基于IEC61850数字化变电站的研究Word格式.docx
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3．原始资料
随着变电站综合自动化系统、基于微机数字信息的二次设备的不断推广和普及,现有变电站已经具备了一定的数字式和自动化特征；
而最近大家广泛关注的“数字化变电站”的概念,可以理解为在现有变电站技术的基础上,结合电子式互感器、光纤网络通信技术、站内设备互操作技术的发展，向数字化、自动化、智能化和网络化方向的进一步延伸。
可以预计,在现有技术水平不断发展和运行经验不断总结的基础上,数字化变电站将以其在数字化、自动化、智能化、安全性和互操作性等方面的优势,成为未来变电站技术发展的必然趋势。
本设计的主要目标是简单介绍快速发展的数字化变电站，详细阐述IEC61850规约在数字化变电站中通信系统的具体应用，探讨在现有技数条件下建设数字化变电站，如何实现与以往设备的兼容，使本文提出的数字化变电站改造方案更具有实用性和可操作性。
4.毕业设计（论文）主要内容：
数字化变电站通信系统的发展概况；
基于IEC61850的数字化变电站系统概述；
IEC61850规约的简述；
基于IEC61850数字化变电站的关键技术；
数字化变电站的未来发展趋势；
学生应交出的设计文件（论文）：
1．设计论文一本
2．光盘一张
主要参考文献（资料）：
[01]刘海燕.3G移动通信终端MMI的设计与研究[学位论文].华中科技大学，2006.11
[02]黄东巍.3G终端现状及发展趋势研究.中国联合网络通信有限公司.移动通信，2009,33（17）
[03]常嘉岳.3G移动终端的发展趋势.中国移动通信研究院.世界电信，2006,19（3）
[04]王继刚，顾国昌，谢鑫.移动通信操作系统研究现状及发展.哈尔滨工程大学，计算机科学与技术学院;
中兴通信技术中心，成都研究所.计算机应用研究，2005,22（12）
[05]李香平，张智江，张范.3G终端主流技术的演进和发展预测.中国联合通信有限公司.移动通信，2006.11
[06]彭杰.基于3G通信的终端系统的研究.宁波波导股份有限公司，浙江，宁波，315500.电脑与电信，2009,（12）
[07]魏然，吴文.3G终端的机遇与挑战.现代电信科技，2004,（5）
[08]陈亮.中国3G手机终端发展困局及破解策略探讨.移动通信，2009,33（15）
[09]JerryEpplin.LinuxasanEmbeddedOperatingSystem[A].EmbeddedSystemsProgrammin[C].2000.12-36
[10]张航，宋俊德.第二代无绳电话系统——CT-2.北京：
人民邮电出版社，1993
[11]SharpeAK.LandMobileRadioSystems.ShortRunPress,1985
[12]MolishAF.WidebandWirelessDigitalCommunications.北京：
电子工业出版社，2002
专业班级电子信息工程学生贾鹏
要求设计（论文）工作起止日期2011-3-1——2011-6-10
指导教师签字日期
系主任批准签字日期
~60~
基于IEC61850数字化变电站的研究
摘要
变电站自动化技术的发展和微机保护的广泛应用极大地提高了电网的自动化水平和管理水平，但是由于变电站自动化系统和保护设备的通信协议不统一，造成系统无缝集成困难，生命周期缩短；
设备之间互操作性差，维护工作量大，改造升级困难。
同时变电站的一、二次设备的控制信号发送、模拟量采集靠大量的电缆连接实现，不仅浪费了大量的财力，而且抗干扰性大大降低。
随着IEC61850标准的发布，电子式互感器、智能化高压电气设备的发展，电气设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机网络技术的高速发展，使得建设数字化变电站具备了必要的技术条件。
本文在研究数字化变电站相关理论和技术的基础上，总结变电站数字化技术的现状、发展趋势，初步形成数字化变电站的整体模型，提出了数字化变电站的特征和需要实现的功能。
研究数字化变电站三层网络结构下通信的实现，运用前面的研究成果，探讨在现有技数条件下建设数字化变电站，如何实现与以往设备的兼容，使本文提出的数字化变电站改造方案更具有实用性和可操作性。
关键词：
数字化变电站，IEC61850标准，电子式互感器，智能化高压电气设备
DIGITALSUBSTATIONBASEDONIEC61850RESEARCH
ABSTRACT
Withthedevelopmentofintegratedsubstationautomationtechnologyandmicroprocessor-basedprotections，electricalpowersystemautomationishighlypromoted.ButthecommunicationprotocolsamongIEDsproducedbydifferentmanufacturersaredifferent，theSAsystemwillnotbeintegratedwell.Also，IEDsfromdifferentmanufacturersaredifficulttoachieveinteroperability.MaintenanceandupgradingsuchaSAsystemmaycostmuchresourceandtime.Inasubstation，manycablesmadewithcopperareusedtotransmitcontrolsignalandanalogdata，sohighlylowertheanti-interferenceofaSAsystem.TheIEC6185Ostandardelectronicmeasurementtransformers，intelligentcontrolofhighvoltageelectricalapparatus，computernetworktechnology，etc，allthesemakeitpossibletobuildadigitalsubstation.So,thethesiswillstudythesekeytechnologiesandintelligencedevices，andgiveareferencedesignprojectofdigitalsubstations.First，adigitalsubstationmodelandmaincharaetersareformedinthisthesis.Thenacommunicationnetworkconstructionprincipleofdigitalsubstations，includingproeessbusesandStationbuses，aredeveloped.AccordingwiththePrinciple，withthereaserchonthekeytechnologiesof110kVwucundigitalsubstationinShenzhenPowerSupplyBureauand220kVsanxiangdigitalsubstationinnanfangPowerSupplyBureau，thisarticleanalysisadigitalsubstation’slayeredcommunicationnetworkframework.Deeply.Basedontheinvestigationofintelligencedevicesofdigitalsubstations，selcetionandconfigurationprincipleofdevicesissummarized.
KEYWORDS:
digitalsubatation,IEC61850standard,electronictransformer,intelligentcontrolofhighvoltageelectricalapparatus
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
第2章数字化变电站系统的发展及现状 3
2.1变电站自动化系统的发展 3
2.2变电站自动化系统通信规约现状 6
2.3小结 9
第3章数字化变电站的技术优势及经济效益 10
3.1数字化变电站的技术优势 10
3.2经济效益 13
3.3小结 14
第4章IEC61850标准介绍 15
4.1IEC61850标准主要内容 15
4.1.1IEC61850标准内容 15
4.2.1分层 17
4.2.2变电站通信网络的实时性以及时延不确定性研究 18
4.3本章小结 35
总结与展望 36
1.全文工作总结 36
2.工作展望 37
致谢 38
参考文献 39
附录1 43
第1章绪论
变电站自动化系统是在计算机技术和网络通信技术基础上发展起来的。
它改变了传统的二次设备的组态模式，大大提高了电网的自动化水平，增强了系统的可靠性，降低了变电站的总造价，因此近几年来在电力系统中被广泛应用。
但是由于目前的变电站自动化系统中的后台监控系统和微机保护设备、直流设备、安稳设备等厂家的通信协议不统一，造成不同厂家连接困难，调试周期长，系统稳定性差，生命周期缩短，设备之间的互操作性差，维护工作量大，改造升级困难。
同时变电站的高压电气设备和保护、监控等二次设备的控制、信号发送、模拟量采集还需要靠大量的控制电缆来连接，不仅浪费了大量的财力，而且抗干扰性大大降低。
国际电工委员会第57技术委员会制定的IEC61850标准，为数字化变电站的发展指明了新的方向，使变电站站内设备通信采用统一的标准，解决了设备之间的互操作性问题，使通信可靠性得到提高。
智能化一次电气设备的发展，特别是智能化开关设备、电子式电压和电流互感器等在变电站系统中的逐渐推广应用，电气设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机网络技术的高速发展，使得数字化变电站具备了必要的技术条件[1]。
因此本文对数字化变电站的发展、技术优势等进行详细的阐述，对数字化变电站的关键技术IEC61850标准、电子互感器、智能断路器的原理、功能等进行一定探索，并充分进行三乡变电站数字化改造的资料搜集，在此基础上研究中山供电局三乡变电站数字化改造的实际工程中的的实施方案，探讨了设计、施工中遇到了设备选型、兼容模式的一系列问题，为珠海供电局的常规变电站的数字化改造规划提出建议。
数字化变电站与常规的综合自动化变电站在网络结构，特别是一、二次设备之间的通信方式，取消电缆后的信息传输要求，一次智能开关、电子式互感器等方面均有很大差异，需要在原有变电站的模式上提出新的设计方案才能满足实际运行的要求。
同时，现有变电站中大量常规综合自动化系统和常规一次电气设备需要在今后较长一段时间内与新建的数字化变电站的一、二次系统同时存在，还需要探讨过渡方案以及与常规自动化系统和一次设备的兼容问题。
本人的工作具有如下意义:
基于IEC61850标准的数字化变电站在国内外基本处于试验和积累经验阶段，目前建成的或正在建设的数字化变电站大多不具备真正意义上数字化变电站的全部特征。
有些变电站仅实现了站内的IED按照IEC61850标准进行通信，或者在站内采用电子式互感器。
即使同时采用了以上两项技术，离实现整个变电站的数字化通信还有一段距离，特别是对断路器、隔离开关及变压器的数字化研究还不是很成熟。
因此研究全数字化变电站的关键技术和理论以及设计方案对数字化变电站的推广应用具有重大意义。
在现有技术条件下，由于不能完全按照数字化变电站模式来实施，所以必须按照过渡方案一步步进行推进。
进行数字化变电站过渡方案以及与常规自动化系统和常规一次设备实现兼容的方案研究，可以节约变电站改造或建设费用，提高改造或建设方案的可操作性和实用性，使数字化变电站的推广应用更具有吸引力。
总之，完善的改造方案将确保常规变电站在向的数字化变电站转型后，既具有先进性又具有实用性，可以充分地提高变电站的自动化技术水平，使变电站内的设备运行更安全、维护和升级改造更便捷，最终达到提高效益、增加运行可靠性的目的。
第2章数字化变电站系统的发展及现状
2.1变电站自动化系统的发展
变电站自动化系统的定义为“在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化系统”（SubstationAutomationSystem,SAS）[2]。
在国内，我们通常所说的变电站自动化系统，包含传统的自动化监控系统、继电保护、自动装置等设备，是集保护、测量、控制、远传等功能为一体，通过数字通信及网络技术来实现信息共享的一套微机化的二次设备及系统。
我国的变电站综合自动化系统发展基本上可以归纳为以下几个阶段：
第一阶段集中RTU模式的自动化系统
Moden
集中式RTU屏
PTCT
刀闸开关
继电保护屏
控制屏
控制电缆
YC
YX
YK
该类系统实际上是在常规的继电保护屏、控制屏及二次接线的基础上加装RTU装置，主要应用在80年代后期和90年代初期。
功能主要是与远方调度中心通信实现四遥，即遥测、遥信、遥控、遥调；
与继电保护及安全自动装置的连接主要通过硬接点连接方式或串行口RS232通信较多。
此类系统称为集中RTU模式，典型框图见图2－1,目前仍有少量老变电站在使用，例如珠海局的220kV凤凰变电站等。
图2-1集中RTU模式的自动化系统
第二阶段集中式变电站综合自动化系统
随着微机保护的广泛应用，使变电站自动化技术取得快速的进展，出现了面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式。
每个10kV开关柜上装设1台保护装置和1台测控装置，通过RS485通信口组网进行连接，主变保护屏、主变测控屏等安装在主控室，通过通信管理单元之后与监控后台计算机连接，调度中心通过MODEN与后台监控连接。
保护装置与测控装置独立，通过通信管理单元能够将各自信息送到后台监控计算机。
微机保护通过数据通信与自动化系统进行信息交换，并应用了现场总线和网络技术，此类系统的典型框图见图2-2。
但这种系统电缆仍然需要大量的控制电缆，并且系统的可扩展性比较差。
目前，有一部分变电站在使用中。
例如：
珠海局的110kV夏湾变电站、110kV明珠变电站等。
至调度中心
MODEN
后台监控机
通信管理单元
10KV测控装置
1
2
N
10KV保护装置
主变保护屏
主变测控屏
直流屏
图2-2集中式变电站综合自动化系统
第三阶段分层分布式变电站综合自动化系统
随着计算机技术和通信技术的迅猛发展，后来出线了面向间隔、面向对象设计的分层分布式结构模式。
该模式按变电站分为站控层和间隔层的二层式分布控制系统结构。
站控层主要包括后台监控系统、工程师站、五防机以及与远方调度中心通信的远动机系统。
10kV保护测控装置一般采用一体化装置；
110kV及以上电压等级，一般保护、测控大多按间隔分别设计。
目前国内主要的综合自动化厂家均采用了此类结构模式。
此类系统的典型框图见图2－3[3]。
五防机
远动机
工程师站
A网HUB
B网HUB
10kv保护测控装置
主变
保护
屏
测控
母线
规约转换器
消弧屏
A网
B网
图2-3综合自动化系统典型结构图
变电站自动化系统采用分布式结构相比前面几种结构可以大大减少控制电缆，大大降低了变电站的投资。
同时由于采用了先进的网络通信技术和面向对象设计，整个系统配置相对灵活、扩展相对比较方便。
但是，即使是采用分布式自动化系统的变电站，由于各种不同二次设备需要互感器提供多组不同功能的二次绕组，它们之间信息也不能实现共享；
变电站内一次设备和二次设备以及二次设备之间还需要依靠大量的控制电缆连接来实现信息及命令地传输；
二次设备之间互操作性和互换性差，系统升级改造工作复杂。
2.2变电站自动化系统通信规约现状
要实现整个变电站的自动化,并且与上一级控制中心和远动通信,必须保证变电站内工作站、主机、工程师站、现场各CPU单元与RTU等控制设备间的实时、准确地通信。
而通信规约就是整个自动化系统通信部分的核心,没有通信协议,自动化系统就不能进行有效的信息交换,有时还会造成信息传递的紊乱,严重时还会引起整个通信网的崩溃。
为了整个变电站自动化系统安全、可靠、稳定地运行,必须采用合适的通信规约,以使因通信故障而引起的损失降到最低。
目前在变电站自动化系统中使用的通信规约有很多，主要有以下几种：
1）部颁CDT
该协议是电力系统中使用最早的通信协议,数据以帧结构循环发送。
由于其简单可靠,至今还被广泛使用。
但由于其帧结构的局限性,遥信最多只能传送512个遥信信号;
而遥测,最多也只能传送256个遥测信号,所以CDT通信协议不适合在传输大信息量时使用。
另外,CDT规约是循环不停地上报所有事先规定的信息,不管信息是否有变化或主站是否需要,都会不停地上报。
这不仅给自己的CPU增加了负担,占用了宝贵的资源,而且,主站也必须处理没有变化的数据,这种循环发送式的通信方式造成了时间上的延迟和资源的浪费,严重时会影响到系统的性能。
由于它的局限性，现在变电站内设备一般不采用此规约[4]。
2）DNP3.0
DNP3.0是美国IEEE的电力工程协会（PES）在IEC的基础上制定的美国国家标准。
目前,DNP3.0通信协议在我国电力行业中的应用也非常广泛。
目前珠海供电局调度数据系统采用此规约。
DNP3.0将基本应用数据分为四大类:
固态值、事件数据、固态冻结数据、事件冻结数据。
同时这四大类数据分4个组,第1组固定为所用的固态值数据,第2－4组全部为事件数据分组,并且每个事件数据的分组可以任意在线修改。
基本扫描方式有4种。
a.哑态工作方式:
主站从来不主动与子站设备通信,由子站设备向主站报告变化数据。
b.非请求变位工作方式:
与哑态唯一的不同就是,主站会向子站请求所有静态数据。
c.变位扫描方式。
主站会请求所有静态数据并不时地扫描变化数据。
d.扫描静态方式。
主站仅请求所有或部分静态数据。
在最常用的变位扫描方式中,
DNP3.0可以利用2种方法获得变位数据。
一种是读取事件数据来获得变位数据,这种方法灵活性好,且可以在线修改;
另一种是利用简单的方法来读取固定的变化数据,这种方法通道的利用效率较高。
该协议总的特点是传送信息量很大,支持突发事件主动上报的功能,支持变化信息上报的功能,提供通信链路确认的功能。
但DNP3.0规约本身功能复杂,需要很大的程序才能实现。
3）MODBUS通信协议
MODBUS通信协议是ABB为其自动化设备提供,用于实现主从结构的控制网的通信协议。
协议的主要特点如下：
a.通过RS-485通信支持多点连接,最多能支持32个节点。
b.单主机控制网系统,采用主从访问技术。
c.通信报文结构简单,可完成较简单的对从机的读写操作。
d.通信速率最高只支持19200bps。
该协议为问答式通信协议,采用读写累存器的格式。
累存器的地址为4个字节,解决了大信息量传送的问题,主站比CDT协议更有自主选择性,主站可以向采集装置询问所需要的数据,减轻了采集控制器的资源使用,但由于MODBUS不提供SOE（事件顺序记录）的功能,在电力系统的事故分析方面造成了不便;
因为是采取被动的问答式通信,变化信号不提供主动上报,这就造成了信号上报的速度慢,所以MODBUS只适用于实时性不高不要求SOE的系统。
4）IEC60870-5系列
IEC60870-5规约系列由三大部分组成。
a.物理层的选用及数据链路层的定义和选用；
b.应用层基本功能定义及选用；
c.各个典型工业过程的数据及功能定义标准。
该通信规约的有关小节具体如下。
IEC60870-5-1,传输帧格式；
IEC60870-5-2,联结传输步骤；
IEC60870-5-3,应用数据通用格式；
IEC60870-5-4,应用数据的定义和编码；
IEC60870-5-5,规定基本的应用功能；
IEC60870-5-101,用于电力系统远动通信；
IEC60870-5-102,用于电力系统总加数据传输的补充标准；
IEC60870-5-103,用于继电保护设备信息接口配套标准；
IEC60870-5-104,用于远动、就地监控主站与IED设备间的SCAD
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