（电力系统及其自动化专业论文）基于iec+61850和mms的网络化电力远动通信的研究.pdf

华北电力大学博七学位论文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt ob r e a kt h r o u g ht r a d i t i o n a lp o w e rt e l e c o n t r o la r c h i t e c t u r e a n d c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，a n dt os o l v et h ep r o b l e mo fl o wc o m m u n c i a t i o nr a t e ， c o n f i g u r a t i o n a n d i n t e r o p e r a b i l i t yd i f f i c u l t ya m o n g d i f f e r e n te l e c t r i c p o w e r e q u i p m e n t sw h i c hw o r r yt h ep o w e rt e l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o nf o r al o n gt i m e ， e t h e r n e tw a n ，a b s t r a c ti n f o r m a t i o na n ds e r v i c em o d e l ，r e a l t i m ed a t ae x c h a n g ea n d c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o no fd e v i c e sa r er e s e a r c h e d ，a n di e c6 18 5 0 ，m a n u f a c t u r i n g m e s s a g es p e c i f i c a t i o n ( m m s ) a n de t h e r n e tw a n a r es i m u l t a n e o u s l yu s e di np o w e r t e l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o n t h u se i t h e ri ns u b s t a t i o no rf r o mi tt ot h ec o n t r o lc e n t e r , i e c6 18 5 0 m m sa n de t h e r n e ti su s e da st h es o l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，p r o t o c o l a n dp l a t f o r m t oe n s u r ei n t e r o p e r a b i l i t ya m o n gd i f f e r e n tv e n d o r sd e v i c e s ，i e c618 5 0m o d e l ， s u c ha sc o m m o nd a t ac l a s s ，d a t ac l a s s ，d a t as e t ，r e p o r ta n ds e l e c tb e f o r eo p e r a t e c o n t r o la r ef u r t h e rs t u d i e d m o r e o v e r ，am o d e l i n gm e t h o do fp o w e rt e l e c o n t r o t c o m m u n i c a t i o nb a s e do ni e c6 18 5 0i sp r o p o s e d ，a n dl o g i c a ld e v i c e ，l o g i c a ln o d ea n d c o m m u n i c a t i o ns e r v i c em o d e lb a s e do nt h ea b o v em e t h o da r ee s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ， a d o p t i n gt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m ，t h ei n t e r o p e r a b i l i t ya n df u n c t i o nt e s t sp r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm o d e l s t ob e t t e rs a t i s f yp r a c t i c a ln e e d sf o rr e a l t i m ed a t ae x c h a n g eo fp o w e rt e l e c o n t r o l s y s t e m ，t h r o u g hs t u d y i n gt h em a p p i n gb e t w e e na b s t r a c tc o m m u n i c a t i o ns e r v i c o i n t e r f a c e ( a cs i ) a n dm m s ，o s ip r o t o c o ls t a c k ，a s n 1 ，b e re n c o d e r d e c o d e r ，m m s p r o t o c o lm a c h i n ea n dm m sa p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ，ar e a l t i m e d a t ae x c h a n g em e t h o d f o rp o w e rt e l e c o n t r o ls y s t e mb a s e do na c s ia n dm m si sp r o p o s e d ，a n dt h em m s r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l f o r p o w e r t e l e c o n t r o la n di e c618 5 0i s i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dw h i c h i se a s yt om a pa c s it om m s ，a n dt h e nt oi m p r o v et h e d e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo fi e c 6 18 5 0s y s t e m t oi m p l e m e n tu n i f i e dc o n f i g u r a t i o na n dm a n a g e m e n tf o ri n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e ( i e d ) ，o b j e c tm o d e la n dd o c u m e n ts t r u c t u r e o fs u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o n d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( s c l ) ，s c l a n ds c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s ( s v g ) b a s e d g r a p h i c a lt o p o l o g yd i s p l a yf o rs u b s t a t i o n ，a n dh a r m o n i z a t i o no fs c l a n dc o m m o n i n f o r m a t i o nm o d e l s ( c i m ) a r ef u r t h e rr e s e a r c h e d ，a n das c l s v g c i mb a s e dr e m o t e d e v i c ec o n f i g u r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d i n t h i s m e t h o d ，t h eu n i f o r ms c l 华北电力大学博士学位论文摘要 c o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nd o c u m e n ti st r a n s m i t t e db yi pw a n w h i c hi st h es a m ea s p o w e rt e l e c o n t r o lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h er e m o t ec o n v e n t i o n a li e da n d i e c618 5 0i e dc a nb ec o n f i g u r e dt h r o u g hn e t w o r ki nc o n t r o lc e n t e r , a n dc i mm o d e l a n ds v gg r a p hd a t a b a s ec a nb cu p d a t e da tt h es a m et i m e a i m i n ga tt h ei n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r w o r k i n gp r o b l e m sb e t w e e ni e c6 18 5 0 i e da n dt r a d i t i o n a ld e v i c e ，t h ei e c618 5 0 m m sc o m m u n i c a t i o ng a t e w a yb a s e dp o w e r t e l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d ，t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fi e c 618 5 0 m m sc o m m u n i c a t i o ng a t e w a y i s d e s i g n e d ，a n dt h e m e t h o do fm a p p i n g b e t w e e ni e c6 0 8 7 0 5 ，c d ta n di e c618 5 0 。i sp r o p o s e d a st h u s ，t h ed i f f i c u l t yo f s m o o t ht r a n s i t i o nf r o mt h ee x i s t i n gt e l e c o n t r o ls y s t e mt ot h ei e c6 18 5 0 m m sb a s e d s y s t e m i ss o l v e d t h en e wi e c6l8 5 0 m m sb a s e dp o w e rt e l e c o n t r o ls y s t e m d e v e l o p e da c c o r d i n gt oa b o v es t u d i e s ，f i r s t l yg o n et h r o u g hi n d u s t r i a lf i e l d - t e s t i n g c a r r i e di nap r a c t i c a ls u b t r a n s m i s s i o nn e t w o r k , a n dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h e p r o p o s e dm o d e l sa n dm e t h o d sh a v eb e e np r o v e n k e y w o r d s ：t e l e c o n t r o lc o m m u n i c a t i o n , i e c6 18 5 0 ，m a n u f a c t u r i n gm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ，s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，c o m m u n i c a t i o ng a t e w a y 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于i e c6 1 8 5 0 和m m s 的网络化电力远动通信的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期 间，在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作 权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以 采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位 论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论 文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部 或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：邋 日 期：2 婴3 ：夕 导师签名： 华北电力大学博士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论帚一早瑁下匕 电力远动系统是电力调度自动化系统的重要组成部分，是实现电力系统远方 运行监视，实施调频、调压、发电和负荷控制，以及调度员进行事故条件下控制 和调节的重要手段j 。电力远动系统虽然经过多年的应用发展，为保障电网安全 稳定运行发挥了重要的作用，但仍然在通信模式、互操作性与维护性等方面存在 着诸多的问题。 采用以前置机与远动终端装置( i 玎u ) 为核心的传统体系结构和通信模式， 存在远动信息一发多收和信息转发的问题。电力控制中心内的前置机负责与厂站 内的r t u 进行通信，接收r t u 送来的遥测和遥信数据，为调度自动化系统提供 原始数据，监视远方设备的实时运行状况，并通过遥控和遥调功能完成对远方设 备的控制。由于主站与厂站具有控制与被控制的主从关系，并非平等的网络节点 【2 】，必然存在远动信息一发多收和信息转发过程中造成的延时问题。 每个厂站的信号传输使用调制解调器并独占信道，导致通信速率低、硬件开 销大。r t u 与调度中心之间的远动通信信道主要以话路载波、电力线载波、微波 通信等为主，虽然某些具有同步数字传输系统( s d h ) 的厂站，通过s d h 的2 m 接口通过光纤信道传输数据，但仍采用调制解调器将数字信道模拟使用j 高速信 道低速使用，致使通信速率低，中间环节多造成延时严重，出错机率大导致可靠 性低。另外，控制中心的应用数据访问都必须通过“驱动对每个变电站进行访 问，每一个控制中心都需要采用一对一的方式接入每一个变电站，即每个变电站 都必须有专用通道【3 】。若n 个变电站同属于地调、中调和网调三个控制中心，则 共需3 + 3 n 个专用通道，并且所接收到的数据很有可能大部分都是相同的，显 然会造成传输通道的浪费、增加设备的硬件开销。 各种电力远动通信协议并存、互不兼容，必须经过协议转换才能互通，难以 实现互操作。目前用于变电站到控制中心的电力远动传输规约主要包括循环式远 动规约( c d t ) 、问答式远动规约( p o l l i n g ) 、i e c6 0 8 7 0 5 、i e c6 0 8 7 0 6 ( t a s e 2 ) 、 d n p 3 以及各种私有规约 4 1 。由于上述所有的远动规约都没有对变电站自动化系统 ( s a s ) 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，使得不同系统之间互操作性比较差。长期以来，国内外电力自动化设备的厂 商推出了各式各样的电力系统远动通信装置，但是各自的远动通信协议又有所差 别，导致目前是各种通信协议并存的局面，不同厂家的各种设备甚至同一厂家生 产的不同设备之间也不能直接通信，这导致了控制中心内远动通信系统结构复杂、 第一章绪论 系统可靠性降低，同时也增加了系统成本和维护费用。 在建设或改造变电站的过程中需要投入或替换大量的智能电子设备( 1 e d ) ， 而在目前设备配置与管理方式下，对于l e d 的安装、升级、管理和维护是一件非 常繁重的工作1 5 】。l e d 的基本信息、拓扑连接、通信连接与定值参数等配置信息 需要靠维护人员手工输入工程信息表( 点表) ，在现场对l e d 进行设置，与控制 中心的数据库约定并一一对应，以此来正确反映现场设备状态。由于采用面向点 的数据描述方法，根据点表进行人工配置，缺乏有效的配置工具与管理手段，工 作量极大、出错率高，难以保证配置信息输入的准确性和一致性，并且厂商自己 定义配置文件格式，造成只能自己的系统能够识别。另外，采用传统通信协议的 配置方法只能进行参数定值等有限配置，无法获得l e d 的全部信息，通信协议的 不同又导致在协议转换和数据集成方面需要花费大量的开销。 因此，如何从根本上解决困扰电力远动领域多年的远动信息一发多收和信息 转发的问题，实现不同厂商l e d 间的互操作以及设备的统一配置与管理是一个亟 待解决的问题。通过分析发现，解决上述问题的关键方法是采用开放的分层分布 式网络化结构、统一的能够保障不同厂商l e d 之间互操作的电力远动通信标准。 目前，网络、通信以及自动化等技术的发展已经为实现电力远动信息的网络化传 输奠定了基础。同时，i e c6 1 8 5 0 已成为变电站内部网络数据通信的国际最新标 准，具备分层分布式的体系结构，采用先进的制造报文规范( m m s ) 作为实时通 信协议，并使用面向对象的方法对各种实际对象进行统一的建模和自描述，使不 同厂商l e d 实现真正的互操作以及即插即用成为了可能。由此可见，研究基于i e c 6 1 8 5 0 与m m s 的网络化电力远动通信已经具备了基本的前提条件。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 网络化电力远动通信的研究现状 数十年来，电力远动技术得到了快速的发展。从2 0 世纪6 0 年代开始，经历 以“四遥”功能为代表的中期电力远动技术，一直发展到今天。随着半导体芯片 技术、计算机技术及通信技术的飞速发展，远动技术被融入到厂站自动化技术中， 远动从而在概念和内涵上有了本质变化，传统上各自独立的远动和继电保护统一 到一起，由此而诞生的厂站自动化系统不仅包含传统的远动监控系统，也包含继 电保护装置与系统及若干附属设备，还在继续发展之中【6 l 。随着计算机、网络与 通信等技术的不断发展，电力系统对远动实时数据交换的要求不断提高，远动信 息的网络化传输已经成为发展的必然趋势【7 以0 1 。 2 华北电力大学博士学位论文 1 2 1 1 电力通信网与以太网的研究现状 网络化电力远动系统的主要基础资源是电力通信网与以太网。电力通信网与 安全稳定控制系统、调度自动化系统被合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱 1 l l 。目前，以光纤、s d h 与i p 技术为基础构建的电力调度数据网( s p d n e t ) 具 有信息传输速度快、可靠性高的优点，在我国电力系统已初具规模1 1 2 1 。控制中心 与发电厂和1 1 0 k v 及以上电压等级的变电站已经具备了几百兆的数据交换能力。 在一般骨干节点通信设备之间直接采用光纤进行连接，传输速率可达6 2 2 m b p s ； 分支节点与骨干节点之间通过光纤就近相连，与骨干节点之间上联传输速率达 1 5 5m b p s ，下联提供1 0 1 0 0m b p s 的计算机接口，可以为电力远动信息的网络化 传输提供足够的带宽。 另外，基于高速以太网的厂站自动化系统正在逐步取代传统的继电保护装置、 开关控制和中央信号系统，电力远动面临重大的技术革新。根据i e c 标准中推荐 的基于实际扰动经验基础上得到的参数数据雪崩模型r d a ( r e f e r e n c ed a t a a v a l a n c h e ) 1 1 3 j ，可以看出，正常运行的周期性数据稳定、连续且变化小，命令下 发时的随机性数据流量很小。在s a s 内部，通过局域网执行控制功能的实时性要 求被定义为3 m s t l 4 1 。曾有一种观点认为：以太网具有载波侦听多路访问 ( c s m c d ) 的本质，其对实时信息传输造成延迟的随机性无法预测，因而不能 满足实时系统的需要。因为两个或多个以太网节点同时访问共享的传输介质局域 网时会造成数据冲突，此时所有冲突的节点会按退避算法随机延迟一定的时间， 然后试图重新访问介质，以获得介质的访问权，这样就无法确切地估计冲突节点 所需的随机等待时间，因而有可能造成实时信息传输无效。为了定性地说明这一 问题，美国电力研究院( e p r i ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 的第3 5 工作组对 以太网用于s a s 中的网络传输实时性作了研究分析，结果表明当使用交换式 1 0 m b s 以太网时，完全可以满足实时性要求。研究还表明，采用交换式1 0 0 m b s 快速以太网，大大拓展带宽的同时缩短了以太网的碰撞率，使传输效率大为提高。 因此，为了满足s a s 对电磁兼容性和覆盖范围的要求，最好采用光纤介质的支持 v l a n 的交换式1 0 0 m b s 以太网，根据经验只要故障情况下突发数据使以太网的 负荷量小于2 5 ，采用以太网可以获得最好的系统性能。 上述以太网的研究主要局限于变电站内部，而如何充分利用现有的s d h 网络 资源，将以太网的应用范围扩展到变电站与控制中心之间的广域通信，最终实现 控制中心内、变电站内、从变电站到控制中心都采用以太网作为唯一的通信平台， 需要进一步的研究与探讨。 第一章绪论 1 2 1 2 电力远动通信协议的研究现状 实现远动信息网络化传输的关键是支持网络的电力远动通信协议。目前国内 很多系统仍在使用c d t 和p o l l i n g 。c d t 适用于采用点对点的远动通道结构、 以循环字节同步方式传送的远动设备与系统，而p o l l i n g 是一种主从远动规约， 采用异步通信方式，由调度端不断地发出召唤代码发动通信，变电站只有在在响 应后才上送本站信息。两者都是传统的串行工作方式，并且采用点到点的电路交 换方式进行数据传输，无法实现远动信息的网络化传输。随着网络技术的发展， 一些网络化的远动信息传输方法被提出，并陆续出现了一系列支持网络访问的电 力远动规约，例如i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 与i e c6 0 8 7 0 6 等。 i e c6 0 8 7 0 5 通信协议体系是国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 的第3 工作组( w g 0 3 ) 制订的用于变电站远动通信的协议体系i b 1 8 1 。i e c6 0 8 7 0 5 借鉴了网络通信协议的分层技术，将协议分为物理层、链路层和应用层三层，其 中：i e c6 0 8 7 0 5 1 、i e c6 0 8 7 0 5 2 描述了链路层传输帧格式和传输规则；i e c 6 0 8 7 0 5 3 、i e c6 0 8 7 0 5 4 和i e c6 0 8 7 0 5 5 分别描述了应用层数据的一般结构、 信息元素的定义和编码以及基本应用功能，应用层直接映射到链路层。i e c 根据 应用领域的不同要求在i e c6 0 8 7 0 5 系列标准基础上制定了一系列配套标准，它 们分别为：基本远动任务配套标准i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 、电力系统电能累计量传输配 套标准i e c6 0 8 7 0 5 1 0 2 、继电保护设备信息接口配套标准i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 和采 用标准传输协议子集的i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 网络访问i e c6 0 8 7 0 5 10 4 。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 采用i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 的平衡传输模式，通过t c p i p 协议实现基本远 动信息的网络化传输，一度被认为是用于变电站与控制中心之间实现网络化远动 通信的最有效方法，在国内外得到了一定程度的推广应用1 1 9 - 2 3 】。 i e c6 0 8 7 0 6 系列通信协议是i e ct c 5 7w g 0 7 制定的一套旨在与i s o 和 i t u t 兼容的用于电力系统控制的计算机数据通信协议【2 4 啪】。i e c6 0 8 7 0 6 系列曾 先后出了t a s e 1 和t a s e 2 两个互不兼容的通信协议体系，现在t a s e 2 已经取 得了主导地位。t a s e 2 映射到应用层协议m m s ，要求通信双方预先建立双边表， 是面向点的协议。t a s e 2 虽然是s c a d a e m s 等电网调度控制中心之间的通信 协议，也可用于大型枢纽变电站与电网调度控制中心之间通信。我国已有超高压 枢纽电力变电站使用t a s e 2 通过电力数据网与网调中心和国调中心通信的成功 范例，但采用t a s e 2 作为r t u 和调度中心之间的网络传输协议在性能上不能完 全满足要求，而且t a s e 2 在和s a s 其他部分的无缝连接方面存在问题【2 7 。2 州。 目前还没有哪个通信协议能以绝对优势在电力行业中普及，各种通信协议并 存、互不兼容，难以实现互操作。解决上述问题的关键是采用一个标准、建立一 个统一的模型，从而克服目前众多通信协议不统一的情况，解决各系统之间的互 4 华北电力大学博士学位论文 通互连，以达到无缝通信的目的。上述远动通信协议由于其固有的一些缺点，以 及在实际应用中暴露出的问题，都难以成为远动无缝通信的协议标准，主要表现 在： ( 1 ) 仅仅考虑具体设备的数据格式的统一，其数据传送效率不高，信息发布量 小、各子系统问缺乏有机联系； ( 2 ) 厂站与调度之间数据交换能力差，只能传送预先定义的数据，新增种类的 数据交换难以实现，各厂站之间不具备信息交换能力； ( 3 ) 没有对s a s 内部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，这是导致不同系统之间互操作性差的根本原因。 ( 4 ) 采用面向点的数据描述方法，缺乏有效的配置工具与管理手段，导致设备 维护困难。 ( 5 ) 在开发实现过程中，由于属于面向字符的协议，不仅需要考虑网络连接的 维护，对每一层数据包都进行详细定义，还必须处理具体的报文格式、高低字节 等问题，其扩展性、可读性远远不如面向对象的协议。 ( 6 ) 在实际应用过程中，仍然采用传统的通信模式与通信结构，主要的方法是 对r t u 进行改进，仅仅解决r t u 的网络接入问题，并没有根本解决困扰电力远 动领域多年的远动信息一发多收和信息转发的问题。 鉴于以上问题的存在，许多国外学术团体和组织都在积极开展研究工作，尝 试着使用新技术、新方法建立新的通信协议体系，例如美国电科院的公共设施通 信协议体系u c a 以及变电站通信网络与系统i e c6 1 8 5 0 等1 3 0 - 3 6 ，其中i e c6 1 8 5 0 是由i e ct c 5 7 制定的变电站通信网络与系统的一系列国际标准，国内相应的电 力行业标准为d l t8 6 0 。虽然也有人提出采用i e c6 0 8 7 0 6t a s e 2 协议作为无缝 的电力通信体系结构的基础，但i e ct c 5 7 最终决定以i e c6 1 8 5 0 为基础构建未来 无缝通信体系。 1 2 2ie c6 18 5 0 及其在电力远动通信中的应用研究现状 112 2 1 最新国际标准i e c6 1 8 5 0 的研究现状 为适应s a s 技术的快速发展，满足不同厂商设备集成应用的需要，i e c 认识 到有必要制订一个更通用、更全面，能够涵盖整个s a s 的通信标准。1 9 9 8 年， 在与e p r i 、i e e e 的协调下，i e c 以u c a2 0 中的设备模型和应用服务模型为基 础，同时参考i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 3 等标准，开始制订i e c6 1 8 5 0 标准。2 0 0 3 年9 月至2 0 0 5 年6 月，i e c6 1 8 5 0 各部分的正式版本陆续颁布，但标准细节的完善至 今仍在进行中。目前，i e c6 18 5 0 已成为变电站内部网络数据通信的国际最新标 准，在国内外新的s a s 中正在受到推崇【3 7 ，3 引。 5 第一章绪论 i e c6 1 8 5 0 由1 0 个部分组成，是一个庞大的技术体系，并没有停留在通信协 议的层次上，而是对整个s a s 从体系、功能、技术、模型和工程管理等方面作出 了全面的规范，并引入了许多其它专业学科领域的概念、技术思想和支撑工具， 这不仅使标准本身变得庞大而复杂以致难以理解，对s a s 的设计规划和自动化设 备的软硬件水平也提出了较高要求，标准的全面实现具有相当的技术难度【捌。因 此开展i e c6 1 8 5 0 的研究与应用，首先必须对i e c6 1 8 5 0 庞大而复杂的技术体系 进行深入的理解和认识。文献 4 0 4 4 为c i g r e 和i e e ep e s 等会议上发表的论文， 主要介绍i e c6 1 8 5 0 的制订情况、内容、特点、技术特征、优势、对s a s 的影响、 建设思路和进展动态等。由于多数作者直接参与了i e c6 1 8 5 0 标准的制定工作， 以上文献对i e c6 1 8 5 0 的研究产生了广泛的影响。文献【4 5 】介绍了i e c6 1 8 5 0 的结 构和特点，对国内了解认识i e c6 1 8 5 0 起到了很大的帮助作用。 数字化变电站是遵循国际标准i e c6 1 8 5 0 、采用电子式互感器、智能化开关 等智能化的一次设备与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 4 6 - 4 8 】。国外基于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电站系统已进入实际应用阶段【4 9 】， 国家电网调度中心先后进行了多次i e c6 1 8 5 0 的互操作试验，对于开展i e c6 1 8 5 0 研究和提高相关产品、系统开发水平起到了巨大的推动作用1 5 0 。国- 内电网公司也 制定了研究和推广基于i e c6 1 8 5 0 的数字化变电站实施方案，多个数字化变电站 示范工程陆续投入运行或正在建设，取得了一定的经验【5 1 ，5 2 1 。但是，由于能够满 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、状态检测与通信网络技术的推广和应用还需攻克一些技术难题，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。完全基于i e c6 1 8 5 0 数字化变 电站国内还未投运，主要原因之一是控制中心尚无与基于i e c6 1 8 5 0 数字化变电 站进行通信及信息交换的调度自动化系统，造成目前数字化变电站内部采用i e c 6 1 8 5 0 ，而变电站与控制中心仍然是采用i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 的传统方法，这种通信 是有缝隙的。 1 2 2 2l e c6 1 8 5 0 在电力远动通信中的应用研究现状 现有技术水平的整个电力通信体系应该是无缝隙的。除了i e c6 1 8 5 0 以外，i e c t c 5 7 正在制定另外一个关于能量管理系统( e m s ) 的开放标准，即i e c6 1 9 7 0 p 川。 i e c6 1 8 5 0 与用于控制中心的i e c6 1 9 7 0 定义了各自的数据模型和通信接口标准， 但它们之间并没有统一的数据模型和通信接口标准。i e ct c 5 7 正在积极开展工作 进行i e c6 1 8 5 0 与i e c6 1 9 7 0 的融合，w g l 0 工作组正在进行i e c6 1 8 5 0 第二版的 制订工作，新版将增加i e c6 1 8 5 0 8 0 1 、i e c6 1 8 5 0 9 0 1 及i e c6 1 8 5 0 9 0 2 等内 容，但相应的规范还未发布【5 4 制j 。可以看出，i e c6 18 5 0 的应用不仅仅局限于变 6 华北电力大学博士学位论文 电站内部，还应向控制中心与风电场等方面扩展，将成为通用网络通信平台的电 力工业控制无缝自动化标准。但是，目前国内外i e c6 1 8 5 0 的研究与应用仍然主 要局限于变电站内，应用于电力远动实现变电站到控制中心通信的研究还很少。 目前，针对i e c6 1 8 5 0 的理论研究与工程实践多数集中在变电站内部的互操 作性方面。实现不同厂商设备的互操作是i e c6 1 8 5 0 标准的主要目标。根据i e c 6 1 8 5 0 的定义，互操作性是指来自同一厂家或不同厂家的i e d 之间交换信息和正 确使用信息协同操作的能力。信息与服务模型是i e c6 1 8 5 0 的核心，信息模型规 范了变电站内交互信息的内容和语义，服务模型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。文献 5 9 】通过研究互操作性对信息语义 的要求，指出结构化模型是i e c6 1 8 5 0 支持互操作性的主要体系规定，并对该结 构化模型的模型构成类、模型结构和蕴涵在其中的运行机制进行了具体的分析。、 文献 6 0 6 5 探讨了i e c6 1 8 5 0 在保护、电能质量与故障信息处理系统中的专门应 用，采用i e c6 1 8 5 0 标准的面向对象建模技术对保护、电能质量监测等i e d 进行 建模，实现不同厂家i e d 之间的无缝集成和互操作。文献【6 6 】研究了远动系统中 i e d 与控制中心之间传输远动信息的通信方式问题，提出了将该抽象服务模型映 射到c o r b at a o 来实现i e d 与控制中心之间信息交换的方法。文献 6 7 】采用 c o r b a + j a v a 的模式开发了面向对象的远动信息传输实验系统。文献 6 8 】分析 了基于i e c6 1 8 5 0 远动通信的特点和要求，构建了远动通信的多a g e n t 模型。上 述远动通信方法尚停留在实验室研究阶段，采用的是c o r b at a o 与a g e n t ，而 都未采用m m s 作为底层实时通信协议，难以实现与其它符合i e c6 1 8 5 0 与m m s 的i e d 进行互操作。 通过上述分析可以看出，虽然i e c6 i8 5 0 的应用研究价值已在国内外取得普遍共 识，都投入了大量人力和物力对其进行积极研究，但主要局限于变电站内，与控制 中心之间的远动通信仍然是采用i e c6 0 8 7 0 5 1 0 4 等传统方法，因此有必要研究直接 将i e c6 1 8 5 0 应用于电力远动通信，建立起统一的电力远动通信模型，来保障互操作 性。另外，我们也应意识至l j l e c6 1 8 5 0 的实际应用与推广将是一个长期的过程，今后 较长时间内将是非i e c6 1 8 5 0 系统和i e c6 1 8 5 0 系统共存的过渡时期。在这个过渡阶 段，如何推进i e c6 1 8 5 0 系统的实际应用，又能保障现有系统至u i e c6 1 8 5 0 系统的平 稳过渡，同样是一个亟待解决的问题。 1 2 。3m m s 及其在电力远动通信中的应用研究现状 i e c6 1 8 5 0 应用于电力远动的关键之一是解决如何通过底层通信协议m m s 来进行实时数据交换问题。m m s 是由i s ot c l 8 4 s c 5 开发维护的网络环境下计 算机或i e d 之间交换实时数据与监控信息的一套通信协议，标准号为i s o9 5 0 6 1 6 9 1 ， 7 第一章绪论 目的是规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备、智能控制设备 的通信行为，使来自不同制造商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简 单、方便。i s o9 5 0 6 由多个部分组成，其中i s o9 5 0 6 1 、i s o9 5 0 6 2 是标准的核 心部分。i s o9 5 0 6 1 是服务规范，定义了虚拟制造设备( v m d ) 概念、网络环境 下各节点之间服务或报文的交换规则以及与v m d 和服务有关的属性及参数的定 义；i s o9 5 0 6 2 是协议规范。定义了通信的规则，包括通过网络传输报文的顺序、 报文编码格式及m m s 层与o s i 参考模型其它层的相互作用关系。此外，还有用 于专门领域的伴同标准，i s o9 5 0 6 3 是适用于工业机器人的通信服务和协议；i s o 9 5 0 6 4 是适用于工业数字控制的通信服务和协议；i s o9 5 0 6 5 是适用于可编程控 制器的通信服务和协议；i s o9 5 0 6 6 是适用于工业过程控制的通信服务和协议。 在国外，m m s 技术广泛用于工业过程控制、工业机器人、可编程逻辑控制 器( p l c ) 等领域【7 叭7 4 】。国内也对m m s 在工业自动化的应用方面进行了一定的 研究【7 5 1 ，文献 7 6 介绍了a s n 1 数据类型和基本编码规则，讨论了m m s 通信系 统中a s n 1 编解码器的设计与实现。文献【7 7 】介绍了m m s 对象与服务的一般概 念与特点，提出了一种m m s 客户与服务器系统的结构，并讨论了m m s 对象表示、 m m s 服务和m m s 应用接口定义等问题。文献 7 8 介绍了m m s 协议规范和 w i n d o w st c p i p 开放系统平台，探讨了在w i n d o w st c p i p 平台上开发m m s 通信 系统的方法和步骤，给出m m s 通信系统实现流程。东南大学c i m s 研究中心通 过承担国家“8 6 3 ”计划“异构网络m m s 系统课题，对m m s 进行了研究，并 开发出单元式空调机m m s 集成监控系统( a i m s ) ，这是对面向工厂自动化的 m m s 产品化的有益尝试【7 9 1 。 可以看出，以前m m s 的研究应用主要局限于其它工业自动化领域，在电力 系统通信协议中并无应用，但近年来情况有所变化。i e ct c 5 7 制定的i e c6 0 8 7 0 。6 t a s e 2 系列标准与i e c6 1 8 5 0 系列标准的底层实时通信都直接映射到m m s 之 上，m m s 已成为电力系统数据通信协议的基础，在电力系统通信中的应用将越 来越广泛【8 0 ，8 1 】。将m m s 应用于基于i e c6 18 5 0 的电力远动通信，将带来如下的 优势： ( 1 ) 通信服务：m m s 为通过网络进行对等的实时通信提供了丰富的服务，包 括环境和通用管理、v m d 支持、域管理、程序调用、变量管理、信号量管理、 事件管理、日志管理、操作员通信与文件管理等1 0 大类8 0 多种，可以较好满足 i e c6 1 8 5 0 对实时通信服务的需要。 ( 2 ) 通信方式：m m s 可以支持多种通信方式，包括以太网、令牌总线、r s 2 3 2 、 o s i 、t c p i p 等，也可通过网桥、路由器或网关连接到其他的系统上。这一特点 可以较好满足i e c6 1 8 5 0 对通信网络互联与规划的需要。 8 华北电力大学博士学位论文 ( 3 ) 信息模型：m m s 与i e c6 1 8 5 0 类似也采用了层次化的对象模型，由v m d 、 域和有名变量等构成。 ( 4 ) 客户服务器模型：客户机和服务器是两个相互通信的不对等m m s 用户， 其中服务器是为实现特定m m s 服务起v m d 作用的通信实体，客户机通过m m s 服务原语获取服务器提供的服务。m m s 可以为i e c6 1 8 5 0 提供客户服务器方式 的通信服务。 ( 5 ) 实时性：m m s 作为应用层实时通信协议，已经成功应用于工业机器人、 工业数字控制、可编程控制器以及工业过程控制等实时性要求较高的自动化控制 领域。m m s 可以满足i e c6 1 8 5 0 所规定的间隔层与变电站层、变电站层内部以及 变电站层与远方监控中心之间中低速报文的性能要求，对于遥测、遥信、遥控等 电力远动信息的传输可以从实时性能上得到保障。 ( 6 ) 互操作性：m m s 报文格式的统一只是获得互操作性的一个方面，为此， m m s 的v m d 模型只定义了通信网络的可见方面，对于实际设备如何实现v m d 模型的细节，如编程语言、操作系统等，没有给出定义。这样，通过定义设备的 网络可见部分的行为，v m d 模型就能使设备之间具有很高的互操作性，也不妨 碍设备内部使用新技术。 ( 7 ) 独立性：与很多只适用于特定产品的专用通信系统不同，m m s 是一个通 用的、独立于专用设备的国际标准体系，为用户提供了一个独立于所完成功能的 通用通信环境。虽然i e c6 1 8 5 0 不排除将抽象通信服务接口( a c