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基于iec61850的变电站过程层与间隔层技术研究.pdf

基于iec61850的变电站过程层与间隔层技术研究

屌丝的孤寂V5
2013-03-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于iec61850的变电站过程层与间隔层技术研究pdf》,可适用于高等教育领域

华中科技大学硕士学位论文基于IEC的变电站过程层与间隔层技术研究姓名:王哲申请学位级别:硕士专业:电力系统及其自动化指导教师:张哲摘要随着电子式互感器和光纤通信技术在变电站的逐步推广应用、IEC标准的颁布实施数字化变电站已成为变电站自动化系统的发展方向。与常规变电站相比数字化变电站二次系统的构成将实现完全数字化并具有全站统一的数据建模及数据通信平台使得变电站二次系统发生了深刻的变革并由此带来一系列新的技术问题。论文从适用于数字化变电站的继电保护的应用要求出发重点针对过程层和间隔层的相关技术开展研究工作。论文首先对数字化变电站的研究和应用现状进行了分析和综述在此基础上对IEC标准进行了研究分析并详细论述了采样值传输模型、GOOSE传输模型及它们的特定通信服务映射方法以为过程层和间隔层相关设备的设计提供依据。在数字化变电站中合并单元是最重要的过程层设备。论文在对合并单元功能需求进行研究分析的基础上提出了一种以FPGA、DSP、ARM芯片为核心的、具备多任务处理能力的合并单元硬件设计方案。论文阐述了硬件系统的基本结构和主要模块的功能配置并简要说明了合并单元软件设计的初步方案。在间隔层设备中继电保护智能设备的研制占有重要地位。论文以三段式过流保护为例提出了适用于数字化变电站的过流保护单元的设计方案。论文介绍了保护单元各主要插件的基本功能和特点并系统阐述了过流保护的基本原理、主要算法和软件流程。IEC应用的一个关键问题是如何根据标准规范对实际的IED建立相关的信息模型。论文以合并单元和保护单元为例对其抽象信息模型的建立方法进行了研究阐述了逻辑设备、逻辑节点、数据对象和数据对象属性的构建方法以实现过程层、间隔层IED之间以及IED与变电站层计算机之间的通信。论文最后对课题研究工作进行了总结并对下一步工作进行了展望。关键词:数字化变电站IEC合并单元间隔层IED过流保护IAbstractWiththeapplicationofelectronictransformersandopticalfibertechniqueinsubstation,andtheimplementationofIECstandard,digitalsubstationhasbecamethedevelopmenttrendofsubstationautomationsystemComparedwiththeroutinesubstation,thesecondarysystem’sstructureofdigitalsubstationiscompletelydigitized,whichpossessestheuniformdatamodelinwholesubstationanddatacommunicationplatform,sothatthesecondarysystemofsubstationisdeeplychanged,whichbringsaseriesofnewtechnicalissuesConsideringtheapplicationrequestofrelayprotectionindigitalsubstation,thethesiscarriesoutresearchmostlyonthetechniqueofprocesslevelandbaylevelFirstly,thepresentsituationofresearchandapplicationaboutdigitalsubstationisanalyzedandsummarizedinthethesis,onthisbasis,theIECstandardhasbeenconstrued,inwhichsampledvaluemodel,GOOSEtransfermodelandtheirspecificcommunicationservicemappingarediscussedindetail,TheseprovidethebasisforthedevicesdesignofprocesslevelandbaylevelIndigitalsubstation,themergingunitisthemostimportantdeviceinprocesslevelOnthebasisofmergingunit’sfunctionalrequirementsanalysis,ahardwaredesignschemeofMUisputforwardinthethesis,whichisconsistofFPGA,DSP,ARMchipsandpossessesmultitaskoperationabilitythebasichardwarestructureandcoremodulefunctionconfigurationofMUaredescribedhere,andthesoftwarepreliminaryplanofMUisbrieflyshowedtooTheintelligentdeviceforrelayprotectionoccupiesanimportantpositioninbayleveladesignschemesuitedforovercurrentprotectionindigitalsubstationissubmitted,inwhichthreestageprotectionistakenasanexampleThethesishasintroducedthefundamentalfunctionandcharacteristicofeachkeyplugininprotectionunits,thensystematicdescribedthebasicprinciples,mainalgorithm,andsoftwareflowofovercurrentprotectionAkeyissueabouttheapplicationofIECishowtoestablishtheinformationmodelsfromrealIEDsaccordingtothestandardTakenMUandprotectionunitasanexample,themethodforhowtoestablishabstractinformationmodelisstudied,whichisIIconstructedbylogicaldevice,logicalnote,dataobjectanddataattribute,inordertoimplementthecommunicationamongprocesslevelandbaylevelIEDs,baylevelIEDsandsubstationlevel’scomputersFinally,thesubjecthasbeensummarized,andwhatshouldbedonenexthasbeenprospectedKeywords:DigitalsubstationIECMergingunitBaylevelIEDOvercurrentprotectionIII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。尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年月日日期:年月日绪论本章主要论述了数字化变电站的概念、结构及现今国内外的研究状况分析了其中存在的一些问题最后简要介绍了论文的主要工作和章节安排。引言变电站是电力系统的重要组成部分。变电站自动化系统(SubstationAutomationSystemSAS)在我国应用发展十多年来为保障电网安全经济运行发挥了重要作用。但是变电站自动化系统还面临许多问题如常规互感器的动态测量范围存在局限性通信标准的不统一导致站内信息难以高效共享二次设备间互操作困难等。这些问题限制了变电站自动化系统的进一步发展。目前以光电技术为基础的电子式互感器已从试验阶段走向工程应用国际电工委员会业已制定以实现互操作为目标的IEC标准光纤网络通信、高速以太网技术迅速发展。这些都为解决上述问题提供了强有力的支撑。可以说从基于模拟信号、电缆连接、数据繁杂的传统变电站转变到数字信号、光纤连接、数据统一的数字化变电站是下一代变电站自动化系统发展的必然。数字化变电站的概念及结构数字化变电站的确切定义比较困难。一般认为对于数字化变电站“数字化”贯穿变电站自动化的始终其主要技术特征为:()符合IEC标准的变电站通信网络和系统:站间各智能电子设备按照标准要求实现高效通信。()智能化的一次设备:一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计简化了常规机电式继电器及控制回路的结构传统的导线连接被数字程控器及数字公共信号网络取代。()网络化的二次设备:变电站内常规二次设备全部基于微处理器设计设备间的连接采用高速网络通信真正实现数据与资源共享常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。()自动化的运行管理系统:变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化、自动化变电站发生故障时能及时提供故障分析报告指出故障原因及处理意见系统能自动发出变电站设备检修报告。综上所述数字化变电站在现阶段可定义如下:数字化变电站是以变电站一、二次设备为数字化对象以高速网络通信平台为基础通过对数字化信息进行标准化实现信息共享和互操作并以网络数据为基础实现继电保护、数据管理等功能的新一代变电站。依据IEC数字化变电站的结构可分为三个层次分别为过程层、间隔层、变电站层。如图所示。功能A功能B②①⑥⑨⑦技术服务⑩远方控制(NCC)保护控制传感器执行单元过程接口①⑥④⑤④⑤③②保护控制③间隔单元层远方保护远方保护高压设备过程层变电站层⑧图数字化变电站系统的接口模型图中各接口的意义如下:接口①:在间隔层和变电站层之间交换保护数据接口②:在间隔层和远方保护之间交换保护数据接口③:在间隔层内交换数据接口④:过程层TA和TV的瞬时数据向间隔层的传输(例如采样值)据如联锁)换控制数据。设备与二次设备的结合面。它的主要功能有:相位及谐波分量其他电气量如有功、无功、电能量闸、母线等运行设备的温度、压力、绝缘、机械特性以大部分是被动的即按上层控制指令而动作。比如接到间隔主要功能是:汇总本间隔过程层实时数据信息实施对一次设备保护控接口⑤:在过程层和间隔层之间交换控制数据接口⑥:在间隔层和变电站层之间交换控制数据接口⑦:在变电站层和远方工程师工作站之间交换数接口⑧:在间隔层之间直接交换数据特别是快速功能(例接口⑨:在变电站层之间交换数据接口⑩:在变电站层和控制中心之间交()过程层过程层是一次①电力运行实时的电气量检测检测的电气量包括电流、电压、交由间隔层设备计算得出。与常规变电站不同的是检测设备采用电子式(光电式)互感器。这是因为与传统的电磁式互感器相比电子式互感器的抗干扰能力强、体积小、绝缘和抗饱和特性好。电子式互感器的应用是数字化变电站的一个显著特点。由电子式互感器采集到的数据通过合并单元合并按照符合IEC要求的格式通过光纤以太网发送至间隔层。②运行设备的状态参数检测主要是对变压器、断路器、刀及工作状态等数据进行检测。③操作控制执行与驱动过程层的控制执行与驱动层保护装置的跳闸命令、电压无功控制的投切命令、对断路器的遥控开合命令等。但在执行控制命令时具有智能性即能判别命令的真伪及其合理性还能对即将进行的动作精度及时机进行控制。()间隔层间隔层设备的制功能实施本间隔操作闭锁功能实施操作同期及其他控制功能对数据采集、控制命令的发出具有优先级别的控制承上启下的通信功能即高速的完成与过程层及变电站层的网络通信。()变电站层变电站层的主要任务是:通过高速网络汇总全站的实时数据信息按既定标准将有关的是以上是按照逻辑结构划分的。过程层和间隔层部分功能可以集中在一号的电子式互感器提升数字化变电站技术的研究现状及需要解决的问题数字化变电站的工程应用从一开始就受到国内外的广泛关注各国都投入了大量的资的智能电子设备不但有保护装置年初山东建成全部使用电子式互感器的kV阳谷冷轧薄板厂变电站数据送往调度或控制中心并接收调度或控制中心有关控制命令并转向间隔层、过程层执行站内监控及人机交互对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线参数修改等。需要注意个装置中而没有物理上的分离这样并不改变逻辑结构。较之常规变电站数字化变电站的优势有:采用输出数字信了保护、测量系统的精度一次设备和二次设备采用网络通信站内信号通过光纤数字传输大幅度的简化了二次接线的复杂程度并且从根本上解决了抗干扰问题站内的所有智能设备均按照统一标准建立信息模型和通信接口设备可实现无缝连接并且避免了重复建设设备间互操作性问题得到解决也便于今后扩充新的设备。因此研究数字化变电站相关技术对提高变电站自动化运行水平的意义不言而喻。金与人力以加强对数字化变电站技术的研究。在国外各大厂商已经在开发符合IEC要求还有符合该标准的过程层设备。如智能断路器、带数字接口的光电互感器等。美国、德国、荷兰等国都有数字化变电站的示范工程用以验证IEC的理论体系和实现技术。在国内。该站由电子式互感器至二次合并单元采用光缆采用IEC标准由间隔层至变电站层采用IEC标准。云南曲靖于年月建成全部使用电子式互感器及智能转换模块的翠峰kV数字化变电站该站一次设备和二次设备间采用符合IEC标准的光纤通信由间隔层至站控层也是采用IEC标准。以上两个数字化变电站目前均运行状况良好。另外华东电网公司与西门子输配电集团合作建设的基于IEC的上海南桥站kV变电所计算机监控系统于年月投入运行。实现变电站的数字化目前存在一些关键技术问题待解决这包括:数字光电量测技术性对于变电站的数字化进程起着非常关键的作用。电子(光有无供电电源可将其分为无源式和有源式。尔斯通等大公司都有适用于不同场合的电子式互感器成品问世器定义了一个新的物理元件合并单元(MergingUnit,MU)(电子式互感器)、合并单元技术、开关设备的集成化和智能化、网络通信技术、智能电子设备(IED)之间的互操作性等。()数字光电量测技术新型传感器应用的稳定电)式互感器采用先进的光纤技术实现了高低电压之间真正的电隔离巧妙地解决了高压传输系统中传输与隔离的矛盾。其设计思想是:采用光纤传输被测信号使互感器一、二次之间只有光的联系而无电的联系以空心或电光磁光感应器件取代传统的铁芯单元从原理上解决了互感器抗饱和问题采用信息融合技术等进行软件补偿处理提高了系统的精度和稳定性。根据电子式互感器传感头(测量元件)无源式电子互感器利用磁光或电光原理即磁场和电场影响光线的偏振角、相位的现象实现电流电压信号的传变。其绝缘结构简单无需向高压部分供能是互感器理想的模式。但所使用的光学器件的温度稳定性和时间稳定性问题难以解决以及将光线的偏振角、相位转换为数字信号的电路复杂且昂贵无源式电子互感器在电力系统实际运行还较少。从现在的研究水平和发展速度看无源式光电互感器在我国电力系统广泛使用还有相当长的路要走。有源型电子互感器在传感头部分没有使用特殊的功能性光纤或其它光学元件而是采用了传统的电流、电压传感器件如低功率电流互感器、Rogowski线圈、感应分压器、电容分压器、电阻分压器等实现起来比较容易并具有良好的可靠性和长期的稳定性。在目前技术条件下有源式是电子式互感器工程化的理想方案。国外的ABB公司和阿既有有源的也有无源的。在国内国电南自的新宁公司也于年成功研制出OEC系列数字式光电互感器。在工程应用上美国五大电力公司各自在年代就有电子式互感器成功挂网试运的例子。()合并单元技术新型的电子式互感它是电子式互感器与二次设备的接口合并来自二次转换器的电流及电压数据。它将路以上的电流互感器(路测量用、路保护用、一路零序)和路以上的电压互感器(路测量和保护公用、路母线、一路零序)合并为一个单元组并将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帧中体现了数字信号的优越性。数字输出的电子式互感器与变电站监控、计量和保护装置的通信通过合并单元实现将接收到的互感器信号转换为标准输出同时接收同步信号给二次设备提供一组时间一致的电压电流值。为了将电子式互感器用于变电站自动化系统待解决的关键问题之一就是互感器与变智能化备的集成和设备结构紧凑化提供了可能性。目前正变电站的“神经系统”对数字化变电站有重要影响的网络技术有性要求。结果表性的主要目标之一就是实现IED的互操作性。为了保证IED的互操电站二次设备之间的接口问题。如果设计合理不仅能简化二次设备而且可以提高整个系统的准确度和可靠性。接口的标准化还可促使变电站自动化通信控制系统的优化并最终实现变电站内的信息共享和系统集成。因此针对电子式互感器与保护计量设备的接口合并单元的研究对电子式互感器应用于变电站自动化系统有着至关重要的促进作用。()开关设备的集成化和数字光电量测系统为变电站一次设在研究和试验的户外高压设备集成主要有:量测互感器与断路器的集成、智能断路器、智能开关设备系统。当今国际上正兴起一种以SF断路器为基础的半封闭敞开式外组合电器如ABB公司的插入式开关系统(PlugSwitchSystem,PASS)西门子公司的高集成开关(HighlyIntegratedSwitchgear,HIS)等。()网络通信技术网络通信是数字化交换式以太网技术、虚拟局域网技术等。其可靠性和实时性是变电站实现数字化的有力保障。通信网络的可靠性主要通过选择具有高可靠性的网络拓扑结构及采用冗余技术来保证。通信网络的实时性问题则由IEC标准给出了严格而详细的规定。依照不同的要求标准将报文划分为:快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文及访问控制命令报文类。国内外专家学者进行了大量研究以验证以太网技术能否满足实时明如果采用M以太网和组播技术在正常情况下网络的最大通信时延完全能够满足实时性要求且有较大的裕度。但在网络发生异常情况下能否满足实时性要求还需进一步研究。()IED的互操作制定IEC标准作性需要开展两类试验与测试:一致性测试(ConformanceTest)和性能测试(PerformanceTest)。一致性测试一般由授权机构完成性能测试则由用户组织实时。从到年ABB、阿尔斯通和西门子公司合作在德国进行了OCIS(opencom论文的主要内容和章节安排论文主要工作是围绕数字化变电站的过程层和间隔层的相关技术进行研究内容主要术及目前国内外研究究工作对IEC标准做了详细研究。对标准中两个极其重要在分设计隔层的逻辑municationinsubstation)计划完成了间隔层设备和主控站之间的互操作试验。试验中通过以太网实现了ABB公司主控站与ABB、阿尔斯通和西门子设备符合IEC标准的连接。年ABB和西门子公司在加拿大进行了间隔层设备的互操作试验由西门子的保护装置向ABB的开关模拟器发送跳闸信号ABB的开关模拟器收到信号后将开关打开并将开关打开的GOOSE信息发送给其他设备配置为重合闸装置的ABB保护向断路器发送重合命令。年月ABB和西门子公司在美国进行了采样值传输互操作试验同年月这两个公司又进行了跳闸和采样值互操作性试验试验都很成功。国内方面从年底开始国家电网公司为了提高国内生产厂商对IEC标准的研究水平加快国有产品的开发速度由国调中心牵头组织了次IEC标准的的互操作试验国内家主要变电站自动化设备生产厂商都参加了试验。包括IEC标准分析、合并单元方案设计、间隔层方案设计、符合IEC标准的过程层和间隔层抽象信息模型构建等。论文章节安排如下:第一章介绍了课题的背景和意义。对数字化变电站涵义、相关技现状进行了概述分析了实现数字化变电站所需要解决的一些难点问题。最后阐述了论文的主要工作。第二章结合论文的研概念抽象通信服务映射(ACSI)和特殊通信服务接口(SCSM)以过程层和间隔层经常采用的两类模型采样值模型和GOOSE模型为例着重进行了分析。第三章对互感器和间隔层设备的重要接口合并单元的整体方案进行了设计。析了合并单元的功能需求的基础上提出了一种合并单元硬件及软件设计方案。第四章以三段式过电流保护为例提出了适用于数字化变电站的过流保护单元的方案并系统阐述了过流保护的基本原理、主要算法和软件流程。第五章依据前述的设计方案按照IEC标准划分了过程层与间设备和逻辑节点介绍了合并单元、保护设备以及智能开关设备的信息模型构建方法以期为设备间的互操作建立一个符合标准的通信机制。第六章对全文进行了总结并展望了下一步的研究工作。IEC标准分析本章主要讨论IEC标准的目的、特点和实现方式。标准中有关电子式互感器与二次保护设备接口的规定将在此做比较详细的讨论。标准概述大规模集成电路的迅猛发展为变电站自动化系统(SAS)的实现提供可能。这引起变电站二次设备从机电式向数字式发展并且与其相适应的智能电子设备(IED)随之产生。自然而然的IED间高效通信的要求被提了出来。但是到目前为止许多厂商采用各自特定的通信协议在采用不同厂商的IED时需要复杂和费用高昂的协议转换。因此制定标准通信协议以实现不同厂商间IED的互操作性的呼声越来越强烈。在这样的形势下IEC标准应运而生。IEC标准的先进性、完备性和开放性解决了SAS设备间协议转换和互操作性问题促进了电力系统信息化和数据集成提高了变电站自动化技术和变电站安全稳定运行的水平节约了工程、现场验收、运行、监视、诊断和维护等的人力物力必将在较深层次上推动SAS的变革与发展。作为变电站通信网络与系统的惟一国际标准和电力系统无缝通信体系的基础IEC标准对数字化变电站的实现起着不可替代的作用前者以后者为蓝本制定。如其他常见的通信协议并不涉及诸如采样值传输的过程层通信而IEC则为数字式过程层设备的全面接入做好了准备。在一定程度上可以说数字化变电站即为采用了IEC标准的SAS。标准的目的IEC标准主要是为了实现以下目的:()互操作性:来自不同厂商的IED间交换信息、正确使用信息及协同操作的能力。这是标准出台的首要目的。()功能自由分布:功能自由分布强调了变电站自动化系统中的自动化功能的可分布性而不仅仅是自动化装置的分布可实现跨越自动化装置便捷的自动化功能之间的协调配合。()可扩充性:IEC面向变电站自动化的所有应用全面支持信息扩充是标准应用适应性的重要体现。()长期稳定性:为了适应历史的、目前的和未来的通信技术IEC对通信服务采用了抽象定义的方法即抽象通信服务而将具体的通信协议栈的应用以特定通信服务映射加以规定能够适应今后通信技术的发展变化。标准的特点IEC标准具有如下特点:()信息分层标准提出了变电站内信息分层的概念将变电站通信体系分为三层:过程层、间隔层和变电站层。随着电子式互感器的使用SAS的发展趋势是将越来越多的间隔层功能放到过程层。现有SAS中过程层的功能是由间隔层设备来实现的而IEC则将这一功能交由智能传感器等电子设备实现符合技术发展的趋势。在标准所规范的变电站结构中:功能分布可采用广域网、局域网、过程总线技术实现不受单一通信技术的约束过程层和间隔层部分功能可以集中在一个装置中而没有物理上的分离这样并不改变逻辑结构。现有变电站自动化系统中过程层的功能是由间隔层设备实现。随着电子式互感器的运用发展趋势是将越来越多的间隔层功能放到过程层。()面向对象的数据对象统一建模首先定义若干语义模型类用来规范SAS涉及的数据、结构、操作以及广义的SCADA语义接着将每个IED的自动化功能和相关信息抽象、分解并通过对语义模型类的继承或直接引用生成特定的应用实例最后将这些实例按照“类”的形式层次化的构成具有一致性和确定性的信息模型(即服务器)。信息模型的属性包含一个或多个逻辑设备每个逻辑设备包含若干个逻辑节点逻辑节点由数据对象组成数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。()数据自描述传输到接收方的数据都带有自我说明不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作简化了数据管理和维护工作。IEC标准提供了多种逻辑节点名字代码和多种数据对象代码个公用数据类涵盖了变电站所有功能和数据对象并且还提供了扩展新的逻辑节点的方法规定有一套数据对象代码组成的方法。这些方法结合在一起完全解决了面向对象的数据自我描述问题。()抽象通信服务接口(ACSI)与特定通信服务映射(SCSM)统一标准设计出独立于具体网络应用层协议的ACSI解决了标准的稳定性与未来通信技术发展之间的矛盾。IEC定义了类ACSI模型包括:服务器模型、应用关联模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型、数据集模型、替换模型、整定值控制块模型、报告及日志控制块模型、通用变电站事件模型、采样值传输模型、控制模型、时间及时间同步模型和文件传输模型。每类ACSI模型都由若干抽象通信服务组成。功能的最终实现还需要通过SCSM。SCSM负责将抽象的功能服务映射到具体的通信网络及协议上。当通信技术发展时只需改动SCSM而不需修改ACSI。通过ACSI与SCSM实现了功能与通信的解耦。标准的实现总的来说实现IEC标准一般遵循以下步骤:()分配、合并、定义装置的自动化功能从逻辑节点库中提取对应的逻辑节点组建成装置对应的逻辑设备构建出信息模型的框架用数据对象及其属性对模型进行填充、描述实例化信息模型的属性。()依照抽象通信服务接口(ACSI)根据信息模型的属性构建出信息模型的服务。()依照特定通信服务映射(SCSM)将抽象的通信服务映射到具体的通信网络及协议上服务借助通信得以实现。()依照变电站配置语言(SCL)组织并发布装置的配置文件实现装置信息和功能服务的自我描述服务可被识别和享用。其实现过程如图所示。信息模型属性抽象通信服务接口逻辑设备逻辑节点数据对象数据属性自动化装置实际功能抽象自动化装置抽象功能通信服务功能实现图IEC的实现过程抽象模型分析信息模型是IEC的核心它将实际的自动化功能虚拟成抽象的通信服务。作为IED及其功能抽象化、标准化的映射信息模型被定义成“类”由属性和功能服务封装组成。信息模型的属性规范了变电站内交互信息的内容和语义信息模型的功能服务规范了变电站内信息交互的对象和方式。这两个规范成为互操作的基石。信息模型如图所示。图信息模型的属性与服务模型的属性将在后文中以合并单元为对象详细描述本章重点讨论信息模型的功能服务。IEC定义的每类ACSI模型都由若干各通信控制块(ConrtolBlock)组成各通信控制块也由属性和服务组成。依照实际功能和信息模型的属性对这些通信控制块分别引用便构成信息模型的功能服务如图所示。从图中可以看出:一般逻辑节点支持运行事件报告和日志的通信服务逻辑节点包含的数据对象及其属性支持对单个数据直接操作的通信服务逻辑节点LLN支持参数设定以及采样值传输、GOOSE(GenericObjectOrientedSubstationEvent,通用面向对象的变电站事件)GSSE(GenericSubstationStateEvent,通用变电站状态事件)等快速通信服务数据集为各种需要成组数据的通信服务提供数据对象的索引服务时间同步、文件传输和应用关联这三个通信服务由整个信息模型所支持代表基本功能的逻辑节点及逻辑设备并不支持这些通信服务。图信息模型属性对不同通信控制块的引用ACSI主要由两种通信机制组成:客户服务器模式和发布者订阅者模式。前者针对控制、读写数据值等功能服务后者针对快速和可靠的数据传输服务。鉴于采样值传输与GOOSE报文传输是过程层与间隔层间最重要的通信而对于一个完整的保护整定值设置与故障报告及事件日志记录功能必不可少。因此本节将就SVC(采样值控制)、GSE(通用变电站事件)、定值组控制类、报告与日志类四种抽象模型进行深入分析。SVC模型采样值控制(SVC)模型适用于数据集的数值交换数据集对电流逻辑节点(TCTR)和电压逻辑节点(TVTR)的数据对象及其属性进行数据集聚。数据集的数据为公用数据类SAV。采样值传输模型如图所示。模型采用发布者订阅者的工作方式。发布者在发送端的缓冲区写入采样值信息订阅者在接收端的缓冲区读取采样值信息通信系统负责更新接收端缓冲区。订阅者通过采样计数器能够检测采样值数据包是否丢失。为了保证采样值传输的实时性当由于通信网络问题导致数据包丢失时发布者并不重发。采样值传输的通信过程由发布者的采样值控制(SVC)模块控制。在一个发布方和一个或多个订户之间有两种交换采样值的方法:一种方法采用MSVCB(多路广播应用关联控制块)为广播组播方式另一种方法采用USVCB(单路传播采样值控制块)为单播方式。图采样值传输模型由于IEC规定的合并单元(MergingUnitMU)的采样值传输为多点单向传输通信过程由MSVCB而非USVCB控制所以这里仅以MSVCB为例进行说明其定义如表所示。表MSVCB类定义MSVCB类属性名属性类型FCTrgOp值值域解释MsvCBNamObjectNameMSVCB实例的实例名MsvCbRefObejectReferenceMSVCB实例的路径名SvEnaBOOLEANMSdchg使能(TRUE)|禁止(FALSE)缺省FALSEMsvIDVISIBLESTRINGMSDatSetObjectReferenceMSdchgConfRevINTUMSdchgSampRateINTUMS(~MAX)OptFldsPACKEDLISTMSdchgrefreshtimeBOOLEANsamplesynchronisedBOOLEANsamplerateBOOLEAN服务SendMSVMessageGetMSVCBValuesSetMSVCBValuesMSVCB各属性解释如下:()MsvCBNam:唯一的标识LLN作用域内的MSVCB。()MsvCBRef:为LLN内的MSVCB唯一路径名。()SvEna:采样值使能。当设置为TRUE时说明允许采样值传输为FALSE时表示停止发送。()MsvID:为采样值缓冲区唯一标识它和采样值的刷新有关。()DatSet:规定DATASET引用其成员值在MSVCB报文中传输。()ConfRev:配置版本号包括有关MSVCB配置改变次数的累计值。()SmpRate:规定采样率额定周期采样次数。()SV报文中的选项OptFlds:它包含在由MSVCB发出的SV报文中。RefrTm:刷新时间刷新活动时间SmpSynch:采样同步由时钟信号同步采样SmpRate:取自MSVCB实例的采样率。MSVCB的各服务解释如下:()SendMSVMessage:采样值报文传输报文具体格式在SCSM中定义。此服务特别要求高实时性。()GetMSVCBValues:检索MSVCB的属性。()SetMSVCBValues:设置MSVCB的属性。需注意的是在实现此服务改变采样率之前应保证属性SvEna为FALSE否则服务请求会失败。GOOSE模型通用变电站事件(GSE)模型提供了快速和可靠的系统范围内传输输入、输出数据值。基于分布的概念通用变电站事件模型提供了一个高效的方法利用多路广播组播服务向多个物理设备同时传输一个通用变电站事件信息。与SVC模型一样GSE模型采用发布者订阅者的通信结构用于DataAttribute集合值的交换它定义了两种控制类和报文结构:通用变电站状态事件(GSSE)和面向通用对象的变电站事件(GOOSE)。前者传输双比特状态变化信息用于传输保护跳闸、闭锁等状态变化信息内容比较单一后者支持由DATASET组成的公共数据的交换核心内容由用户自由定义不仅可传输状态信息而且可以传输模拟量信息甚至时间同步信息等故其应用范围更广。这里仅对GOOSE报文做详细介绍。GOOSE模型如图所示。图GOOSE模型GSSE模型的通信结构与图类似。在实际中GOOSE报文传输有以下要求:()时序性控制对时序进行控制是实时应用所必须的如GOOSE报文传输的时间延迟规定在ms内。此外发布者发送报文的有效保持时间有些情况下也是很重要的。()可靠性控制GOOSE报文的典型应用之一是过程总线上跳闸命令的传输。这要求很高的可靠性。模型使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠性如图所示。当GOOSE服务器产生一个发送GOOSE报文请求时当前的数据集被编码进入GOOSE报文并作为传输-数据在组播关联上发送并通过重发相同数据来获得额外的可靠性(逐渐增加传输时间)。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。如果在该时间间隔内没有收到新报文接收方认为关联丢失。图GOOSE报文传输时间在图中即使外部状态不变发布者仍然重发GOOSE报文且重发的时间间隔逐渐增大这可以保证报文传输的可靠性与减轻网络通信流量达到较好的统一。()询问-响应在复杂的实时应用中要求订阅者具备主动询问发布者具备响应询问的功能。例如为实现对站内IED配置文件的互操作性IEC规范了基于XML的配置文件这是一种静态配置当利用其对发布者和订阅者配置后配置结果的有效性可通过订阅者和发布者之间的询问-响应这种动态过程进行验证。GOOSE控制块(GoCB)类的定义如表所示。表GOOSE控制块类定义GoCB类属性名属性类型FCTrgOp值值域解释GoCBNameObjectNameGOGoCB实例的实例名GoCBRefObjectReferenceGOGoCB实例的路径名GoEnaBOOLEANGOdchg使能(TRUE)|停止使能(FASLSE)AppIDVISIBLESTRINGGO用户赋予发出GOOSE的应用系统唯一标识缺省为GoCRefDatSetObjectReferenceGOdchgConfRevINTUGOdchgNdsComBOOLEANGOdchg服务SendGOOSEMessageGetReferenceGetGOOSEElementNumberGetGoCBValuesSetGoCBValuesGOOSE各属性解释如下:()GoCBName:唯一标识LLN域内的GoCB。()GoCBRef:LLN作用域内GoCB唯一路径名。()GoEna:设置为TRUE表示当前GoCB允许发送GOOSE报文设置为FALSE时表示GoCB停止发送GOOSE报文。()AppID:为可视字符串代表GoCB所位于的LOGICALDEVICE。()DatSet:代表DATASET引用。()ConfRev:配置版本号表示由DatSet引用的DATASET配置改变底数的计数值。()NdsCom:标识GoCB需要进一步配置当DatSet属性值为时NdsCom属性的值为TRUE。GOOSE各服务解释如下:()SendGOOSEMessage:发送GOOSE报文。()GetReference:检索和GOOSE报文有关的DATASET特定成员的FCDFCDA。()GetGOOSEElementNumber:检索和FCDFCDA的GOOSE报文有关的DATASET成员的位置。()GetGoCBValues:检索GoCB的属性。()SetGoCBValues:设置GoCB的属性。特定通信服务映射分析抽象通信模型不依赖于具体的通信协议栈为了实现具体的应用进程之间的通信IEC采用了特定通信服务映射(SCSM)的方法即使用当前已经成熟的国际通信标准作为IEC的通信协议栈。SMV报文IEC定义了一种专门针对合并单元的SMV(SampledMeasuredValue采样测量值)报文格式。它基本沿用IEC的规定映射方法简单采用专用数据集帧格式固定且不允许改变通信为广播组播方式为了保证SMV报文传输的高实时性避免在通信堆栈造成延时应用层的PDU直接映射到数据链路层(或仅在表示层上进行BER编码)。但是这种方式对MSVCB的支持不够完备仅能实现SendMSVMessage的映射不支持MSVCB中的GetMSVCBValues和SetMSVCBValues。()应用层应用层的APDU由个字节的控制信息(ApplicationProtocolControlInformationAPCI)和若干个应用服务数据单元(ApplicationServiceDataUnitASDU)串联组成。被链接为一个APDU的ASDU的数目与采样数率有关可通过配置参数进行定义:对于采样率不高的场合无需链接多个ASDU对于采样率要求较高的计量如果装置的通信处理能力有限则应将多个ASDU链接为一个APDU。如图所示。图将若干ASDU链接成一帧每个ASDU包括两个部分:通用数据集和状态数据集。其中通用数据集ASDU与IEC定义的数据集兼容主要是路电流、电压信息和反映其有效性的状态信息状态数据集ASDU包含二进制输入状态及其品质信息主要用于开关量的输入其目的是使诸如合并单元具有传输二进制输入状态的可能性从而避免以IEC中规定的GOOSE或报告模型来实现这一功能。合并单元的PDU采用抽象语法标记(ASN)描述。帧前增加了一个ASN标记和长度作为APCI的一部分。根据ASN基本编码规则(BER)这个标记描述了一个八位位组串被定义为上下文指定的的x。用于模拟量采样值信息的ASN语法定义如下:IECDEFINITIONSIecSavPdu::=CHOICE{PduIMPLICITOCTETSTRING,IECAPDU采用savPduIMPLICITSavPdu为IEC的APDU保留其他值待定义}对以上ASN定义说明如下:①由DEFINITIONS可知本数据结构的模块是IEC②最上一级的结构使用了CHOICE类型表示从一组中选择某个变量。对于IEC-定义的采样值报文传输选择Pdu表示标记(TAG)是上下文类且编号为OCTETSTRING表示报文传输的数据类型是取八位位组的序列。对于IEC定义的采样值报文传输则选择savPdu在本文不作详细讨论。③IMPLICIT表示隐式标记其作用是可以带来更简洁的编码。()表示层为进行传输模拟量采样值缓冲区的数据采用ASN的BER按表的方法进行编码。表用于模拟量采样值缓冲区传送的编码按照本标准第部分的抽象缓冲格式属性名属性类型本部分中的代码备注位位组:tagTag按ASN基本编码规则编码。位位组串:LengthLength按ASN基本编码规则编码。UI:ASD

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