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1、852 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 变电站自动化系统通信网络体系结构的仿真研究 朱 林 范荣奇 段献忠 华中科技大学 电力安全与高效湖北省重点实验室 湖北 武汉 430074 【摘 要】 新技术的产生和应用往往引起变电站功能的优化重组和体系结构的变迁。通信网络技术的引 入，使得变电站自动化系统的体系结构和功能分布主要体现在通信网络拓扑结构上。因此， 本文以 220 kV 变电站为例，利用 IEC 61850 提供的对象模型，建立了二次设备的信息模型和 服务模型，并围绕通信子网划分、优先级标签等问题，对几种可能的通信网络体系结构的实 时性进行了仿真研究。仿真结果表明，过程层网络按
2、照间隔和电压等级划分子网是两种可行 的组网方式，但对节点 CPU 和交换机的处理能力提出了更高的要求；通过子网的合理划分和 优先级标签的使用，过程层网络和变电站层网络合并也是变电站通信网络一种可能的形式。 【关键词】 变电站自动化系统 体系结构 通信网络 IEC 61850 OPNET 网络仿真 Research on Communication Network Architecture of Substation Automation System with Simulation Zhu Lin Fan Rongqi Duan Xianzhong Electric Power Securit
3、y and High Efficiency Lab，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China Abstract：The emergence and application of new techniques will generally bring great changes to substation architecture and function distribution. Recently，since non-conventional instrument transformers，m
4、erging unit， intelligent breaker and IEC 61850 standard have been applied in substation automation system，the substation architecture is in great changes. With the introduction of communication network，the architecture and function distribution are incarnated on network topology. Take a 220kV substa
5、tion as an example，this paper models the information and service models according to IEC 61850 for substation secondary devices. Communication subnet partition，priority tag and other issues are researched by simulation of several possible substation communication network topologies. The simulation r
6、esults show that subnet partitions according to bay and voltage level are both feasible network configuration if node CPU and switch have sufficient performance. The merging of substation bus and process bus is also a doable network configuration with appropriate subnet partition and priority tag. K
7、ey words：substation automation system；architecture；communication network；IEC 61850；OPNET network simulation 1 引 言 变电站自动化系统可实现对变压器和输配电线路的保护、测量、监视和自动控制，以及相应的配 基金项目：国家自然科学基金重大项目（50595414） 作者简介：朱林（1982） ，男，博士研究生，主要研究方向为数字化变电站。电话：027-87541174，E-mail：zhl_hustceee 范荣奇（1984） ，男，硕士研究生，主要研究方向为数字化变电站。电话：027-87
8、541174 段献忠（1966） ，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统分析计算、分布式发电和微网技术、 电力系统稳定和调度自动化。 电力系统及其自动化 853 置、维护、通信等多种功能，因此对变电站乃至整个电力系统的安全、稳定和经济运行都有着举足轻 重的作用。上世纪 80 年代，变电站自动化系统逐渐投入实际应用，随着电子技术、微机技术和通信网 络技术的快速发展，其性能不断得到提高，体系结构也在不断的完善中，共经历了集中式、分层分布 式和分散安装的分层分布式三个发展阶段。从变电站自动化系统的发展历程来看，新技术的产生和应 用往往引起变电站功能的优化重组和体系结构的变迁13。 近年来，电
9、子式互感器因具有暂态特性好、测量精度高、无磁饱和及铁磁谐振问题、频率响应范 围宽等特点，得到了广泛的关注和研究，并开始步入实用化阶段45。工业以太网技术也逐渐走向成 熟，分布式控制网络的实时性、可靠性和时钟同步等关键技术实现了突破，工业以太网已经开始取代 并行电缆，向变电站过程层延伸67。最新出版的IEC 61850是世界上第一个基于通用网络平台的变电 站自动化系统通信标准，通过定义变电站各种设备的统一信息和服务模型，为实现网络环境下不同厂 家设备之间的互操作提供了基础8。 上述新技术的出现和应用将会逐渐改变现有变电站自动化系统的体系结构和功能分布，原先依靠 并行电缆传输的过程层信息可实现就地
10、数字化，并通过网络进行传输，且变电站层与间隔层之间早已 使用现场总线或者高速以太网进行通信。因此，变电站自动化系统的体系结构主要体现为通信网络的 拓扑结构，各种信息的传输、功能的实现都需要依靠网络，且不同的功能分布方式对应不同的网络结 构，通信网络在变电站自动化系统中发挥着越来越重要的作用。目前，国内外已开始变电站自动化的 通信网络结构进行研究，但大多集中在过程层网络上，对全站的网络拓扑结构却很少涉及910。本文 便以 220 kV 变电站为例，按照 IEC 61850 标准所描述的对象建模方法，建立了完整的变电站二次设备 功能模型和信息模型，并以报文的实时性为主要性能参数，利用 OPNET
11、网络仿真软件对变电站通信 网络体系结构进行了仿真研究。 2 传统变电站自动化系统的体系结构 2.1 集中式结构 受计算机技术水平的限制，早期的变电站体系结构以集中式为主，即少量的计算机集中采集和处 理各种数据，分别完成保护、监控、计量等功能。每个信号的输入都需要用一回电缆从现场接到主控 制室的相应装置上，因此二次接线十分复杂，可靠性不高，难以升级和扩展。集中式体系结构如图 1 所示。 图 1 集中式体系结构示意图 Fig.1 Diagrammatic Sketch of Centralized Architecture 2.2 分层分布式结构 随着微处理器技术的发展，其性能价格比越来越高，微机
12、保护得到了广泛的应用。保护单元可按 照间隔来划分和设计，并以分布式的多处理器协同工作的方式来完成相应的功能。保护单元、测量单 854 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 元和控制单元等按照功能组装成多个屏，形成变电站 的间隔层，使变电站自动化系统呈现出分层分布式的 体系结构，如图 2 所示。 2.3 分散安装的分层分布式结构 20 世纪 90 年代中期，面向对象的设计思想逐渐 兴起，现场总线技术也趋于成熟，可以按照电气元件 为单位进行设计，且各个间隔单元内的设备相互独 立，通过现场总线进行通信。110 kV 以下的间隔实现 了保护测控一体化，并分散安装于开关柜上；而 110 kV 及
13、110 kV 以上的间隔，保护和测控分别独立 设计，但按照间隔集中组屏。部分功能融入间隔设备中：如低频减载分散安装在保护测控装置中，由 保护测控装置根据定值自动实现低频切负荷的功能；对于中低压线路，一般不单独装设专门的故障录 波器，而由保护测控装置分散录波。这种面向对象，分散安装的分层分布式结构是目前国内外变电站 最主要的体系结构形式。如图 3 所示。 图 3 分散安装的分层分布式体系结构示意图 Fig.3 Diagrammatic Sketch of Dispersed，Layered and Distributed Architecture 从上述变电站自动化系统的发展历程来看，新技术的产
14、生和应用往往引起变电站功能的优化重组 和体系结构的变迁。而目前，随着新型电子式互感器、合并单元、智能断路器逐渐步入实用化阶段， 以及 IEC 61850 标准的颁布与实施，变电站自动化系统的体系结构必然随之变化，功能也会得到调整 和优化重组。 3 变电站电气主接线及二次设备建模 3.1 变电站电气主接线图 图 4 所示的为某 220 kV 变电站的主接线示意图。该变电站的 220 kV 部分共 8 回联网线路，采用 “双母线双分段”的接线方式；110 kV 出线 8 回，采用双母线接线；35 kV 侧接有出线 4 回，补偿电容 器 2 组，采用单母线接线。本文以此变电站为例，完成二次设备建模和
15、体系结构的仿真。 3.2 IEC 61850 信息和服务模型 IEC 61850 标准为变电站提供了丰富的信息模型和服务模型。层次化的信息模型主要由服务器、逻 辑设备、逻辑节点、数据和数据属性组成，其中数据属性是最小的信息单元，而服务器、逻辑设备、 逻辑节点和数据都是封装了属性和服务的类。报告、日志、定值组、控制、文件等是对数据、数据属 性和数据集进行操作的服务。IEC 61850 的信息模型和服务模型如图 5 所示。 图 2 分层分布式式体系结构示意图 Fig.2 Diagrammatic Sketch of Layered and Distributed Architecture 电力系统
16、及其自动化 855 图 4 某 220 kV 变电站主接线示意图 图 5 IEC 61850 信息模型和服务模型 Fig.4 Diagram of a 220 kV Substation Fig.5 Information and Service Models in IEC 61850 3.3 二次设备建模 以变压器保护为例，变压器保护装置本身作为一个服务器，它包含两个逻辑设备：主保护和后备 保护。主保护包括差动速断保护（PDIF_FP） 、比率差动保护（PDIF_RP）和分相差动保护（PDIF_A、 PDIF_B、PDIF_C） 。序分量测量（MSQI_1）和谐波量测量（MHAI_1）分别用作分相差动保护的启动 和比率动保护的谐波抑制。后备保护主要包括距离保护（PDIS_Z1、PDIS_
