110kV及以下电压等级的变电站自动化系统研究.doc

西安理工大学本科生毕业设计（论文） 110kV及以下电压等级的变电站自动化系统研究摘 要变电站自动化系统是一门随着计算机技术、通信技术的发展而发展起来的变电站智能技术科学。IEC61850标准的提出有利于提高变电站自动化系统的开放性和可扩展性，促进电力系统的保护监控朝网络化、信息化的方向发展，但同时对变电站智能设备的通信性能和处理速度也提出了更高的要求，尤其是间隔层智能设备，因其处于变电站保护监控的第一线，既要完成基于本间隔数据的保护监控功能，又要协同其他间隔及变电站层设备完成站层分布式保护监控功能，因此高性能间隔层智能电子设备的研究是实施新型标准的重要一步，具有重要的理论意义和实用价值。随着变电站自动化系统的发展，数字化变电站的出现成为了必然。数字化变电站是常规变电站的发展方向，网络架构作为数字化变电站的核心内容应对其进行深入研究。本文首先对数字化变电站的特点及发展进行了归纳总结，研究了IEC61850标准；其次通过对数字化变电站架构的论证,设计出基于IEC61850通信协议构建的数字化变电站的结构框架以及间隔层保护监控设备的硬件框图，为现阶段数字化变电站的设计提供了一种实用的网络架构方案，并为其大规模应用打下了坚实基础。关键词：数字化变电站、IEC61850、间隔层AbstractSubstation Automation System is the Substation Intelligent Technological Sciences with the development of computer technology and communication technology. The development of IEC61850 is propitious to improve the openness and extensibility of substation automation systems, it promotes the development for protection and monitoring of power system in the direction of network and information. But as a prerequisite, it brings forward higher requirements in substation devices communication performance and processing speed. Especially for the bay level intelligent devices, because they are in the first line for substations protection and monitoring, their task is not only to protect and monitor the bay component in the cell they belong to, but also to cooperate with other bay level or substation level intelligent devices to carry out substations distributing protection and monitoring function. So researching high-performance intelligent devices in bay level is an important work to implement the new standards, and it is of great theoretical significance and practical value. With the development of Substation Automation System, the emergence of digital substation becomes inevitable. Digital substation is the development direction of conventional substation. As the core of digital substation, network architecture should be carried out in-depth study. In this article digital substation characteristics and development are firstly summarized, and IEC61850 are studied; followed by that the digital substation structural framework and the spacing layer of protection monitoring equipment hardware diagram are designed based on IEC 61850 Communication Protocol. This paper provides an utility network structure scheme at this stage and constructs the foundation for large-scale applications of the digital substation.Keywords: digital substation, IEC61850, Interval level西安理工大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论111引言112数字化变电站的特点113数字化变电站的发展概况2131国外数字化变电站的发展概况2132国内数字化变电站的发展概况214本论文研究的意义和内容4第二章 基于IEC61850标准的间隔层保护监控设备功能模型研究52.1IEC61850建模方法52.2间隔层保护监控设备功能模型研究102.2.1变电站自动化系统的接口映射112.2.2间隔层保护监控装置功能模型及通信网络研究122.3小结15第三章 数字化变电站系统的架构设计163.1数字化变电站与常规综自站之比较163.2分层分布式系统结构173.2.1站控层183.2.2 间隔层193.2.3 过程层193.3数字化变电站设计203.3.1数字化变电站设计特点203.3.2数字化变电站架构设计目标203.3.3数字化变电站架构设计的实现203.3.4数字化变电站架构设计的结论243.4小结25第四章 间隔层保护监控设备硬件框架274.1分布式硬件系统构架274.2硬件各功能模块实现284.2.1内部交换机及GPS插件294.2.2保护监控功能插件304.2.3通信功能插件314.2.4人机界面插件314.3变电站间隔层局域网通信性能分析324.4小结35第五章 总结365.1结论365.2展望36致 谢38参考文献394第一章 绪论11引言随着计算机技术和电子技术的发展，由微机保护、测控装置、远动通信服务器和计算机监控系统构成的变电站自动化系统经过上世纪八九十年代快速发展，现在已成为变电站建设的标准。变电站自动化系统实现了站控层和间隔层设备数字化，以及两层间信息交换的数字化。通讯系统已建成以光缆为媒介的网络，完全满足变电站自动化系统对数据的实时性和可靠性要求，适应传感器、开关等过程层设备恶劣环境的电子技术已基本成熟，实现间隔层信息交换数字化、过程层设备数字化以及间隔层与过程间信息交换数字化的全数字化变电站成为变电站技术发展的必然趋势。12数字化变电站的特点数字化变电站指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站，基本特征为设备智能化、通信网络化、运行管理自动化等。数字化变电站有以下主要特点： 一次设备智能化采用数字输出的电子式传感器、智能开关(或配智能终端的传统开关)等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。 二次设备网络化二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆。 运行管理系统自动化应包括自动故障分析系统、设备健康状态监测系统和程序化控制系统等自动化系统，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。13数字化变电站的发展概况131国外数字化变电站的发展概况国外几个大的电力设备公司，如ABB、西门子等，已开发了全套的数字化变电站一次设备和二次设备，并得到成功的应用。在IEC61850标准的制定过程中，进行了各厂家设备间的互操作试验并在示范变电站得到应用。国外厂商已经开发出符合IEC61850要求的智能电子设备，不但有保护装置，还有符合该标准的过程层设备，如智能断路器，带数字接口的光电CT、PT等。ABB公司开发的PASS系统将智能化的开关设备和传感器集成在起，并融和了部分保护功能和测控功能。该系统在国外已有一定范围的应用。从1998年到2000年，ABB，ALSTOM和SIEMENS合作在德国进行了OCIS(Open Communication in Substations)计划，完成了间隔层设备和主控站之间的互操作试验。试验中由ABB完成主控站通过在以太网上实现IEC6185081来连接ABB、ALSTOM和SIEMENS的设备。2001年，在加拿大，ABB和SIEMENS进行了间隔层设备的互操作试验，由SIEMENS的保护装置向ABB的开关模拟器发送跳闸信号，ABB的开关模拟器收到信号后将开关打开并将开关打开的GOOSE信息发给其他设备，配置为重合闸装置的ABB保护向断路器发送重合命令。2002年1月，ABB和SIEMENS在美国，进行了采样值传输互操作试验，同年9月，这两个公司又进行了跳闸和采样值互操作性试验，试验都很成功。2002年到2004年之间，ABB、ALSTOM和SIEMENS在德国柏林进行了间隔层设备的互操作试验，这次成功的试验证明了互操作性和简化工程难度的可行性。132国内数字化变电站的发展概况电科院和国内的各大电力设备制造厂商从2001年就开始关注IEC61 850，并且开始对该标准进行翻译。到目前IEC61850的国产化工作已基本完成。国家电力公司积极推进互操作性试验检验和促进IEC61850系列产品的开发和兼容情况。国内较有影响力的电力自动化设备供应商积极响应并参与了此互操作性试验，参与厂商提供的各种设备能够完成IEC61850规约定义的所有功能，能达到标准规定的一致性测试和无缝互操作要求。多个国内厂家的电子式传感器通过鉴定和投运，电压等级涵盖10kV500kV，部分产品的鉴定水平达到国际先进。现已有数十套国产电子式传感器在多个变电站投入运行，最长有30个月的连续稳定运行经验。由于国内一次设备厂家的电子技术能力相对较弱，尚没有开展智能开关设备等其他智能一次设备的研究工作。为解决开关等其他一次设备智能化的问题，一些二次设备厂家开发了用于一次设备智能化的智能终端(或称智能单元)。智能终端安装在一次设备端子箱，采集设备状态和控制设备，用光纤通信与二次设备交换信息。传统二次设备与一次设备间用硬接线交换模拟信息，数字化变电站的二次设备需具备能与智能一次设备用通信系统交换数字信息的能力。国内主要二次设备厂家通过改造成熟二次设备，为其增加过程层通信接口，现已能提供数字化变电站的全套二次设备。国内许多电力公司都在跟踪数字化变电站的最新发展，加快发展数字化变电站的步伐，并做了大量实际工作。一些省电力公司已经开始按IEC61850标准进行数字化变电站示范站的建设，已有多个数字化110kV及220kV变电站投入运行。国际上数字化变电站的研究已从实验室阶段进入实际工程应用，我国十一五规划中明确指出“大力推广数字化变电站。建成一批数字化变电站示范站。为大面积的推广数字化变电站技术奠定基础，可见数字化变电站必将是我国变电站技术的发展方向。14本论文研究的意义和内容数字化变电站就是使变电站的所有信息采集传输处理输出过程由过去的模拟信息全部转换为数字信息，并建立与之相适应的通信网络和系统。它的基本特征体现在设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等方面。数字化变电站无论是在产品结构形式上还是在系统体系结构上都与现在的运行变电站模式存在较大的差异，本文针对现阶段的实际情况，探讨数字化变电站系统的架构设计方案，为相关工程技术人员和管理人员提供一个了解数字化变电站的参考。本文的章节安排如下：第一章：简要介绍数字化变电站的特点并对国内外对数字化变电站的研究现状进行了分析，提出数字化变电站是今后变电站的发展方向。第二章：详细阐述了基于IEC61850标准的变电站自动化系统通信模型。第三章：详细探讨了数字化变电站的系统网络构成体系。第四章：组建了间隔层保护监控设备的局域网图，并通过对假设环境中最坏情况下网络负荷及延时的计算，验证了该设备结构及其网络构建方式满足相关通信实时性要求。第五章：对间隔层保护监控设备的的发展前景进行了展望。第二章 基于IEC61850标准的间隔层保护监控设备功能模型研究2.1IEC61850建模方法IEC61850标准是国际电工委员会制定的关于变电站自动化系统结构和数据通讯的一个国际标准，目的是使变电站内不同厂家的智能电子设备之间通过一种标准协议实现相互操作和信息共享，取消多种协议转换环节和转换设备，使系统通信更加高效便捷。IEC61850作为一个复杂的标准体系，不同厂家在研发过程中，对于标准的理解和实现可能会有不同，与标准本身可能会有偏差，这些偏差积累到一定程度就会影响互操作的实现。为了使IEC61850能够被各厂家正确理解和实现，在标准大规模推广之前，各厂家进行互操作实验，在实验中发现和解决问题，是保证各厂家IEC61850标准实现一致性的有效手段。IEC61850是一个庞大的标准体系，其具体内容涉及了变电站自动化系统的功能模型和通信要求、面向对象建立的信息模型及其信息交换服务模型、特定通信服务映射、一致性测试及系统工程的管理。以下就IEC61850标准的建模方法及其标准体系内容进行分析和介绍。按照IEC61850标准，变电站自动化系统的功能分为三层【8】：过程层、间隔层、变电站层。其中过程层功能是指与过程接口的全部功能，如开关量及模拟量的采集、控制命令的发送等，这些功能通过逻辑接口4和5与间隔层通信，典型设备有远方I/O，智能传感器和执行器。间隔层功能是指使用一个间隔的数据并且对这个间隔的一次设备进行操作的一些功能，这些功能通过逻辑接口3实现间隔层内通信，通过逻辑接口4和5与过程层通信，典型设备为保护监控设备、测量设备等。变电站层功能分为两类：一类为过程有关变电站层功能，即使用多个间隔或者全站的数据，对多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制，这些功能主要通过接口8通信，母线保护及间隔联锁就属此类；另一类为接口有关变电站层功能，用于实现变电站自动化系统与本站运行人员的接口HMI（人机接口）与远方控制中心的接口TCI（远动接口）以及与监视和维护远方工程管理的接口（TMI），这些功能通过逻辑接口1和6与间隔层通信，通过逻辑接口7、10与外部通信。各功能层及其逻辑接口如图2.1所示。图2-1变电站自动化系统功能层和逻辑接口接口定义：IF1：在间隔层和变电站层之间交换保护数据；IF2：在间隔层与远方保护之间交换保护数据（不在本标准范围）；IF3：在间隔层内交换数据；IF4：在过程层和间隔层之间交换电压互感器PT和电流互感器CT瞬时数据（比如采样值）；IF5：在过程层和间隔层之间交换控制数据；IF6：在间隔层和变电站层之间交换控制数据；IF7：在变电站层与远方工程师工作站之间交换数据；IF8：在间隔层之间直接交换数据，尤其是像联锁这样的快速功能；IF9：在变电站层设备之间交换数据；IF10：在变电站层和远方控制中心之间交换控制数据（不在本标准范围）。由于变电站各层功能具有一定的通用性，可以将变电站各层功能按独立性进行分解并建模为不同的逻辑节点，使各逻辑节点包含其对应功能的信息模型（逻辑节点名、定值、状态等数据对象）及其信息交换服务模型。进行功能分解有利于功能的自描述，方便功能之间的接口实现，为实现实际装置的互操作奠定了基础。进行功能分解后，一个功能将有几个逻辑节点配合完成，这就涉及到逻辑节点间的通信问题。逻辑节点间通过逻辑连接（LC）相连，具体通信内容及性能要求采用通信信息片（PICOM）来描述。通用变电站功能的分解可通过图2.2所示实例进行说明。图2.2给出了3个通用功能的实例：同期断路器分合、距离保护、过电流保护。图2-2 功能模块、逻辑节点和物理装置关系示意图图2.2中右侧数字代表具体的物理设备：1为变电站计算机，2为同期分合装置，3为距离保护单元，集成过流保护功能，4为间隔控制单元，5为电流互感器，6为电压互感器，7为母线电压互感器。从图中可以看出，断路器同期控制功能分解为5个逻辑节点：人机接口、同期切换、断路器、间隔TV、母线TV；距离保护功能分解为5个逻辑节点：人机接口、距离保护、断路器、间隔TA、间隔TV；过电流保护功能包含4个逻辑节点：人机接口、过电流保护、断路器、间隔TA。逻辑节点在物理设备上的分布情况为：人机接口位于变电站计算机，同期切换逻辑节点位于同期分合装置，距离保护逻辑节点及过流保护逻辑节点位于距离保护单元，断路器逻辑节点位于间隔控制单元，间隔TA、间隔TV分别为电流互感器、电压互感器的逻辑映射，母线TV为母线电压互感器的映射。在硬件条件允许的情况下，可以将多个逻辑节点安排在一个物理设备中，比如电压电流互感器逻辑节点及一些通用过程I/O可安排在一个物理设备“合并单元”中，由合并单元通过多播报文提供给其他物理装置的保护监控功能。IEC61850标准正是通过上述方法将变电站自动化系统的功能进行分解然后对各功能进行面向对象的信息建模来实现的。标准中定义了变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口。抽象通信服务接口是智能电子设备(IED)的一个虚拟接口，用于建立与变电站自动化功能相关的基本信息模型及其信息交换服务模型。基本信息模型包括服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属性，用于描述变电站特定信息模型。信息交换服务模型包括数据集模型、取代模型以及各种控制块、控制、时间同步、文件传输等服务模型，用于对数据、数据属性、数据集进行各种操作服务。因此基本信息模型与信息交换服务模型是密切相关的。各种模型在物理设备中的实例具有唯一路径，通过其路径即可访问其相关数据及属性。各模型实例的路径可通过其上级容器类的读目录服务获得。这样做的优点是对变电站自动化系统功能的标示通过面向对象建模的方法更加标准化，有利于系统内部及与上级测控系统之间建立无缝通信连接。抽象通信服务接口概念性服务模型如图2.3所示。图2-3 ACSI概念性服务模型对构成域特定信息模型的概念模型描述如下：(1)服务器（Server）代表设备的外部可视功能。所有其它ACSI模型包含在服务器模型中，为服务器模型的一部分。服务器既用于与客户设备通信，又用于向对等设备发送信息。(2)逻辑设备（Logical-Device）包含由一组域特定应用功能产生和使用的信息。(3)逻辑节点(Logical-Node)包含由域特定应用功能例如过电压保护或断路器等产生和使用的信息。(4)数据（Data）提供各种手段去规定包含在逻辑节点内的类型信息，例如带品质信息和时标的开关位置。以上每个信息模型定义为类，这些类由属性和服务组成。其他服务模型包括：(1)数据集(DATA-SET)将各种数据、数据属性编成组，用以直接访问、报告、日志。(2)取代（Substitution）用其他值代替过程值。(3)定值组控制块(SETTING-GROUP-CONTROL-BLOCK)定义如何从一组定值切换到另一组定值以及如何编辑定值组。(4)报告控制块(REPORT-CONTROL-BLOCK)和日志控制块(LOG-CONTROL-BLOCK)描述了基于客户参数集产生报告和日志的条件。过程数据值的变化(例如状态变化或死区)或由品质变化触发产生报告，记入日志以备以后检索。报告可立即发送或延迟发送(缓存)。报告提供了状态变位和事件顺序信息交换。(5)通用变电站事件(GSE)控制块它支持输入和输出值快速可靠的系统范围传输及IED二进制状态信息(例如跳闸信号)对等交换。(6)采样值传输控制块例如仪用互感器采样值快速组播传输。(7)控制（Control）描述控制服务，例如控制设备。(8)时间和时间同步为设备和系统提供了时间基准。(9)文件传输（File）定义了大型数据块例如程序的交换。在实际实现中，逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属性及报告控制、日志控制、定值控制等都有自己的对象名(实例名)，在它们所属的同一容器的相应类中有唯一名称，另外，它们都有路径名(Object Reference)，它是各级容器对象名与自身对象名的串联。2.2间隔层保护监控设备功能模型研究变电站自动化系统的功能是对变电站中各一次元件进行监视和控制，以达到及时切除故障，保护一次设备、提高电力系统运行稳定性及可靠性的目的。为实现这些功能，需要不同功能的智能电子设备协同工作。IEC61850标准正是为更好的实现变电站智能设备之间的协同工作，使之具有互操作性而建立的通信标准体系。在进行间隔层保护监控设备的设计时，首先要结合IEC61850标准对其功能模型进行详细研究，这是使所设计的装置满足设计目标的重要保证。2.2.1变电站自动化系统的接口映射如前所述，IEC61850将变电站自动化系统功能分为三层。各层功能的分布方式及与之相关的逻辑接口的信息流量是决定整个变电站自动化系统通信构架的重要因素，也是间隔层设备物理接口配置的基础。根据各逻辑接口的通信流量，在满足实时性要求的前提下，可以采用不同的方式将逻辑接口映射到物理接口。本文根据参考文献【8】中对4种变电站逻辑接口数据流量的评估结果及各逻辑接口对通信实时性的要求，构建了如图2-4所示的映射方案。图2-4逻辑接口到物理接口的映射该方案将逻辑接口8单独映射到一个物理接口，连接到专门用于间隔层设备互联的局域网，以保证间隔间快速报文传输的实时性及可靠性。逻辑接口1，3,6，9由于主要传输中低速报文，对实时性要求不是很高，因此可以映射到一个物理接口，连接到站总线。逻辑接口4、5组成过程层总线，由于要传输大量实时性数据报文及与过程控制相关的快速报文，因此每个间隔可安排一个过程总线。该映射方案由于根据各逻辑接口数据流量及所传输报文实时性的不同而将其映射到不同的局域网络，实现了快速报文与中低速报文在物理信道上的解耦。这样做可以降低高实时性物理信道上的通信负荷，保证高实时性功能的通信满足相关时延要求。2.2.2间隔层保护监控装置功能模型及通信网络研究介于变电站层与过程层之间的间隔层智能电子设备，围绕保护、控制、测量、参数设置等功能与上下层设备交换信息。间隔层IED的功能模型如图2-5所示。图2-5间隔层IED的功能模型其信息交换主要包括：向上主动传送报告记录、故障启动/动作、变位、模拟信号量、录波数据等报文，同时接收上层发出的各种控制块的参数设置(例如日志控制、报告控制、GOOSE等设置)、开断开关或断路器的控制指令、查询记录(或召唤)、对时等操作请求；向同一个间隔单元或者不同间隔单元的IED发出互锁、报警、故障等信号，进行分布式服务功能调用；向下接收过程层合并单元传来的周期性实时采样信号，将主站控制操作断路器的命令下传给断路器控制器，对合并单元的采样值控制块设置采样值周期、传输方式等参数以改变传输质量。间隔层保护监控设备在功能保持和传统设备一致的基础上，信息的输入输出采用串行通信来实现【9-10】。本文所提到的串行通信均指以太网。之所以采用以太网是因为以太网在长期的发展中技术已相当成熟，其具有良好的开放性、稳定性、易维护性，传输速度快、支持全双工/半双工工作模式，价格低廉等特点，能够为不同厂商的产品提供一个统一的高速数据接口，便于实现变电站智能电子设备的互联和互操作，这些特点符合变电站通信系统数字化、开放化、网络化的发展趋势。下面简单介绍一下以太网的实现思想及工作原理。以太网是一种具有尽最大努力投递含义的网络，因为其硬件没有向发送者提供任何信息来判断所要发送的分组是否已被接收。例如，如果目的主机偶尔掉电，那么发送给它的分组将丢失，而发送者不会得到通知。为了适应这种尽最大努力投递的硬件，TCP/IP协议族采取了一系列措施来管理通信双方的连接。另外以太网的接入控制是分布式的，没有任何中央权利机构来授权接入，其接入方式为多路访问/载波监听CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）【12】。这种接入方式允许多个节点同时访问共享的网络介质，而且各网络节点通过探测共享网络上是否存在载波来决定网络是否空闲，当某个节点要发送一个分组时，它首先执行载波监听，看是否有报文正在发送，当没有监听到发送信号时，节点才开始发送自己的报文。每次报文发送都在一个限定的时间内完成（因为规定了最大分组长度），而且硬件必须在两次发送之间保持一个最小的空闲时间，这就保证了共享通信介质的情况下没有任何一个正在通信的节点可以连续使用网络而不给其他节点接入网络的机会。由于CSMA/CD接入方式导致了共享通信介质的情况下节点的发送时间带有随机性，因此采用共享式集线器组网的以太网络不太适合高实时性的过程层网络。解决的办法是采用交换机进行过程层的组网。因为交换机支持端口到端口全速率通信，在端口不发生报文阻塞的情况下，交换机可同时接收不同端口传来的报文，并根据报文的目的地址投递到正确的输出端口。这样以太网控制器与交换机的连接就可看作是端端连接，支持以太网的全双工工作模式（在共享介质的情况下只能工作在半双工）。而且目前一般的交换机芯片都支持存储转发、报文的优先级、虚拟局域网等技术，为高实时性报文的投递提供了保证。为了说明变电站间隔层保护监控设备工作的网络环境，首先将图2-4所示的接口映射模型实例化。以高压线路间隔的保护监控为例，做其系统接线图如图2-6所示。图2-6间隔层保护监控设备系统接线图图2-6中，合并单元与断路器智能操作箱作为过程层单元，与间隔层保护监控设备A的过程层接口组成过程层网络，用于传输采样值、跳合闸命令等信息；设备A的差动保护接口通过光纤通道接远方差动保护装置，用于实现一次线路的纵联差动保护功能；与设备A同级的间隔层智能装置通过间隔层接口互联，完成间隔之间的联锁或分布式保护功能；设备A的故障录波接口连接变电站内的故障录波网络，以方便监控终端获取故障录波数据；设备A通过变电站通信前置机与变电站监控主机及远方监控中心相连，以实现变电站本地及远方监控中心的的监控功能。变电站GPS接收装置(Global Positioning System：全球定位系统)接收GPS信号，从中提取出时钟信号并向全站智能设备提供GPS秒脉冲，用于同步全站智能电子设备的时间，这一点对合并单元尤为重要。2.3小结本章对IEC61850标准进行了概述，并在此基础上研究了变电站自动化系统的接口映射，提出了一种高实时性的接口映射方案；对基于IEC61850标准的间隔层保护监控设备的功能模型进行了分析，并根据所提出的接口映射方案及所选择的通信网络以太网的特点，构建了变电站自动化系统的网络接线图，图中明确给出了间隔层保护监控设备所具有的物理通信接口，并对各接口的功能进行了介绍。变电站自动化系统的这种实现方式支持间隔层保护监控设备硬件平台的通用性和标准化。第三章 数字化变电站系统的架构设计3.1数字化变电站与常规综自站之比较变电站自动化技术经过十多年的发展已经达到一定的水平,目前各新建的变电站基本都采用计算机监控系统、微机型的继电保护及安全自动装置,装置和系统之间可通过串口或网口交换信息,构成变电站综合自动化系统。常规的综合自动化系统在逻辑结构上为“两层一网”结构,两层即“站控层”、“间隔层”,一网即“站控层”网络。常规的综合自动化系统实现了信号处理的数字化、从间隔层到站控层信息传输的数字化,但一次设备仍为传统设备,间隔层到一次设备之间仍采用电气回路通过电缆连接,接线复杂,控制电缆用量较大。数字化变电站是由网络化的二次设备和智能化的一次设备分层构建，建立在基于IEC61850开放式变电站通信平台之上，能够实现站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站建设的理想目标为“同一个世界,同一个标准”,智能设备可在变电站通信网络上“即插即用”。数字化变电站在逻辑结构上为“三层两网”结构【17】,三层即“站控层”、“间隔层”、“过程层”,两网即“站控层”网络和“过程层”网络。数字化变电站与常规综自站相比:增加了过程层,这是数字化变电站最显著的特点,即将一次设备纳入了变电站通信网络,是变电站自动化技术发展的重大变革。间隔层设备网络化,直接接到站控层交换机,取消了串口转以太网的接口装置,信息交换速率大大提高。故本方案采用数字化变电站的有关技术来实现。 3.2分层分布式系统结构本方案采用分层分布式结构，结构框图如下：图3-1 分层分布式系统结构示意图IEC61850将变电站系统明确地划分为变电站层、间隔层和过程层3层。不同层间定义了清晰的接口。在站控层，与远动控制中心和间隔层通信均有接口，间隔层内部有数据交换接口。间隔区之间有数据交换接口：过程层与间隔层之间有交换采样数据和控制数据接口。间隔层和站控层的划分原则是：凡间隔层能执行的功能不应由站控层来执行，凡过程层能执行的功能不应由间隔层来处理，从而实现功能分层分布优化处理。三层之间的关系。变电站层、过程层、间隔层既相互独立又相互联系。变电站层功能的实现依赖于过程层和间隔层的完好性；但间隔层功能的实现，特别是继电保护及安全自动装置的功能的实现决不能依赖于过程层和变电站层；远方主站监控功能的实现应不依赖于变电站层设备。3.2.1站控层站控层主要由后台监控主机、远动主站组成。(1)后台监控主机。后台监控主机由一台或多台高档PC机和后台监控软件组成, 它能对变电所的一次设备进行监视、测量、保护、控制和记录，并能与其它保护或智能设备相连接，实现变电站综合自动化。其主要功能有：数据采集与处理；统计计算；画面显示；记录功能；报警处理；管理和控制。为了保证系统的可靠性和开放性,采用先进成熟的SCADA软件平台,可在LINUX和WINDOWS上运行，直接通过以太网与间隔层的测量和保护设备进行通讯。(2)远动主站。远动主站采用高性能工业控制计算机,直接连接在以太网上同间隔层的测量和保护设备直接通讯。收集全站测控设备、保护装置数据,经规约转换后以约定的规约向调度发送,同时接收调度的遥控、遥调命令向变电站转发。软件采用模块化设计完成逻辑上独立的功能,遵循开放系统要求,提供高级用户访问接口,可实现定制扩展功能。远动主站的运行独立,与后台监控系统互不影响。站控层的主要任务有：(1)通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；(2)按既定规约，将有关数据信息送往调度或控制中心；(3)接收调度或控制中心有关控制命令，转间隔层、过程层执行；(4)具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；(5)具有(或备有)站内当地监控，人机联系功能。如显示、操作、打印、报警，甚至图像、声音等多媒体功能；(6)具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；(7)具有(或备有)变电站故障自动分析和操作培训功能。3.2.2 间隔层 间隔层主要由保护装置、测控装置及其它智能设备构成。采用面向对象设计,按间隔单元实现测量、记录、监视、控制功能的微机保护及测控装置。间隔层主要功能是：1) 汇总本间隔过程层实时数据信息；2) 实施对一次设备的保护控制功能；3) 实施本间隔操作闭锁功能；4) 实施操作同期及其他控制功能；5) 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；6) 承上启下的通信功能。即同时高速完成与过程层及变电层的网络通信功能必要时上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。3.2.3 过程层过程层的主要设备就是电子式互感器、合并单元（MU）和智能终端，它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过程层主要完成向间隔层传送一次设备的各种信号、状态，并接受控制命令操作一次设备。为提高系统可靠性，可采取互为备用的容错冗余方式，两套系统通过相应的切换部件协调运行。正常运行时，一旦一套系统工作出现异常，立即由控制回路启动另一套系统。目前研究的主要内容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。3.3数字化变电站设计3.3.1数字化变电站设计特点(1)采用计算机监控系统,间隔层与站控层通过以太网通信。(2)全站采用电子式互感器,配置微机型的保护、测控装置及数字式电能表,互感器的合并单元与保护、测控及电能表之间通过光纤通信,采用IEC61850协议。(3)间隔层和一次设备均配置智能终端,智能终端之间通过光纤通信,取代了开关场至保护、测控柜之间的电缆连接,保护、测控装置与智能终端之间通过传统电气回路连接。示意图见图3-2。图3-2 电气回路连接3.3.2数字化变电站架构设计目标设计出基于IEC61850通信协议构建的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化的变电站,实现数字化变电站的技术创新。3.3.3数字化变电站架构设计的实现数字化变电站架构设计包括智能设备、通信规约的选择和网络结构的设计。见框图3-3。图3-3 数字化变电站架构设计3.3.3.1智能设备的选择数字化变电站的智能设备包括智能开关、电子式互感器及二次设备。网络化的二次设备是数字化变电站的必然选择,但智能开关和电子式互感器的选择却存在不同方案。见框图3-4。图3-4 智能设备的选择(1)智能开关的选择分析(表3-1)(2)电子式互感器的选择分析(表3-2)(3)二次设备选择网络化的二次设备。表3-1 智能开关的选择分析表3-2 电子式互感器的选择分析3.3.3.2 通信规约的选择数字化变电站的网络分为站控层网络和过程层网络,不同的网络有不同规约选择见图3-5。图3-5 网络通信规约的选择(1)站控层网络规约的选择分析(表3-3)(2)过程层网络规约的选择分析(表3-4)表3-3 站控层网络规约的选择分析表3-4 过程层网络规约的选择分析3.3.3.3网络结构的设计网络结构的设计分为站控层网络方案和过程层网络方案设计,见图3-6。图3-6 网络结构的设计数字化变电站站控层网络方案比较成熟,一般采用星型以太网络,不需论证分析(见框图3-7)。图3-7 站控层网络方案过程层网络是数字化变电站特有的网络,目前没有成熟的方案。3.3.4数字化变电站架构设计的结论设计的最佳方案见框图3-8。图3-8 数字化变电站架构设计的最佳方案分析架构设计方案可以看出:变电站计算机监控系统基于IEC61850通信协议构建;信息处理: 全站配置微机型保护、测控等智能设备,信息的处理实现数字化;采样信息的采集、传输:采用了电子式互感器,采样值就地数字化后以光纤送给各二次设备,实现了采样信息采集、传输的数字化;控制命令的输出、传输:保护、测控设备的跳合闸控制命令直接以数字编码形式通过光纤传送到智能终端,实现了控制命令输出、传输的数字化;开关量采集、传输、输出:一次设备的开关量信号通过智能终端就地数字化后通过光纤上送给二次设备,二次设备的开关量输出同样以数字信号通过光纤下到智能终端对开关进行控制,实现了开关量信息的采集、传输、输出数字化。据此方案设计出的110kV及以下电压等级的变电站自动化系统结构如下图3-9：3.4小结本节通过对数字化变电站网络结构的论证，设计出基于IEC61850通信标准的系统架构,体现了国际自动化技术发展最新潮流和理念。基于IEC61850构建的自动化系统具有良好的互操作性和长期稳定性, 简化了二次设备装置的结构 ，实现了数字化变电站的技术创新。图3-9 110kV变电站自动化系统架构第四章 间隔层保护监控设备硬件框架4.1分布式硬件系统构架根据第2章所研究的间隔层保护监控设备功能模型及其系统接线图，构建间隔层保护监控设备硬件框架如图4-1所示。对于需要不同保护监控功能的间隔单元，只需要通过修改软件的方法在平台中组合不同的逻辑节点即可，这里仍以高压线路间隔的保护监控为例说明具体功能如何在装置内部进行配置。图4-1 高压线路保护监控设备原理框图图4-1中，系统采用分布式硬件结构，各CPU单元通过内部的交换机组成装置内部的以太网络，可以共享过程单元的采样值数据及向过程单元输出控制数据。另外还提供了内部CAN总线，用于辅助数据交换。整个硬件系统分为功能插件板、母板连接板及电源插件板。设备功能插件共包括6部分：内部交换机及GPS插件，用于组建装置内部的过程局域网及向其他各功能插件传送GPS秒脉冲，网口1接本间隔过程层网络，主要传输采样值报文及面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)报文：距离保护插件，用于实现高压线路的距离保护功能，网口2接其它间隔层保护监控设备，实现间隔层之间的通信；差动保护插件【5-6】，用于实现差动保护功能，网口3接线路另一端差动保护设备；故障录波插件，用于监视本间隔各种参数变化及设备的状态，在启动条件满足时对相关参数及状态进行采集并存储到非易失性存储器中，网口4配置为故障录波输出接口：通信CPU插件，主要负责与变电站监控主机进行通信，用于配置其它插件的功能投退及保护定值等参数，同时接收监控主机命令以及向监控主机或远方控制中心提交本间隔的所有参数及相关设备状态值，网口5接站控层网络；人机界面模块，用于人机交互，通过装置内部CAN总线与其它各插件通信，可以在本地直接设置装置的功能及参数。该硬件构架由于采用了内部的以太网与CAN网双网结构，增大了系统内部各插件板通信的灵活性。以太网的高速率与全双工工作模式可以满足高速报文传输的实时性要求；分布式处理结构的采用一方面提高了系统对一次设备状态响应的实时性，另一方面也增强了系统各功能的冗余。功能冗余可通过通信CPU插件来管理，一旦发现某功能插件不能正常工作，在向变电站层发出报警的同时可启动其它插件或自身对应的功能模块进行工作（但新功能模块只能对本间隔进行监控，因为插件不工作的同时其外部网口也将断开）。该硬件构架得益于变电站二次设备的数字化，同时又有利于整个变电站的数字化运行。4.2硬件各功能模块实现根据图4-1所示的原理框图，本文要研究的硬件平台应包含8个单元：一个电源插件、一个连接各插件的母板单元、6个和具体保护监控功能相关的插件。下面对各个插件的电路进行具体的实现。由于电源插件及母板单元比较简单，电源插件仅包含一个220V交流电转+5V直流电的电源模块，其它各板所需要的3.3V电源、1.8V电源均在对应板上进行转换，母板仅起连接其它各板的作用。故在下文的具体实现中不再对电源模块和母板单元进行介绍。4.2.1内部交换机及GPS插件内部交换机及GPS插件用于构建装置内部的局域网及驱动GPS秒脉冲，其结构如图4-2所示。网口1连接间隔中过程层设备组成的局域网，其它接口连接装置内部各功能插件板，网口1一方面输入装置所在间隔中与各过程单元相关的实时数据，通过装置内部局域网为保护和监控功能模块提供数据源，另一方面负责保护监控功能模块对过程层设备的控制命令输出。图4-2 内部交换机及GPS插件结构框图该插件主要实现了一个交换机系统和一个GPS秒脉冲隔离驱动系统。交换机系统主要包括一个交换机芯片和一些物理接口芯片，如光纤收发器、网络变压器；GPS秒脉冲隔离驱动系统主要由高速光电隔离芯片及信号驱动芯片构成。4.2.2保护监控功能插件保护监控功能插件实现变电站间隔层的保护监控功能。根据从过程层采集到的过程单元相关参数，如采样值、开关状态值等，进行保护监控逻辑的运算与判断，并通过过程层网络对过程单元的智能设备输出控制命令，同时通过装置内部网络向通信插件报告相关事件与参数，再由通信插件向站层监控设备报告。对于参与保护控制的插件，如带有距离保护等功能的插件，还要通过其接外网口向其它间隔层设备发送相关事件报文，如事件报告、互锁命令等。保护监控功能插件电路原理框图如图4-3所示：图4-3 保护监控功能插件原理框图基于过程层设备的数字化与网络化，不同功能的间隔层保护监控设备插件与过程层设备的接口实现了一致化，即均采用以太网接口，通过装置内部的以太网络实现互联。这就实现了保护监控功能插件硬件配置的一致化，即不同功能的保护监控插件板可具有相同的硬件结构。还以高压线路间隔的保护监控为例，如距离保护插件、差动保护插件、故障录波插件以及通信插件，它们的硬件配置结构都完全相同，所不同的只是运行的程序，程序不同，则其实现的功能不同。4.2.3通信功能插件通信功能插件是系统通信的核心。一方面通过以太网接口负责装置与变电站层设备之间的通信，包括报告服务，日志设置与查询，数据对象及属性值的设置、获取、控制服务，文件传输等。另一方面通过内部CAN总线与其它各保护监控插件及人机对话功能模块进行通信，包含对各保护监控功能插件的配置管理、数据获取，对人机对话模