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基于IEC61850电能质量监测IED的建模.doc

基于IEC61850电能质量监测IED的建模

mguo
2011-06-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于IEC61850电能质量监测IED的建模doc》,可适用于工程科技领域

分数:任课教师签字:华北电力大学研究生结课作业学年学期:第二学期课程名称:电力系统实时安全监控新技术学生姓名:**学号:********提交时间:年月日基于IEC电能质量监测IED的建模引言随着电力电子技术的广泛应用电力电子整流设备、电气化铁路、电弧炉以及其它非线性负载大量使用。这些非线性负载会引起电网电流、电压波形发生畸变造成电网的谐波“污染”电弧炉、电力机车等波动性负荷的运行不仅产生大量的间谐波和高次谐波还引起电压波动和三相不平衡等一系列的电能质量问题。电能质量问题不仅导致供用电设备本身的安全性和使用寿命的降低而且严重干扰了电网自身的安全经济运行。因此无论从电网运行的需要考虑还是从供电用户的需要考虑加强对电能质量的监控都是非常必要的。这一问题正受到电力部门和用户越来越广泛的关注。只有对电能质量做出实时可靠的监测与分析才能制定有效的措施来改善电能质量问题。日益突出的电能质量问题引起了电力部门和用户的高度重视。目前越来越多的变电站开始对电能质量进行监测。电能质量监测设备种类繁多制造商使用各自的通信协议和数据格式开发的监测设备和软件不尽相同不同设备之间互不兼容。因此使用标准的协议和标准的数据文件交换格式、建立开放式的电能质量监测系统十分必要。IEC是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系明确提出了信息分层、面向对象、数据对象统一建模、可实现系统的配置管理、采用映射的方法、与具体网络独立符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求己成为无缝通信系统传输协议的基础避免了繁琐的协议转换实现了IED间的互操作性。由于IEC中定义的逻辑节点类和数据类并没有涵盖电能质量监测的所有信息这影响到了IEC在电能质量监测方面的应用。对象建模是IEC的核心文献建立了电能质量监测IED(intelligentelectronicdeviceIED)的测量功能模型文献建立了具有仪用互感器逻辑节点的电能质量监测IED的测量功能模型而电能质量监测的其它功能(电能质量事件检测功能、波形记录扰动记录功能)的建模急待解决。近年来TC第工作组一直致力于研究IEC在电能质量方面的扩展工作并于年形成了IEC电能质量附录的委员会草案版本。文献对电能质量信息交换的逻辑节点和数据类进行了标准化这为建立较完整的电能质量监测IED的对象模型奠定了基础。本课题在了解电能质量定义和电能质量监测IED原理的基础上希望能设计电能质量监测IED与变电站自动化系统SAS各功能层的接口并遵循IEC及其电能质量对各个功能进行分解利用标准化的逻辑节点建立采用上述接口方式的用于监测电能质量的IED模型。参考文献肖湘宁韩民晓.电能质量分析与控制M.北京:中国电力出版社.郭敏赵成勇曹东升等同步采样与谐波分析方法的实现J电测与仪表,,():陈巨龙基于IEC体系的电能质量监测系统的研究D.保定:华北电力大学ApostolovAMuschlitzB.ObjectmodelingofmeasuringfunctionsinIECbasedIEDsC.TransmissionandDistributionConferenceandExpositionLosAngelesUSA.AlexanderAChristophBKayC.UseofIECobjectmodelsforpowersystemqualitysecuritydataexchangeJ.QualityandSecurityofElectricPowerDeliverySystems:.李鹏游大海.基于IEC的对象模型在电能质量监测IED中的应用J.电力系统通信():.李鹏游大海.IEC标准下的对象模型的研究及其在电能质量监测IED中的应用J.电力标准化与技术经济():.IECClarificationsandCorrections,andExtensionsforPowerQualityandRepresentationofHistoricalandStatisticalInformationS.IECCompatiblelogicalnodeclassesanddataclasses(additionofpowerqualitymonitoring)S.徐鹤勇和敬涵基于IEC电能质量监测装置的建模与实现J继电器,,():基于IEC的变电站自动化系统KeiichiKaneda,SetsuoTamura,NobuhisaFujiyama,YoshikazuArata,andHachidaiIto摘要:变电站自动化系统(SAS)广泛应用于变电站的控制、保护、监控以及通信等方面以提高电力系统可靠性。尽管硬连线控制已被用于在SAS的早期版本使用其简单的通信方式近年来IT技术的快速发展采用以太网LAN的解决方案的变电站自动化系统已变得越来越普遍。此外IEC标准已作为变电站新的全球通信标准。该标准由十个部分组成其中最后一部分是在年发布。随后IEC已广泛应用于世界各地的变电站自动化系统。本文将详细地描述基于IEC的变电站自动化系统主要包括系统设计和建模方法。此外还将涵盖一些系统建模和系统配置的概念、以及IEC的优点同时指出IEC在实施过程中需要考虑的问题还讨论IEC实际应用碰到的问题以及已克服这些问题的措施。关键字:IEC,逻辑节点环局域网变电站自动化系统生成树协议I简介变电站自动化系统(SAS)广泛应用于变电站的控制、保护、监控以及通信等方面以提高电力系统可靠性。尽管硬连线控制已被用于在SAS的早期版本使用其简单的通信方式近年来IT技术的快速发展采用以太网LAN的解决方案的变电站自动化系统已变得越来越普遍。此外IEC作为变电站通信的国际标准已经发布并且基于IEC的变电站自动化系统的工程应用也逐渐增加。最近发布的IEC标准的主要目的是实现互操作性旨在让不同供应商的各类设备通过以太网LAN实现SAS逻辑配置。然而IEC的当前版本已与逻辑节点方面有许多选择并提供通信服务的许多方法。因此每个制造商使用不同的选择和通信服务以实现SAS的功能。这意味着IEC无法为SAS的设计提供一个通用准则因为不同用户对SAS的功能要求是不一样的。本文将详细地描述基于IEC的变电站自动化系统主要包括系统设计和建模方法。此外还将涵盖一些系统建模和系统配置的概念、以及IEC的优点同时指出IEC在实施过程中需要考虑的问题还讨论IEC实际应用碰到的问题以及已克服这些问题的措施。II变电站自动化系统的概要本节将叙述变电站自动化系统的用途和功能的整体概述。IISAS的应用背景SAS是一个系统能够为变电站提供监测、控制以及保护的自动化功能同时还可以利用在电子、信息和通信技术领域的最新改进。SAS应用的增加满足市场需求降低总成本(包括变电站设备的周期成本)为变电站设备提供高效的运行或接近极限运行同时优化设备的维护费用等SAS应用在变电站始于’S,系统采用符合国际标准的规范如以太网和TCPIP以及系统利用有别于不同设备厂商的专有方法并在世纪年代早期已得到应用。在~年IEC成为变电站通信的国际标准并且近年来基于IEC的变电站自动化系统的工程应用也逐渐增加。基于IEC的工程应用的主要突破是实现互操作性这是IEC规约的主要目标之一。由于该系统进行配置拥有足够的灵活性预计会更容易应对市场需求。新规约仍然对SAS的设计与实施会产生很大的影响从设备制造商、系统集成商和终端用户获得的实践经验形成积极的讨论讨论还在一直持续进行。这样有助于规约的进一步改善这项工作仍在继续。IISAS的基本功能SAS的基本功能可分为如下:监测、控制、记录以及保护等。尽管SAS系统的功能因项目不同而有所不同但大多数SAS系统具有的功能如表I所示。表ISAS功能的概览基本功能功能的典型事例监视功能*监测配电设备的状态、分接头的位置、变压器的状态和分接头、用于保护和控制的设备的状态等。*监测电量参数:如电流、电压、频率、有功功率和无功功率等。控制功能*配电设备和变压器分接头的控制*同步检测和闭锁*电压矫正控制和电压无功功率控制记录功能*记录所有监测数据和操控控制的设备装置*设备的故障记录和装置的扰动记录保护功能*输电线路、变压器、母线、发电机、配电设备的保护*反馈线、并联电抗器、并联电容器等Ⅲ基于IEC的变电站自动化系统在本节中将叙述一种基于IEC规约进行变电站自动化系统设计、建立、配置和测试的一整套方法。III系统设计和建立的方法通常变电站自动化系统的系统设计主要需要四步如图所示。接下来的章节将主要主要描述整个设计过程。其中第一步(定义)和第二步(系统设计)。图系统设计步骤的示例系统设计的第一步是定义SAS需求的定义。首先确定变电站类型的详细资料因为提供的这些基本信息可以确定SAS的必要功能和系统配置。变电站的类型包括是输电变电站还是配电变电站是大型还是小型变电站该变电站在电力系统中的重要性。同时用户必须提供详细的功能需求变电站的母线布置、间隔层或设备的数量。变电站的类型如下:*小型配点变电站*中型配电变电站*大型配电变电站*小型输电变电站*大型输电变电站下一个步是IED的选型和系统结构的设计适当地考虑冗余标准。在变电站自动化系统上冗余架构是基于用户需求和变电站的重要性进行综合考虑。当系统配置满足要求时有必要利用以下步骤进行IED的选型:(a)选择基于IEC与功能规格相一致的IED。(b)如果基于IEC与功能规格相一致的IED难以得到我们只好选择配置全球通信标准(如IEC)的IED通过使用IEC规约转换器来确保IED间的互操作性。当基于IEC的变电站自动化系统被应用于变电站需要考虑以下两点:(a)避免因单点故障而使系统不可用。(b)为非IEC设备或信号(来自于其它设备或变电站的)提供集成化解决方案。其中(a)项是很重要应该慎重考虑因为它直接关系到变电站运行的可靠性。然而过分地强调可靠性可能会导致系统配置的复杂性以及成本的增加。因此系统集成商必须为某个特别的系统建立合适的配置。在上面的(b)中提到的是必须要考虑的一个问题因为IEC是一个新的标准并不是所有IED都遵从IEC规约。而且例如某处输入所需信号只能通过机械触点获得那(b)项就变得很重要。例如每个保护板都可能包含一些触点信号(可能达路板)如下所示:*保护功能状态:INOUTONOFF*闭锁继电器状态*继电器测试状态*VT故障报警*DCAC故障报警*闭锁继电器复位命令等等。上述问题的解决方案是为了采集BCU处的触点信息并翻译成IEC规约信息。然而保护屏信号不允许被输入到BCU这是为了将控制功能从保护功能中分离出来以确保每个功能的安全性。此外缩短触点信号输入电缆的长度也是考虑因素之一。有关于这一解决方案将在III小节中详述。一般SAS的配置包含图中所示的这些系统组件这些是要实现SAS所有功能的最小化配置。通过使用间隔分布式配置和环LAN该系统在维护和未来扩展方面仍旧拥有足够的灵活性。目前该系统配置得到广泛地应用。(a)​ 操作员工作站:这是一个人机界面设备用于实现对整个变电站运行的监测和控制。某些工程作业如数据库的维护和继电器整定值的设置都可以在该界面上完成。(b)​ 变电站计算机:变电站计算机是一个变电站服务器可以提供控制与监测、远程控制中心接口和数据记录等功能。此外因为它是系统中最重要的设备之一所以使用用于工业应用的硬件以确保其可靠性。(c)​ 间隔层控制单元BCU:这是一个多功能控制与监测单元每条线路都装设有间隔级别上的控制和检测功能。每条线路上均装设有BCU它安装在LCP或者控制设备上。在正常运行条件下BCU响应来自操作员工作站的或者远程控制中心的命令。同时BCU装设有LCD用于显示系统功能。BCU还可以实现就地操作。(d)​ 变电站总线:内变电站LAN遵从IEC规约为不同的IED设备提供连接。其环形拓扑如图所示具有以下特点:总电缆长度最优通信线路具有冗余性为防止广播数据形成环路而采用快速生成树协议。图系统配置实例因此使用RSTP协议的环形配置LAN得到更为广泛的应用。RSTP是可以逻辑上形成一个星形结构的通信路径的协议。它通过该方法来控制通信路径避免其形成多地址传输数据的环路。此外在传输路径故障时它还具有高速重新配置一个路径的功能。即使任一传输路径故障它都可以重新配置路径并且通过此协议实现变电站母线的继续传输使得系统继续运行见图所示。图RSTP框图下一步将会根据用户的需求来选择逻辑节点和通信服务。如果在IEC中没有为所需功能定义合适的逻辑节点或者信号则需使用GGIO或者扩展的逻辑节点种类。这种情况下应尽量少并谨慎地使用GGIO或者扩展的逻辑节点以保证IED设备间的互操作性。在表II中列举了每种功能的逻辑节点。图展示系统设备和LN之间的关系。图展示每个系统设备和通信服务之间的关系。表II逻辑节点功能实例图逻辑节点配置实例图通信服务协议实例III系统结构和功能就III小节叙述系统配置的概念在本节中将给出的一实例。就III小节的(a)概念本节也给出一实例解决方案。该方案对减小一故障影响是特别地重要同时该方案对如下描述的冗余系统结构也有重大的影响。(a)对变电站计算机、操作员工作站以及站级普通设备都采用冗余配置以防止整个系统因造某一次故障而使整个系统崩溃。(b)为确保通信的可靠性在变电站级上采用以太网交换机将变电站总线连接变电站计算机和操作员工作站这是(a)所述的冗余。(c)为确保变电站总线的冗余路径而采用具有冗余特性的环形拓扑。此外进一步分隔成若干环也可提高整体的可靠性。(d)具有以太网交换机的IED设备是很常见的。电源的故障将产生最大的影响因为它会导致对交换机本身的功能完全丧失。因此这就需要对每个IED设备的交换机提供冗余电源以提高其可靠性。我们还必须考虑如何整合从非数字化设备、变电站内或保护继电器板的非IEC设备(见III小节)获得的信息。为将这些信息整合进入变电站自动化系统引入接口单元(InterfaceUnitIFU)它采用串行通信和二进制输入输出方式实现接口功能。典型IFU应用如图所示。IFU具有以下功能:二进制输入和输出符合IEC规约的串行通信符合IEC规约的LAN通信二进制IEC和IEC的转换功能通过支付上述办法的费用这样将有可能使系统配置和生产成本得到优化。图IFU应用图冗余系统配置实例实际系统配置如图所示采用III及上述的概念和解决方案。该系统的主要特点如下:(a)变电站级的设备冗余可实现更高的可靠性。以太网交换机是冗余的因为它们是用来连接变电站级的设备与变电站总线。(b)为了最大限度地减少设备故障的影响分布式间隔层配置用于IED如BCU或保护继电器。(c)IED侧以太网交换机的数量多少是基于IED数量和每个交换机端口的数量来考虑。当考虑交换机的数目有必要考虑在交换机发生故障的时间和优化成本时对系统产生的影响。然而也有可能使用几个独立的交换机对某些IED进行控制与用于保护的通信相比用于控制的通信更重要一些。变电站总线环的配置也是基于同样的考虑尽量可能地使用多个独立的环LAN来代替一单环LAN。(d)在机械触点信息和或保护继电器与IEC或模拟式继电器不兼容时有必要使用IFU进行信息的整合。使用GOOSE信息将用于保护与控制的通用功能以及某些分布式功能都整合到变电站自动化系统。GOOSE是IEC规约的特别重要特征之一。GOOSE是一种高速“点对点”IED间的通信协议通过使用GOOSE信息可大大地降低控制电缆的数量和IED触点的数量。基于GOOSE信息的应用功能如下:自动重合闸(在继电器与BCUCB之间)联锁跳闸(在继电器与继电器之间)封锁(在继电器和继电器BCU之间)III一致性和性能的测试通信一致性测试程序定义在IEC–以及通信性能测试程序定义在IEC一致性测试是在某一独立测试实验室(KEMA)下完成。然而目前情况下通讯性能测试不属于独立测试的范畴所以该测试必须由产品供应商进行产品定型测试或常规测试。IV.IEC的益处和问题在本节我们将讲述变电站自动化系统使用IEC带来的优点与提高并举例说明。IV优点与问题我们已经叙述过通过使用标准信息模型(LN)和标准通讯协议带来以下好处:多供应商互操作性IED之间的高速通信更低安装、扩展和施工成本易功能拓展和新功能的实现但是关于IEC规约的实际应用还有些问题需要改进。下文举一些范例说明存在的问题并提出相应的措施进行改进。由于在部分标准中描述不清楚和诠释很困难。因此对于某一特定的描述不同的使用者会有不同的理解。并不是变电站需要的所有功能和信号都能用LN定义。因此用于扩展LN的GGIO被定义和应用。但是这些节点给互操作性的实现带来一定困难。标准LN包括许多可选的设定或者信号、以及扩展LN而扩展LN可满足众多的工程应用。然而互操作性作为IEC的设计初衷只存在于相同的通讯协议、LN数据结构和IED间可相互交换数据的定义。对于上述提到的问题可以通过以下措施来实现互操作性:有必要地通过改进和修订来更新标准。IECTCWG标准现在正在制定中的其第二个版将在未来几年发布。用户应考虑使他们自己的文档囊括通信要求。这些要求包括标准LN、通讯协议、和与它们具体功能相对应的LN数据信号定义。IV系统的进一步改进除对IEC的实施之外我们还增加一系列功能来提高SAS性能如有用性和有效性等。在IV和IV中描述的功能不同于用来提高SAS可靠性的众多功能。通过使用这些功能系统用户可以在系统发生故障时被迅速告知系统状态及缩短维修时间。(a)IED故障的专用逻辑节点物理设备及逻辑装置的逻辑节点在现行IEC版本中只定义“健康”属性来显示系统状态。因此该属性不能区分出正常状态、轻微故障及严重故障状态。这样SAS运行人员只知道哪一个IED发生故障。在这种情况下运行人员只能更换新IED而该过程通常需要~个小时这还不包括重新布线、重新配置及运行测试等。有时用户也要对IED进行定位以判定是IED的哪个部分产生故障同样这也是需要花费时间的。我们在IED上成功地设计出专用逻辑节点和机制来通知运行人员具体的故障线路。在IED发生故障时为实现高效的互操作性逻辑节点要按照IEC中定义那样以GGIO节点来实现。专用逻辑节点是用来通知运行人员故障发生位置这样只需要运行人员更换故障电路板而不需要更换整个IED。采用这种方法系统的修复时间可以大大地缩短对于IO板来说大约只需要分钟而对于更加复杂的CPU板来说顶多需要~个小时因为它需要进行重新构置等。(b)通过选择报告取消以提高可用性SBO控制方法应用于IEC规约和多数SAS系统。SBO控制的状态转换流程如图所示。在进入“就绪”状态后如果发生选择状态取消现行IEC版本并没有定义IED选择状态取消是如何通知人机接口单元HMI。虽然在IEC规约中提供“stSeld”属性但是它只能选择“Select”或“Unselect”。如果IED无故产生“Unselect”状态在这种情况下运行人员依靠自己找出原因。为改进这种情况我们设计并实现利用专用逻辑节点就是利用“GGIO”来确定IED“取消选择”错误的类型和原因。利用这种机制当IED在就绪状态和运行状态之间发生取消选择状态时如IED故障、连锁条件不满足、控制优先权不满足等。故障的类型和原因如取消选择可以马上通知运行人员。图SBO控制的状态转换流程如果没有该功能运行人员必须检测取消选择状态产生的原因。由于存在将近种可能原因运行人员需要花费分钟或更多时间来查明错误发生的真实原因。新特征的成功实现有助于SAS运行人员提高系统的可靠性和缩短系统的故障修复时间。V结论变电站国际通讯标准IEC的成功发布现已在变电站取得广泛的应用。在实际应用中该标准还存在一些问题需要改进。但是目前我们在设计和建造SAS时还需要适当的考虑这些问题。尽管这样用户和供应商通过反馈他们使用基于IEC变电站自动化系统的经验而从中取得显著的效益。随着通信设施的不断进步将来IEC不只应用于变电站还将应用于变电站和遥控中心的通信或远端变电站的通信。VI参考文献KeiichiKaneda,KojiIgarashi,KoichiHamamatsu,ShigekazuMorita,ModernSubstationControlandMonitoringSystem,ICEE,HongKong,NKusano,NewTrendsinProtectionRelaysSubstationAutomationSystemsinJapan,IEEEPESTDAsiaPacificConference,Japan,IEC“CommunicationNetworksandSystemsinSubstations”(wwwiecch)IMitanietal,“ApplicationofCoordinatedControl,ProtectionandOperationSupportSysteminEHVSubstaions”CIGRE

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