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1、华中科技大学 硕士学位论文 数字变电站间隔层与过程层IED通信研究 姓名：王博 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：游大海 20070206 I 摘 要 随着变电站自动化技术的不断发展，传统的变电站测量、保护等设备正逐渐被具 有智能通信功能的数字化 IED 所代替， 这就为实现全数字化的变电站提供了良好的基 础。特别是在国际电工委员会制订出的变电站通信协议 IEC 61850 之后，数字变电站 中信息的“无缝通信”获得了更全面的理论支持。在 IEC61850 协议的研究方面，国 内的研究重点主要集中在对各种设备的建模、应用层通信映射以及变电站自动化系统 结构语言上。对于底层
2、网络，尤其是对间隔层和过程层通信网络的研究则得比较少。 本文通过对 IEC61850 协议理论体系得深入研究，结合对数字变电站“无缝通信” 模型的分析，首先总结出了基于 IEC 61850 协议的数字变电站基本通信模型，提出了 智能 IED 在数字变电站中的集成方式。 然后本文结合通用网络评价体系对变电站间隔 层与过程层通信网络的特点以及数据流的分布进行了分析，提出了针对间隔层与过程 层网络性能的评价标准并具体分析了报文的传输要求，并讨论了过程总线的 4 种结构 方案。继而介绍了光电互感器以及合并单元两个具体 IED 的原理、功能、通信接口性 能及标准，并在研究以太网总线标准的基础上分析了如何
3、实现虚拟以太网以及 IEC 61850 协议规定的采样值报文和 GOOSE 报文的传输模型。在此基础上，本文阐述了 通过实验法对间隔层与过程层网络传输性能进行初步评价的具体方案，其中重点利用 IEEE 802.1q 协议标准对以太网交换机进行虚拟以太网的配置，实现了 IED 发送/接受 缓冲区的定义，以及网络控制芯片初始化。最后本文研究了报文的传输延时，并对间 隔层和过程层通信测试结果进行了分析和比较。 关键词：IEC 61850;智能电子设备;数字变电站;虚拟以太网 II Abstract With the development of the technology of Substatio
4、n Automation System,the conventional meterage and protection equipments in substation will be replaced by the digital Intelligent Electronic Devices (IEDs) which have the function of intelligent communication and provide a base for building the Digital Substation.Especially after the IEC 61850 had b
5、een constituted by IEC,the Seamless communication in Digital Substation have more support in theory.In contrast with the people inland have the concern of the device modeling,application service mapping and Extended Make Up Language,there are few researchs of the communication beween bay level and p
6、rocess level in substation. On the basis of in-depth analysis of IEC 61850 and Seamless Communication in Digital Substation,The dissertation at first describe the communication models of the Digital Subustation based on IEC 61850 and the integration of IEDs in Digital Substation.Secondly there is an
7、 analysis of indices of network performance evaluation and data stream between the bay level and process level ,and its based on the generic indices of network performance evaluation.Moreover, the requirement of the performance of message and four alternative solutions of the process level communica
8、tion bus are proposed.Thirdly the elements,functions,performance and indices of the Opto-Electronic Current Transformer (OCT) and Merging Unit (MU) are introduced.And on the basis of researches of the Ethernet Bus and IEC 61850,the method to build a VLAN and transmit the Sample Value (SV) and GOOSE
9、message are proposed.The dissertation also proposes a scheme of network experiment for analyzing the performance of the network. The emphasis of the scheme based on IEEE 802.1q is to configurate the VLAN on the switch and define the send or receive buffer of the IED and initialize the NIC.At last,th
10、e transmission delay and the results of the network test between the bay level and process level are analysed. Keywords: IEC 61850;IED;Digital Substation;VLAN 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
11、结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 2007 年 2 月 7 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。 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： 2007 年 2 月 7 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 言 1.1 课题
12、来源 变电站自动化技术经过十多年的发展已经得到了广泛的应用，在我国城乡电网改 造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班， 而且在 220kV 及以上 的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化 水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为 不争的事实。然而，技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互 感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及 计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有的变电站自动化技术产生深刻 的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。作为数字化变
13、电站中关键设备的智 能电子设备（IED） ，如何很好的实现 IED 之间的通信以及 IED 与变电站其他设备的 通信成为大家研究的重点。特别是国际电工委员会（IEC）制定了变电站内通信网络 和系统标准体系-IEC 61850 之后，在充分考虑变电站自动化系统设备的互操作性要求 的基础上，采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描述成为 可能，并为不同厂商的 IED 实现互操作和系统无缝集成提供了途径。华工电气有限责 任公司抓住这一机遇，立项开发科技部支持项目-“光纤电力互感器及数字仿真自动化 设备”（国科发计字2005159 号）和国家计委支持项目：“光纤电力互感器及发（变）
14、电站自动化设备”（计司高技函2000144 号文件，计高技2001990 号文件） ，同时华 工电气有限责任公司也针对目前我国数字化变电站的发展现状，立项开发应用 IEC 61850 标准建立数字化变电站自动化系统通信平台，力争为我国的变电站自动化技术 的发展做出贡献。 1.2 课题背景 在微电子技术、计算机技术和通信技术不断发展的今天，变电站综合自动化技术 2 也飞速发展，成为推动电力工业技术进步的重点。 变电站综合自动化技术就是广泛采用微机保护和微机远动技术, 分别采集变电站 的模拟量、脉冲量、开关状态量及一些非电量信号, 经过功能的重新组合,实现变电站 监视、测量、协调和控制自动化的集合
15、的全过程。采用变电站综合自动化系统可以把 原本分隔的监视、通信控制、测量和保护等装置合理得进行集成，由少量多功能 IED 组成自动化系统，通过站内的通信网络实现信息共享，大大减少信号电缆的使用，简 化了系统结构。这样既提高了系统的经济性，又改善了可靠性。因此，变电站集成和 自动化日益成为电力行业降低安装、维护和运行成本的有力手段。现在国内外很多厂 商推出了多种变电站自动化系统，但是由于没有关于变电站自动化系统通信网络和协 议的统一标准和规范，各厂商大多使用自己定义的专用通信网络和协议。这些通信网 络和协议各不相同，缺乏兼容性，给数据的共享和资源的共享带来不便。当不同厂商 的产品，甚至同一厂商的
16、不同系列产品要集成到一个系统中时，不得不采用规约转换 器实现设备之间的通信。这种方式不但提高了系统的成本，同时也增加了系统的复杂 性， 降低了系统固有的可靠性。 因为需要额外的软硬件， 同时还需增加对用户的培训， 这在很大程度上削弱了实现变电站集成和自动化的优点。因此如何提高变电站自动化 系统的互操作性、可扩展性和高可靠性等性能成为亟待解决的问题。 1998 年 IEC、 IEEE 和美国 EPRI 达成共识， 由 IEC 牵头， 以美国 UCA2.0 （Utility Communication Architecture2.0 由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系） 为基础，制定一个全世界通用的变电站自动化标准，其后 IEC TC95 工作组研究 IEC 61850 及其数据模型。1999 年 IECTC57 京都会议和 2000 年 SPA
