基于IEC61850电能质量监测IED的建模.docx
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基于IEC61850电能质量监测IED的建模
分数:
___________
任课教师签字：
___________
华北电力大学研究生结课作业
学年学期：
2010-2011第二学期
课程名称：
电力系统实时安全监控新技术
学生姓名：
**
学号：
********
提交时间：
2011年6月25日
基于IEC61850电能质量监测IED的建模
1引言
随着电力电子技术的广泛应用，电力电子整流设备、电气化铁路、电弧炉以及其它非线性负载大量使用。
这些非线性负载会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波“污染”；电弧炉、电力机车等波动性负荷的运行不仅产生大量的间谐波和高次谐波，还引起电压波动和三相不平衡等一系列的电能质量问题[1][2]。
电能质量问题不仅导致供用电设备本身的安全性和使用寿命的降低，而且严重干扰了电网自身的安全经济运行。
因此，无论从电网运行的需要考虑，还是从供电用户的需要考虑，加强对电能质量的监控都是非常必要的。
这一问题正受到电力部门和用户越来越广泛的关注。
只有对电能质量做出实时可靠的监测与分析，才能制定有效的措施来改善电能质量问题[2]。
日益突出的电能质量问题引起了电力部门和用户的高度重视。
目前，越来越多的变电站开始对电能质量进行监测。
电能质量监测设备种类繁多，制造商使用各自的通信协议和数据格式，开发的监测设备和软件不尽相同，不同设备之间互不兼容。
因此，使用标准的协议和标准的数据文件交换格式、建立开放式的电能质量监测系统十分必要[3]。
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，明确提出了信息分层、面向对象、数据对象统一建模、可实现系统的配置管理、采用映射的方法、与具体网络独立，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，己成为无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了IED间的互操作性。
由于IEC61850中定义的逻辑节点类和数据类并没有涵盖电能质量监测的所有信息，这影响到了IEC61850在电能质量监测方面的应用。
对象建模是IEC61850的核心，文献[4]建立了电能质量监测IED（intelligentelectronicdevice，IED）的测量功能模型，文献[5-7]建立了具有仪用互感器逻辑节点的电能质量监测IED的测量功能模型，而电能质量监测的其它功能（电能质量事件检测功能、波形记录扰动记录功能）的建模急待解决。
近年来，TC57第10工作组一直致力于研究IEC61850在电能质量方面的扩展工作，并于2005年形成了IEC61850电能质量附录的委员会草案版本[8-9]。
文献[8-10]对电能质量信息交换的逻辑节点和数据类进行了标准化，这为建立较完整的电能质量监测IED的对象模型奠定了基础。
本课题在了解电能质量定义和电能质量监测IED原理的基础上，希望能设计电能质量监测IED与变电站自动化系统SAS各功能层的接口，并遵循IEC61850及其电能质量对各个功能进行分解，利用标准化的逻辑节点建立采用上述接口方式的用于监测电能质量的IED模型。
参考文献
[1]肖湘宁，韩民晓．电能质量分析与控制[M]．北京：
中国电力出版社，2004．
[2]郭敏，赵成勇，曹东升，等.同步采样与谐波分析方法的实现[J].电测与仪表,2011,48（544）:
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华北电力大学，2007
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[6]李鹏，游大海．基于IEC61850的对象模型在电能质量监测IED中的应用[J]．电力系统通信，2006，27（12）：
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[7]李鹏，游大海．IEC61850标准下的对象模型的研究及其在电能质量监测IED中的应用[J]．电力标准化与技术经济，2006，（3）：
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[8]IEC61850-7-3，ClarificationsandCorrections,andExtensionsforPowerQualityandRepresentationofHistoricalandStatisticalInformation[S]．
[9]IEC61850-7-4，Compatiblelogicalnodeclassesanddataclasses（additionofpowerqualitymonitoring）[S]．
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55-58.
基于IEC61850的变电站自动化系统
KeiichiKaneda,SetsuoTamura,NobuhisaFujiyama,YoshikazuArata,andHachidaiIto
摘要：
变电站自动化系统（SAS）广泛应用于变电站的控制、保护、监控以及通信等方面，以提高电力系统可靠性。
尽管硬连线控制已被用于在SAS的早期版本，使用其简单的通信方式，近年来IT技术的快速发展，采用以太网LAN的解决方案的变电站自动化系统已变得越来越普遍。
此外，IEC61850标准已作为变电站新的全球通信标准。
该标准由十个部分组成，其中最后一部分是在2005年发布。
随后IEC61850已广泛应用于世界各地的变电站自动化系统。
本文将详细地描述基于IEC61850的变电站自动化系统，主要包括系统设计和建模方法。
此外，还将涵盖一些系统建模和系统配置的概念、以及IEC61850的优点，同时指出IEC61850在实施过程中需要考虑的问题，还讨论IEC61850实际应用碰到的问题以及已克服这些问题的措施。
关键字：
IEC61850,，逻辑节点，环局域网，变电站自动化系统，生成树协议
I简介
变电站自动化系统（SAS）广泛应用于变电站的控制、保护、监控以及通信等方面，以提高电力系统可靠性。
尽管硬连线控制已被用于在SAS的早期版本，使用其简单的通信方式，近年来IT技术的快速发展，采用以太网LAN的解决方案的变电站自动化系统已变得越来越普遍[1][2]。
此外，IEC61850作为变电站通信的国际标准，已经发布[3]，并且基于IEC61850的变电站自动化系统的工程应用也逐渐增加。
最近发布的IEC61850标准的主要目的是实现互操作性，旨在让不同供应商的各类设备通过以太网LAN实现SAS逻辑配置。
然而，IEC61850的当前版本已与逻辑节点方面有许多选择，并提供通信服务的许多方法。
因此，每个制造商使用不同的选择和通信服务，以实现SAS的功能。
这意味着，IEC61850无法为SAS的设计提供一个通用准则，因为不同用户对SAS的功能要求是不一样的。
本文将详细地描述基于IEC61850的变电站自动化系统，主要包括系统设计和建模方法。
此外，还将涵盖一些系统建模和系统配置的概念、以及IEC61850的优点，同时指出IEC61850在实施过程中需要考虑的问题，还讨论IEC61850实际应用碰到的问题以及已克服这些问题的措施。
II变电站自动化系统的概要
本节将叙述变电站自动化系统的用途和功能的整体概述。
II-1SAS的应用背景
SAS是一个系统，能够为变电站提供监测、控制以及保护的自动化功能，同时还可以利用在电子、信息和通信技术领域的最新改进。
SAS应用的增加满足市场需求，降低总成本（包括变电站设备的周期成本），为变电站设备提供高效的运行或接近极限运行，同时优化设备的维护费用等[4]
SAS应用在变电站始于1980’S,系统采用符合国际标准的规范如以太网和TCP/IP，以及系统利用有别于不同设备厂商的专有方法，并在20世纪90年代早期已得到应用。
在2003~2005年，IEC61850成为变电站通信的国际标准，并且近年来基于IEC61850的变电站自动化系统的工程应用也逐渐增加。
基于IEC61850的工程应用的主要突破是实现互操作性，这是IEC61850规约的主要目标之一。
由于该系统进行配置拥有足够的灵活性，预计会更容易应对市场需求。
新规约仍然对SAS的设计与实施会产生很大的影响，从设备制造商、系统集成商和终端用户获得的实践经验形成积极的讨论，讨论还在一直持续进行。
这样有助于规约的进一步改善，这项工作仍在继续。
II-2SAS的基本功能
SAS的基本功能可分为如下：
监测、控制、记录以及保护等。
尽管SAS系统的功能因项目不同而有所不同，但大多数SAS系统具有的功能如表I所示。
表ISAS功能的概览
基本
功能
功能的典型事例
监视
功能
*监测配电设备的状态、分接头的位置、变压器的状态和分接头、用于保护和控制的设备的状态等。
*监测电量参数：
如电流、电压、频率、有功功率和无功功率等。
控制
功能
*配电设备和变压器分接头的控制
*同步检测和闭锁
*电压矫正控制和电压—无功功率控制
记录
功能
*记录所有监测数据和操控/控制的设备/装置
*设备的故障记录和装置的扰动记录
保护
功能
*输电线路、变压器、母线、发电机、配电设备的保护
*反馈线、并联电抗器、并联电容器等
Ⅲ基于IEC61850的变电站自动化系统
在本节中将叙述一种基于IEC1850规约进行变电站自动化系统设计、建立、配置和测试的一整套方法。
III-1系统设计和建立的方法
通常变电站自动化系统的系统设计主要需要四步，如图1所示。
接下来的章节将主要主要描述整个设计过程。
其中，第一步（定义）和第二步（系统设计）。
图1系统设计步骤的示例
系统设计的第一步是定义，SAS需求的定义。
首先确定变电站类型的详细资料，因为提供的这些基本信息可以确定SAS的必要功能和系统配置。
变电站的类型包括是输电变电站还是配电变电站，是大型还是小型变电站，该变电站在电力系统中的重要性。
同时，用户必须提供详细的功能需求—变电站的母线布置、间隔层或设备的数量。
变电站的类型如下：
*小型配点变电站
*中型配电变电站
*大型配电变电站
*小型输电变电站
*大型输电变电站
下一个步是IED的选型和系统结构的设计适当地考虑冗余标准。
在变电站自动化系统上，冗余架构是基于用户需求和变电站的重要性进行综合考虑。
当系统配置满足要求时，有必要利用以下步骤进行IED的选型：
（a）选择基于IEC61850与功能规格相一致的IED。
（b）如果基于IEC61850与功能规格相一致的IED难以得到，我们只好选择配置全球通信标准（如IEC60870-5-103）的IED，通过使用IEC61850规约转换器，来确保IED间的互操作性。
当基于IEC1850的变电站自动化系统被应用于变电站，需要考虑以下两点：
（a）避免因单点故障而使系统不可用。
（b）为非IEC61850设备或信号（来自于其它设备或变电站的）提供集成化解决方案。
其中，（a）项是很重要，应该慎重考虑，因为它直接关系到变电站运行的可靠性。
然而，过分地强调可靠性可能会导致系统配置的复杂性以及成本的增加。
因此，系统集成商必须为某个特别的系统建立合适的配置。
在上面的（b）中提到的是必须要考虑的一个问题，因为IEC61850是一个新的标准，并不是所有IED都遵从IEC61850规约。
而且，例如某处输入所需信号只能通过机械触点获得，那（b）项就变得很重要。
例如，每个保护板都可能包含一些触点信号（可能达20路/板），如下所示：
*保护功能状态：
IN/OUT，ON/OFF
*闭锁继电器状态
*继电器测试状态
*VT故障报警
*DC/AC故障报警
*闭锁继电器复位命令等等。
上述问题的解决方案是为了采集BCU处的触点信息，并翻译成IEC61850规约信息。
然而，保护屏信号不允许被输入到BCU，这是为了将控制功能从保护功能中分离出来，以确保每个功能的安全性。
此外，缩短触点信号输入电缆的长度也是考虑因素之一。
有关于这一解决方案将在III-3小节中详述。
一般SAS的配置包含图2中所示的这些系统组件，这些是要实现SAS所有功能的最小化配置。
通过使用间隔分布式配置和环LAN，该系统在维护和未来扩展方面仍旧拥有足够的灵活性。
目前该系统配置得到广泛地应用。
（a）操作员工作站：
这是一个人机界面设备，用于实现对整个变电站运行的监测和控制。
某些工程作业，如数据库的维护和继电器整定值的设置，都可以在该界面上完成。
（b）变电站计算机：
变电站计算机是一个变电站服务器，可以提供控制与监测、远程控制中心接口和数据记录等功能。
此外，因为它是系统中最重要的设备之一，所以使用用于工业应用的硬件以确保其可靠性。
（c）间隔层控制单元BCU：
这是一个多功能控制与监测单元，每条线路都装设有间隔级别上的控制和检测功能。
每条线路上均装设有BCU，它安装在LCP或者控制设备上。
在正常运行条件下，BCU响应来自操作员工作站的或者远程控制中心的命令。
同时，BCU装设有LCD用于显示系统功能。
BCU还可以实现就地操作。
（d）变电站总线：
内变电站LAN遵从IEC61850规约，为不同的IED设备提供连接。
其环形拓扑如图2所示，具有以下特点：
—总电缆长度最优；
—通信线路具有冗余性；
—为防止广播数据形成环路而采用快速生成树协议。
图2系统配置实例
因此，使用RSTP协议的环形配置LAN得到更为广泛的应用。
RSTP是可以逻辑上形成一个星形结构的通信路径的协议。
它通过该方法来控制通信路径，避免其形成多地址传输数据的环路。
此外，在传输路径故障时，它还具有高速重新配置一个路径的功能。
即使任一传输路径故障，它都可以重新配置路径，并且通过此协议实现变电站母线的继续传输，使得系统继续运行，见图3所示。
图3RSTP框图
下一步将会根据用户的需求来选择逻辑节点和通信服务。
如果在IEC61850中没有为所需功能定义合适的逻辑节点或者信号，则需使用GGIO或者扩展的逻辑节点种类。
这种情况下，应尽量少并谨慎地使用GGIO或者扩展的逻辑节点，以保证IED设备间的互操作性。
在表II中列举了每种功能的逻辑节点。
图4展示系统设备和LN之间的关系。
图5展示每个系统设备和通信服务之间的关系。
表II逻辑节点功能实例
图4逻辑节点配置实例
图5通信服务协议实例
III-2系统结构和功能
就III-1小节叙述系统配置的概念，在本节中将给出的一实例。
就III-1小节的（a）概念，本节也给出一实例解决方案。
该方案对减小一故障影响是特别地重要；同时该方案对如下描述的冗余系统结构也有重大的影响。
（a）对变电站计算机、操作员工作站以及站级普通设备都采用冗余配置，以防止整个系统因造某一次故障而使整个系统崩溃。
（b）为确保通信的可靠性，在变电站级上采用以太网交换机将变电站总线连接变电站计算机和操作员工作站，这是（a）所述的冗余。
（c）为确保变电站总线的冗余路径而采用具有冗余特性的环形拓扑。
此外，进一步分隔成若干环也可提高整体的可靠性。
（d）具有以太网交换机的IED设备是很常见的。
电源的故障将产生最大的影响，因为它会导致对交换机本身的功能完全丧失。
因此，这就需要对每个IED设备的交换机提供冗余电源，以提高其可靠性。
我们还必须考虑如何整合从非数字化设备、变电站内或保护继电器板的非IEC61850设备（见III-1小节）获得的信息。
为将这些信息整合进入变电站自动化系统，引入接口单元（InterfaceUnit，IFU），它采用串行通信和二进制输入/输出方式实现接口功能。
典型IFU应用如图6所示。
IFU具有以下功能：
二进制输入和输出
符合IEC60870-5-103规约的串行通信
符合IEC61850规约的LAN通信
二进制/IEC60870-5-103和IEC61850的转换功能
通过支付上述办法的费用，这样将有可能使系统配置和生产成本得到优化。
图6IFU应用
图7冗余系统配置实例
实际系统配置如图7所示，采用III-1及上述的概念和解决方案。
该系统的主要特点如下：
（a）变电站级的设备冗余可实现更高的可靠性。
以太网交换机是冗余的，因为它们是用来连接变电站级的设备与变电站总线。
（b）为了最大限度地减少设备故障的影响，分布式间隔层配置用于IED，如BCU或保护继电器。
（c）IED侧以太网交换机的数量多少是基于IED数量和每个交换机端口的数量来考虑。
当考虑交换机的数目，有必要考虑在交换机发生故障的时间和优化成本时对系统产生的影响。
然而，也有可能使用几个独立的交换机对某些IED进行控制，与用于保护的通信相比，用于控制的通信更重要一些。
变电站总线环的配置也是基于同样的考虑，尽量可能地使用多个独立的环LAN来代替一单环LAN。
（d）在机械触点信息和/或保护继电器与IEC61850或模拟式继电器不兼容时，有必要使用IFU进行信息的整合。
使用GOOSE信息将用于保护与控制的通用功能以及某些分布式功能都整合到变电站自动化系统。
GOOSE是IEC61850规约的特别重要特征之一。
GOOSE是一种高速“点对点”IED间的通信协议，通过使用GOOSE信息可大大地降低控制电缆的数量和IED触点的数量。
基于GOOSE信息的应用功能如下：
-自动重合闸（在继电器与BCU/CB之间）
-联锁跳闸（在继电器与继电器之间）
-封锁（在继电器和继电器/BCU之间）
III-3一致性和性能的测试
通信一致性测试程序定义在IEC61850–10，以及通信性能测试程序定义在IEC61850-5，一致性测试是在某一独立测试实验室（KEMA）下完成。
然而，目前情况下，通讯性能测试不属于独立测试的范畴，所以该测试必须由产品供应商进行产品定型测试或常规测试。
IV．IEC61850的益处和问题
在本节，我们将讲述变电站自动化系统使用IEC61850带来的优点与提高，并举例说明。
IV-1优点与问题
我们已经叙述过通过使用标准信息模型（LN）和标准通讯协议带来以下好处：
-多供应商互操作性
-IED之间的高速通信
-更低安装、扩展和施工成本
-易功能拓展和新功能的实现
但是，关于IEC61850规约的实际应用，还有些问题需要改进。
下文举一些范例说明存在的问题，并提出相应的措施进行改进。
-由于在部分标准中描述不清楚和诠释很困难。
因此，对于某一特定的描述，不同的使用者会有不同的理解。
-并不是变电站需要的所有功能和信号都能用LN定义。
因此，用于扩展LN的GGIO被定义和应用。
但是，这些节点给互操作性的实现带来一定困难。
-标准LN包括许多可选的设定或者信号、以及扩展LN，而扩展LN可满足众多的工程应用。
然而，互操作性，作为IEC61850的设计初衷，只存在于相同的通讯协议、LN数据结构和IED间可相互交换数据的定义。
对于上述提到的问题，可以通过以下措施来实现互操作性：
-有必要地通过改进和修订来更新标准。
IEC/TC57/WG10标准现在正在制定中的，其第二个版将在未来几年发布。
-用户应考虑使他们自己的文档囊括通信要求。
这些要求包括标准LN、通讯协议、和与它们具体功能相对应的LN数据/信号定义。
IV-2系统的进一步改进
除对IEC61850的实施之外，我们还增加一系列功能来提高SAS性能，如有用性和有效性等。
在IV-3和IV-4中描述的功能不同于用来提高SAS可靠性的众多功能。
通过使用这些功能，系统用户可以在系统发生故障时被迅速告知系统状态及缩短维修时间。
（a）IED故障的专用逻辑节点
物理设备及逻辑装置的逻辑节点在现行IEC61850版本中只定义“健康”属性来显示系统状态。
因此该属性不能区分出正常状态、轻微故障及严重故障状态。
这样SAS运行人员只知道哪一个IED发生故障。
在这种情况下，运行人员只能更换新IED，而该过程通常需要4~6个小时，这还不包括重新布线、重新配置及运行测试等。
有时用户也要对IED进行定位，以判定是IED的哪个部分产生故障，同样，这也是需要花费时间的。
我们在IED上成功地设计出专用逻辑节点和机制来通知运行人员具体的故障线路。
在IED发生故障时，为实现高效的互操作性，逻辑节点要按照IEC61850中定义那样以GGIO节点来实现。
专用逻辑节点是用来通知运行人员故障发生位置，这样，只需要运行人员更换故障电路板，而不需要更换整个IED。
采用这种方法，系统的修复时间可以大大地缩短，对于I/O板来说，大约只需要10分钟，而对于更加复杂的CPU板来说，顶多需要1~2个小时，因为它需要进行重新构置等。
（b）通过选择报告取消以提高可用性
SBO控制方法应用于IEC61850规约和多数SAS系统。
SBO控制的状态转换流程如图8所示。
在进入“就绪”状态后，如果发生选择状态取消，现行IEC61850版本并没有定义IED选择状态取消是如何通知人机接口单元HMI。
虽然在IEC61850规约中提供“stSeld”属性，但是它只能选择“Select”或“Unselect”。
如果IED无故产生“Unselect”状态，在这种情况下运行人员依靠自己找出原因。
为改进这种情况，我们设计并实现利用专用逻辑节点就是利用“GGIO”来确定IED“取消选择”错误的类型和原因。
利用这种机制，当IED在就绪状态和运行状态之间发生取消选择状态时，如IED故障、连锁条件不满足、控制优先权不满足等。
故障的类型和原因，如取消选择，可以马上通知运行人员。
图8SBO控制的状态转换流程
如果没有该功能，运行人员必须检测取消选择状态产生的原因。
由于存在将近20种可能原因，运行人员需要花费10分钟或更多时间来查明错误发生的真实原因。
新特征的成功实现有助于SAS运行人员提高系统的可靠性和缩短系统的故障修复时间。
V结论
变电站国际通讯标准IEC61850的成功发布，现已在变电站取得广泛的应用。
在实际应用中，该标准还存在一些问题需要改进。
但是目前我们在设计和建造SAS时，还需要适当的考虑这些问题。
尽管这样，用户和供应商通过反馈他们使用基于IEC61850变电站自动化系统的经验而从中取得显著的效益。
随着通信设施的不断进步，将来IEC61850不只应用于变电站，还将应用于变电站和遥控中心的通信或远端变电站的通信。
VI参考文献
[1]KeiichiKaneda,KojiIgarashi,KoichiHamamatsu,ShigekazuMorita,ModernSubstationControlandMonitoringSystem,ICEE,HongKong,1999.
[2]N.Kusano,NewTrendsinProtectionRelays&SubstationAutomationSy
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