數(shù)字變電站IED設(shè)備通信研究

1、第27卷第166期電力系統(tǒng)通信Vol.27No.1662006年8月10日TelecommunicationsforElectricPowerSystemAug.10,200659數(shù)字變電站IED設(shè)備通信研究王博,游大海,許廣偉,肖偉強(qiáng)(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:IDE是變電站綜合自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵二次設(shè)備,也是支持變電站向數(shù)字化進(jìn)程邁進(jìn)的一個重要因素。為了解決IDE設(shè)備間的通信問題,文章提出了一個基于IEC61850通信協(xié)議的數(shù)字化變電站通信模型,該模型能較好地實現(xiàn)IDE間的數(shù)據(jù)共享,符合設(shè)備互操作性、高可靠性原則,適應(yīng)數(shù)字變電站通信網(wǎng)絡(luò)的特點和需求,為今后I

2、ED參考依據(jù)。文章對IEC61850協(xié)議目標(biāo),以及如何在IEC61850協(xié)議主導(dǎo)下實現(xiàn)IED關(guān)鍵詞:數(shù)字變電站;IED設(shè)備;IEC61850;中圖分類號:TN915.853:1005-7641(2006)08-0059-040引言隨著智能開關(guān)、光纖電力互感器、合并單元等設(shè)備的出現(xiàn),計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用逐漸趨于成熟,變電站自動化技術(shù)將得到快速發(fā)展,即將出現(xiàn)全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)。而作為數(shù)字化變電站中關(guān)鍵設(shè)備的IED(IntelligentElectronicDevice)之間的通信問題,就成為當(dāng)前值得研究的一項課題。IED設(shè)備是綜合自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵二次設(shè)備,它在IEC6185

3、0協(xié)議中被定義為:任何可與1個或多個處理器協(xié)調(diào)工作、并能和1個外部源之間進(jìn)行雙向傳輸數(shù)據(jù)/控制(即電子多功能表計、數(shù)字繼3電保護(hù)、控制器)。數(shù)字變電站中,IED與變電站綜合自動化的關(guān)系如圖1所示。1數(shù)字變電站與IED設(shè)備的概念數(shù)字化變電站就是具有智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備和自動化的運行管理系統(tǒng)一道利用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)的新型變電站。數(shù)字化變電站的特點有以下幾點:(1)運用新式的光電互感器采集信息,并將這種采集、傳輸、處理和輸出過程全部數(shù)字化,各種功能共用統(tǒng)一的信息平臺;(2)測量精度高,無飽和、無電流互感器開路;(3)二次接線簡單;(4)光纖取代電纜,電磁兼容性能優(yōu)越;(5)信息傳輸通道

4、都可自檢,速度快、可靠性高;(6)管理自動化,系統(tǒng)的功能接口抽象和通信標(biāo)準(zhǔn)化,設(shè)備之間互操作性好,實現(xiàn)了變電站的一1-2體化。收稿日期:2006-02-08;修回日期:2006-03-20圖1IED設(shè)備在變電站中的集成Fig.1IntegrationofIEDsinSubstation變電站綜合自動化系統(tǒng)是由多個IED組成。在變電站中,IED包括下列設(shè)備:(1)對于過程部分,IED可以是間隔控制器、保護(hù)繼電器、遠(yuǎn)程控制單元的過程側(cè)器件、智能計量儀表、變換器、光纖電力互感器、合并單元等;460電力系統(tǒng)通信2006,27(166)1)與變電站層有關(guān)的過程功能主要是:匯總(2)對于人機(jī)交互部分,IE

5、D可以是PC機(jī)、操作員工作站、網(wǎng)關(guān)或帶有人機(jī)接口的IED;(3)對于遠(yuǎn)方通信部分,IED可以是網(wǎng)關(guān)、通信轉(zhuǎn)換器、遠(yuǎn)程控制單元遠(yuǎn)方通信側(cè)器件等。變電站內(nèi)部通信網(wǎng),相當(dāng)于為變電站中的IED構(gòu)造了一個集成平臺,IED間依靠它進(jìn)行相互通信,并且執(zhí)行與變電站的應(yīng)用層交互的功能(如與變電站層的網(wǎng)絡(luò)控制、遙信、人機(jī)接口等的互通)。2基于IEC61850的數(shù)字變電站2.1IEC61850簡述1998年,IEC、IEEE和美國EPRI達(dá)成共識,由IEC牽頭,以美國UCA2.0(UtilityArchitecture2.0)為基礎(chǔ),多個間隔和完整的變電站數(shù)據(jù),或者驅(qū)動多個間隔和整個變電站的一次設(shè)備。這部分功能包括

6、全站級閉鎖、自動測序儀或者母線保護(hù)等。這些功能主要通過圖2中的接口8來實現(xiàn)通信。2)與變電站層有關(guān)的接口功能主要是針對本站操作員HMI(HumanMachineInterface)、遠(yuǎn)程控制中心TCI(TelecontrolInterface)、遠(yuǎn)程的監(jiān)視和維護(hù)工程TMI(TelemeteredInterface)來描述SAS(SubstationAutomation。這些功能2,通7。(實時數(shù)據(jù)信息,實施對其所對應(yīng)的一次設(shè)備的保護(hù)和控制(例如線路保護(hù)),實施單個間隔操作閉鎖功能,對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制(例如間隔控制),同時高速完成與過程層及變電站層的網(wǎng)絡(luò)通信功

7、能。圖2中邏輯接口4和5與間隔層進(jìn)行通信,通過邏輯接口3實現(xiàn)間隔內(nèi)部通信。(3)過程層電站自動化標(biāo)準(zhǔn)。,研究I年,IECTC57京都會議和AG會議上,與會成員都提出將IEC61850作為無縫通信標(biāo)準(zhǔn)。IEC61850協(xié)3議要實現(xiàn)的目標(biāo)是:(1)為變電站層總線與過程層總線提供一個統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn);(2)協(xié)調(diào)IEC60870與UCA2.0兩套協(xié)議,然后建立一個世界范圍內(nèi)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);(3)詳細(xì)說明此協(xié)議在不同市場需求和未來發(fā)展條件下的具體標(biāo)準(zhǔn)。2.2通信模型及功能根據(jù)IEC61850協(xié)議,數(shù)字變電站自動化系統(tǒng)在邏輯上分為變電站層、間隔層、過程層3層,各層之間的邏輯接口關(guān)系如圖2所示。3過程層的功能是將

8、所有接口與過程相連,并模擬二進(jìn)制I/O接口功能,例如數(shù)據(jù)采集、采樣和命令的發(fā)送。這些功能是通過圖2中邏輯接口4和5與間隔層進(jìn)行通信。3數(shù)字化變電站IED的通信網(wǎng)絡(luò)國內(nèi)目前的變電站綜合自動化系統(tǒng)主要采用分布式與集中式相結(jié)合的結(jié)構(gòu),通信協(xié)議也有許多種,如CDT、POLLING等。但是對變電站自動化系統(tǒng)互操作性、可擴(kuò)展性和高可靠性的要求使得我們要提出更新、更有效的變電站通信方案。本文主要提出基于IEC61850協(xié)議下的數(shù)字變電站(IED)通信的有效方案。3.1數(shù)字化變電站IED的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著光纖互感器的應(yīng)用,全分散式的綜合自動化系統(tǒng)將會全面推廣,其優(yōu)越性主要表現(xiàn)為:(1)簡化了變電站的二次部分的

9、配置,縮小了控制室的面積;(2)減少了施工和設(shè)備安裝的工作量;(3)簡化了變電站二次設(shè)備之間的互連線;圖2各層之間的邏輯接口關(guān)系Fig.2Logicalinterfacerelationshipbetweenlayers(1)變電站層變電站層功能分為2組。技術(shù)研究王博,等數(shù)字變電站IED設(shè)備通信研究(4)結(jié)構(gòu)可靠性高,組態(tài)靈活,檢修方便。61由于分布式結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)充性特點,變電站內(nèi)各層的IED設(shè)備都可以采用分布式功能配置的方式來集成,各層之間通過局域網(wǎng)或者現(xiàn)場總線來連接,提高了抗干擾能力以及通信的可靠性。基于IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)共享、設(shè)備互操作性的原則,本文提出變電站3層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如

10、圖3所示。求高,因此以太網(wǎng)的帶寬問題就成為了實現(xiàn)全開放式數(shù)字化變電站的瓶頸,對其解決的方法主要有:(1)在變電站的各層之間通信,使用雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)以增加冗余度,從而保證通信的可靠性;(2)將間隔單元與過程層IED設(shè)備一一對應(yīng),將間隔單元與IED設(shè)備用單獨的通信電纜連接起來,然后以組的形式接入過層總線,從而緩解總線上數(shù)據(jù)流量過大的壓力;(3)選用光纖作為過程層總線的傳輸介質(zhì),提高傳輸速率。3.圖3IDFig.3IEcounicationnetworkditalsubstationIEC61850,它要IIED設(shè)備的應(yīng)用與通信分開,應(yīng)用對象”和相關(guān)的“應(yīng)用服務(wù)”之間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,允許在變電站自動化系統(tǒng)

11、的組件之間進(jìn)行兼容的數(shù)據(jù)交換。如圖4所示,IEC61850定義了變電站層和間隔層之間的通信網(wǎng)絡(luò)采用ACSI(AbstractCommuni2cationServiceInterface)以及將ACSI映射到MMS(ManufacturingMessageSpecification)。而間隔層和過程層則采用單點對多點的方式映射到底層對象和協(xié)議,或者直接將采樣值映射到過程總線的協(xié)議當(dāng)中,也就是采用特殊通信服務(wù)映射?？梢钥闯?變電站層與間隔層之間主要通過變電站總線連接;間隔層與過程層之間通過過程層總線連接。在變電站通信中,IED內(nèi)部是并行通信方式,IED設(shè)備之間主要是串行通信。在OSI(OpenSy

12、stemInterconnectReferenceModel)參考模型的規(guī)范下,大多數(shù)廠家制造的IED都是以RS-232或者RS-485為接口標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)類型主要有局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線2種,但是由于局域網(wǎng)的開放性特點,實現(xiàn)IED設(shè)備的互操作以及系統(tǒng)的升級都比現(xiàn)場總線容易,因此采用局域網(wǎng)實現(xiàn)變電站內(nèi)部的串行通信是今后發(fā)展的趨勢。變電站通信的局域網(wǎng)類型應(yīng)采用以太網(wǎng),因為以太網(wǎng)(Ethernet)是一種采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局5-6部通信網(wǎng),它的特點是:信道帶寬高(傳輸速率可達(dá)10Mbit/s),誤碼率很低,具有高度的擴(kuò)充靈活性和互聯(lián)性,建設(shè)成本低、見效快。可以預(yù)見,以太網(wǎng)將會成為變電站內(nèi)部通信的首選網(wǎng)絡(luò)類

13、型。從圖3中可以看到,變電站總線和過程層總線都采用以太網(wǎng)連接各種嵌入了以太網(wǎng)芯片的IED設(shè)備,這與以前用現(xiàn)場總線相比傳輸速度和可靠性大大增強(qiáng),間隔層的所有IED設(shè)備在變電站總線上都可以作為以太網(wǎng)的一個節(jié)點,獨立地掛網(wǎng)運行,實現(xiàn)全部的數(shù)據(jù)共享。但是間隔層與過程層之間數(shù)據(jù)量大,實時性要圖4基于IEC61850協(xié)議的通信參考模型Fig.4IEC61850referencemodelforcommunicationMMS是IEC61850對于IED設(shè)備通信應(yīng)用7層的重要協(xié)議,通過它使得各種具體物理設(shè)備被抽象成為VMD(VirtualManufacturingDevice),使其進(jìn)入OSI環(huán)境,從而實現(xiàn)

14、各種服務(wù)與IED設(shè)備在以太網(wǎng)中的通信。此外,本文建議在實現(xiàn)IED設(shè)備通信(例如IEC61850所定義的合并單元和保護(hù)裝置IED之間的通信)時,傳輸層的協(xié)議使用UDP(UserData262電力系統(tǒng)通信2006,27(166)5殷志良.變電站自動化系統(tǒng)過程層與間隔層串行通gramProtocol)協(xié)議。因為UDP是一種無連接的協(xié)議(與TCP協(xié)議相比較而言),其主要優(yōu)勢在于:(1)基于UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)起來信研究J.中國電力,2004,37(7):29-32.6方捷磊,朱杰.在嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)比較簡單,在運行時,由于受環(huán)境影響較小,不容易出錯;(2)UDP協(xié)議占用網(wǎng)絡(luò)資

15、源較少,數(shù)據(jù)處理較快。當(dāng)然UDP協(xié)議存在數(shù)據(jù)包丟失的缺點,但是由于IED設(shè)備采集數(shù)據(jù)后所形成的以太網(wǎng)幀一般都不大,因此可以滿足要求。議J.微電子學(xué)與計算機(jī),2002,(5):28-30.7IEC61850-8-1CommunicationnetworksandsystemsinsubstationsS.Part8-1:MappingtoMMS(ISO/IEC9506Part1andpart2),1999.8IEC61850-9-1CommunicationnetworksandsystemsinsubstationsS.Part9-1:Serialunidirectionalmul2tidro

16、ppointtopointlinkAnnexDefineofdatasets,1999.9B.M.onStandardsandonintegrationofProtectionolopmentsinPowerSystemProtec2tiConferencePublicationNo.479IEEE2001.10A.P.Apostolov,AREVAT&DEAI,USA.DistributedProtection,ControlandrecordinginIEC61850basedSubstationAutomationSystemsC.IEEE2004.11F.Crispino,C.A,Vi

17、llacortaC,etal.AnexperimentusinganObject2orientedstandard2IEC61850toin2tegrateIEDsSystemsinSubstationsC.IEEE/PES2004.4結(jié)束語本文分析了數(shù)字變電站的結(jié)構(gòu)特點,介紹了數(shù)字變電站內(nèi)IED設(shè)備通信的發(fā)展方向,IEC61850協(xié)議的特點,II電站IED,為數(shù)字變電站的發(fā)(S)展提供了有價值的參考。參考文獻(xiàn):1黃益莊.變電站自動化技術(shù)M.北京:中國電力出版社,1999.2丁書文,黃訓(xùn)誠,胡啟宙.變電站綜合自動化原理及應(yīng)用M.北京:中國電力出版社,2002.3IEC61850-5-1Comm

18、unicationnetworksandsystemsinsubstationsS.Part5-1:CommunicationRequire2mentsforFunctionsandDeviceModels,1999.4李映川,王曉茹.基于IEC61850的變電站智能電子設(shè)備的實現(xiàn)技術(shù)J.電力系統(tǒng)通信,2005,26(9):54-56.王博(1981-),男,湖北宜昌人,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。游大海(1957-),男,湖北武漢人,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化技術(shù)及繼電保護(hù)。許廣偉(1979-),男,湖北黃陂人,碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。肖偉強(qiáng)

19、(1979-),男,湖南漣源人,工程師,從事調(diào)度自動化與配網(wǎng)自動化高級應(yīng)用軟件的研究和開發(fā)工作。ResearchofIEDcommunicationequipmentindigitalsubstationWANGBo,YOUDa2hai,XUGuang2wei,XIAOWei2qiang(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:IDEisthepivotalequipmentinsubstationintegratedautomationsystem,andisanimportantfactorofsustainingsubstationtodeveloptowarddigitalsubstati