110kV及以下电压等级的变电站自动化系统研究.docx
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110kV及以下电压等级的变电站自动化系统研究
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
Abstract
SubstationAutomationSystemistheSubstationIntelligentTechnologicalScienceswiththedevelopmentofcomputertechnologyandcommunicationtechnology.ThedevelopmentofIEC61850ispropitioustoimprovetheopennessandextensibilityofsubstationautomationsystems,itpromotesthedevelopmentforprotectionandmonitoringofpowersysteminthedirectionofnetworkandinformation.Butasaprerequisite,itbringsforwardhigherrequirementsinsubstationdevice’scommunicationperformanceandprocessingspeed.Especiallyforthebaylevelintelligentdevices,becausetheyareinthefirstlineforsubstation’sprotectionandmonitoring,theirtaskisnotonlytoprotectandmonitorthebaycomponentinthecelltheybelongto,butalsotocooperatewithotherbaylevelorsubstationlevelintelligentdevicestocarryoutsubstation’sdistributingprotectionandmonitoringfunction.Soresearchinghigh-performanceintelligentdevicesinbaylevelisanimportantworktoimplementthenewstandards,anditisofgreattheoreticalsignificanceandpracticalvalue.WiththedevelopmentofSubstationAutomationSystem,theemergenceofdigitalsubstationbecomesinevitable.Digitalsubstationisthedevelopmentdirectionofconventionalsubstation.Asthecoreofdigitalsubstation,networkarchitectureshouldbecarriedoutin-depthstudy.Inthisarticledigitalsubstationcharacteristicsanddevelopmentarefirstlysummarized,andIEC61850arestudied;followedbythatthedigitalsubstationstructuralframeworkandthespacinglayerofprotectionmonitoringequipmenthardwarediagramaredesignedbasedonIEC61850CommunicationProtocol.Thispaperprovidesanutilitynetworkstructureschemeatthisstageandconstructsthefoundationforlarge-scaleapplicationsofthedigitalsubstation.
Keywords:
digitalsubstation,IEC61850,Intervallevel
目录
第一章绪论1
1．1引言1
1．2数字化变电站的特点1
1．3数字化变电站的发展概况2
1．3．1国外数字化变电站的发展概况2
1．3．2国内数字化变电站的发展概况2
1．4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5
2.1IEC61850建模方法5
2.2间隔层保护监控设备功能模型研究10
2.2.1变电站自动化系统的接口映射11
2.2.2间隔层保护监控装置功能模型及通信网络研究12
2.3小结15
第三章数字化变电站系统的架构设计16
3.1数字化变电站与常规综自站之比较16
3.2分层分布式系统结构17
3.2.1站控层18
3.2.2间隔层19
3.2.3过程层19
3.3数字化变电站设计20
3.3.1数字化变电站设计特点20
3.3.2数字化变电站架构设计目标20
3.3.3数字化变电站架构设计的实现20
3.3.4数字化变电站架构设计的结论24
3.4小结25
第四章间隔层保护监控设备硬件框架27
4.1分布式硬件系统构架27
4.2硬件各功能模块实现28
4.2.1内部交换机及GPS插件29
4.2.2保护监控功能插件30
4.2.3通信功能插件31
4.2.4人机界面插件31
4.3变电站间隔层局域网通信性能分析32
4.4小结35
第五章总结36
5.1结论36
5.2展望36
致谢38
参考文献39
第一章绪论
1．1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。
1．2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：
Ø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。
Ø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。
Ø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。
1．3数字化变电站的发展概况
1．3．1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（OpenCommunicationinSubstations）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IEC61850．8．1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。
1．3．2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IEC61850，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10kV～500kV，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。
1．4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2-3ACSI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（ObjectReference），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。
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