电力系统及其自动化硕士论文iec61850数字变电站综合自动化系统.docx
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电力系统及其自动化硕士论文iec61850数字变电站综合自动化系统
分类号学号
学校代码10487密级
硕士学位论文
IEC61850数字变电站综合自动化系统
学位申请人：
学科专业：
电力系统及其自动化
指导教师：
教授
答辩日期：
年月日
AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreefortheMasterofEngineering
DigitalSubstatioNcomprehensiveAUTOMATIONsystemoveriec61850
Candidate
:
Wangcan
Major
:
PowerSystemanditsAutomation
Supervisor
:
Prof.LiuPei
HuazhongUniversityofScience&Technology
Wuhan430074,P.R.China
May,2009
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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
年月日日期：
年月日
摘要
随着非常规互感器逐步在工程中代替传统电磁互感器运行，IEC61850标准的颁布及其对信息的统一建模，高速以太网技术构建的变电站数据采集及传输系统的应用、智能化断路器技术的发展等，数字化变电站及数字化电网概念正被逐步提出。
作为电网控制系统基础的变电站自动化系统对于电网运行的可靠性和安全性起着非常关键的作用，因此，对于数字化变电站及其自动化系统的研究是一项十分重要的课题。
目前国内采用较多的是分布式变电站自动化系统，其特点是采用传统电磁互感器，二次系统采用单元间隔的布置方式，而且接线比较复杂，装置之间相互独立，装置间缺乏整体的协调和功能优化，站内信息不能共享，容易形成“信息孤岛”，系统扩展困难，为了解决这些问题，国际电工委员会制定了IEC61850变电站自动化系统统一通信标准，极大的推动了数字化变电站的建设。
论文介绍了IEC61850标准体系及其技术，IEC61850标准的实现过程，介绍了变电站自动化系统的发展现状和设计原则，分析了常规变电站自动化系统存在的不足。
论文分析了基于IEC61850数字化变电站的技术特征和基本架构体系，对数字化变电站的关键技术进行了探讨。
最后结合笔者参与的湖南110kV数字化变电站金南变的设计与建设工作，提出了一种基于IEC61850标准体系的数字化变电站的设计方案。
关键词：
IEC61850；变电站自动化系统；数字化变电站；通信标准
Abstract
Theconceptofdigitalsubstationanddigitalgridisputtingforwardduetoreplacementoftheelectromagnetictransformerbyirregulartransformer,thepublicationoftheIEC61580standardanditsunifiedmodelingfortheinformation,theapplicationofthesubstationdataacquisitionandtransformationbasedonthehigh-speedEthernet,thedevelopmentoftheintelligentbreakertechnology,andsoon.Theresearchonthedigitalsubstationcomprehensiveautomationsystemisveryimportantbecauseofitsreliabilityandsafetyforthegridcontrol.
ThedistributionsubstationcomprehensiveautomationsystemispopularinChinatoday.DuotothecomplicatedUnitWiringSchemesofelectromagnetictransformer,therelayprotectiondevicesareactuallyindependentinformationSolitaryIslandandthesystemexpansionisdifficultbecauseofthelackofcoordinationandfunctionoptimization.SotheIEC61850substationcomprehensiveautomationsystemisputforwardbyIEEEtounifythecommunicationstandardwhichpromotestheconstructionofthedigitalsubstation.
TheIEC61850standardsystem,itstechnology,theimplementationprocess,thedevelopmentstatusandthedesignprinciplesisintroducedanditsshortageispointedoutbythispaper.Itanalysesthetechnicalfeaturesandbasicsystemframeworkanddiscussesthekeytechnologyofthedigitalsubstation.
AdesignschemeforthedigitalsubstationbasedonIEC61850standardsystemisputforwardfinally,combiningwiththeparticipationofthedesignandconstructionofHunanJinnan110kVDigitalSubstation.
Keywords:
IEC61850,substationautomationsystem,digitalsubstation,communicationstandard.
1绪论
1.1引言
随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，变电站自动化技术也得到了迅速的发展和推广。
电网运行的可靠性、安全性也越来越依赖于变电站综合自动化系统等电网控制系统的可靠性与安全性。
变电站综合自动化系统是基于计算机、网络通信技术和微电子技术的智能电子设备IED（IntelligentElectronicDevice）与后台监控系统组成的变电站运行控制系统，包含了保护、监控、电能质量监测与控制等多个子系统，各子系统又由多个智能电子设备组成，这些不同厂家提供智能电子设备接口与功能各不相同，数据格式多样，设备间信息不能共享，难以保证数据的一致性。
为了解决这些问题，研究以实现互操作性为目标的基于IEC61850标准的数字化变电站综合自动化系统便有着十分重要的工程意义。
1.2变电站自动化系统国内外发展与研究现状[1-5]
当前的变电站自动化系统是将微机保护、监控等装置通过网络和通信技术集成为一体的自动化系统，它取消了传统的控制屏、计量、仪表等常规设备，节省了大量二次电缆和占地面积。
20世纪80年代，随着计算机技术的发展，远动终端、当地监控、故障录波等装置相继实现了微机化，这些装置功能不同，但其硬件结构相似，因而变电站二次回路功能的集成化受到了人们的重视。
这时的变电站自动化系统就是远动终端加一台当地监控系统，不实现继电保护功能，保留传统控制屏，这是国内变电站自动化系统发展的第一阶段。
20世纪90年代初，变电站自动化系统是在控制室内设置计算机作为变电站自动化的心脏，另设置数据采集和控制系统采集数据和发出控制命令。
微机保护除保护元件外，每柜设管理单元，其串口与变电站自动化系统数据采集和控制部件相连，传送保护装置的各种信息和参数，整定和显示保护定值，投/停保护装置，这种集中式变电站自动化系统是国内变电站自动化系统发展的第二阶段。
20世纪90年代中期，随着计算机、网络技术及通信技术的发展，分散式变电站自动化系统纷纷投运。
分散式系统按变电站控制和对象划分为变电站层和间隔层的两层。
其特点是现场输入输出单元部件分别安装在中低压开关柜或高压一次设备附近，现场单元部件可以是保护和监控功能的二合一装置，各保护和监控部件保持独立。
在变电站控制室内设置计算机系统，采用常用的RS232,RS485串行通信与现场单元通信，随后推出的分散式系统更多采用如Lonworks或CAN等的现场总线技术，变电站自动化系统还将遥测遥信采集及处理、遥控命令执行和继电保护功能均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过网络送至后台，变电站自动化的综合功能均由后台主机系统完成，这是国内变电站自动化系统发展的第三阶段。
1.3IEC61850标准制定的背景和应用现状
早在20世纪90年代初，IEC意识到不同厂家的保护设备需要一个统一的信息接口，实现设备的互操作性。
为此，IECTC57和IECTC95成立了一个联合工作组，制定了“继电保护设备信息接口标准”即60870-5-103标准。
同时，美国电力科学研究院EPRI在1990年开始了公共通信体系UCA（UtilityCommunicationArchitecture）标准制定工作，直接促成了UCA2.0的发行。
其目的在于提供一个具有广泛适应性的、功能强大的通信协议，使各种IED能够通过使用该协议实现互操作。
1994年由德国国家委员会提出制定通用的变电站自动化标准建议，1995年IECTC57为此成立了3个工作组：
WG10、WG11、WG12，负责制定IEC61850标准。
工作组成员分别来自欧洲、北美和亚洲国家，他们有电力调度、继电保护、电厂、操作运行及电力企业的技术背景，其中有些成员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。
3个工作组有明确的分工，第10工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求，第11工作组负责站级数据通信总线的定义，第12工作组负责过程级数据通信协议的定义。
1998年国际电工委员会（IEC）、美国电器电子工程师协会（IEEE）和美国EPRI达成共识，由IEC牵头，以美国UCA2.0数据模型和服务为基础，将UCA的研究结果纳入IEC标准，开始制定世界范围的统一标准——IEC61850变电站自动化标准，由IECTC95工作组对IEC61850及其数据模型开展研究。
1999年的IECTC57京都会议和2000年SPAG会议提出将IEC61850作为无缝通信标准。
在IECTC57工作组2002年北京会议上，指出今后的工作方向：
追求现代技术水平的通信体系，实现完全的互操作性，体系向下兼容，基于现代技术水平的标准信息和通信技术平台，在IT系统和软件应用通过数据交换接口标准化实现开放式系统，例如变电站通信标准用于所有类型的分布式SCADA系统。
IEC61850不仅用于变电站内通信，且用于变电站和控制中心通信。
国外针对IEC61850标准的应用和研究开始较早相应的示范工程在制定IEC61850的过程中就开始实施。
美国、德国、荷兰等国都有示范工程，用以验证标准，通过实践来促进标准的进一步完善。
在德国有一个示范工程，参加这个工程的有SIEMENS、ABB、ALSTOM等公司，用一个公司的变电站主站和其他公司的IED相联，然后用另一个公司的变电站主站和其他公司的IED相联，示范工程的总结已在2000年CIGRE会议上发表。
国外大公司对IEC61850的研究，在理论上已经成熟，并已初步推出支持IEC61850的产品。
为了使得IEC61850国际标准达到互操作性，IECTC57专门制定了IEC61850-10：
一致性测试标准，要求各个制造厂的设备实现互操作和互联。
相对于国外情况，国内也有专门的部门在全面跟踪和研究IEC61850的最新发展动向，国内许多大的电力企业也在多方调研，希望能在将来采用IEC61850标准，以达到降低系统集成费用和维护成本，充分利用系统资源，提高系统可靠性的目的。
中国电力企业联合会于1999年11月份成立专门工作组，组织了国内大的制造商和研究机构对该标准进行研究和消化，到目前为止已经全部翻译完成并陆续转化为我国电力行业标准，这为该标准在我国大范围的推广应用创造了良好的环境和条件。
从2005年8月至2006年9月，国调中心组织国内有关电力系统自动化产品研究、开发和生产的主要厂家进行了IEC61850国际标准的5次互操作试验。
参加试验的单位有中国电力科学研究院质检中心、东方电子股份有限公司，中国电力科学研究院变电站自动化公司、北京四方继保自动化股份有限公司、国电南瑞科技股份有限公司、国电南京自动化股份有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、山东积成电子股份有限公司、北京融科联创电力科技公司和许继公司。
这些互操作试验主要着眼于IEC61850标准规定的各项功能和服务的验证，以确定相互理解的一致性。
2006年12月进行了第六次互操作试验，以上提及的国内各大厂家及单位与著名的国外四大厂家ABB,SIMENSE,SEL,AREVAL实现互联。
总体上讲，国外四家公司开展IEC61850的研究工作较早，其间经过了多次国际设备的互联，有一定的实际运行经验，并都通过了KEMA实验室的测试认证。
第六次互操作试验系首次引入国外设备，也是国内厂家向国外同行学习的难得机会。
电科院质检中心目前已经具备测试IEC61850标准的能力。
国内各大自动化厂家普遍没有现场的实际运行经验，即使已经通过了国内厂家之间甚至与国外同行之间的互操作试验，在IEC61850标准的实用化方面仍然有很长的路要走。
1.4论文研究的主要内容
本文主要工作是在分析传统变电站自动化系统功能、结构及设计原则基础上提出传统变电站自动化系统存在的问题，在对IEC61850标准数字化变电站体系分析基础上，以实际设备及工程进行建模和设计。
论文的研究内容包括：
1、分析传统变电站自动化的发展，介绍IEC61850数字化变电站研究现状。
2、分析传统变电站自动化系统分类及设计原则，分析传统变电站自动化系统和基于IEC61850变电站自动化系统结构，并进行优缺点比较。
3、分析基于IEC61850的变电站自动化系统通信模式及组网方案，介绍数字化变电站网络对时。
4、以湖南110kV金南变既有变电站数字化建设方案为例，介绍了数字化变电站设计要求和实现方案。
1.5本章小结
本章主要介绍了目前国内外变电站自动化系统的发展和研究现状，介绍了IEC61850标准的制定的背景和应用现状，最后提出了本文所要完成的主要内容和工作。
2IEC61850标准体系及关键技术
制定IEC61850的目的是想实现不同厂商产品之间的互操作性。
为此，该协议采用自顶向下的方式对变电站自动化系统进行系统分层、功能定义和对象建模，并对一致性检测作了详细的定义。
IEC61850包括面向对象的标准、通信网络性能要求、接口和映射、系统和项目管理、一致性测试等多方面详细内容。
具体内容如下：
IEC61850-1基本原则,包括IEC61850的介绍和概貌。
IEC61850-2术语。
IEC61850-3一般要求,包括质量要求（可靠性、可维护性、系统可用性、轻便性、安全性），环境条件，辅助服务，其他标准和规范。
IEC61850-4系统和工程管理，包括工程要求（参数分类、工程工具、文件），系统使用周期（产品版本、工程交接、工程交接后的支持），质量保证（责任、测试设备、典型测试、系统测试、工厂验收、现场验收）。
IEC61850-5功能和装置模型的通信要求，包括逻辑节点的访问（accessoflogicalnodes），逻辑通信链路，通信信息片PICOM（pieceofinformationforcommunication）的概念，功能的定义。
IEC61850-6变电站自动化系统结构语言，包括装置和系统属性的形式语言描述。
IEC61850-7-1变电站和馈线设备的基本通信结构─原理和模式。
IEC61850-7-2变电站和馈线设备的基本通信结构─抽象通信服务接口ACSI（abstractcommunicationserviceinterface），包括抽象通信服务接口的描述，抽象通信服务的规范，服务数据库的模型。
IEC61850-7-3变电站和馈线设备的基本通信结构—公共数据级别和属性,包括抽象公共数据级别和属性的定义。
IEC61850-7-4变电站和馈线设备的基本通信结构——兼容的逻辑节点和数据对象DO（dataobject）寻址，包括逻辑节点的定义，数据对象及其逻辑寻址。
IEC61850-8-1特定通信服务映射SCSM（specialcommunicationservicemapping）映射到MMS（ISO/IEC9506第二部分）和ISO/IEC8802-3。
IEC61850-9-1特定通信服务映射SCSM通过串行单方向多点共线点对点链路传输采样测量值。
IEC61850-9-2特定通信服务映射SCSM通过ISO/IEC8802.3传输采样测量值。
IEC61850-0一致性测试
就概念而言，IEC61850标准主要围绕以下4个方面展开：
（1）功能建模从变电站自动化通信系统的通信性能（PICOM）要求出发，定义了变电站自动化系统的功能模型（Part5）。
（2）数据建模采用面向对象的方法，定义了基于客户机/服务器结构的数据模型（Part7-3/4）。
（3）通信协议定义了数据访问机制（通信服务）和向通信协议栈的映射，如在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到MMS（IEC61850-8-1）。
在间隔层和过程层之间的网络映射成串行单向多点或点对点传输网络（IEC61850-9-1）或映射成基于IEEE802.3标准的过程总线（IEC61850-9-2）（Part7-2，Part8/9）。
（4）变电站自动化系统工程和一致性测试定义了基于XML（ExtensibleMakeupLanguage）的结构化语言（Part6），描述变电站和自动化系统的拓扑以及IED结构化数据。
为了验证互操作性，Part10描述了IEC61850标准一致性测试。
2.1IEC61850标准的主要技术特点[6-7]
IEC61850国际标准是基于美国的UCA2.0标准，在此基础上又有所发展，其主要特点是：
面向设备，面向对象建模，面向应用开放的完善的自我描述；采用抽象通信服务接口，网络的应用层协议和网络传输层协议独立；具有符合电力系统特点的通信服务，信息对象在信息源处惟一定义，数据对象统一建模；采用XML的配置技术等。
下面分别介绍。
2.1.1信息及协议分层
IEC61850除了将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层之外，每个物理设备由服务器和应用组成，将服务器（Server）分层为逻辑设备（LogicalDevice）、逻辑节点（LogicalNode）、数据对象（DataObject）、数据属性（DataAttributes），物理设备内包含服务器（Server）和应用。
从应用方面来看，服务器包含通信网络和输入/输出接口（I/O）；由IEC61850来看，服务器包含逻辑设备，逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象、数据属性；从通信的角度来看，服务器通过子网和站网相连，每一个IED既可扮演服务器角色，也可扮演客户的角色。
由于这种分层，就得有相应的抽象服务来实现数据交换，抽象通信服务接口（ACSI）服务有服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型，通过服务器目录（Serverdirectory）收集服务器中有多少个逻辑设备名字和文件名字，通过逻辑设备目录（LDDirectory）收集每个逻辑设备中有多少个逻辑节点名字，通过逻辑节点目录（LNDirectory）收集每个逻辑节点中有多少个数据对象名字，通过数据目录（DataDirectory）收集每个数据对象中有多少个数据对象属性名字，通过这样的服务，建立起了完整的分层数据库模型，通过GetDataDefinition服务中的参数分别读取全部数据对象属性定义、一个数据对象属性定义或受请求功能约束的全部数据对象属性。
这样提供了直接访问现场设备，对各个制造厂的设备用同一种方法进行访问。
这种方法可以用于重构配置，很容易获得新加入的设备的名称，用于管理设备属性。
如变电站至调度所的网络通信协议采用IEC61850，则两者之间不存在协议转换的问题，因其体系和分层是一样的，只是从系统网络和控制中心的角度来看，应增加变电站这个层次。
2.1.2采用抽象通信服务接口ACSI
ACSI定义了独立于所采用网络和应用层协议的公用通信服务，通信服务分为：
基于Client/Server模型，定义了诸如控制、获取数据值服务；基于Peer-to-Peer模型，定义了诸如GOOSE服务和对模拟测量值采样服务。
IEC61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，在IEC61850-7-2中，对类模型和服务进行了抽象的定义。
通信服务的模型，包括服务器模型、应用联合模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型、数据集模型、替换模型、整定值控制模型、报告和记录模型、变电站通用事件模型、采样值传送模型、控制模型、时间及时间同步模型和文件传输模型。
在此基础上，定义了独立于底层通信系统的各个类模型所应提供的服务。
客户通过抽象通信服务接口ACSI，由特定通信服务映射SCSM（SpecialCommunicationServiceMapping）映射到应用层具体所采用的协议栈，如MMS等。
这些服务模型定义了通信对象及如何对这些对象进行访问。
这些定义由各种各样的请求、响应及服务过程组成。
服务过程描述了某个具体服务请求如何被服务器所响应和采取什么动作在什么时候以什么方式响应。
电力系统信息传输的主要特点是信息传输有轻重缓急的不同，且应能实现时间同步，对于通信网络应有优先级和满足时间同步的要求，但纵观现有商用网络，较少能满足这两个要求，只能求其次，选择容易实现、价格合理
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