数字化变电站中的通信网关概要(共18页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上数字化变电站中的通信网关王德文, 朱永利, 邸剑, 翟学明(华北电力大学计算机科学与技术学院, 河北省保定市摘要:在数字化变电站的建设和改造过程中, 基于IEC 61850的变电站自动化系统与现有系统之间必然存在一个过渡期。为了解决新系统与现有系统的兼容问题, 提出了一种数字化变电站中常规智能电子设备的接入方案, 设计了一种IEC 61850通信网关, 包括配置工具、协议转换器、数据采集过滤器、IEC 61850和过程控制对象链接与嵌入(O PC 客户/服务器等软件模块。另外, 基于上述方法开发了一个原型系统, 通过测试验证了所采用方案的可行性。关键词:数字化变电站; IEC 61850; 变电站自动化系统; 智能电子设备; 通信网关中图分类号:TM764; TM73收稿日期:; 修回日期:。国家自然科学基金资助项目( 。0引言数字化变电站是遵循IEC 61850标准采用电子式互感器、智能化开关等智能化的一次设备和网络化的二次设备分层构建, 实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站, 已经在国内外成为变电站自动化技术的发展方向122。国外基于IEC 61850, 多个数字化, 取得了一定的经验, 并先后进行了多次IEC 61850的互操作试验, 取得了重大进展3。从总体上看, 国内数字化变电站系统的应用和实施尚处于探索、起步阶段, 能够满足要求、可推广应用的智能一次设备很少, 光电互感器、智能开关设备、合并单元、状态检测和通信网络技术的推广应用还需攻克一些技术难题4。因此, 在相对成熟的变电站层和间隔层, 推广IEC 61850标准的实施, 实现不同厂家智能电子设备(IED 之间的互联和互操作应是数字化变电站在现阶段实现的目标。虽然基于IEC 61850的变电层和间隔层IED 正在逐步推出, 但是, 现有的变电站自动化系统仍然在使用不遵循IEC 61850的各种常规IED 和协议, 实现这些现有IED 和协议到IEC 61850的整体替换代价很大, 今后较长时间内将是非IEC 61850系统和IEC 61850系统共存的过渡时期528。在这个过渡阶段, 如何推进IEC 61850系统的实际应用, 又能保障现有系统到IEC61850系统的平稳过渡, 是迫切需要解决的一个难题。常规IED , IEC 61850, IED 纳入, IED 之间的, IEC 61850设备61850平稳过渡的问题, 可以满足过渡期内数字化变电站建设和改造的实际工程需要。1数字化变电站中常规IED 的接入方案数字化变电站自动化系统的主要功能有控制、监视、设备及其馈线保护, 以及系统配置、通信管理、软件管理等维护功能, IEC 61850从逻辑上将系统的功能分配在3个层次上, 即变电站层、间隔层和过程层。在数字化变电站中, 要求数据采集与监控(SCADA 系统支持IEC 61850, 继电保护装置和间隔测控单元必须是遵循IEC 61850的IED , 这样才可以实现间隔层与变电站层之间、间隔层与过程层之间、间隔内部与间隔之间保护和控制数据的交换。在以IEC 61850为基础的数字化变电站的建设、改造过程中, 需要解决IEC 61850的IED 与IEC 装置的互联和互通问题。本文在变电站层和间隔层采用通信网关的方法对非IEC 61850IED 、远程终端单元(R TU 和SCADA 系统进行封装, 实现现有系统与IEC 61850系统的连接, 如图1所示。通信网关的应用可以分为2种情况:1 常规保护测控装置与IEC /103等传统协议在变电站自动化系统中已经得到了广泛的应用。在间隔层采用间隔网关对常规的保护和测35第33卷第4期2009年2月25 日Vol. 33No. 4Feb. 25, 2009控装置进行封装, 将IEC /103等传统协议转换为IEC 61850通信协议, 将其变成一个能够提供IEC 61850服务的IED , 这样, 就能够在IEC 61850体系下实现主机或IED 之间直接、快速、准确、自由的信息交换 。图1数字化变电站中常规IE D 的接入方案Fig. 1Connection scheme for conventional IE D indigital substation2 调度中心与变电站之间的信息传输采用IEC /104等传统电力远动协议兼容目前的调度自动化系统, 网关将IEC 61850IEC 61850设备直接按照IEC 61850的技术体系来设计与开发, 不需要考虑对现有非IEC 61850设备和协议的支持, 一旦条件成熟, 很容易将常规开关、互感器直接更换为智能开关和光电互感器, 无须改变IEC 61850的通信网络和体系结构。因此, 通信网关无疑是解决现有系统到IEC 61850系统之间平稳过渡这一难题的一个切实可行的方法。2IEC 61850通信网关的设计本文所设计的IEC 61850通信网关的软件结构包括通信子层、应用服务子层和高级应用子层, 其核心部分为配置工具、协议转换器、数据采集过滤器、IEC 61850和过程控制对象链接与嵌入(O PC 客户/服务器等, 如图2所示。IEC 61850通信网关具备的基本功能为:1 提供基于变电站配置描述语言(SCL 的配置与建模工具;2 提供多种与新旧系统的通信接口, 并提供数据存储与集中过滤的能力;3 提供IEC 与IEC 61850之间的数据和协议转换; 4 提供制造报文规范(MMS 、OPC 等服务, 实现广泛的IEC 61850互操作 。图2IEC 61850通信网关的软件结构Fig. 2Softw are architecture of communication gatew ayb ased on IEC 618502. L 61850IEC , IED 配置工具, 使其IED 和系统配置工具之间相互交换, 实现IEC 61850设备之间的互操作。其次, IEC 61850通信网关作为封装IEC 传统设备的IED , 必须考虑IEC 61850与IEC 之间的映射问题。IEC 标准体系的数据模型都是面向信号的, 对IED 的信息描述都是信号点表形式, 从逻辑上讲是一种线性和平面的结构, 无法表达数据之间的关联性。另外, 由于没有像IEC 61850那样对变电站自动化系统的各种实际对象进行建模和描述, 各个厂商按照各自不同的理解进行设计, 所实现的通信协议又有所差别, 相应的版本很多。针对这种情况, IEC 61850通信网关必须能够灵活封装不同厂商所实现的IEC IED , 并实现IEC 的线性模型与IEC 61850的面向对象模型之间的自动生成和转换, 才具有工程实用价值, 这一问题的解决同样需要借助于配置工具。IEC 61850通信网关的配置工具除了提供对IEC 61850数据模型的配置功能以外, 还提供对IEC 协议数据模型的描述功能, 以及两者之间映射规则的描述和配置服务。本文在以下几个方面对IEC 61850配置工具的参考模型进行了扩展:452009, 33(4 1 引入2个新的SCL 文档模式文件IEC 61850所提供的SCL Schema 文件为SCL. xsd , 其中包含变电站、IED 、通信系统和数据类型模板4个组件部分, 分别对应以下4个文件9210:SCL_Substation xsd ; SCL _IED xsd ; SCL _Communication xsd ;SCL_DataType Templatesxsd 。本文在对IEC 的应用服务数据单元(ASDU 结构进行分析的基础上, 根据表1所给出的IEC 的ASDU 到IEC 61850的映射规则, 采用XML Schema 技术对IEC 的ASDU 及其映射规则进行描述, 生成ASDU 模式文件(ASDU xsd 和映射规则模式文件(Mapping xsd 。表1IEC ASDU 与IEC 61850的映射规则T able 1Rules of m ap betw een IEC ASDUand IEC 61850IEC ASDUIEC 61850类型标识符隐含定义可变结构限定词隐含定义传送原因包含原因/服务参数发信方地址关联/服务参数(发信方ASDU 公共地址、功能类型(仅限IEC 、信息序号逻辑设备、逻辑节点、数据、性(信息元素集(2 引入2IEC 个文件:IED 功能描述文件(ICD IED capability description , 用于IED 配置工具与系统配置工具之间交换数据; 系统规格描述文件(SSD , 用于描述变电站的单线图及其所需要的逻辑节点; 变电站配置描述文件(SCD , 用于描述IED 与变电站控制中心如何进行衔接; 配置IED 描述文件(CID configured IED description , 绑定了具体功能并可供参数进行配置的描述文件。本文在已有的4个配置描述文件的基础上引入了以下文件:配置ASDU 描述文件(CAD configured ASDU description , 用来描述IEC ASDU 的配置实例; 配置映射规则描述文件(CMD configured mapping description , 用来描述IEC ASDU 与IEC 61850映射规则实例。图3给出了经过扩展的SCL 配置工具的信息流参考模型。 可以看出:IED 功能描述及其出厂信息通过IED 配置器生成ICD , 并与SSD 作为系统配置器的输入源, 两者互为补充, 由系统配置器解析成SCD ,IED 配置工具采用IED 模式文件、ASDU 模式文件和映射规则模式文件对SCD 进行XML 与SCL 的语法验证, 生成CID 、CAD 与CMD , 随后将三者装入IEC 61850网关, 完成配置的过程。图3网关配置工具的信息流参考模型Fig. 3R eference model for inform ation flow of gatew ayconf iguration tool本文所设计的IED 配置工具由人机界面、XML 文档的解析、SCL 文档的生成、SCL 文档的导入/导出、SCL 文档的传输与IEC 与IEC 61850之间的模型转换等部分构成, 并提供一个可视化的编辑环境, 用树形控件组织SCL , SCL , 方, 本配置工具还是一个工程, 可以将传统IED 的IEC 特定实现协议及其信息点表自动生成IEC 61850的数据模型。下面以保定自动化所某IEC 协议接口单元为例描述IEC 61850模型的生成过程。1 该协议接口单元采用的是天津电网IEC 远动协议标准, 根据其ASDU 的定义与现场提供的遥测、遥信和遥控点表, 使用配置工具生成ASDU 描述文件;2 使用配置工具生成IEC 与IEC 61850的映射规则描述文件;3 配置工具根据ASDU 描述文件和映射规则描述文件自动生成IEC 61850IED 描述文件;4 启动通信网关装入最终生成的所有描述文件, 开始协议转换。采用配置工具进行工程组态的方法, 可以实现模型与程序的分离及传统IED 的IEC 61850模型的自动生成, 较好地解决了由于IEC 版本众多所带来的工程实践困难的问题。2. 2数据的采集过滤和协议转换IEC 61850通信网关作为IEC 61850系统与IEC 系统之间的接口, 提供多种与新旧系统的通信接口, 包括串口通信、TCP/UDP 、OSI 协议55研制与开发王德文, 等数字化变电站中的通信网关 栈与MMS 等。 数据采集过滤器充当IEC 的主站系统, 利用通信接口收集所连接的常规继电保护装置、间隔测控单元或R TU 等设备传送来的继电保护故障信息和SCADA 监控信息, 包括状态变位、测量值、电能累积量、事件顺序记录、故障录波、扰动记录等数据, 同时, 将所接收的继电保护故障信息管理主站以及具有SCADA 监控功能的就地和远动主站所发出的控制、召唤、升降、对时命令、继电保护设备的投退命令等下发给所连接的常规间隔设备。另外, 本地或远方主站大多数情况下无须获得IED 的所有数据, 通信网关还应具备数据过滤的功能, 提供虚拟访问控制视图。协议转换器利用配置工具所生成的配置和描述文件, 建立的IEC 61850与IEC 的数据和服务模型, 在IEC 间隔设备与IEC 61850主机或IED 之间、IEC 61850主机或IED 与常规远方控制中心之间, 完成IEC 与IEC 61850的协议转换。2. 3IEC 61850和OPC 客户/服务器通信网关对外是一个IEC 61850一方面充当IEC 61850务, 向61850, 面作为客他隔层的IEC 61850设备(服务器 进行数据通信。虽然通信网关不可能实现IEC 61850的所有功能与服务, 但一些基本的抽象通信服务接口(ACSI 模型必须支持, 包括服务器模型、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、报告模型和控制模型, 以满足系统数据通信的基本需求, 而其他的取代模型、定值组控制模型、日志模型、GSSE 和GOOSE 作为可选模型, 根据用户的要求进行定制开发。考虑到基于Windows 平台的常规SCADA 系统监控软件一般支持开放数据访问接口OPC , 通信网关还应提供OPC 数据访问服务, 将MMS 的虚拟制造设备、域和有名变量等对象映射为O PC 的服务器、数据组和数据项对象, 以解决实时数据库对IEC 61850的支持。3原型系统本文采用所设计的IEC 61850通信网关构建了一个原型系统, 由IEC 61850通信网关、SCADA 系统客户端、IEC 协议接口单元构成, 采用100Mbit/s 以太网连接, 如图4所示。图4原型系统结构Fig. 4Structure of a prototype system通信网关作为主站与IEC 协议接口单元(子站 建立连接, 定时召唤遥测和遥信数据, 接收遥测告警和遥信变位等数据, 并下发遥控的选择和执行命令。测试表明, 遥测和遥信等上传数据完整, 告警数据响应快速, 遥控命令执行正确。通信网关将IEC 的协议报文转化为IEC 61850的抽象通信服务, 为SCADA 系统客户端提供IEC 61850的实时数据通信服务, 主要包括关联、读服务器目录、读逻辑设备目录、读逻辑节点目录、读数据目录、读数据定义、带值选择、执行和报告等, 基本满足了SCADA 系统监测和控制的需要。在测试过程中, 61850与25, , , 造成端到端延时有所增加。上述问题需要在今后的工作中继续进行深入的研究。4结语数字化变电站技术的发展将会是一个长期的过程。在以IEC 61850为基础的数字变电站的建设和改造过程中, 需要解决IEC 61850与IEC 设备间的互联互通问题。本文设计了一种基于IEC 61850的通信网关, 将常规IEC 设备纳入IEC 61850的通信体系, 从而实现各类主机与设备之间的信息交换和互操作, 并开发了原型系统, 通过测试验证了方案的可行性, 初步解决了非IEC 61850系统向IEC 61850系统平稳过渡的问题, 可以满足过渡期内数字化变电站建设和改造的实际工程需要。参考文献1李九虎, 郑玉平, 古世东, 等. 电子式互感器在数字化变电站的应用. 电力系统自动化,2007,31(7 :94298.L I Jiuhu , ZH EN G Yuping , GU Shidong , et al. 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Automation of Electric Power Systems , 2008, 32(4 :73276.10IEC Communication networks and systems insubstations :Part 6configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs. 2003.王德文(1973, 男, 通信作者, 博士研究生, 主要研究方向:电力系统自动化和计算机网络。E 2mail :wdewen gmail. com朱永利(1963, 男, 博士生导师, 教授, 主要研究方向:电力系统自动化、。邸剑(1968, 男, 高级工程师, :计算R esearch on G N Z , I J ian , Z HA I X uemingUniversity , Baoding , China Abstract :In the substation construction , there is bound to be a transitional period between the new IEC based substation automation systems (SAS and the old ones. To solve the compatibility problem between the new and old systems , a scheme for connecting the conventional intelligent electronic devices to digital substations is proposed , and a communication gateway based on IEC 61850is designed which includes the configuration tool , protocol converter , data collecting filter and IEC 61850and OPC server. Moreover , a prototype system based on the above methods is developed and put through testing , demonstrating the validity of the proposed scheme.This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. . K ey w ords :digital substation ; IEC 61850; substation automation system ; intelligent electronic device ; communication gateway(上接第39页continued f rom page 39Study on the R elation B et w een Electricity Futures and Spot Prices B ased on VAR ModelH E Chuan 1, YA N G L ibing 2, L I X iaogang 2, Z HOU H ao 1(1. Zhejiang University , Hangzhou , China ; 2. East China Grid Company Limited , Shanghai , China Abstract :Electricity future is an effective tool to avoid and transfer the price risk of the spot market. Many countries which had deregulated their power industry to form competitive electricity market have already established electricity f uture market. Based on the vector auto 2regression (VAR model , the relation between electricity f utures and spot prices is studied by econometrics methods , including co 2integration test , causality test and variance decomposition. By the empirical research on the Nordic electricity financial market , it can be found that there exits a long 2term equilibrium relation between the electricity f utures and spot prices , and the causality f rom the f utures market to the spot market is much more significant. The future market plays a leading role in the price discovery.K ey w ords :electricity f utures ; price discovery ; vector auto 2regression (VAR model ; co 2integration test ; causality test ; variance decomposition75专心-专注-专业