變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

1、. . . . 變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā) 55 / 63摘要電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，變電站布點(diǎn)的不斷增加，為了保證運(yùn)行正常，帶動(dòng)了變電站的各種傳感設(shè)備增加。這給維護(hù)員工帶來(lái)了更大的工作量，并且檢修周期安排和離線數(shù)據(jù)采集變的非常困難。本文研究在在線狀態(tài)下，通過(guò)本系統(tǒng)的監(jiān)控，能夠快速的反映前方各個(gè)變電站的各個(gè)智能傳感器的采集狀況以與被監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。在做到監(jiān)控這一目的后，再為維護(hù)人員檢修提供采樣數(shù)據(jù)。變電站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收前端各式各樣的智能傳感器，這些傳感器使用的協(xié)議可分為兩大類，異構(gòu)規(guī)約和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。本系統(tǒng)的前置機(jī)系統(tǒng)提供開(kāi)放接口支持標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，同時(shí)也提供專用接口支持已透入使用的異構(gòu)規(guī)約。前端智能

2、傳感器采集到數(shù)據(jù)，封裝后發(fā)送到接入層CAC系統(tǒng)，這一層，不同協(xié)議的數(shù)據(jù)解析后都封裝成標(biāo)準(zhǔn)格式I2。接入層再把標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)包發(fā)送到主站數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)服務(wù)層，服務(wù)層解析標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包，取出采樣數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)作三個(gè)用途，一是更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為在線監(jiān)測(cè)；二是存到本地歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，作為查詢用；三是寫(xiě)入PMS系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：智能傳感器， IEC61850，異構(gòu)規(guī)約，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約 AbstractThe expanding of electricity grid leads to the increasing of substations. In order to ensure normal operation

3、, varieties of sensors are used. Maintenance staffs take a greater workload. And so its hard to maintain cycle arrangements and off-line data acquisition. This paper mainly researches such status that it can be quickly reflects equipment status of the various

4、smart sensors in substation far away. After reach this goal, and then provide sample data to maintenance stuff. Substation line Monitoring System received a wide range of smart sensors. Protocolused by these sensors can be divided into two categories, one is StandardStatute,

5、 and the other is Heterogeneous Statute. This system provides open interfaces to support Standard Statute and provide private interface to support Heterogeneous Statute. Smart sensors collect data and packaged, then send to access layer of CAC. After receiving thes

6、e packages, CAC analysis and package to another standard format. Access layer will send I2 packages to service layer where master data processing, analysis, storage. The sample data can be display in the web, and also send the PMS system.Key Words：Smart Sensor, IEC61850, Heterogeneous Statute,

7、Standard Statute目錄摘要iAbstractii圖目錄IV第1章 緒論11.1 課題的提出與意義11.2 智能變電站概述11.3 國(guó)外研究現(xiàn)狀21.4 本章小結(jié)3第2章 變電站在線監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.1 系統(tǒng)總體框架42.2 狀態(tài)信息接入控制器52.2.1 設(shè)計(jì)思路52.2.2 總體結(jié)構(gòu)72.2.3 功能設(shè)計(jì)72.2.4 狀態(tài)信息接入控制器設(shè)備82.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理92.4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)92.5 本章小結(jié)11第3章 變電站在線監(jiān)測(cè)異構(gòu)規(guī)約123.1 異構(gòu)規(guī)約123.2 油色譜協(xié)議123.2.1 變壓器油色譜分析的理論依據(jù)123.2.2 通訊協(xié)議133.2.3

8、通訊過(guò)程143.3 蓄電池協(xié)議143.3.1 蓄電池的用途143.3.2 蓄電池協(xié)議153.3.3 通訊方式153.4 避雷器協(xié)議163.4.1 避雷器重要性163.4.2 通訊協(xié)議163.4.3 通訊過(guò)程173.5 本章小結(jié)17第4章 變電站在線監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約184.1 IEC61850184.1.1 簡(jiǎn)介184.1.2 技術(shù)特點(diǎn)184.1.3 IEC61850的分層結(jié)構(gòu)194.2 IEC61850信息模型214.2.1 邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)214.2.2 邏輯設(shè)備模型234.3 抽象通信服務(wù)接口ACSI244.4 制造報(bào)文規(guī)MMS254.4.1 服務(wù)的客戶服務(wù)器關(guān)系274.4.2 IEC61850

9、與MMS的映射284.5 IEC61850 接入284.5.1 實(shí)現(xiàn)分析284.5.2 IEC61850應(yīng)用304.6 本章小結(jié)31第5章 CAC前置系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)335.1 CAC前置系統(tǒng)概要335.2 下行數(shù)據(jù)通信模塊345.3 數(shù)據(jù)處理模塊355.3.1 協(xié)議解析365.3.2 數(shù)據(jù)模型匹配375.4 上行數(shù)據(jù)通信模塊375.5 輔助功能模塊385.5.1 心跳監(jiān)測(cè)雙機(jī)切換385.5.2 日志備份，校時(shí)和遠(yuǎn)程維護(hù)395.6 CAC前置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)395.7 本章小結(jié)40第6章 變電站在線監(jiān)控主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)416.1 主站后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)416.1.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入服務(wù)416.1.2 數(shù)據(jù)處理服務(wù)4

10、16.1.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出服務(wù)426.1.4 后臺(tái)服務(wù)實(shí)現(xiàn)436.2 主站W(wǎng)eb系統(tǒng)446.2.1 系統(tǒng)登錄446.2.2 設(shè)備管理466.2.3 傳感器配置476.2.4 CAC管理496.2.5 狀態(tài)監(jiān)控506.3 本章小結(jié)51第7章 總結(jié)和展望527.1 工作總結(jié)527.2 進(jìn)一步工作展望52參考文獻(xiàn)54作者簡(jiǎn)歷56致57圖目錄圖 2.1系統(tǒng)框架圖5圖 2.2 專用前置系統(tǒng)6圖 2.3 通用前置系統(tǒng)6圖 2.4 前置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7圖 2.5 CAC外觀圖8圖 2.6信息接入系統(tǒng)管理功能9圖 2.7 設(shè)備樹(shù)管理10圖 2.8 狀態(tài)采集映射10圖 3.1油色譜協(xié)議13圖 3.2油色譜應(yīng)答協(xié)議1

11、4圖 3.3油色譜傳感器通訊圖14圖 3.4蓄電池協(xié)議15圖 3.5蓄電池命令15圖 3.6避雷器協(xié)議16圖 4.1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接口模型20圖 4.2 概念性建模方法21圖 4.3 邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)22圖 4.4 基本組成部件22圖 4.5 邏輯節(jié)點(diǎn)連接23圖 4.6 邏輯設(shè)備基本組成元素23圖 4.7 邏輯設(shè)備和LLN0/LPHD24圖 4.8 ACSI通信方法25圖 4.9 VMD模型26圖 4.10 客戶與服務(wù)器的交互過(guò)程27圖 4.11 IEC61850映射到MMS28圖 4.12 IEC61850通信模型29圖 4.13 SISCO MMS-EASE Lite的體系結(jié)構(gòu)29圖 4

12、.14 IED客戶端文件31圖 5.1 Application 時(shí)序圖32圖 5.2 Application配置文件app.config33圖 5.3下行數(shù)據(jù)模塊繼承關(guān)系34圖 5.4 xml格式標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包35圖 5.5數(shù)據(jù)包解析流程35圖 5.6數(shù)據(jù)模型適配解析時(shí)序圖36圖 5.7上行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊時(shí)序圖37圖 5.8心跳檢測(cè)圖37圖 5.9 CAC前置系統(tǒng)啟動(dòng)38圖 5.10 CAC前置系統(tǒng)接收油色譜數(shù)據(jù)39圖 6.1主站后臺(tái)服務(wù)DataServer啟動(dòng)時(shí)序圖40圖 6.2主站數(shù)據(jù)處理時(shí)序圖41圖 6.3 寫(xiě)入PMS的WebService服務(wù)42圖 6.4 DataServer后臺(tái)服務(wù)程序啟

13、動(dòng)42圖 6.5 DataServer后臺(tái)服務(wù)程序接收數(shù)據(jù)43圖 6.6 系統(tǒng)首頁(yè)44圖 6.7 普通用戶監(jiān)控界面44圖 6.8 管理員監(jiān)控界面45圖 6.9 設(shè)備樹(shù)管理45圖 6.10設(shè)備信息查看46圖 6.11 傳感器配置46圖 6.12傳感器安裝47圖 6.13 傳感器測(cè)點(diǎn)管理48圖 6.14 CAC管理48圖 6.15 CAC時(shí)間管理49圖 6.16 狀態(tài)監(jiān)控49圖 6.17 實(shí)時(shí)曲線圖50圖 6.18 歷史數(shù)據(jù)查詢50第1章 緒論1.1 課題的提出與意義隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電所的布點(diǎn)不斷增加，設(shè)備性能不斷提升，單一員工所需要運(yùn)行維護(hù)的設(shè)備不斷增加，因此，按照原有的檢修周期再安排大

14、量的離線數(shù)據(jù)采集工作已經(jīng)變的非常困難；同時(shí)變電所相關(guān)設(shè)備與其運(yùn)行情況多數(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)方遙控、遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙視等功能。各監(jiān)控中心配置PMS（power production management system）生產(chǎn)管理系統(tǒng)，目前主要的設(shè)備信息、運(yùn)行巡視記錄、檢修記錄、試驗(yàn)記錄、缺陷記錄包括計(jì)劃信息均已經(jīng)納入了PMS系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的積累比較豐富，離線數(shù)據(jù)大量積累在PMS系統(tǒng)中，為生產(chǎn)管理分析提供了依據(jù)。但是，各類信號(hào)協(xié)議不同，采集監(jiān)控管理系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，各種數(shù)據(jù)較難做到統(tǒng)一，實(shí)時(shí)監(jiān)控，給維護(hù)管理很大麻煩，急需建立起有效的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指利用傳感技術(shù)和微電子技術(shù)對(duì)

15、運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取反映運(yùn)行狀態(tài)的各種物理量，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，預(yù)測(cè)運(yùn)行狀況，必要時(shí)提供報(bào)警和故障診斷信息，避免因故障的進(jìn)一步擴(kuò)大而導(dǎo)致事故的發(fā)生，指導(dǎo)設(shè)備最佳的維修時(shí)機(jī)，為狀態(tài)檢修提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)、通信、信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)會(huì)向系統(tǒng)化集成化方向發(fā)展，形成以狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的設(shè)備智能管理系統(tǒng)，能對(duì)在線和離線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目作為智能變電站的重要組成部分，應(yīng)用先進(jìn)可靠、高度集成的前置狀態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化通信、標(biāo)準(zhǔn)化信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)全面采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析決策等功能，達(dá)到提高變電站運(yùn)行可靠性、減少人工干預(yù)、支撐電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制和智能調(diào)

16、節(jié)、優(yōu)化資產(chǎn)利用等目標(biāo)。1.2 智能變電站概述經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，變電站自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一定的水平，在我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造和建設(shè)中，許多變電站都通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)的使用實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值班，實(shí)現(xiàn)了變電站綜合自動(dòng)化，使電網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)代化水平得到了極大的提高。智能變電站是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的延伸，它以設(shè)備全智能化和測(cè)控全智能化為基礎(chǔ)，完全實(shí)現(xiàn)了信息采集、傳輸、處理、輸出過(guò)程的數(shù)字化，例如，對(duì)變電設(shè)備進(jìn)制智能控制、對(duì)供電安全進(jìn)行在線預(yù)警、對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別等。智能變電站技術(shù)是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中具有里程碑意義的一次變革，其主要特征是“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)”，即智能變電

17、站的信息全部做到智能，信息傳遞實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)。這使得智能變電站在系統(tǒng)可靠性，經(jīng)濟(jì)型，維護(hù)簡(jiǎn)單性方面均比常規(guī)變電站有大幅度提升1。IEC61850將智能變電站分為過(guò)程層，間隔層和站控層，各層部與各層直接采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可以分為：站控層和間隔層之間的間隔層通信網(wǎng)，以與間隔層和過(guò)程層之間的過(guò)程層通信網(wǎng)。站控層通信全面采用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)通信管理機(jī)和保護(hù)信息子站均可直接接入IEC 61850裝置。同時(shí)提供了完備的IEC 61850工程工具，用以生成符合IEC 61850-6規(guī)的SCL文件可在不同廠家的工程工具

18、之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。間隔層通信網(wǎng)采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在該網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)跨間隔的橫向聯(lián)鎖功 能。110 kV與以下電壓等級(jí)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可采用單以太網(wǎng)，110 kV以上電壓等級(jí)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)需采用雙以太網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)采用IEC 61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，非IEC 61850規(guī)約的設(shè)備需經(jīng)規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入?？紤]到傳輸距離和抗干擾要求，各繼電小室與主控室之間應(yīng)采用光纖而在各小室部設(shè)備之間的通信則可采用屏蔽雙絞線2。1.3 國(guó)外研究現(xiàn)狀在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)方面，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控可靠性和實(shí)用性均高于國(guó)，西歐，北美，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的絕大多數(shù)變電站，包括許多500kV、380kV的變電站也都已實(shí)

19、現(xiàn)無(wú)人值班，所有225/20kV變電站都由調(diào)度中心集中控制，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，調(diào)度中心可以直接進(jìn)行必要的處理。隨著微電子技術(shù)、電子式電流互感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能斷路技術(shù)的發(fā)展成熟以與IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)體系的頒布，德國(guó)SIEMENS公司推出的SICAM WCC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出可以 支持基于以太網(wǎng)的IEC61850-8變電站總線以與IEC61850-9過(guò)程總線技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)化，使得SICAM WCC進(jìn)入符合標(biāo)準(zhǔn)的智能化的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品行列中來(lái)；ABB、ALSTOM和GE等國(guó)外的電力裝備廠商公司都已在SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)IEC618503-4。目前，國(guó)110（66）kV與以上變電

20、站基本實(shí)現(xiàn)了以“遙測(cè)”、“遙信”、“遙控”、“遙調(diào)”的四遙功能，部分網(wǎng)省公司220kV以上變電站無(wú)人值班比例達(dá)到85%以上。輸變電系統(tǒng)已具備了對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和控制的能力。國(guó)家電網(wǎng)公司從2005年開(kāi)始數(shù)字化變電站研究工作。國(guó)網(wǎng)中心從2005 年開(kāi)始陸續(xù)組織了6 次互操作性試驗(yàn)，檢驗(yàn)并促進(jìn)了國(guó)IEC61850 系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的兼容性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)的應(yīng)用起到重要的推動(dòng)作用。同時(shí)，通訊技術(shù)尤其是以太網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的普與以與嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展也為數(shù)字化變電站的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。1.4 本章小結(jié)本文主要是研究開(kāi)發(fā)變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，提出研究意義，然后介

21、紹智能變電站的概念，最后介紹變電站自動(dòng)化的國(guó)外研究狀況。第2章 變電站在線監(jiān)測(cè)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體框架變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，分為四個(gè)層次。最底層為各類在線檢測(cè)設(shè)備，也稱為智能傳感器層，該層設(shè)備類型比較復(fù)雜，支持的協(xié)議也很不同，有傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備，也有最新技術(shù)支持最新標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的傳感器，通訊類型有采用有線網(wǎng)絡(luò)的，也有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的。 第二層為接入層。該層是本系統(tǒng)最重要的組成部分，設(shè)計(jì)思路上可以將第一層的各種采集裝置數(shù)據(jù)接入分為三種情況，第一種類型是支持最新智能變電站通訊接入標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，這類設(shè)備數(shù)據(jù)直接以標(biāo)準(zhǔn)接口接入設(shè)備狀態(tài)接入控制器（Condition informatio

22、n Acquisition Controller，CAC）；第二種類型是一些不支持標(biāo)準(zhǔn)通訊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這類設(shè)備可以通過(guò)安裝設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)代理（Condition Monitoring Agent ，CMA）裝置來(lái)整合轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議后上傳到CAC；第三種情況是傳統(tǒng)的一些接入裝置并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這種數(shù)據(jù)類型經(jīng)過(guò)接口轉(zhuǎn)換后，直接將數(shù)據(jù)接入后臺(tái)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。 第三層為數(shù)據(jù)處理、分析、存儲(chǔ)服務(wù)層，經(jīng)整合處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)可以寫(xiě)入PI系統(tǒng)進(jìn)行海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)可以預(yù)留除PI以外的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心，為沒(méi)有PI系統(tǒng)的應(yīng)用單位提供一樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。第四層為應(yīng)

23、用和接口層，系統(tǒng)提供與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換接口、其它應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)使用接口、國(guó)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換家口等。提供在線綜合信息監(jiān)測(cè)，提供狀態(tài)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、綜合分析數(shù)據(jù)、空間圖形數(shù)據(jù)等可視化展現(xiàn)功能與遠(yuǎn)程訪問(wèn)。圖 2.1系統(tǒng)框架圖2.2 狀態(tài)信息接入控制器2.2.1 設(shè)計(jì)思路狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機(jī)（CAC）是變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部件。由于歷史原因，變電站中各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置標(biāo)準(zhǔn)化程度很低，導(dǎo)致出現(xiàn)各種類型的專用前置子系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。接入結(jié)構(gòu)如圖2.2所示：上層應(yīng)用系統(tǒng)專用系統(tǒng)1裝置1裝置2專用系統(tǒng)2裝置3裝置4專用系統(tǒng)3裝置5裝置6圖 2.2 專用前置系統(tǒng)這種接入方式技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較小，但

24、是前置各成體系，難以標(biāo)準(zhǔn)化，隨著系統(tǒng)的發(fā)展前置裝置越來(lái)越多，資源利用率低，成本高且重復(fù)投入，難以標(biāo)準(zhǔn)化并推廣應(yīng)用。因此，本方案設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的信息接入控制器CAC。CAC是部署在變電站，能以標(biāo)準(zhǔn)方式連接站各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置或狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理，接收它們發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)信息，并對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化控制的裝置。CAC承載各專業(yè)所特有的與傳感器技術(shù)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)加工處理，具有高速數(shù)據(jù)接入能力。通過(guò)CAC傳統(tǒng)接入方式改變?yōu)槿鐖D2.3結(jié)構(gòu)：上層應(yīng)用系統(tǒng)裝置1狀態(tài)接入控制器裝置2裝置3裝置4裝置5裝置6圖 2.3 通用前置系統(tǒng)為保證非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的接入，CAC開(kāi)放一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，用于接入已有狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，傳統(tǒng)系統(tǒng)增加一個(gè)

25、接口模塊將信息送入狀態(tài)信息接入控制器（CAC）。2.2.2 總體結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息接入控制器（CAC）采用開(kāi)放的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850），能適應(yīng)未來(lái)智能電網(wǎng)傳感器技術(shù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的長(zhǎng)期發(fā)展需要。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置或者狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理將采集的狀態(tài)信息以標(biāo)準(zhǔn)方式送給CAC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接入模塊，實(shí)現(xiàn)信息接入?，F(xiàn)存非標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)各自的前置子系統(tǒng)加工成符合標(biāo)準(zhǔn)格式的結(jié)果信息，以標(biāo)準(zhǔn)方式推送給CAC，狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)CAC處理，進(jìn)行解析和緩存后通過(guò)上行通訊模塊發(fā)送給狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入服務(wù)模塊。同時(shí)，CAC還負(fù)責(zé)管理站各種監(jiān)測(cè)裝置和前置子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常與時(shí)記錄并上報(bào)。下行的標(biāo)準(zhǔn)指令通過(guò)接入模塊

26、、解析模塊和下發(fā)模塊發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)或者狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理（CMA），如圖2.4所示。圖 2.4 前置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2.3 功能設(shè)計(jì)狀態(tài)信息接入控制器（CAC）的主要功能包括：1、前置信息接入狀態(tài)信息接入控制器（CAC）可接入各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口接入，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，接入信息包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、接入代理以與專用系統(tǒng)接入。2、控制指令模塊狀態(tài)信息接入控制器（CAC）可接入主站系統(tǒng)下達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給所連接的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)裝置或CMA。3、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)模型匹配對(duì)接收到的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)解析和匹配后轉(zhuǎn)為設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行緩存和轉(zhuǎn)發(fā)。4、數(shù)據(jù)緩存與續(xù)傳CAC提供狀態(tài)數(shù)據(jù)的緩存功能，為保證上行通道

27、中斷狀態(tài)下的數(shù)據(jù)完整性。當(dāng)通訊功能恢復(fù)后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。5、配置管理CAC提供遠(yuǎn)程系統(tǒng)配置與管理功能。6、雙機(jī)切換采用雙機(jī)熱備份運(yùn)行模式，保證信息的與時(shí)同步和故障恢復(fù)功能。7、系統(tǒng)自檢CAC通過(guò)自檢系統(tǒng)保障自身的正常穩(wěn)定運(yùn)行，提高抗干擾能力。CAC可對(duì)自身狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，包括心跳監(jiān)測(cè)、容錯(cuò)、版本、遠(yuǎn)程更新、日志、安全論證等。2.2.4 狀態(tài)信息接入控制器設(shè)備如圖2.5所示，狀態(tài)信息接入控制器采用1U 19標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱，Linux操作系統(tǒng)，支持雙機(jī)熱備，固態(tài)硬盤(pán)。圖 2.5 CAC外觀圖根據(jù)變電站接入規(guī)模配置路由器、多串口卡、可遠(yuǎn)程控制電源模塊輔助設(shè)備。2.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理是安

28、裝在變電站，能集中收集站各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，并替代各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置與CAC進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)通信的統(tǒng)一代理裝置。CMA可跨專業(yè)和跨廠家采集各類標(biāo)準(zhǔn)化或非標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)信息。特別在目前過(guò)度階段站還存在許多非標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)裝置。CMA可以起到很好的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。狀態(tài)監(jiān)測(cè)代理為智能變電站中接入各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控信息的智能組件，具有接入設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)緩存、自檢測(cè)、數(shù)據(jù)交換等功能。2.4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)主站系統(tǒng)如圖2.6所示，信息接入主站系統(tǒng)的功能圖。變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息接入系統(tǒng)管理功能設(shè)備樹(shù)管理遠(yuǎn)程升級(jí)管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入服務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出服務(wù)數(shù)據(jù)處理服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測(cè)裝置配置狀態(tài)采集點(diǎn)映射狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理時(shí)鐘管理系統(tǒng)管理

29、圖 2.6信息接入系統(tǒng)管理功能設(shè)備樹(shù)管理：可以根據(jù)用戶的需要定義任意層次的設(shè)備管理層次，以滿足定義符合電力系統(tǒng)規(guī)DL/T890.301-2004能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(EMS-API)第301部分:公共信息模型(CIM)基礎(chǔ)的電力設(shè)備層次。如果用戶已經(jīng)存在設(shè)備管理系統(tǒng)，并且有設(shè)備模型的定義，則本系統(tǒng)的設(shè)備樹(shù)管理引用設(shè)備管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，但該系統(tǒng)必須開(kāi)放模型數(shù)據(jù)接口，以便開(kāi)發(fā)接入。設(shè)備樹(shù)示例如圖2.7所示：圖 2.7 設(shè)備樹(shù)管理狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置管理：管理變電站安裝的各種在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。狀態(tài)采集點(diǎn)映射：管理狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置狀態(tài)點(diǎn)邏輯名稱與協(xié)議點(diǎn)命名之間的映射關(guān)系。狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)映射示例如圖2

30、.8所示：圖 2.8 狀態(tài)采集映射其中測(cè)點(diǎn)部位為監(jiān)測(cè)傳感器安裝的對(duì)應(yīng)設(shè)備位置，配置時(shí)從設(shè)備樹(shù)中選擇。狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置配置：配置狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的通訊方式、協(xié)議參數(shù)、通訊地址等運(yùn)行參數(shù)。遠(yuǎn)程升級(jí)管理：可以遠(yuǎn)程選擇或批量更新前置狀態(tài)接入控制器的軟件，同時(shí)管理狀態(tài)接入控制器的版本信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入服務(wù)：實(shí)現(xiàn)多線程數(shù)據(jù)接入服務(wù)功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出服務(wù)：實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)中心（PI）功能，可以通過(guò)數(shù)據(jù)中心專用接口或服務(wù)總線接口。數(shù)據(jù)處理服務(wù)：狀態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)信息是否寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)或需經(jīng)某種特定處理后寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，該模塊根據(jù)設(shè)定條件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理服務(wù)。狀態(tài)監(jiān)控：可是實(shí)時(shí)監(jiān)控各設(shè)備的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)基于圖形的展現(xiàn)和基于對(duì)象

31、的展現(xiàn)兩類。時(shí)鐘管理：取得標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間，向各數(shù)據(jù)采集裝置定期發(fā)布時(shí)間信息，時(shí)鐘校正。系統(tǒng)管理：實(shí)現(xiàn)用戶與權(quán)限管理，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。2.5 本章小結(jié)本節(jié)主要介紹整個(gè)系統(tǒng)的組織層次，并對(duì)每個(gè)層次分別進(jìn)行介紹以與每個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法。第3章 變電站在線監(jiān)測(cè)異構(gòu)規(guī)約3.1 異構(gòu)規(guī)約異構(gòu)規(guī)約，在本文中，是指非IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約。這些規(guī)約大多是基于IEC60870-5的規(guī)，以IEC60870-5-101和IEC60870-5-104為最主要參考標(biāo)準(zhǔn)。IEC60870-5是國(guó)際電工委員會(huì)電力系統(tǒng)控制與其技術(shù)委員會(huì)（IEC TC57）根據(jù)形勢(shì)發(fā)展的要求制定調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)

32、，適應(yīng)和引導(dǎo)電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。借鑒IEC60870-5規(guī)，許多廠商已經(jīng)開(kāi)發(fā)了適應(yīng)各自產(chǎn)品的傳輸協(xié)議，并且已經(jīng)應(yīng)用在變電站中，其運(yùn)行穩(wěn)定性也得到了時(shí)間的考驗(yàn)。本系統(tǒng)的前端接入層已經(jīng)開(kāi)放接口支持這些傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)規(guī)約的接入。到目前為止，已經(jīng)成功接入的異構(gòu)規(guī)約包括：油色譜協(xié)議，避雷器協(xié)議，蓄電池協(xié)議。3.2 油色譜協(xié)議3.2.1 變壓器油色譜分析的理論依據(jù)變壓器的安全運(yùn)行是電網(wǎng)安全的保證。目前，在變壓器的故障診斷中，只憑電氣試驗(yàn)的方法很難發(fā)現(xiàn)某些局部故障與發(fā)熱缺陷，特別是變壓器部的過(guò)熱性和放電行缺陷。但通過(guò)變壓器中氣體的油色譜分析這種方法可以有效地發(fā)現(xiàn)這些潛伏性故障與發(fā)展程度。油浸

33、式電力變壓器，絕緣油中的溶解氣體的色譜分析是發(fā)現(xiàn)這種潛伏性故障的有效方法。油色譜分析的原理是任何一種烴類氣體的產(chǎn)生速率隨溫度變化而變化，它是對(duì)運(yùn)行中的變壓器油樣進(jìn)行油中溶解氣體成分與含量的分析，根據(jù)不同的成分與含量可判斷變壓器存在的潛伏性故障與性質(zhì)。因?yàn)橛徒诫娏ψ儔浩鞯牟抗收洗篌w是局部過(guò)熱和局部放電兩種類型，這兩種故障都會(huì)引起故障點(diǎn)周?chē)慕^緣油和固體絕緣材料發(fā)生分解而產(chǎn)生的氣體，這些氣體大部分溶解到油中，因?yàn)椴煌再|(zhì)的故障點(diǎn)產(chǎn)生的氣體不同，而同一種性質(zhì)故障，由于故障的嚴(yán)重程度不同，產(chǎn)生的氣體數(shù)量也不同。變壓器油色譜分析中H2 、CO與等烴類氣體隨溫度變化而產(chǎn)生。在一定的溫度下，某一種氣體的產(chǎn)

34、生速率會(huì)出現(xiàn)較大值，隨著溫度的升高，變壓器油依次會(huì)出現(xiàn)CH4，C2H6，C2H4，C2H2。由于溶解氣體含量與故障溫度有對(duì)應(yīng)關(guān)系。而電弧與局部過(guò)熱產(chǎn)生故障氣體的主要原因。由于故障氣體大部分都溶于變壓器油中，變壓器油中故障氣體各種組成的含量多少與故障性質(zhì)與嚴(yán)重程度有直接關(guān)系。因此在變壓器運(yùn)行中對(duì)其進(jìn)行定期測(cè)量溶解與油中的氣體組成和含量對(duì)于與早發(fā)現(xiàn)變壓器部潛伏性故障有非常重要的作用和意義5。3.2.2 通訊協(xié)議油色譜協(xié)議比較簡(jiǎn)單，是根據(jù)IEC-60870-5-101規(guī)簡(jiǎn)化的協(xié)議。此報(bào)文有三大部分組成如圖3.1。報(bào)文頭以68H開(kāi)始，緊跟著傳輸幀類型，以與后面報(bào)文的長(zhǎng)度。中間數(shù)據(jù)區(qū)同樣以68H開(kāi)始，接

35、著是傳感器的序號(hào)ID，然后是采樣時(shí)間，數(shù)據(jù)塊可以包含各種采樣數(shù)據(jù)。結(jié)尾部分就是CRC效驗(yàn)和結(jié)尾16H。應(yīng)答報(bào)文更簡(jiǎn)單如圖3.2，68H開(kāi)頭，接著是被處理的數(shù)據(jù)包的傳感器序號(hào)，報(bào)文處理時(shí)間，效驗(yàn)位和結(jié)尾標(biāo)識(shí)16H。圖 3.1油色譜協(xié)議圖 3.2油色譜應(yīng)答協(xié)議3.2.3 通訊過(guò)程油色譜傳感器定時(shí)采樣，分析，整理，然后其部的程序自動(dòng)把采集結(jié)果組織成數(shù)據(jù)包。然后以TCP方式連接服務(wù)器即CAC，連接成功后，發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器在解析之后會(huì)返回處理結(jié)果的數(shù)據(jù)包。根據(jù)返回包里處理結(jié)果，如果成功，刪除這條數(shù)據(jù)包，如果失敗，則繼續(xù)連接服務(wù)器并發(fā)送數(shù)據(jù)包，整個(gè)過(guò)程如圖3.3。圖 3.3油色譜傳感器通訊圖3.3 蓄電池

36、協(xié)議3.3.1 蓄電池的用途在變電站的直流系統(tǒng)中，蓄電池作為備用電源作用十分重要。蓄電池組平時(shí)處于浮充電備用狀態(tài)，但當(dāng)交流失電或直流系統(tǒng)故障時(shí)，蓄電池組將成為負(fù)荷的唯一電源，向整個(gè)變電站中的繼電保護(hù)、控制、信號(hào)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、事故照明、交流不間斷等負(fù)荷提供能量6-7。顯然在交流失電的事故狀態(tài)下，蓄電池應(yīng)作為變電站的備用電源。平時(shí)對(duì)蓄電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，就是為了保證蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)。3.3.2 蓄電池協(xié)議蓄電池協(xié)議時(shí)根據(jù)IEC60870-5-101規(guī)約制定的廠方標(biāo)準(zhǔn)。如圖3.4，信息幀同步頭固定為EB,90,EB,90,EB,90（十六進(jìn)制）。接著是地址和命令，然后說(shuō)明數(shù)據(jù)段的總長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)容2以3字

37、節(jié)為一組。最后是CRC16效驗(yàn)和結(jié)尾標(biāo)識(shí)。圖 3.4蓄電池協(xié)議在信息類型為命令項(xiàng)中，具體命令如圖3.5。圖 3.5蓄電池命令3.3.3 通訊方式蓄電池協(xié)議采用跟油色譜協(xié)議一樣的通訊方式，都是由傳感器主動(dòng)連接服務(wù)器，連通后，主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，唯一區(qū)別是，除了校正時(shí)間命令，服務(wù)器不需要返回處理結(jié)果。3.4 避雷器協(xié)議3.4.1 避雷器重要性雷電波沿著輸電線路侵入變電站，就會(huì)對(duì)變電站設(shè)備構(gòu)成巨大威脅。變電站是電力系統(tǒng)的樞紐，站的變壓器等主要電氣設(shè)備的絕緣大多沒(méi)有恢復(fù)能力，一旦雷擊損壞，有可能造成大面積停電，給生產(chǎn)和生活帶來(lái)重大損失和影響。目前世界圍由于雷電波侵入變電站而引起開(kāi)關(guān)設(shè)備閃絡(luò)甚至爆炸的事件接連

38、發(fā)生，我南和華北地區(qū)的變電站與電廠也發(fā)生了數(shù)次由于雷擊引起的開(kāi)關(guān)閃絡(luò)和爆炸事件7-8。3.4.2 通訊協(xié)議避雷器協(xié)議是基于IEC60870-5-104規(guī)制定的，屬于廠方標(biāo)準(zhǔn)。如圖3.6是避雷器協(xié)議報(bào)文中的一種，是傳輸不連續(xù)測(cè)量的報(bào)文結(jié)構(gòu)。圖 3.6避雷器協(xié)議3.4.3 通訊過(guò)程設(shè)備子站運(yùn)行在TCP 服務(wù)器模式，后臺(tái)主機(jī)運(yùn)行在TCP 客戶端模式。 1、設(shè)備子站在標(biāo)準(zhǔn)104 端口開(kāi)啟服務(wù)，監(jiān)聽(tīng)來(lái)自后臺(tái)主機(jī)CAC的TCP 連接。2、后臺(tái)主機(jī)CAC向設(shè)備子站IP 的指定端口發(fā)起TCP 連接3、TCP 連接建立成功后，由后臺(tái)主機(jī)發(fā)送STARTDT，當(dāng)處于STARTDT 狀態(tài)設(shè)備子站才主動(dòng)上送數(shù)據(jù)4、后臺(tái)

39、主機(jī)在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間間隔發(fā)送總招命令。總招時(shí)，將上送所有的具有有效數(shù)據(jù)點(diǎn)號(hào)的最新數(shù)據(jù)，而不管之前是否上送過(guò)。5、設(shè)備子站將主動(dòng)上送新的數(shù)據(jù)，新的數(shù)據(jù)是指上一次上送后（包括總招）新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如果是第一次則是當(dāng)TCP 建立后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。6、數(shù)據(jù)傳輸失敗后，如果是總招，除非是后臺(tái)重新發(fā)起總招，否則不會(huì)重新傳輸總招數(shù)據(jù)。如果是數(shù)據(jù)主動(dòng)上送，這次失敗后，將在一段時(shí)間后重新上送。需要注意的是，重新上送時(shí)，可以將其視為一個(gè)新的數(shù)據(jù)上送，這時(shí)將按照數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。如果在失敗后到重新傳送期間，有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，傳輸時(shí)將包含新數(shù)據(jù)。如果這期間有老數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)替代，將直接傳輸新數(shù)據(jù)。7、設(shè)備子站不接收其

40、他未約定任何報(bào)文。這些報(bào)文均將被丟棄，并且不會(huì)影響設(shè)備子站空閑計(jì)時(shí)。3.5 本章小結(jié)本章主要介紹異構(gòu)規(guī)約，以IEC60870為基礎(chǔ)的各種廠商協(xié)議，油色譜，蓄電池，避雷器。第4章 變電站在線監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約4.1 IEC61850IEC61850通信協(xié)議對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)象統(tǒng)模，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口（ACSI），并支持TCP/IP協(xié)議，是一個(gè)開(kāi)發(fā)的、面向未來(lái)的新一代變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信協(xié)議。為在各種自動(dòng)化系統(tǒng)部準(zhǔn)、快速地收集、處理并傳輸從發(fā)電廠、變電站到最終用戶接口的各種實(shí)時(shí)信息，提供了一種解決方案16。4.1.1 簡(jiǎn)介IEC 61850是國(guó)際電工委員會(huì)(IE

41、C)第57技術(shù)委員會(huì)(TC57)制定的關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。目的是為了實(shí)現(xiàn)不同廠商之間的設(shè)備的互操作性。該協(xié)議采用自上而下的方式對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分層、功能定義和對(duì)象建模。IEC61850包括面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)、通信網(wǎng)絡(luò)性能要求、接口和映射、系統(tǒng)和項(xiàng)目管理、一致性測(cè)試等多方面詳細(xì)容。協(xié)議容綱要如下：第l 部分、概述；第2部分、術(shù)語(yǔ)；第3部分、總體要求；第4部分、系統(tǒng)和項(xiàng)目管理；第5部分、功能和設(shè)備模型的通信要求；第6部分、與變電站有關(guān)的IED的通信配置描述語(yǔ)言；第7.1部分、變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)原理和模型；7.2部分、變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)抽象通信服務(wù)

42、接口(ACSI)；第7.3部分、變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)公用數(shù)據(jù)類；第7.4部分、變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)兼容的邏輯節(jié)點(diǎn)類和數(shù)據(jù)類；第8.1部分、特定通信服務(wù)映射(SCSM)映射到MMS(ISOIEC9506第2部分)和ISO/IEC8802.3；第9.1部分、特定通信服務(wù)映射(SCSM)通過(guò)串行單方向多點(diǎn)共線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路傳輸采樣測(cè)量值；第9-2部分、特定通信服務(wù)映射(SCSM)通過(guò)ISO/IEC 8802.3傳輸采樣測(cè)量值；第l部分、一致性測(cè)試。IEC61850.7(DLT 860.7)是標(biāo)準(zhǔn)的核心，是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)上層應(yīng)用和下層實(shí)現(xiàn)的接口部分10。4.1.2 技術(shù)特點(diǎn)國(guó)際電工委

43、員會(huì)TC57制定了變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn) 為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)14。該系列標(biāo)準(zhǔn)具有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)： 1分層的智能電子設(shè)備和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)； 2根據(jù)電力系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，制定了滿足實(shí)時(shí)信息和其他信息傳輸要 求的服務(wù)模型：3采用抽象通信服務(wù)接口、特定通信服務(wù)映射以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的要求； 4采用對(duì)象建模技術(shù)，面向設(shè)備建模和自我描述以適應(yīng)應(yīng)用功能的需要和 發(fā)展，滿足應(yīng)用開(kāi)放互操作性要求； 5快速傳輸變化值； 6采用配置語(yǔ)言，配備配置工具，在信息源定義數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)屬性； 7定義和傳輸元數(shù)據(jù)，擴(kuò)充數(shù)據(jù)和設(shè)備管理功能； 8傳輸采樣測(cè)量值等7。4.1.3

44、 IEC61850的分層結(jié)構(gòu)IEC61850為了完成變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的控制、監(jiān)視和繼電保護(hù)三大功能，將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)按功能和邏輯通信抽象為3層體系結(jié)構(gòu)：變電站層、間隔層和過(guò)程層。變電站總線用于變電站層和間隔層間通信，過(guò)程總線用于間隔層和過(guò)程層間通信。IEC 61850并不規(guī)定通信拓?fù)?，不限制任何物理通信接口，只需根?jù)需求定義可以在物理的通信鏈路上應(yīng)用的通信服務(wù)，因此，這種3層體系結(jié)構(gòu)只是抽象的概念，并不限定實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)形式。這樣的通信系統(tǒng)有利于變電站設(shè)備以與變電站與控制中心構(gòu)成統(tǒng)一的無(wú)縫連接網(wǎng)絡(luò)。三層間具有相應(yīng)的10種邏輯接口，如圖4.1所示。過(guò)程層通過(guò)接口4和接口5與間隔層通信，主要完成開(kāi)關(guān)

45、量I/O、模擬量的采樣和控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能，該層主要物理設(shè)備是遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和執(zhí)行器。間隔層的功能主要是利用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)對(duì)本間隔的一次設(shè)備進(jìn)行操作，如線路保護(hù)設(shè)備就屬于這一層。間隔層通過(guò)邏輯接口3實(shí)現(xiàn)間隔層的部通信功能，通過(guò)邏輯接口4和接口5與過(guò)程層通信，即與各種遠(yuǎn)方I/O、智能傳感器和控制器通信。該層的設(shè)備主要包括每個(gè)間隔的控制、保護(hù)或監(jiān)視單元。變電站層的功能分為兩類：一是與過(guò)程層相關(guān)的變電站功能，主要指使用多個(gè)問(wèn)隔或者全站的數(shù)據(jù)，并且對(duì)多個(gè)間隔或全站的一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，如母線保護(hù)或全站圍的聯(lián)瑣等，間隔層之間通過(guò)接口8進(jìn)行通信；二是與接口相關(guān)的變電站圍的功能

46、，主要是指變電站自動(dòng)化系統(tǒng)與本地操作人員的人機(jī)交互界面的接口HMI(Human Machine Interface)、與遠(yuǎn)方控制中心的接口TCI(TeControl Interface)以與監(jiān)視和維護(hù)遠(yuǎn)方工程管理接口TMI(TeleMonitoring Interface)。這些功能通過(guò)邏輯接口1和6與間隔層通信，通過(guò)邏輯接口7與外部通信，通過(guò)邏輯接口9完成變電站層部的通信功能11。圖 4.1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)接口模型接口說(shuō)明：接口1：間隔層和變電站層之間保護(hù)數(shù)據(jù)交換；接口2：間隔層與遠(yuǎn)方保護(hù)(不在本標(biāo)準(zhǔn)圍)之間保護(hù)數(shù)據(jù)交換：接口3：間隔層數(shù)據(jù)交換； 接口4：過(guò)程層和間隔層之間電壓互感器VT和

47、電流互感器CT瞬時(shí)數(shù)據(jù)交換(尤其是采樣)；接口5：過(guò)程層和間隔層之間控制數(shù)據(jù)交換；接口6：間隔和變電站層之間控制數(shù)據(jù)交換；接口7：變電站層與遠(yuǎn)方工程師工作站之間數(shù)據(jù)交換；接口8：間隔之間直接數(shù)據(jù)交換，尤其是像聯(lián)鎖這樣快速功能； 接口9：變電站層數(shù)據(jù)交換； 接口10：變電站(裝置)和遠(yuǎn)方控制中心之間控制數(shù)據(jù)交換(不在本標(biāo)準(zhǔn)圍)。4.2 IEC61850信息模型信息交換機(jī)制主要依賴于定義好的信息模型，信息模型和建模方法是IEC61850的核心。IEC 61850使用如圖4.2所示的方法對(duì)實(shí)際設(shè)備進(jìn)行建模。信息建模過(guò)程是將功能和信息進(jìn)行分解的過(guò)程。IEC 61850將應(yīng)用功能分解成能夠用于交換信息的

48、最小單元，即邏輯節(jié)點(diǎn)。圖4.2以一個(gè)實(shí)際的斷路器設(shè)備為例，通過(guò)虛擬化建模抽象為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)類，名稱為“XCBRl”。根據(jù)邏輯節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)的功能，在邏輯節(jié)點(diǎn)部包含了一系列的數(shù)據(jù)，如：XCBRI中表示斷路器開(kāi)關(guān)位置信息Position等，這些數(shù)據(jù)有自己的數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)屬性表征了系統(tǒng)的主要信息，信息通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)定義的專有服務(wù)進(jìn)行交換。這些服務(wù)被定義成抽象通信服務(wù)，具體傳輸信息時(shí)，需要將抽象服務(wù)映射成具體通信方式即MMS、TCP/IP等12。圖 4.2 概念性建模方法4.2.1 邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)IEC61850-7-4定義了90多個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，例如斷路器（簡(jiǎn)寫(xiě)成“XCBR”），局部放電（簡(jiǎn)寫(xiě)成“SP

49、DC”）。以一個(gè)簡(jiǎn)單的斷路器邏輯節(jié)點(diǎn)為例，如圖4.3所示12個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)都由一些代表應(yīng)用相關(guān)特定含義的數(shù)據(jù)對(duì)象組成。圖 4.3 邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)圖中數(shù)據(jù)Data作為斷路器的一部分，用于控制、報(bào)告斷路器的位置狀態(tài)，數(shù)據(jù)對(duì)象Mode用于表示斷路器邏輯節(jié)點(diǎn)當(dāng)前運(yùn)行方式(on，blocked，test，test/blocked，off)。IEC 61850對(duì)這些信息的特定含義進(jìn)行了詳細(xì)的定義。數(shù)據(jù)對(duì)象建立了網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備之間多數(shù)信息交換的基礎(chǔ)。大多數(shù)設(shè)備的相互作用通過(guò)邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和服務(wù)。IEC 61850-7-3中定義了30多個(gè)數(shù)據(jù)類，稱為公共數(shù)據(jù)類，例如：兩點(diǎn)的狀態(tài)和測(cè)量值。每一數(shù)據(jù)類表征了變電站自動(dòng)化系

50、統(tǒng)特定的應(yīng)用信息，每個(gè)公共數(shù)據(jù)類有分派到它的服務(wù)，它定義了允許在此數(shù)據(jù)上操作的可能的服務(wù)。一些信息是可讀可寫(xiě)的而另一些信息只是可讀的。在IEC61850中使用功能約束(FC)定義了規(guī)定數(shù)據(jù)類的每個(gè)信息的這個(gè)特性。邏輯節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成元素如圖4.4所示12，邏輯節(jié)點(diǎn)中除了包含數(shù)據(jù)對(duì)象以外，還有可能包括數(shù)據(jù)集(DataSet，若干條數(shù)據(jù)的集合)、報(bào)告(Report)、日志(Log) 等容，此外還有一些邏輯節(jié)點(diǎn)的相關(guān)服務(wù)。圖 4.4 基本組成部件邏輯節(jié)點(diǎn)和包含在邏輯節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)是描述實(shí)際系統(tǒng)與功能的基本概念。邏輯節(jié)點(diǎn)主要作為數(shù)據(jù)對(duì)象的容器，可以放置在IED的任何地方。IEC 61850-7-4中定義的每個(gè)

51、數(shù)據(jù)都有唯一確定的意義。數(shù)據(jù)通過(guò)它們的服務(wù)和它們的環(huán)境交互。在IEC 61850-7-x系列中邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)的概念定義了可在邏輯節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)的信息。例如發(fā)出請(qǐng)求從邏輯節(jié)點(diǎn)重新獲取數(shù)據(jù)的設(shè)備也可建模為一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，則在邏輯節(jié)點(diǎn)之間可以看到信息流如圖4.5所示12。圖 4.5 邏輯節(jié)點(diǎn)連接4.2.2 邏輯設(shè)備模型為了(在邏輯節(jié)點(diǎn)之外)通信目的，IEC 61850引入了邏輯設(shè)備的概念。邏輯設(shè)備是物理設(shè)備的抽象，主要由邏輯節(jié)點(diǎn)和附加服務(wù)組成(例如GOOSE、采樣值交換、定值組)，如圖4.6所示12。圖 4.6 邏輯設(shè)備基本組成元素另外，當(dāng)用邏輯設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)關(guān)(或代理)時(shí)，從功能的角度看它是透明的。邏輯設(shè)備也

52、提供物理設(shè)備的相關(guān)信息，這個(gè)物理設(shè)備是邏輯設(shè)備的宿主或者邏輯設(shè)備所控制的外部設(shè)備，邏輯設(shè)備同邏輯節(jié)點(diǎn)的關(guān)系如圖4.7所示12，圖中物理設(shè)備A包含兩個(gè)邏輯設(shè)備LDl和LD2，邏輯設(shè)備LDl包含3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，邏輯節(jié)點(diǎn)0(LLN0)代表邏輯設(shè)備的公共數(shù)據(jù)(例如，銘牌、運(yùn)行狀態(tài)信息)，邏輯節(jié)點(diǎn)物理設(shè)備(LPHD)表示該邏輯設(shè)備的宿主物理設(shè)備本身的公共數(shù)據(jù)，所有邏輯節(jié)點(diǎn)都定義了LLN0和LPHD。例如右邊主設(shè)備銘牌信息的顯示被定義為代表主設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。圖 4.7 邏輯設(shè)備和LLN0/LPHD4.3 抽象通信服務(wù)接口ACSIIEC 61850總結(jié)了電力生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)和要求，歸納出電力系統(tǒng)所必需的信息傳

53、輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)，采用抽象建模方法設(shè)計(jì)出抽象通信服務(wù)接口(ACSI)，ACSI中的抽象概念可以歸納為兩個(gè)方面：1ACSI僅對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)且可訪問(wèn)的實(shí)際設(shè)備(例如斷路器)或功能建模，抽象出各種層次結(jié)構(gòu)的類模型和它們的行為。2ACSI從設(shè)備信息交換角度進(jìn)行抽象，并只定義了概念上的互操作。標(biāo)準(zhǔn)關(guān)心的是描述通信服務(wù)的具體原理，而沒(méi)有定義與有關(guān)設(shè)備間交換的具體報(bào)文與編碼，這些在特定通信服務(wù)映射SCSM中指定(IEC 61850-8、IEC 61850-9)，因此它獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議，和采用的網(wǎng)絡(luò)無(wú)關(guān)。這樣就實(shí)現(xiàn)了通信服務(wù)和采用的具體技術(shù)的獨(dú)立。ACSI為變電站設(shè)備定義了公共通信服務(wù)。通信服務(wù)可分為兩

54、組，如圖4.8所示9，其中一組使用客戶-服務(wù)器(C/S)模式，如控制或讀數(shù)據(jù)服務(wù)；一組使用對(duì)等(pear-to-pear)模式，用于對(duì)時(shí)間要求較高的情況(如用于繼電保護(hù)設(shè)備間快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸)，以與周期采樣值傳輸服務(wù)。本文后面實(shí)現(xiàn)的IEC61850應(yīng)用采用前一種即客戶服務(wù)器（C/S）模式。圖 4.8 ACSI通信方法4.4 制造報(bào)文規(guī)MMS為了最大限度的實(shí)現(xiàn)互操作性，在MMS中引入了虛擬制造設(shè)備13（Virtual Manufacturing Device，VMD）的概念。它是實(shí)際設(shè)備的外部可見(jiàn)行為的抽象模型，表征了各種不同的智能設(shè)備所共同具有的外部可見(jiàn)特性。完整意義上的VMD是實(shí)際制造設(shè)

55、備上一組特定的資源和功能的抽象表示以與此抽象表示與實(shí)際制造設(shè)備的物理與功能方面的映射。它規(guī)定了從外部MMS客戶角度看到的MMS設(shè)備即MMS服務(wù)器的外部可見(jiàn)行為。當(dāng)正確建立了VMD與實(shí)際設(shè)備之間的映射關(guān)系后，遠(yuǎn)程控制器與實(shí)際設(shè)備之間的通信就可以在不考慮實(shí)際設(shè)備的具體物理特性的條件下進(jìn)行，作為客戶一方的遠(yuǎn)程控制器可直接對(duì)服務(wù)器一方的VMD進(jìn)行操作，從而達(dá)到對(duì)VMD所對(duì)應(yīng)的實(shí)際設(shè)備進(jìn)行控制的目的，實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備無(wú)關(guān)性14-15。圖 4.9 VMD模型實(shí)際設(shè)備與包含于其中的對(duì)象和VMD模型定義的虛擬設(shè)備與對(duì)象之間存在差異。實(shí)際設(shè)備或應(yīng)用實(shí)際設(shè)備和對(duì)象具有自身密切相關(guān)的特性，不同品牌的應(yīng)用或設(shè)備的特性各

56、不一樣。虛擬設(shè)備和對(duì)象遵從VMD模型，獨(dú)立于品牌、語(yǔ)言和操作系統(tǒng)。每一個(gè)MMS服務(wù)器設(shè)備或服務(wù)器應(yīng)用的開(kāi)發(fā)者必須通過(guò)提供一個(gè)執(zhí)行功能，“隱藏”這些實(shí)際設(shè)備和對(duì)象的細(xì)節(jié)，如圖4.910所示。在和客戶應(yīng)用或設(shè)備通信時(shí)，執(zhí)行功能將實(shí)際設(shè)備和對(duì)象映射為VMD模型定義的虛擬設(shè)備和對(duì)象。執(zhí)行功能提供MMS定義的虛擬對(duì)象和實(shí)際設(shè)備使用的對(duì)象之間的映射。對(duì)于包含于VIVID中的應(yīng)用和對(duì)象，只有當(dāng)執(zhí)行功能為這些對(duì)象和應(yīng)用提供映射時(shí)才能被遠(yuǎn)端MMS客戶所訪問(wèn)。本地客戶應(yīng)用訪問(wèn)和操縱這些實(shí)際對(duì)象無(wú)需使用MMS17。 由于MMS客戶只是和虛擬設(shè)備交互，因此客戶應(yīng)用和實(shí)際設(shè)備的細(xì)節(jié)相隔離。恰當(dāng)設(shè)計(jì)的MMS客戶應(yīng)用能夠以

57、同樣的方式和很多不同品牌和類型的設(shè)備通信。這是因?yàn)閷?shí)際設(shè)備的細(xì)節(jié)被VMD中的執(zhí)行功能所隱藏。描述服務(wù)器行為的虛擬方法并不限制設(shè)備創(chuàng)新和產(chǎn)品特性改進(jìn)。MMS虛擬制造設(shè)備模型只對(duì)虛擬設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)可見(jiàn)方面加以限制。4.4.1 服務(wù)的客戶服務(wù)器關(guān)系客戶/服務(wù)器(Client/Server)模型是一種不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，其中Client和Server都是獨(dú)立的邏輯實(shí)體。Client向Server提出服務(wù)請(qǐng)求，相應(yīng)地Server為之提供服務(wù)并向Client返回結(jié)果。兩者分工不同，又相互配合，共同完成任務(wù)，具有資源共享性、信息交換的易實(shí)現(xiàn)性和服務(wù)封閉性。 MMS服務(wù)定義中，使用客戶/服務(wù)器模型描述服務(wù)請(qǐng)求者與服務(wù)執(zhí)行者之間的交互過(guò)程。其中服務(wù)器被定義為實(shí)現(xiàn)特定MMS服務(wù)的通信實(shí)體VMD，客戶通過(guò)MMS服務(wù)請(qǐng)求原語(yǔ)，獲得VMD所提供的服務(wù)。MMS只描述服務(wù)器的行為，而客戶行為可以根據(jù)MMS服務(wù)定義以與客戶/服