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首页 IEC61850产品开发及工程化应用研究

IEC61850产品开发及工程化应用研究.doc

IEC61850产品开发及工程化应用研究

liuyajun267
2011-02-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《IEC61850产品开发及工程化应用研究doc》,可适用于IT/计算机领域

分类号:TM密级:公开UDC:学号:东南大学工程硕士学位论文IEC产品开发及工程化应用研究研究生姓名:胡道徐导师姓名:郭伟副教授马文龙高工申请学位级别工程硕士工程领域名称电力系统及其自动化论文提交日期年月日论文答辩日期年月日学位授予单位东南大学学位授予日期年月日答辩委员会主席郑建勇教授评阅人郑建勇教授黄建教授级高工年月日STUDYONPRODUCTSDEVELOPMENTANDENGINEERINGPRACTICEUSINGIECADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYHUDaoxuSupervisedbyAssociateProfGUOWeiandSeniorEngineerMAWenlongElectricEngineeringDepartmentSoutheastUniversityMay,东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名:日期:东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外允许论文被查阅和借阅可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名:导师签名:日期:IEC产品开发及工程化应用研究作者:胡道徐指导老师:郭伟、马文龙(东南大学电气工程系、国电南京自动化股份有限公司)摘要:IEC是目前最新且唯一有效的关于变电站自动化通信方面的国际标准。它以用户需求为出发点互操作性为首要目标在工程化实施上进行了仔细设计并在技术范围、体系衔接以及长期适用性方面都具有长远规划。本文讨论了具体的IEC产品研发和工程化应用。通过使用MMS(ManufacturingMessageSpecification制造报文规范)中间件和数据库映射的方法实现了变电站自动化产品的IEC升级具体解决了GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent通用面向对象变电站事件)组播的VxWorks驱动、多时钟源和毫秒级精度的SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol简单网络对时协议)、采样值SCSM(SpecificCommunicationServiceMapping特定通信服务映射)选用和实现等问题。在首个国产化IEC工程的实施中包括高低压保护、测控、监控、远动以及规约转换等各种设备在不改变产品主要功能的情况下进行了通信升级。该变电站自动化系统实现了远动和保护等常规信息的处理但是在IEC设备建模和配置流程方面仍有所欠缺对标准所提出的减少冗余信息、降低改扩建代价等部分目标没能完全实现。目前的IEC标准在网络构建、继电保护信息、功能规定、客户端测试以及本土化等方面还存在一些缺点而在工程中则需要加强对过程层通信、GOOSE、SCL(substationautomationSystemConfigurationLanguage变电站自动化系统配置语言)流程、录波和故障参数的实践和研究。面向对象建模适合于过程层直接通信的理想情况现阶段使用GGIO(GenericprocessIO通用IO)逻辑节点能达到SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition数据采集与监视控制系统)语义下的互操作其它的模型扩充也需要进行适当管理。今后IEC应细化需求和功能解决好固有矛盾的平衡并考虑扩展SCSM及应用领域。过程层通信会导致产业和管理的变革数字化变电站将会是IEC应用的动力和目标这需要一个长期和渐进的过程。关键词:IEC变电站自动化系统互操作性数字化变电站MMSStudyonProductsDevelopmentandEngineeringPracticeUsingIECHUDaoxuSupervisedbyGUOWei,MAWenlong(ElectricEngineeringDepartmentofSoutheastUniversity,GuodianNanjingAutomationCo,Ltd)Abstract:IECisthenewestanduniquelyvalidinternationalstandardaboutcommunicationofsubstationautomationUserrequirementsdrivethestatndard,andtheinteroperabilityactsthechiefgoalThestandardpaysspecialattentiontoengineeringcharacteristics,butalsohasasuccessfullayoutontechnologyscope,systeminterfaceandlongtermapplicabilitySpecialproductsdevelopmentandengineeringpracticebasedIECareintroducedinthispaperSubstationautomationproductsareupdatedtosupportIECbyusingMMS(ManufacturingMessageSpecification)middlewareanddatabasemappingmethodItsolvesproblemsonGOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent)multicastingunderVxWorks,SNTP(SimpleNetworkTimeProtocol)withmultiserversandmslevelprecision,choiceandimplementofSCSMs(SpecificCommunicationServiceMapping)aboutsampledvalues,etcHV(HighVoltage)andLV(LowVoltage)protections,measurementandcontroldevices,monitoringsystem,telecontrolequipmentsandprotocolconvertersareincludedinthefirstnationalmadeIECprojectCommunicationupdatingmakesnochangetomainfunctionofproductsandconventionaltelecontrolandprotectioninformationaredisposedIECgoalsofdecreasingredundancyinformationandreducingcostofrefurbishmentisnotreachedbecauseoftheinsufficiencyindevicemodelingandconfigurationflowTherearestillsomeshortcomingsonnetworkbuilding,protectionrelayinformation,functionrules,testingofclientsandlocalizationinIECItalsoneedstoimprovetheengineeringpracticeonprocesslevelcommunication,GOOSE,SCL(substationautomationSystemConfigurationLanguage)flow,disturbancerecorderandfaultprametersObjectorientedmodelfitstheidealofdirectlyprocesslevelcommunicating,whileusingGGIO(GenericprocessIO)logicalnodesmaygetinteroperabilityunderSCADAsematicspacenowFurthermore,itrequiresthatpropermanagementonmodelsextentionFromnowon,needsandfunctionsshallbemoredetailedandtheconflictsshallbesolvedinIECMoreover,thedevelopmentofSCSMandapplicationshouldbeconsideredwellTheprocesslevelcommunicationwillleadthechangeofindustryandmanagementItisbelievedthatthedigitizedsubstionistheimpetusandgoalofIECanditwouldbealongtermgrowingprocessKeywords:IECSubstationAutomationSystemInteroperabilityDigitizedSubstationMMS目录内容……………………………………………………………………………页码声明………………………………………………………………………………I中文摘要……………………………………………………………………………II英文摘要……………………………………………………………………………III目录………………………………………………………………………………IVTOCo""hz前言第一章IEC要点概述出发点:用户需求首要目标:互操作性工程化追求技术范围标准的生命力小结第二章变电站自动化产品开发MMSEASELite软件Server端Client端GOOSESNTP采样值一致性声明小结第三章工程应用方案工程概况传统功能和IEC的对应关系PS产品升级设备建模数据库配置小结第四章问题与展望工程代表性不足标准中的瑕疵理想和现实的距离IEC发展趋势数字化变电站小结结论致谢参考文献前言目前在变电站自动化方面只有最新且唯一有效的国际标准即IEC(InternationalElectrotechnicalCommission国际电工委员会)制订的《IEC变电站通信网络和系统》系列标准。该标准涵盖了变电站自动化的方方面面理论上所有的智能设备都应该遵守。IEC的第一版标准已于到年间相继发布整个标准的共个部分系统性地定义了变电站自动化系统中各智能装置应该符合的外部通信特性。出于国际化接轨的考虑我国对IEC标准进行了引进和等同采用文献、、、、即为目前已经完成发布的相应电力行业标准。IEC标准借用了现代软件工程的思路和方法系统地分析了现代变电站自动化系统的通信需求以及技术背景,进而对变电站内的通信网络和系统进行了抽象设计然后映射到了基于以太网的协议栈进行具体实现并在最后给出了协议一致性测试方法与此同时标准也关注了变电站自动化系统项目质量管理以及环境、电磁兼容性等方面的一般需求总的说来IEC是变电站自动化专业涉及面广泛、设计较为完备的的最新国际标准。在IEC制订和推广的过程中国际上对标准有很多的探讨和研究。由于国内变电站自动化系统的市场需求十分巨大用户不满于现有的各厂家不同规约难以直接互联的现状因而从年就较早开始了相关的跟踪研究工作。文献还讨论了IECTC无缝通信体系的规划指出IEC变电站自动化标准的重要性和良好的发展趋势。从这些国内外研究可以看出IEC系列标准应用了最新通信和信息技术的全新设计具有分层、ACSI(AbstractCommunicationServiceInterface抽象服务接口)、自描述、配置管理、建模等特点在未来一段时期内将会成为国际上变电站自动化系统通信方面的主流标准。IEC能够满足用户迫切需求的各厂家产品互操作性要求并可能由于定义了智能一次设备的过程层通信而可能引发相关自动化产品的全新变革。国内外基于IEC的产品开发及工程应用研究正方兴未艾,。总的说来基于IEC的变电站自动化产品尚未完全成熟除了主要参与标准制定的三五个国际化大厂商初步开始商业化推广外,具体的实施方案很多尚处在理论研讨阶段。在本课题立项时国内还没有厂商能够提供完整的产品解决方案。尤其关于保护功能相关的采样值以及GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent通用面向对象变电站事件)通信国内外都尚未有成功的工程应用报道。笔者负责了所在公司的IEC产品开发工作并率先投运了首个国产化IEC变电站自动化工程。本文将对整个产品开发和工程实践的过程进行总结针对作者所认识的IEC标准要点进行阐述讨论目前产品和标准中存在的若干问题进而对这些问题的解决以及技术发展进行了分析和展望。如果您已初步了解IEC标准正打算进行相关产品的研发或者工程应用或许阅读本文将取得一定的收获。在此列出IEC标准第版共部分的名称聊作备忘:IEC变电站通信网络和系统第部分:概论IEC变电站通信网络和系统第部分:术语IEC变电站通信网络和系统第部分:总体要求IEC变电站通信网络和系统第部分:系统和项目管理IEC变电站通信网络和系统第部分:功能和设备模型的通信要求IEC变电站通信网络和系统第部分:与变电站有关的IED的通信配置描述语言IEC变电站通信网络和系统第部分:变电站和馈线设备的基本通信结构原理和模型IEC变电站通信网络和系统第部分:变电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口(ACSI)IEC变电站通信网络和系统第部分:变电站和馈线设备的基本通信结构公用数据类IEC变电站通信网络和系统第部分:变电站和馈线设备的基本通信结构兼容的逻辑节点类和数据类IEC变电站通信网络和系统第部分:特定通信服务映射(SCSM)到MMS(ISOIEC第部分和第部分及ISOIEC的映射)IEC变电站通信网络和系统第部分:特定通信服务映射(SCSM)单向多路点对点串行通信链路上的采样值IEC变电站通信网络和系统第部分:特定通信服务映射(SCSM)映射到ISOIEC的采样值IEC变电站通信网络和系统第部分:一致性测试第章​ IEC要点概述IEC的标准的个部分文本一共约页其中还引用了MMS标准的大部分内容因此该标准虽然被看作是新世纪变电站自动化系统的“一本圣经”但同时在很多人眼中它也是“一本天书”。作者在从事IEC工作之初也常常为标准中纷繁芜杂的术语、概念乃至技术细节而苦恼但在因项目需要而深入研究之后发觉其实蕴含在IEC背后的思想其实很连贯标准的整体脉络也非常清晰。在本章中作者将不揣冒昧在尽量不引用原文的情况下努力用通俗的语言将标准要点作一个大致的梳理。​ 出发点:用户需求任何一项工程上的技术革命必须以切实的用户需求为出发点否则由于缺乏足够的商业利益支撑将无以为继IEC标准也是这样。在标准制订之前世界上已经有数千个变电站自动化系统投入了运行新兴的计算机、通信、自动化技术和电力的生产运营相结合为电力公司乃至最终用户获得了现实的好处。然而由于变电站自动化是一个相对开放的市场存在有多家公司多种技术在自由竞争世界各地的电力公司(业主单位)很快发现这些来自不同厂商的技术很难兼容。设备间的兼容性问题导致业主在采购时受到很多限制在一个成套系统中往往被迫接受部分性价比并非最优的组成设备更给以后的改扩建造成诸多障碍。同时多种变电站自动化技术并存的格局也给运行维护人员带来了许多困难他们往往要接受多种技术的训练才能上岗而不幸的是往往过几年后这些以前的许多学习已经因为过时而失效。为了解决变电站自动化技术不够统一的难题IEC的TC(电力系统控制及其通信标准化技术委员会)于年制订了IEC继电保护设备信息接口配套标准。该标准基于传统的远动串行通信技术在使用中很快发现了它的诸多不足尤其由于网络通信技术的飞速发展甚至有人认为IEC从一出现在技术上就已经过时落后于当时国际上若干厂商的工程化水平。另外IEC主要考虑了继电保护设备的通信需求在变电站自动化系统的实践中往往还有其它许多设备需要通信接口为了实现功能那些采用IEC协议实现变电站自动化系统的厂商往往进行了各自的私有扩充而这些私有扩充加上协议本身的缺陷最终导致不同厂商间设备很难直接接口。不过虽然如此IEC的出现还是给不同厂家的继电保护设备相互接口提供了可供参考的依据在工程中可以通过规约转换方式实现装置和系统的互联也确实给用户带来了现实的利益。IEC总结了IEC的得失正视用户在变电站通信方面统一国际标准的现实需求在年IEC、IEEE、美国电科院达成共识启动了IEC系列标准的制订工作。该标准制订的时机恰好处在应用蓬勃发展的阶段能够在满足顾用户需求的前提下兼顾技术的先进性和可实现性有望成为一个成功的国际标准。强调IEC以用户需求为出发点还有另一层意思即在标准的工程化推广中仍需要立足用户需求的实际情况着眼于解决现实中的具体问题而推进标准的执行切不能够一味追求技术的先进性为了而。须知脱离了用户需求的技术会成为美丽的空中楼阁简单地冒进将可能导致失败。​ 总体拥有成本从满足用户需求的角度出发IEC首先把降低变电站自动化系统的总体拥有成本作为考虑目标。诚然从短期来看推行一个新的通信标准无疑需要软硬件开发费用从某种程度上说由于标准的技术前瞻性和统一性也许将带来设备成本的上升即为了通用性目标通常是无法在局部取得最优的。然而变电站自动化设备很大程度上不同于消费类民用产品的是这些设备通常需要长时间的运行维护甚至可能会随着变电站规模的变更而进行改扩建。以往厂商提供的不兼容设备在这整个生命周期中会大大增加总体拥有成本具体表现在:工程调试成本、维护管理成本、人员培训成本、备品备件成本、更新风险成本等。而一旦全新制订的IEC标准能够成为变电站自动化系统通信的主流技术并为全世界所接受那么不同厂家的设备将很容易集成、所有的相关人员只需要学习同一种技术、工程调试时间将大大缩短、设备停产或者更新时也很容易取得替代的提供商……所有这一切都将从根本上降低系统的总体拥有成本也将会让大家发现初期增加的少许投入(设备涨价和学习成本)是完全值得的。​ 工程调试时间现有的变电站自动化系统工程往往分为两种一种是主要的二次设备(继电保护、测控等)由同一个厂家供货主要用于kV及以下的变电站另一种则是主要的二次设备由多个厂家供货主要应用于kV及以上等级的高压变电站。使用同一个厂家的设备能显著减少工程调试时间并保证可靠性然而由于高压继电保护的重要性用户要求主保护必须采用不同的原理并最好来自于不同厂家做两套冗余配置。另外由于存在着不同的技术竞争领域诸如直流电源、电度表、小电流消谐系统等等这些设备往往也由独立的厂家提供。一般在我国现有的变电站自动化系统工程中由于在低电压等级的变电站中需要通过规约转换接入的不同厂家设备较少所以kV变电站的调试周期往往大大短于kV及以上的高压站。除去高压设备调试固有的复杂性高压站大量通过规约转换接入的不同厂家设备联调也是工期变长的重要原因。而若将来主要的变电站自动化设备都能遵循IEC通信标准那么系统集成时的规约转换问题将不复存在。通过协议的一致性陈述和测试可以在设备订货时即可明确系统集成后所能达到的功能不再需要繁琐的设计联络以及现场调试可以大大减少通信联调时间满足用户的缩短工期、降低费用的现实需求。​ 信息转换中的损失在IEC出现之前不同厂家往往采用私有的信息模型表达虽然在工程中可以通过规约转换实现异种信息模型的互联然而任何的信息转换都可能导致信息损失。一方面规约转换因为附加了延时而为广大用户所诟病另一方面异种架构间的信息转换只能保留两者间的交集在设计思想差异较大的系统间转换往往会带来较多的信息损失。考虑到用户对于信息损失的不满IEC建立了一套全新的统一信息模型遵循该标准的设备间将很容易进行信息的共享。来自于不同厂家的设备建立在同一种信息模型的框架下哪怕设备间存在些差异性的信息扩展相互间也可实现无损失的信息对接完全避免了信息转换中可能带来的差错和歧义性这种理想化的通信方式无疑将给最终的广大用户带来福音。​ 软件的质量谈到IEC满足用户需求、解决现存的问题还应该谈一谈软件质量问题。固然存在有一系列保证软件质量的软件工程方法并且还可以针对软件的质量问题加强测试然而我们还是不可避免的看到在其它条件相同的情况下软件的质量往往和它的重复使用次数密切相关。在目前的变电站自动化系统中通信问题往往是整个系统中最为突出的问题而其中的薄弱环节往往在于通信软件中存在有遗留的缺陷。而进一步的统计发现这些容易表现出缺陷的通信软件经常是为了满足特定需求而临时开发的模块它们通常由于工期和资源的限制不能被充分的测试和验证同时也缺乏足够的运行积累来逐步地消除这些缺陷。统一的IEC通信标准将有助于打破这个瓶颈。一方面规约转换等特殊的软件开发会降到最少另一方面各种设备和系统反复使用IEC通信软件也将逐步解决开发阶段的遗留缺陷随着工程运用的增加系统通信软件的问题将越来越少同时能在功能和性能两方面趋向最优。​ 改扩建在经济发展速度较快的地区变电站的改扩建往往是经常遇到的另一个难题。变电站的最终规模通常按照供电范围内的远景来进行规划然而在一期工程同时投产又在经济上很不划算这就需要根据电力市场需求的实际情况进行合理地多期工程规划并在适当时候启动变电站的改扩建工程。由于一次设备技术比较成熟和稳定也容易在前期的设计中进行预留因此变电站改扩建中主变、母线、线路等一次设备很少遇到问题然而由于变电站自动化系统中二次设备的技术发展较快往往会找不到和一期能够完全兼容的方案。造成这种现象的原因有两个一是原有设备提供商的转产甚至倒闭二是原有设备提供商已进行过系统升级。有时即便一期设备的制造厂商能够提供自动化系统改造的二期方案由于缺乏竞争和技术的先进性也可能会导致二期自动化设备的价格高昂。这种尴尬问题有两种迫不得已的解决方案:要么把所有自动化系统推倒重来要么一期和二期的自动化系统作为信息孤岛各自为政。很显然所有这些不得已的解决方案都是那么地令人沮丧。IEC把标准的长期稳定性作为重要的追求目标一方面采用了先进技术努力保持标准的前后向兼容另一方面强调了装置和系统的配置信息标准化来实现设备更换时的信息继承总之希望能达到标准的长期适用。如果IEC的这个目标能够实现那么在变电站改扩建时自动化设备的选择余地将大大增加既可以通过设备的标准兼容性而灵活选择性价比最高的方案也可以借助于监控系统的配置继承性实现软硬件升级而获得性能的提升。​ 首要目标:互操作性为了满足电力系统的用户需求同时也实现标准的历史使命IEC从一开始就把设备间的互操作性作为标准的首要目标,,,。不仅在第部分的概述中对互操作性目标进行了诠释还在多个标准的引言里开宗明义地指出“使用本标准可以实现不同厂家设备间的互操作”。确实如果说IEC给我们描绘出了许多令人向往的前景那么互操作性无疑是这些美丽蓝图的承载实体。所谓互操作性按照IEC的定义是指“一个制造厂或者不同制造厂提供的两个或多IEDs(IntelligentElectronicDevices智能电子设备)交换信息和使用这些信息执行特定功能的能力”。具体而言实现设备的互操作性应该具有层含义:​ 语构:IED可采用共同的协议连接于共同的总线​ 语义:IED可理解其他IED向其传输的信息​ 功能分布:IED可共同完成某一功能。需要说明的是互换性和互操作性并不是同一个概念。互换性以互操作性为基础但除此之外还需要功能乃至机械结构、接线端子的完全一致性。IEC的互操作性只保证了在设备的通信端口视图能够相互理解而互换性则需要很多更为严格的限制来消除设备间的差异性这完全超出了现阶段IEC的范畴。​ 不拘泥于厂家技术众所周知IEC主要由ABB、西门子、Areva等欧洲公司发起和制订在标准制订之初这些公司已经有了各自成熟的变电站自动化系统。这些大公司为了自身利益都想让新的国际标准采纳本公司的一些做法为此其代表人物还在工作组内展开过激烈的争论。然而正是在这些争论中它们意识到国际标准不应该迁就任一公司的利益而应着眼于技术的前瞻性和长远发展与其在争论中浪费时间不如大家妥协于全新的体系。这时流行于北美的UCA(UtilityCommunicationsArchitecture公共通信体系)以及底层的MMS(ManufacturingMessageSpecification制造报文规范)进入了工作组视线。由于历史的原因IEC一向被认为具有浓厚欧洲的色彩其制订的系列标准和北美的体系往往存在冲突导致在工程中北美电力自动化往往自成体系。UCA和MMS就是此前在北美广泛应用于电力系统等公用事业互联的通信体系,然而由于标准本身的复杂性以及其他原因这套体系并没有能在变电站自动化系统中得到应用。在考察了UCA和MMS的优缺点之后也部分为了鼓励北美积极参与IEC活动IEC工作组决定借鉴UCA的思路使用共同的MMS基础标准引入面向对象的建模方法并考虑未来发展而提出了抽象通信服务接口概念最终构架了IEC整个体系。从IEC制订的过程就可以看出该标准不妥协于任一厂家原有的变电站自动化系统而采用了主流开放的工业标准(MMSTCPIP)作为基础并且取得了包括北美在内的全世界多个成员国的广泛支持。所有这一切都为国际厂商的平等参与和互操作性方面奠定了良好的基础。​ 自描述体系通用标准和产品个性往往会发生冲突。如果不规定有一定的扩充办法标准往往可能失于死板而得不到足够的产品支持而丧失生命力而若规定的扩充办法太过于灵活又可能导致具体的实现五花八门产品的随意性将掩盖掉标准的意义。在IEC之前同一技术委员会(TC)制订的IEC系列标准就曾经为这个尺度的把握而苦恼过。IEC标准没有预留标准的扩充办法导致其应用范围受到一定的限制无法支撑诸如“程序化控制”等新出现的应用而IEC标准预留了通用分类服务可供扩充然而其对扩充的管理又偏弱导致不同厂家的通用分类服务很难互操作。IEC标准充分考虑扩充和互操作之间的矛盾规定了一套严格的扩充办法和自描述体系从理论上可以保证各个厂家的自由扩充而不产生冲突并且在互操作时又能取得足够的信息去理解各种私有的扩充。IEC的自描述通过两种方法实现一是借助于变电站描述语言(SCL)在工程配置中进行理解另外也可在设备在线运行时通过读目录实现模型信息的探索和校验。​ 规范接口为了达到互操作性目标IEC着力于产品间接口的规范并给厂商具体的产品实现留下了足够的自由度。标准试图给出充分而又必要的最小规范集合满足该规范即可实现变电站自动化系统产品集成时的互操作。在几部标准的引言中都十分强调了标准并不限定具体产品的实现只是规定了实现的外部可视特性以及这些特性的一致性要求即规定了为了实现互操作性目标必须满足的条件。标准中的规范接口包括但不限于实时通信协议还包括设备所必须满足的基本条件以及工程实施中不同角色间可能交换的标准文件。所有这一切都围绕了互操作性这一根本主题。​ 一致性测试IEC是一个非赢利性的国际组织它往往只制订相关的国际标准却不为任何厂商的产品提供符合性认证。这种模式在以前的一些标准中曾出现了问题表现在声称符合同一标准的若干厂家对标准的理解和执行有异然而却都通过了某些测试机构的检测。究其原因往往是因为这些标准没有给出明确的一致性测试条件。目前广泛应用的IEC系列标准就出现过此种现象TC意识到此问题后抓紧给出了该系列标准的若干一致性测试导则。亡羊补牢犹未为晚但更为可喜的是后续的IEC等标准在制订之初就同时规划了一致性测试部分给出了明确的测试方法、测试用例乃至测试报告格式。有了一致性测试标准厂家在实现时就无法偷工减料检测机构也有了明确的执法依据。标准的一致性测试部分的及时颁布必将给设备间广泛的互操作创造良好的前提条件。​ 工程化追求IEC不仅仅是一个通信标准它还试图涵盖变电站自动化工程的许多方面。标准总结了工程实施中的普遍规律发掘出若干可能影响工程质量、进度或者维护的若干因素并对这些因素进行了规范。当然工程项目的差异性客观存在因此标准并不能给出详细的实施细则它只是提示了工程化应用中值得关注或必须遵循的一些导则。​ 功能自由分布功能自由分布是IEC中的一个重要概念,,。本来设备互操作的目的就是能使多设备协作完成特定功能可以说如果不存在功能分布的要求亦即单独的设备即可完成用户要求的所有需求那么通信将不再必要。IEC将通信的单位抽象到最小的逻辑节点单元典型的一个功能将会由若干个相关的逻辑节点共同完成比如VQC(VoltageQuadergyControl电压无功控制)功能就可以涉及若干个逻辑节点分别完成电容器和变压器的测量和控制功能。功能自由分布具有两层含义一是逻辑节点和物理设备之间可以自由组合亦即一个物理设备可以包含一个或多个逻辑节点这便赋予了厂家设备的实现以充分的灵活性另一方面是指IEC没有规范特定的功能如何实现但为这些功能提供了可能的通信接口这便把功能相关的工作留给了系统集成时来具体完成。总的说来标准不限制装置如何实现但是从通信的角度制定了若干最小功能单元(逻辑节点)实际的装置可以从这些逻辑节点挑选一些进行组合而现场需要的实际功能可以由一个或者多个实际装置依托通信来共同完成。​ 质量和项目管理IEC部分定义了质量和项目管理。比较重要的是质量和项目管理尤其完整的生命周期支持同样是降低用户总体拥有成本的重要内容。这也是标准追求长期适用性的一种努力。比较令人遗憾的是目前尚没有太多的人对标准的本部分给予足够重视这可能和技术标准本身的强制力不够有关也可能由于各地工程项目管理已习惯了目前的模式。技术对管理的影响总是需要过程的也许在将来这一部分内容会成为厂商和业主共同关注的内容。​ 环境和电磁兼容等总体要求为了评价产品的工程适用性情况IEC还规定了变电站自动化设备应该满足的环境、电源、电磁兼容性等诸多指标。这些指标往往引用了IEC的其它一些基础标准并在大多数时候可以允许厂商自行选择合适的级别但必须进行必要的声明。但是考虑到电磁兼容性是变电站设备所必须考虑的重要问题标准规定了多项电磁兼容性指标并选取了较高的级别IEC产品的开发和使用人员都必须注意。需要指出的是IEC规定的这些指标适用于变电站自动化系统中的所有设备也包括监控计算机、以太网交换机等辅助硬件。以往的工程中往往只对继电保护以及测控等“装置类产品”提出有环境和电磁兼容性要求随着IEC的推广与实施应该发展出全套符合IEC标准要求的通用计算机和网络设备。考虑到技术实现的代价以及需求的实际情况IEC这部分标准规定在进行一些实验时允许有部分的自动化功能受影响而暂时失效但所有和保护相关的功能则不能受任何影响。​ 需求分析IEC的制订借鉴了现代软件工程的方式方法整体上按照可行性研究、需求分析、设计、实现以及测试等部分展开。标准的第部分可看作是针对工程实践的需求分析在这部分里详细分析了变电站自动化系统可能存在的通信需求并对这些需求的功能和性能指标进行了研究。这些需求的研究和定义是制订所有后续标准的基础反过来也可以用这些需求是否得到很好的实现来检验其它标准制订得是否成功。IEC的重要内容是分析变电站自动化系统内的数据流。它的分析基于理论计算和LAN仿真之上针对大中小等典型的变电站规模给出了正常和故障情况下的数据流量。这些数据将是工程网络设计和优化的基础并且在IEC广泛实施后还应该给出足够的实测数据对它进行修正。IEC对通信需求的深入在某种程度上削弱了对功能需求的关注而实际工程的需求应更关注功能。由于功能的定义可能会牵涉到产品实现也许标准还需要根据工程上的功能需求补充出一些具体的应用导则。​ 工程实施流程基于逻辑节点模型标准规定了两种可能的工程实施流程,可看作是自下而上和自上而下两种工程思路。自下而上是指装置厂家提供模型给系统集成商由系统集成商根据业主需求进行设备的选择和组合并在工程实施过程中将所有装置的模型实例化自上而下是指业主或者系统集成商提出特定的设备模型分配给各厂商来进行具体实现。实践过程中两种方式可能会结合使用主要取决于设备定制的成本和工程的特殊性。在整个工程实施过程中IEC定义了业主、系统集成商和IED制造商种重要的不同角色并且结合工程化过程设想了这种角色间需要交换的信息并为此定义了标准化的接口文件。这些接口文件都使用基于XML(EXtensibleMarkupLanguage可扩展标记语言)标准的SCL(substationautomationSystemConfigurationLanguage变电站配置描述语言)有着严格的语法检查和格式限制有利于计算机对它们进行处理,。虽然标准提到了处理这些文件可能的软件工具但也特别指出这些工具都是厂家内部的具体实现问题标准对此不作规定而只是规定厂家间应该交换的文件格式必须被标准化。IEC定义的这种工程实施流程和角色分工和目前国内普遍的电力公司、设计院、厂商实施模式不能直接对应随着IEC工程的增多必然会逐渐磨合出符合我国实际的工程实施流程以及角色分工定义。​ 技术范围谈到IEC的技术范围图是被各种文献经常引用的变电站通信接口模型,,其中各种接口的定义如下:​ 间隔层和变电站层之间保护数据交换​ 间隔层与远方保护之间保护数据交换​ 间隔层内数据交换​ PT和CT输出的采样值​ 过程层和间隔层之间控制数据交换​ 间隔和变电站层之间控制数据交换​ 变电站层与远方工程师办公地数据交换​ 间隔之间直接数据交换如联锁等快速功能​ 变电站层内数据交换​ 变电站和远方控制中心之间控制数据交换。IEC指出其中的和远方保护通信的接口②不在标准范围之内甚至也不属于TC远动标委会而应由TC继电保护标委会来规范。至于其中对远方控制中心通信的接口⑩也就是传统的远动通信虽然同属于TC管理但IEC等标准仍现行有效第版IEC也未将其包括。不过目前正在制订的第版IEC将会考虑变电站到控制中心通信的要求。​ 过程层数字化目前大量工程应用的变电站自动化系统采样了分层分布式结构即整个变电站自动化系统分为变电站层和间隔层。变电站层包括监控、远动、五防闭锁等需要集中全站信息完成的功能而间隔层设备主要对应于一次间隔设备的保护、测量和控制。间隔层设备和互感器之间采用VA的模拟信号传输而和开关刀闸等设备间则采用VV直流电压通过控制电缆进行开关量传输。在IEC中IECTC提出了层次模型的变电站自动化系统构架,,即电子式电压和电流互感器和开关的一次设备增加了智能接口后这些智能化设备作为变电站的过程层。采用层次模型后原来间隔层设备与互感器、开关的一次设备之间的电力电缆连接变为通信连接并形成过程总线,,。从通信层面上讲过程层数字化需要解决两个问题:采样值传输以及快速开关量报文。采样值是一种稳定而大流量的通信负荷而开关量则往往伴随着突发事件而产生。两者的共同点是都极端强调通信的实时性和可靠性此外还经常需要一对多的传输。在IEC中为这两类过程层应用定义了采样值模型和GOOSE模型并最终映射到以太网进行实现。传统观点认为以太网是一种总线型网络采用CSMACD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection带碰撞检测的载波侦听多址访问)机制在重负荷的极端情况下不能够保证通信的实时性。然而现代交换式以太网已经完全摒弃了早先共享总线带宽的缺点依靠交换机这一高可靠性核心部件把总线型以太网变成了星型拓扑最新技术已经可以实现所有端口独占带宽的M线速交换并且可按照IEEEQ实现数据包的优先级处理。由于这些技术发展近年来以太网在工业控制领域运用越来越多在变电站自动化系统中应用的优点也逐渐为人们所接受。在IEC中全面采用以太网技术尤其在过程层通信方面利用了以太网的组播和优先级交换特性完全能够满足过程层通信的实时性、可靠性以及一发多收要求。图揭示了变电站自动化系统的发展历程尤其可以看出过程层数字化是将来的发展趋势。最后需要指出的是IEC基于变电站层、间隔层以及过程层三层模型提出了间隔间网络以及过程层网络的概念但这两种网络只是逻辑上的称谓和实际的物理网络并无直接的对应关系。标准中指出“通信总线可以采用不同的组网方式这取决于数据流要求、可靠性要求或安装过程中的具体情况。”但是考虑到目前网络带宽和嵌入式CPU处理能力三层两网仍然是较为可行的目标即图中给出的“Tomorrow”方案。​ 和TC、TC等专委会配合很显然变电站自动化技术涉及到诸多的专业领域因此若单靠TC一个技术委员会完成所有的标准制订未必能符合各类产品实际情况并在应用中取得成功。IEC在制订IEC标准时注意到这个问题特别邀请了继电保护(TC)、互感器(TC)、开关(TC)、变压器(TC)等相关专委会参加了标准的讨论和制订工作。因而从理论上这个涉及到多专业的通信标准是能够协调一致的。在目前IEC已经颁布实施并成为行业热点的情况下其它各相关专业和通信的配合情况总体良好但在具体进度上参差不齐。TC已经制订了IEC电子式互感器国际标准明确指出其数字式输出接口按照IEC来执行两者之间完全一致。TC正在讨论整个继电保护标准体系的修订其中关于功能继电器的标准将和IEC相协调。而关于智能开关和智能变压器方面的技术目前尚在酝酿之中。不过在继电保护信息的建模和应用方面虽然标委会作了诸多努力但在现行的第版IEC标准中仍然存在着显著的不足这在一定程度上制约了标准的工程化应用。标准的制订者已经意识到该问题有望在第版的修订中进行完善。​ TC无缝通信体系由于近年来通信技术的较快发展TC先后制订了一系列电力系统通信方面的国际标准比如IEC、IEC等。这些标准中有些和IEC的应用领域相重合有些则可能需要和IEC相衔接。那么从长远看这些标准将何去何从呢?IECTC对此有一个明确的回答。​ IEC是厂站到控制中心现行有效的通信标准但IEC从厂站到控制中心的应用规范将很快推出在网络通信越来越发达的情况下会逐步替代IEC成为主流标准,​ 控制中心之间信息交换使用IECTASE标准​ 在站内通信方面IEC会完全替代IEC​ IEC的模型描述将和IEC(EMS应用程序接口)协调一致。​ 应用拓展由于IEC是一个开放的国际标准其面向对象建模、抽象通信服务等思想较为先进并且标准本身较好地兼顾了互操作性和可扩展性因而得到了许多其它领域的关注从而让IEC不再局限于变电站自动化系统内部,,。这些应用中比较引人注目的有:​ 在风力发电方面,目前已经形成IEC系列标准规定了风电领域的标准逻辑节点LN和公用数据类CDC还建立了一套使用XML的准实时SCSM(特定通信服务映射)​ 国内在故障信息管理系统的通信上作了向IEC靠拢的许多努力尝试并且在山东经过小范围试点已开始了全面应用​ TC正在制订变电站到控制中心的IEC规范,​ TC针对电能质量领域也在做模型和数据的扩展。​ 标准的生命力并不是每一个国际标准都能取得成功。典型地如OSI的网络通信层协议虽然在理论上占尽风头然而并不能在实际中得到广泛应用就IECTC本身也制订过无人问津的IEC系列配电网通信标准。究其原因往往是因为标准制订得太过于脱离当时的工程实践没能用具体的产品对标准的可行性进行检验。与之相反像TCPIP这样伴随项目或者产品开发而形成的事实标准就能够在现实世界中大行其道。那么IEC的命运又会是怎样呢?笔者认为由于该标准诞生时变电站自动化系统的应用已比较成熟尤其在制订过程中已对关键技术进行多次的试验验证因而有理由对IEC的未来表示乐观相信IEC将会在较长的历史时期具有旺盛的生命力。当然仅就技术层面IEC也把追求长期的稳定性和适用性作为重要的追求目标这在多个方面都有具体体现。​ ACSISCSM结构和以往的通信标准不同的是IEC厚厚的个部分中基本

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