調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)與數(shù)字化變電站接入研究

1、    調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)與數(shù)字化變電站接入研究    摘要：為適應(yīng)數(shù)字化變電站的發(fā)展，解決傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議與iec61850標(biāo)準(zhǔn)不兼容的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站與調(diào)度主站無(wú)縫集成，提出了調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)與數(shù)字化變電站接入的兩種方案，并對(duì)兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。對(duì)采用iec61850通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)的方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)流、模型轉(zhuǎn)換、硬件、軟件等問(wèn)題進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：調(diào)度實(shí)時(shí)系統(tǒng)；數(shù)字化變電站；接入研究abstract: this paper through the detailed design of iec61850 communi

2、cations network to shut down, the data flow of the communication gateway machine, model conversion, hardware, software, and other issues were discussed.key words: scheduling real-time systems; digital substation; access research中圖分類號(hào)：tm73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：2095-2104（2012）0 引言隨著我國(guó)對(duì)數(shù)字化變電站建設(shè)的逐步推廣，越來(lái)越多的老舊變電站將

3、通過(guò)數(shù)字化改造后遵循iec61850標(biāo)準(zhǔn)。但大多數(shù)變電站與調(diào)度中心之間的通訊仍采用傳統(tǒng)的iec60870-5-101 或iec60870-5-104 等遠(yuǎn)動(dòng)通訊協(xié)議，由于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議采用的面向信息點(diǎn)的方式，僅規(guī)定了數(shù)據(jù)報(bào)文格式的統(tǒng)一，缺乏對(duì)變電站系統(tǒng)的統(tǒng)一建模和描述，互操作性差，與iec61850標(biāo)準(zhǔn)不兼容，必須要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化，才能實(shí)現(xiàn)變電站與調(diào)度中心的無(wú)縫集成。目前，有關(guān)iec61850的研究主要集中于變電站內(nèi)，將iec61850應(yīng)用于遠(yuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變電站到調(diào)度中心通信的研究還是不多。為了今后實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)字化改造后平穩(wěn)接入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，本文的研究可以提供一些參考。1 數(shù)字化變電站與iec6

4、1850標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介1.1 數(shù)字化變電站定義數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過(guò)程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在iec61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站的主要特征是“全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化”，即變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)通信體系基于iec61850 標(biāo)準(zhǔn)，信息模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)字化變電站的核心是iec61850標(biāo)準(zhǔn)，iec61850是數(shù)字化變電站的信息描述方法和通信協(xié)議。1.2 iec61850標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介iec 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際電工委員會(huì)于2004

5、年頒布的，是應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它吸收了iec60870系列標(biāo)準(zhǔn)和uca的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)吸收了很多先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)保護(hù)和控制等自動(dòng)化產(chǎn)品和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（sas）的設(shè)計(jì)產(chǎn)生深刻的影響。它不僅應(yīng)用在變電站內(nèi)，而且將運(yùn)用于變電站與調(diào)度中心之間以及各級(jí)調(diào)度中心之間。2 調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)與數(shù)字化變電站接入的方案2.1 方案一：調(diào)度主站集成iec61850模塊可以在調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)的前置程序中開發(fā)iec61850模塊，數(shù)字化變電站通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與主站通訊，調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)中的iec61850模塊通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與間隔層的ied通訊，接收間隔層ied的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)與變電

6、站的接入。圖1主站集成iec61850模塊示意圖2.2 方案二：采用iec61850通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)可以在變電站的站控層與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)之間采用一臺(tái)iec61850通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)，作為變電站內(nèi)ied的通信代理，網(wǎng)關(guān)機(jī)通過(guò)變電站的站控層網(wǎng)絡(luò)與間隔層ied通信，接收間隔層ied的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與調(diào)度主站通信，向主站上送遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)?？蛇x擇按照iec61850協(xié)議或60870-101/104協(xié)議。圖2站端配置iec61850網(wǎng)關(guān)機(jī)2.3方案比較方案一的優(yōu)點(diǎn)是不增加硬件設(shè)備，只需完善調(diào)度主站前置iec61850軟件模塊，調(diào)度主站直接通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與站控層的ied通訊，變電站的信息直接轉(zhuǎn)化為調(diào)度數(shù)據(jù)模型。

7、缺點(diǎn)是調(diào)試工作主要集中在主站進(jìn)行，一旦調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，可能影響調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行；方案2的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)增加一臺(tái)網(wǎng)關(guān)機(jī)把iec61850數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化調(diào)度主站的通訊規(guī)約，實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能，只在主站增加相應(yīng)的接收通道，不影響調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行，避免了ied直接接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，提高了系統(tǒng)安全性。缺點(diǎn)是需要一定的硬件投資。綜合分析和比較后，筆者認(rèn)為方案二較可行。3 iec61850通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)的實(shí)現(xiàn)3.1 通信數(shù)據(jù)流網(wǎng)關(guān)機(jī)與變電站的ied設(shè)備通信建立mms連接時(shí)是客戶端，與調(diào)度主站通信時(shí)是服務(wù)端。它是iec61850通信服務(wù)網(wǎng)關(guān)，在scada系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接入智能電子裝置ieds并將智能裝置數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為調(diào)度

8、目前兼容的iec60870-101/104協(xié)議送往scada。網(wǎng)關(guān)機(jī)系統(tǒng)由通信服務(wù)和配置工具組成，通信服務(wù)運(yùn)行在嵌入式裝置或服務(wù)器上，配置工具運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)機(jī)或工作站中（非獨(dú)占）。圖3 網(wǎng)關(guān)機(jī)通信數(shù)據(jù)流示意圖3.2 模型轉(zhuǎn)換iec61850和現(xiàn)有的調(diào)度系統(tǒng)定義了各自的數(shù)據(jù)模型和通信接口標(biāo)準(zhǔn),iec 61850 scl模型需要轉(zhuǎn)換到現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)模型。網(wǎng)關(guān)機(jī)主要進(jìn)行以下模型轉(zhuǎn)換（1）一次設(shè)備及連接模型的轉(zhuǎn)換即把數(shù)字化變電站的一次設(shè)備模型自描述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)（2）量測(cè)模型的轉(zhuǎn)換根據(jù)數(shù)字化變電站智能裝置自描述數(shù)據(jù)，確定調(diào)度系統(tǒng)的量測(cè)數(shù)據(jù)（3）保護(hù)相關(guān)模型的轉(zhuǎn)換把iec 61850 中各種

9、保護(hù)模型分解轉(zhuǎn)換為調(diào)度系統(tǒng)中的保護(hù)裝置模型、保護(hù)量測(cè)模型、保護(hù)定值模型。3.3 硬件設(shè)計(jì)iec61850通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)既是一個(gè)iec61850的客戶端，與變電站的各個(gè)ied通信，又是個(gè)iec61850的服務(wù)端，與調(diào)度主站通信，同時(shí)iec61850比傳統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議通信數(shù)據(jù)流量大，這要求iec61850網(wǎng)關(guān)機(jī)具有較快的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力。iec61850網(wǎng)關(guān)機(jī)采用彈性設(shè)計(jì)，可利用工業(yè)控制機(jī)，對(duì)于處理大數(shù)據(jù)量的可采用服務(wù)器；即根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況選擇不同的機(jī)器類型。為提高系統(tǒng)的可靠性， 配置雙機(jī)模式，網(wǎng)關(guān)機(jī)采用熱備用運(yùn)行模式，在正常情況下，一臺(tái)網(wǎng)關(guān)機(jī)處于值班狀態(tài)，另一臺(tái)處于備用狀態(tài)，值班機(jī)負(fù)責(zé)與ied、

10、調(diào)度主站通信，當(dāng)值班機(jī)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)降為備用機(jī)運(yùn)行，另外一臺(tái)備用機(jī)升為值班機(jī)運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，可先配置一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行可行性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可配置一臺(tái)嵌入式裝置作為網(wǎng)關(guān)機(jī)，其操作系統(tǒng)采用linux，該裝置具有4個(gè)10/100m mbits以太網(wǎng)卡，其中2個(gè)網(wǎng)口接變電站數(shù)據(jù)網(wǎng)，與變電站智能裝置ied通信（本期采用一臺(tái)智能裝置模擬實(shí)現(xiàn)），2個(gè)網(wǎng)口接入調(diào)度scada前置網(wǎng)；配置一臺(tái)61850智能數(shù)據(jù)裝置ied作為數(shù)據(jù)源，該裝置具備雙網(wǎng)口，模擬智能變電站數(shù)據(jù)，進(jìn)行測(cè)試。圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖3.4 軟件設(shè)計(jì)遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)關(guān)機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如下：圖5 網(wǎng)關(guān)機(jī)軟件模塊構(gòu)成圖（1）數(shù)據(jù)庫(kù)配置工具通過(guò)導(dǎo)入變電站ied

11、、通信等配置文件,生成iec61850實(shí)時(shí)庫(kù),部分ied的數(shù)據(jù)是需要上送調(diào)度主站的。數(shù)據(jù)庫(kù)配置工具還可以設(shè)置遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)關(guān)機(jī)iec61850客戶端使用的報(bào)告標(biāo)識(shí)號(hào),避免與變電站內(nèi)的其他客戶端發(fā)生沖突。（2）iec61850實(shí)時(shí)庫(kù)根據(jù)iec6i850的對(duì)象層次關(guān)系,采用面向?qū)ο蟮姆椒?在內(nèi)存中建立了符合iec61850規(guī)范的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型。與ied裝置通信時(shí)，可以快速地獲得ied模型配置信息,不必直接去解析scd文件,提高了系統(tǒng)效率。（3）iec61850 mms通信客戶模塊mms通信模塊負(fù)責(zé)與變電站內(nèi)的各個(gè)ied裝置通信。,在線讀取ied數(shù)據(jù)集配置、報(bào)告控制塊配置，然后逐個(gè)使能ied的報(bào)告控制塊,接收

12、ied上送的實(shí)時(shí)報(bào)告數(shù)據(jù)。同時(shí), mms通信模塊可以將scada進(jìn)程發(fā)送的控制命令下發(fā)給ied?？蛻舳诉M(jìn)程定時(shí)去檢測(cè)與各個(gè)ied的通信情況.在mms連接發(fā)生中斷時(shí),能夠自動(dòng)地重新建立連接。（4）iec61850 mms通信服務(wù)端模塊mms通信服務(wù)端模塊負(fù)責(zé)與支持iec61850協(xié)議的調(diào)度中心通信，將變電站各種ied裝置數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)關(guān)機(jī)，避免調(diào)度中心程序直接訪問(wèn)各個(gè)裝置，實(shí)現(xiàn)與變電站ied裝置隔離并進(jìn)行高效通信。本功能為遠(yuǎn)期調(diào)度中心完全支持iec61850協(xié)議后提供無(wú)縫接入。（5）iec61850管理模塊管理模塊實(shí)現(xiàn)iec61850的服務(wù)功能,包括關(guān)聯(lián)服務(wù)、目錄類服務(wù)、報(bào)告服務(wù)、控制服務(wù)、定值服

13、務(wù)、文件傳輸服務(wù)。（6）模型轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)iec6i850實(shí)時(shí)庫(kù)模型中包含的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)庫(kù)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，以供各規(guī)約模塊通信用；（7）傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)庫(kù)建立傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)存緩沖，由模型轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行管理，以利于iec60870101/104規(guī)約通信用；（8）iec60870-101/104通信模塊實(shí)現(xiàn)與調(diào)度中心scada系統(tǒng)的傳統(tǒng)接入，將傳統(tǒng)測(cè)點(diǎn)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，按照101/104規(guī)約格式組包，送往scada，同時(shí)接收scada下行控制命令，由模型轉(zhuǎn)換送往iec61850實(shí)時(shí)庫(kù)，待mms通信模塊發(fā)往ide裝置。（9）網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)接口模塊實(shí)現(xiàn)與配置工具的網(wǎng)絡(luò)通信接口。4 結(jié)語(yǔ)調(diào)度自動(dòng)化實(shí)時(shí)系統(tǒng)與數(shù)字化變電站接入的實(shí)驗(yàn)性研究，可以為今后數(shù)字化變電站建設(shè)提供可借鑒的方法，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人才，同時(shí)縮