特点 有： 简单易用。l o n w o r k s 总线通信协议( l o n t a l k ) 与开放系统互联模型( i s o ) 一致，并提供0 s i 参考模型的所定义的所有七层服务，其中1 6 层设计已经由处理器芯片完成，用户只需要设计应用层 软件即可； 高可靠性和实时性。在传输速率最高1 2 5 m b s 时，传输距离达5 0 0 米：在传输距离最高7 8 k b s 时，传输距离可达2 7 0 0 m ； 具有检测应答、自动重发，请求响应等功能。 目前现场总线技术由于诸多优于传统串行通信技术的优点，已经在我国的变电站综合自动化系统 中大量运用，运行效果良好。 2 2 2 以太网技术( e t h e r n e t ) 悖 随着综合自动化系统在更高等级电压变电站中的应用，现场总线技术的局限逐渐显露出来。以太 网技术由于其快速性、系统开放性、应用广泛性的特点已成为网络通信技术中应用最广泛网络技术之 一，而嵌入式以太网技术在实时系统中的不断开发和完善，基于嵌入式以太网的变电站综合自动化系 统也逐渐走向了应用。 以太网技术最早出现在2 0 世纪7 0 年代，后来发展成为i e e e 8 0 2 3 ( i s o i e c 8 8 0 2 3 ) 局域网标准。 9 东南大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 3 适用于c s m a c d 局域网，它包括物理层和m a c 子层协议。 2 2 2 1 以太网物理层性能规范 在f e e e s 0 2 3 标准规范中，规范物理层用三部分名称来概括其特征。这三部分分别对应l a n 工作 速率、信令方法和物理介质类型( 如图2 3 ) 。 厨目圄 图2 3i e e e 8 0 2 3 标准以太网物理层命名方法 按上述定义方法，表2 介绍了目前存在的以太网标准中的主要物理层性能规范： 以太网标准数据速率拓扑结构传输介质连接器 最大网段长度信号编码 同轴连接器 2 5 0 m 半双工 1 b a s e 5l m b s星型双绞线曼彻斯特码 ( n 型) 同轴电缆同轴连接器 5 0 0 m 半双工 1 0 b a s e 5 1 佣b s总线型 曼彻斯特码 ( 粗缆)( n 型) 同轴电缆同轴连接器1 8 5 m 半双工 1 0 b a s e 21 0 1 d b s总线型 曼彻斯特码 ( 细缆)( t 型) r j 一4 5 型连接 1 0 0 a 1 0 b a s e - t1 0 m h s星型u t p 电缆 曼彻斯特码 器( 8 脚) 1 0 b a s e fl o m b s 星型 两芯光缆光纤连接器2 0 0 0 m曼彻斯特码 r j _ 4 5 型连接 l o o m 1 0 0 b a s e tl o 删b s星型u t p 电缆 4 b 5 b 编码 器 4 1 2 m 半双工 1 0 0 b a s e - f1 0 0 1 d b s星型两芯光缆光纤连接器4 b s b 编码 2 0 0 m 全双工 1 0 0 0 b a s e t1 0 0 0 m b s星型u t p 电缆r j 4 5 连接器 l o o mp a m 5 1 0 0 0 b a s e x1 0 0 0 m b s 星型光纤光纤连接器 3 0 0 m 5 0 0 8 1 3 l o b 表2 3 以太网标准主要物理层性能规范 2 2 2 2 以太网介质接入控制方法( m a c ) 以太网技术是一种共享总线技术。以太网介质介入控制m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 方法是用 于控制网上每个节点接入网中介质的方法。m a c 处理所有以太网的数据接收和发送，包括冲突检测、 前同步码的产生和检测、c r c 产生和检测。在主机一方，从高层来的接收数据帧经姒c 送到物理层， 由此帧被转换为数据包，然后将其发送到网上；在网络一方，从网上介质来的信息包经过物理层变换 为帧后，经m a c 控制送入上层处理该帧相适应的软件( 如图2 4 ) 。 图2 4m a c 接口 o 笙三童坌塑塞奎皇堂堂堕堡焦墨篓鲍垄塑兰堂生 以太网的接入方式是称为具有冲突检测的载波监听多点接八c s m a c d ( c a r t i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t ) 。c s m a 指的是，多个节点接入到以太网中，当某个主机接口耍发送一个 分组时首先监听以太，看是否有报文正在发送( 即执行载波监听) ，当没有监听到发送时主机接口 开始发送。当没有监听到载波时，发送站必须等待一段时间才能发送信息，这段时间成为i p g ( i n t e r p a c k e tg a p ) ，一般为9 6 b i t s ，另外主机在连续发送数据帧时，必须等待一个i p g ，以使网络能给其他 主机一个接入网络的机会；当两个收发器同时监听到网络空闲，并同时发送数据帧，当这两个信号交 汇时，混杂在一起，每个信号都失去意义，这样会产生冲突。以太网采用冲突检测c d ( c o l l i s i o nd e t e c t ) 的方法处理这种冲突，即每个收发器在发送时监视电缆，看是否有外来信号干扰其发送。图6 是发送 帧数据过程的流程图。 图2 5 发送数据过程流程图 发送数据时，首先在网络上监听是否有载波存在。若在网上检测出无载波并持续时间等于或大于 帧间隔h n g ，就开始发送数据。如果在发送数据时发生冲突： 当己发送数据未超过5 1 2 b i t s 时，发送j a m 帧( 连续3 2 位0 ) ，并初始化b a c k o f f 寄存器，尝 试共1 6 次重发，每次重发均使b a c k o f f 寄存器加一，如果超过1 6 次，网络发生严重堵塞，遗弃此 帧。重发延时： f 总延时嚣l b l r ； 。t 竺3 一n ( 3 其中：o 2 。 k = m i n ( 1 0 ，n ) ，n 3 t a o t 为5 1 2 b i t s 时间5 由于每次冲突后延时增加重新发送数据，冲突次数越多延时增大，使得下一次发生冲突的几率大大减 小。 当已发送数据超过5 1 2 b i t s 时，发送j a m 帧，遗弃此次发送数据帧。 2 2 2 3 以太网帧格式 以太网帧是以太网中传输信息存在的基本形式，是以太网通信的基本单元。以太网帧长度是可变 长度的，但帧的长度不能小于6 4 字节或大于1 5 1 8 个字节( 包括首部、数据和c r c ) 。 图2 6 为以太网传输帧的基本帧结构。 】 东南大学硕士学位论文 填充区( 赖k 帧前睁帧阡蛤符目的地*坪电址长廑? 麦型敬据区小k 8 4 字节)帧c r c 撞验 图2 6以太网基本帧结构 前同步码包括帧前序和帧开始符，是6 4 比特0 、“1 ”交替序列，用来帮助接口实现同步。3 2 比特c r c 帮助接口检测发送错误：发送方，从m a c 目的地址到数据区进行c r c 一3 2 计算，接收方重 新计算c r c 的值来验证数据帧是否被正确接收。 帧长度类型2 个字节用于表示m a c 帧内不包括任何填充的数据字段长度或m a c 帧内数据字段 的数据类型，若这个区域内的取值小于或等于1 5 0 0 个字节，则其表示m a c 帧内数据字段长度，若这 个区域的取值大于1 5 0 0 个字节，则其表示客户数据要到达的上层协议类型。 m a c 的目的地址和源地址是占8 个字节以太网硬件地址，以太网的硬件地址前三个字节由i e e e 定义分配给厂商的地址，后三个字节由i e e e 厂商分配给自己的网卡的分配的号码。一个4 8 比特的地 址不仅仅是目的网络主机节点。地址可以有三种形式单播地址( u n i c a s ta d d r e s s ) 广播地址 ( b r o a d c a s ta d d r e s s ) 组播地址( m u l t i c a s ta d d r e s s ) 。 单播地址删j 以用作目的地址和源地址，网络上只有唯一和目的地址相同的以太网节点才能接受源 地址发送的分组数据。其中6 个字节的第一个字节，必须为偶数，因为第3 2 位，就是第一个字节的最 低位是组播标识，必须为o 。通常格式为x x x x x x x o ：* - - o 广播地址只能是目的地址，格式为f f ：f f ：f f ：f f ：f f ：f f ；目的地址为广播地址的数据包，可以被 一个局域网内的所有网卡接收到。 组播地址，只能作为目的地址，不能作为源地址。组播地址可以被支持该组播地址的一组网卡接 收到。其第一个字节必须为奇数。通常格式为x x x x x x x i ：一。 由于组播方式限制了广播的能力，发送一个分组可到达这个组播中的节点，其余未加入这个组播 的节点不能收到泼分组。 2 2 2 4 以太网的实时网络性能分析 由于以太网技术采用c s m a c d 技术，且报文传输不支持优先级传输，但由于其传输速率至少达 1 0 m b s ，因此可承受很大的网络负载。变电站中快速报文，如“跳闸”命令等，传输延时最大值时为 4 m s ，研究表明，当当网络负荷不超过带宽的3 7 时，以太网的传输效率是能保证的。如果在变电站 中采用合理的通信规约，网络负荷是达不到l o m b s 带宽3 7 的，网络冲突率极低。i e c 在制定6 1 8 5 0 时对各种变电站综合自动化系统以以太网网络进行数据传输时进行了实时分析( i e c 6 1 8 5 0 5 2 ) ，结果 证明采用1 0 m b s 的交换式以太网和1 0 0 m b s 共享式，以太网完全满足实时性的要求。美国电力研究院 ( e p r i ) 在制定u c a 2 0 协议体系时，对以太网的实时性分析，也得到了同样的结论。因此在变电站综 合自动化系统采用交换式1 0 m b s 以太网或共享式1 0 0 m b s 作为内部通信网，其传输实时性是有保证的。 2 3 基于嵌入式以太网的变电站综合自动化系统 变电站的通信网络的要求和规模和其在电力系统的重要性有关。不同的变电站系统决定了不同的 变电站级别和通信要求，因此我们在变电站系统设计通信系统时应采用根据不同的变电站类型和功能 进行面向对象的设计方法。下文以1 1 0 k v 两圈变压器变电站系统进行分析和设计。 2 3 1 典型变电站系统结构图 图2 ，7 为典型的1 1 0 k v 中型配电站系统图。该变电站有两回进线，两台变压器( 两圈变) ，高压侧 按内桥接线方式，在低电压侧母线按单母线分段方式接线和另有若干条出线。 1 2 第二章分布式变电站站内通信系统的强择与设计 图2 7 典型两圈变压器中低压变电站系统图 2 3 2 基于以太网的变电站通信网络结构 新一代的变电站综合自动化系统要求变电站网络主要目标是以下3 方面： a )不同厂家的自动化设备之间实现互操作性，变电站自动化功能与变电站之间规模和运行条件 无关。 b )不同厂家的自动化系统其功能应可任意地配置并具有清