数字变电站IED设备通信研究

数字变电站I E D 设备通信研究

王　博,游大海,许广伟,肖伟强

(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉430074)

摘要:I D E 是变电站综合自动化系统的关键二次设备,也是支持变电站向数字化进程迈进的一个

重要因素。为了解决I D E 设备间的通信问题,文章提出了一个基于I EC61850通信协议的数字化变电站通信模型,该模型能较好地实现I D E 间的数据共享,符合设备互操作性、网络可扩展性和高可靠性原则,适应数字变电站通信网络的特点和需求,为今后I E D 网络的实施和发展提供了参考依据。文章对I EC61850协议目标,数字变电站自动化系统的三层通信网络结构,以及如何在I EC61850协议主导下实现I E D 间的通信等内容做了描述。关键词:数字变电站;I E D 设备;I EC61850;以太网

中图分类号:T N915.853

文献标识码:B 文章编号:1005-7641(2006)08-0059-04

收稿日期:2006-02-08;修回日期:2006-03-20

0　引言

随着智能开关、光纤电力互感器、合并单元等

设备的出现,计算机高速网络在实时系统中的开发应用逐渐趋于成熟,变电站自动化技术将得到快速发展,即将出现全数字化的变电站自动化系统。而作为数字化变电站中关键设备的I E D (I ntelligent Electr onic Device )之间的通信问题,就成为当前值得研究的一项课题。

1　数字变电站与I ED 设备的概念

数字化变电站就是具有智能化的一次设备、网络化的二次设备和自动化的运行管理系统一道利用数字信号传输数据的新型变电站。

数字化变电站的特点有以下几点:

(1)运用新式的光电互感器采集信息,并将这种采集、传输、处理和输出过程全部数字化,各种功能共用统一的信息平台;

(2)测量精度高,无饱和、无电流互感器开路;(3)二次接线简单;

(4)光纤取代电缆,电磁兼容性能优越;(5)信息传输通道都可自检,速度快、可靠性高;(6)管理自动化,系统的功能接口抽象和通信标准化,设备之间互操作性好,实现了变电站的一

体化[1-2]

。

I ED 设备是综合自动化系统的关键二次设备,

它在I EC61850协议中被定义为:任何可与1个或多个处理器协调工作、并能和1个外部源之间进行双向传输数据/控制(即电子多功能表计、数字继

电保护、控制器)[3]

。数字变电站中,I E D 与变电站综合自动化的关系如图1所示

。

图1　I E D 设备在变电站中的集成

F i g .1I n tegra ti on of I E D s i n Subst a ti on

变电站综合自动化系统是由多个I ED 组成。在变电站中,I ED 包括下列设备[4]

:

(1)对于过程部分,I ED 可以是间隔控制器、保护继电器、远程控制单元的过程侧器件、智能计量仪表、变换器、光纤电力互感器、合并单元等;

?

95?第27卷第166期 电　力　系　统　通　信 Vol .27No .166

2006年8月10日 Telecommunicati ons for Electric Power Syste m Aug .10,2006

(2)对于人机交互部分,I E D 可以是PC 机、操

作员工作站、网关或带有人机接口的I E D;

(3)对于远方通信部分,I ED 可以是网关、通信转换器、远程控制单元远方通信侧器件等。

变电站内部通信网,相当于为变电站中的I ED 构造了一个集成平台,I ED 间依靠它进行相互通信,并且执行与变电站的应用层交互的功能(如与变电站层的网络控制、遥信、人机接口等的互通)。

2　基于I EC61850的数字变电站

2.1　I EC61850简述

1998年,I EC 、I EEE 和美国EPR I 达成共识,由I EC 牵头,以美国UCA2.0(U tility Communicati on A rchitecture2.0)为基础,制定一个全世界通用的变

电站自动化标准。其后,I ECT C95工作组开始着手研究I EC61850及其数据模型。1999年,I ECTC57京都会议和2000年SP AG 会议上,与会成员都提出将I EC61850作为无缝通信标准。I EC61850协

议要实现的目标是[3]

:

(1)为变电站层总线与过程层总线提供一个统一的通信标准;

(2)协调I EC60870与UCA2.0两套协议,然后建立一个世界范围内的统一标准;

(3)详细说明此协议在不同市场需求和未来发展条件下的具体标准。2.2　通信模型及功能

根据I EC61850协议[3]

,数字变电站自动化系统在逻辑上分为变电站层、间隔层、过程层3层,各层之间的逻辑接口关系如图2所示

。

图2　各层之间的逻辑接口关系

F i g .2　L og i ca l i n terface rel a ti on sh i p between l ayers

(1)变电站层

变电站层功能分为2组。

1)与变电站层有关的过程功能主要是:汇总

多个间隔和完整的变电站数据,或者驱动多个间隔

和整个变电站的一次设备。这部分功能包括全站级闭锁、自动测序仪或者母线保护等。这些功能主要通过图2中的接口8来实现通信。

2)与变电站层有关的接口功能主要是针对本站操作员H M I (Hu man Machine I nterface )、远程控制中心T C I (Telecontr ol I nterface )、远程的监视和维护工程T M I (Tele metered I nterface )来描述S AS (Substati on Aut omati on Syste m )的接口。这些功能通过图2中的逻辑接口1和6来实现内部通信,通过逻辑接口7和远程控制来和外界通信。

(2)间隔层

间隔层的功能主要是集中单个间隔过程层的实时数据信息,实施对其所对应的一次设备的保护和控制(例如线路保护),实施单个间隔操作闭锁功能,对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制(例如间隔控制),同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能。图2中逻辑接口4和5与间隔层进行通信,通过逻辑接口3实现间隔内部通信。

(3)过程层

过程层的功能是将所有接口与过程相连,并模拟二进制I/O 接口功能,例如数据采集、采样和命令的发送。这些功能是通过图2中逻辑接口4和5与间隔层进行通信。

3　数字化变电站I ED 的通信网络

国内目前的变电站综合自动化系统主要采用分布式与集中式相结合的结构,通信协议也有许多种,如CDT 、P OLL I N G 等。但是对变电站自动化系统互操作性、可扩展性和高可靠性的要求使得我们要提出更新、更有效的变电站通信方案。本文主要提出基于I EC61850协议下的数字变电站(I ED )通信的有效方案。3.1　数字化变电站I E D 的通信网络结构

随着光纤互感器的应用,全分散式的综合自动化系统将会全面推广,其优越性主要表现为:

(1)简化了变电站的二次部分的配置,缩小了控制室的面积;

(2)减少了施工和设备安装的工作量;

(3)简化了变电站二次设备之间的互连线;

?06? 电　力　系　统　通　信 2006,27(166)

(4)结构可靠性高,组态灵活,检修方便。

由于分布式结构具有可扩充性特点,变电站内各层的I E D 设备都可以采用分布式功能配置的方式来集成,各层之间通过局域网或者现场总线来连接,提高了抗干扰能力以及通信的可靠性。基于I EC61850协议的数据共享、设备互操作性的原则,本文提出变电站3层通信网络结构,如图3所示

。

图3　I E D 通信网络结构模型

F i g .3　Structure of the I E D s co mm un i ca ti on network

i n d i g it a l subst a ti on

可以看出,变电站层与间隔层之间主要通过变电站总线连接;间隔层与过程层之间通过过程层总线连接。在变电站通信中,I ED 内部是并行通信方式,I ED 设备之间主要是串行通信。在OSI (Open Syste m I nterconnect Reference Model )参考模型的规范下,大多数厂家制造的I E D 都是以RS -232或者RS -485为接口标准。网络类型主要有局域网和现场总线2种,但是由于局域网的开放性特点,实现I E D 设备的互操作以及系统的升级都比现场总线容易,因此采用局域网实现变电站内部的串行通信是今后发展的趋势。

变电站通信的局域网类型应采用以太网,因为以太网(Ethernet )是一种采用总线型拓扑结构的局

部通信网[5-6]

,它的特点是:信道带宽高(传输速率可达10Mbit/s ),误码率很低,具有高度的扩充灵活性和互联性,建设成本低、见效快。可以预见,以太网将会成为变电站内部通信的首选网络类型。

从图3中可以看到,变电站总线和过程层总线都采用以太网连接各种嵌入了以太网芯片的I ED 设备,这与以前用现场总线相比传输速度和可靠性大大增强,间隔层的所有I ED 设备在变电站总线上都可以作为以太网的一个节点,独立地挂网运行,实现全部的数据共享。

但是间隔层与过程层之间数据量大,实时性要

求高,因此以太网的带宽问题就成为了实现全开放式数字化变电站的瓶颈,对其解决的方法主要有:

(1)在变电站的各层之间通信,使用双以太网结构以增加冗余度,从而保证通信的可靠性;

(2)将间隔单元与过程层I ED 设备一一对应,将间隔单元与I E D 设备用单独的通信电缆连接起来,然后以组的形式接入过层总线,从而缓解总线上数据流量过大的压力;

(3)选用光纤作为过程层总线的传输介质,提高传输速率。

3.2　数字变电站的通信协议

数字变电站的通信协议是于I EC61850,它要求I E D 生产厂家将I ED 设备的应用与通信分开,并对应用和通信之间的中性接口以及“应用对象”和相关的“应用服务”之间进行标准化,允许在变电站自动化系统的组件之间进行兼容的数据交换。

如图4所示,I EC61850定义了变电站层和间隔层之间的通信网络采用ACSI (Abstract Communi 2cati on Service I nterface )以及将ACSI 映射到MMS (Manufacturing Message Specificati on )。而间隔层和过程层则采用单点对多点的方式映射到底层对象和协议,或者直接将采样值映射到过程总线的协议当中,也就是采用特殊通信服务映射

。

图4　基于I EC61850协议的通信参考模型

F i g .4　I EC61850reference m odel for comm un i ca ti on

MMS [7]

是I EC61850对于I E D 设备通信应用

层的重要协议,通过它使得各种具体物理设备被抽象成为VMD (V irtual Manufacturing Device ),使其进入OSI 环境,从而实现各种服务与I E D 设备在以太网中的通信。

此外,本文建议在实现I ED 设备通信(例如I EC61850所定义的合并单元和保护装置I E D 之间的通信)时,传输层的协议使用UDP (U ser Data 2

?

16? ?技术研究?　王　博,等　数字变电站I E D 设备通信研究

gra m Pr ot ocol )协议。因为UDP 是一种无连接的协

议(与TCP 协议相比较而言),其主要优势在于:

(1)基于UDP 协议的网络应用程序实现起来

比较简单,在运行时,由于受环境影响较小,不容易

出错;

(2)UDP 协议占用网络资源较少,数据处理较快。当然UDP 协议存在数据包丢失的缺点,但是由于I E D 设备采集数据后所形成的以太网帧一般都不大,因此可以满足要求。

4　结束语

本文分析了数字变电站的结构特点,介绍了数

字变电站内I E D 设备通信的发展方向,并结合I EC61850协议的特点,提出了数字变电站中I ED 设备通过嵌入式以太网的方式与I EC61850协议相结合实现通信功能的方案,以及完全开放的数字变电站I E D 通信网络结构模型,为数字变电站的发

展提供了有价值的参考。

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王　博(1981-),男,湖北宜昌人,硕士研究生,主要

研究方向为电力系统继电保护。

游大海(1957-),男,湖北武汉人,博士生导师,主要研究方向为电力系统自动化技术及继电保护。

许广伟(1979-),男,湖北黄陂人,硕士研究生,主要研究方向为电力系统继电保护。

肖伟强(1979-),男,湖南涟源人,工程师,从事调度自动化与配网自动化高级应用软件的研究和开发工作。

Research of IED co mm un i ca ti on equ i p m en t i n d i g it a l subst a ti on

WAN G B o,YOU D a 2hai,XU Guang 2w ei,X I AO W ei 2qiang

(Huazhong University of Science and Technol ogy,W uhan 430074,China )

Abstract:I D E is the p ivotal equi pment in substati on integrated aut omati on syste m,and is an i m portant fact or of sustaining substati on

t o devel op t oward digital substati on .For res olving communicati on p r oble m s a mong I D E equi pment,a digital substati on communica 2ti on model based on I EC61851communicati on p r ot ocol is br ought for ward in the paper .The model can realize the data sharing a 2mong I E D s,it is suitable f or equi pment mutually operati on,net w ork expansibility and high dependability,it is adap table t o the characteristic and require ment of digital substati on net w ork t oo .This model offers a reference for the realizati on and devel opment of I D E net w ork .The paper describes I EC61850,three layers net w ork configurati on of digital substati on aut omati on syste m and how t o communicate among I E D s by using I EC61850.

Key words:digital substati on;intelligent electr onic device (I E D );I EC61850;Ethernet

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