（电力系统及其自动化专业论文）基于远动规约的电力信息传输系统的研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ep r o m o t i o no ft h ea u t o m a t i o nl e v e lp o w e rp l a n ta n ds u b s t a t i o na n d t h ec o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h es t a t ep o w e rd a t an e t ，i no r d e rt om e e tt h e d e v e l o p m e n t a ln e e do ft h er e q u i r e m e n t so ft h ep o w e rs y s t e md i s p a t c ha u t o m a t i o n s y s t e m ，t h eu s u a lp o w e rt e l e c o n t r o ls y s t e mw i l lb er e p l a c e db yt h en e t w o r k t e l e c o n t r o ls y s t e mw i t ht h ei n t e g r a t i o no fc o m p u t e r , p r o t e c t i o n ，c o n t r o l ，n e t w o r k ， a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sw i l le v e n t u a l l yb r e a kt h ee x i s t i n gs p e c i a l i z e d d i v i s i o no fp r o f e s s i o na n dc a u s ear e v o l u t i o nt ot h et e l e c o n t r o ls y s t e m t h e t r a n s m i s s i o n s y s t e mo fp o w e ri n f o r m a t i o np l a y sv i t a l r o l ei nt h en e t w o r k t e l e c o n t r o ls y s t e m t h en e t w o r kt e l e c o n t r o ls y s t e mo fp o w e rs y s t e mm u s th a v et h e c a p a b i l i t yt os u p p o r tm u l t i p l ep r o t o c o l sa n dt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ， t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et e c h n o l o g yt o s u p p o r tm o r ep r o t o c o l sa n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nb a s e do ne t h e r n e t f i r s t l y , f a c i n gw i t he x i s t e n c eo fs e v e r a lt e l e c o n t r o lp r o t o c o l si nt h et e l e c o n t r o l s y s t e m ，o nt h eg u i d a n c eo ft h eo b j e c t o r i e n t e di d e aa n dt h ef o r m a l i z e dd e s c r i p t i o n m e t h o db a s e do ns e m a n t i ci n f o r m a t i o nm o d e lo ft h ei e c 618 5 0p r o t o c o l ，t h i st h e s i s p r e s e n t sag e n e r i ca p p r o a c ht oc o n v e r s ea l lt h et e l e c o n t r o lp r o t o c o l sb a s e do n s e m a n t i ci n f o r m a t i o nm o d e l t h er e s e a r c h e r d e s i g n s t h e p r o t o c o lg e n e r i c p r o c e s s i n gm o d u l eu s i n gt h ev i s u a lc + + i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s e c o n d l y , t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ea p p l i c a t i o no ft h ee t h e r n e ti np o w e r s y s t e m ，a n di m p l e m e n t st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nt c p i pa n d u d p i pp r o t o c o lu s i n gv i s u a lc + + i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to np c b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e de t h e r n e ti ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m h a sb e e ns t u d i e da n dan e wk i n do fi m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e de t h e r n e tb a s e do n h a r d w a r ep r o t o c o ls t a c ki s p r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c h e rd e s i g n st h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e a sar e s u l ts i m p l ee t h e r n e tp r o t o c o li s i m p l e m e n t e d a n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o v e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ea b o v e m e n t i o n e dw o r k ，t h er e s e a r c h e rd e s i g n sa p r o g r a mb a s e d o nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt o p r o c e s s a l l p r o t o c o l s ，a n d a c c o m p l i s h e st h ei n t e r f a c ed e s i g nw o r ko ft h es o f t w a r e k e yw o r d s ：t e l e c o n t r o lp r o t o c o l s ；o b j e c t o r i e n t e d ；p r o t o c o lg e n e r i cp r o c e s s ； x i n e t w o r k i n g ；t c p ( u d p ) i p ；e m b e d d e de t h e r n e t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 垒l 鹭 日 期： 逝5 墨竖仓f j 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弓弓趁导师签名妄幺乏沙司日期2 夕口莎f 、7 山峦太堂亟堂僮途空 第一章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 电网调度自动化是早期的电力系统远动系统在引入计算机以后扩充功能 而形成的一套辅助调度人员工作的自动化系统，是以数据采集和监控 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统为基础，包括自动发电 控制a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 、经济调度控制e d c ( e c o n o m i c d i s p a t c hc o n t r 0 1 ) 、电网静态安全分析p s s a ( p o w e rn e t w o r ks t a t i cs a f e t y a n a l y s i s ) 、调度员培训仿真d t s ( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t i o n ) 以及配电网自 动化d a ( d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka u t o m a t i o n ) 等几部分在内的能量管理系统 e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 。它收集、处理电网运行实时信息，通过人 机联系系统把电网运行状况集中而有选择地显示出来进行监控，并完成经济 调度和安全分析等功能。调度自动化系统一般由信息采集、信息传输、信息 处理与人机联系几个子系统所组成。调度自动化系统的主要设备有远动终端 r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 、通信设备及调度主机( 微机系统) 等。 我国电网调度自动化系统的发展大致经历了5 0 年代的萌芽期、6 0 年代的 试点期、7 0 年代的起步期、8 0 年代的大发展时期和9 0 年代的成熟期等几个 阶段。经过近半个世纪的发展，我国电网调度自动化有了长足的进步，无论 在理论上还是在实践上都取得了可喜的成就，为我国电力事业的发展尤其是 电力系统自动化的进程做出了重大贡献。电网调度自动化系统己名符其实地 成为现代电网安全稳定运行的三大支柱之一，同时也还不同程度地存在着一 些问题，有待于我们的进一步努力【1 1 。 远动系统是电网调度自动化系统的重要组成部分，在电网调度自动化系 统的发展过程中起着基础性的作用。远动系统是指对广阔地区的生产过程进 行监视和控制的系统，它包括对必需的过程信息的采集、处理、传输和显示、 执行等全部的功能和设备。构成远动系统的设备包括厂站端远动装置，调度 端远动装置和远动信道【引。 常规的远动系统能够独立完成远动信号的采集、处理、发送和接收，包 括遥测变送器、遥信转接柜、独立的远动终端装置( r 1 m ) 以及点对点的远动通 山盔太堂亟堂僮诠空 道等。随着发电厂和变电站端自动化水平的提高和国家电力数据网络 s p d n e t ( s t a t ep o w e rd a t an e t ) 的建设和发展，为了适应电力系统调度自动化系 统的发展要求，常规的远动系统将被融合计算机、保护、控制、网络、通信 等技术于一体的网络化的远动系统所代替，并终将打破现行的专业分工，引 起远动系统的一场革命【引。 规约的多样性始终是困扰用户的个难题。目前远动系统支持的规约主 要有c d t 、d n p 3 o 、i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 、s c l 8 0 1 、d l 4 7 6 、t a s e 2 等。各个系统之间数据通信时，当遇到双方规约不一致的情况时，就需要进 行规约转换。为了达到支持多种规约的目的，也需要进行不同规约之间的转 换。另外，在保持原有系统结构和设备不更新的情况下，如何将采用传统远 动规约的远动系统纳入新型网络化远动系统体系结构中，并使其与最新的国 际标准i e c 6 1 8 5 0 接轨，实现电力系统远动信息的网络化传输，也是一个值得 深入研究的课题。 远动系统采用网络通信模式传输远动信息可以提高通信容量，保证电网 运行的实时性、可靠性和准确性。例如，在进行电网安全分析时，需获得相 连的外部电网的实时信息，上下级电网调度之间需交换更多内容的信息等。 通过远动信息的网络传输，可使各相关主站同时共享厂站的实时信息，从根 本上解决困扰远动领域多年的远动信息一发多收和信息转发的问题，使电网 安全分析应用软件的运算数据基于同一时间断面，从而提高计算结果的准确 性【4 1 。为了保证电网特别是巨型电网的安全，厂站r t u 和变电站自动化系统 之间、不同变电站综合自动化系统之间、变电站综合自动化系统与上级调度 自动化系统主站之间以及不同调度自动化系统之间的信息交换将更多、更频 繁。远动系统采用网络通信模式通信己成为未来的发展趋势。 电力信息传输系统的发展要适应电网调度自动化的发展要求，要适应远 动系统向网络化发展的要求。电力信息传输系统未来的发展趋势必然是标准 化和网络化。电力信息传输系统在网络化的远动系统中扮演着非常重要的角 色。网络化的远动系统要求具备支持多种规约和支持网络通信模式的能力。 针对目前电力信息传输系统存在的问题和未来的发展趋势，结合电力系统信 息传输系统的现状，本文重点研究了规约转换技术和基于以太网的网络通信 技术在远动系统中的应用。论文的第一部分着重研究规约转换技术，试图寻 2 山峦太堂亟堂焦诠玄 一一 求一种通用的规约转换方法，对传统规约进行方便通用的转换。第二部分重 点研究以太网在网络化的远动系统中的应用。这两项技术的研究既有现实意 义，又有一定的前瞻性。 1 2 电力系统远动通信规约 1 2 1 远动规约的概念 在计算机通信中，为了使通信的双方能f 确接收对方送来的数字信号， 并理解对方送来的数字信号所代表的含义，通信的双方之间应该有一系列的 约定。这些约定就是传输控制规程或通信控制规程，在计算机网络术语中称 为通信协议。同样在电力远动系统中，为了正确地传送和接收信息，必须有 一套关于信息传输顺序、信息格式和信息内容的约定，这一套约定称为远动 规约或远动协议( p r o t o c 0 1 ) 【2 1 。 按通信传输模式的不同，远动规约大致可以分为以下两种： 1 ) 循环式远动规约( c d t 规约) ，其特点是以r t u 为主动方，循环不断地向调 度端发送遥测、遥信等远动数据。 2 ) 问答式远动规约( p o l l i n g 规约) ，其特点是以调度端为主动方，r t u 按照调 度端的要求发送数据，调度端可以按需要指定r t u 发送某一帧或某种类型 的远动数据。 1 2 2 电力系统远动规约的发展历史 改革开放以前，我国电力系统几乎全部采用循环式远动传输规约c d t 作 为行业标准。原电力工业部颁布的循环式远动规约是典型的循环式传送 的远动规约。它是总结我国电网数据采集监控系统在规约方面的多年经验， 为满足我国电网调度安全监控系统对远动信息实时性、可靠性的要求而制定、 在国产电网调度自动化系统中应用最广泛的一种规约【5 j 。 近几年随着我国参与i e c 国际标准的讨论与制订，又引进了i e c 6 0 8 7 0 5 系列远动规约。i e c 6 0 8 7 0 5 系列远动规约是由总部设在瑞士日内瓦、由多个 成员国组成的国际性组织国际电工委员会0 e c ) 铕j j 定的“遥控设备和系统第五 部分通信规约”系列【6 j 。其中的i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 用于常规远动( 已被我国确定 为非等同采用的电力行业标准、l ，是一种典型的问答式远动规约【7 1 。 3 一山峦太堂亟堂僮论玄 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 用于电能计量信息的接入【8 】。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 用作继电保护设 备信息接口配套标准( 己被我国等同采用为电力行业标准) 【9 1 。欧美一些国家调 度主站与变电站r t u 的通信己逐步采用以太网。为此，国际电工委员会( i e c ) 第5 7 技术委员会( t c 5 7 ) 的第3 工作组( w g 0 3 ) 于1 9 9 8 年8 月制定了 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 标准。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 实际上是将i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 用在 t c p i p 网络协议之上。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约的名称为“用标准传送文件集的 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 网络访问 ( n e t w o r ka c c e s sf o ri e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1u s i n gs t a n d a r d t r a n s p o r tp r o f i l e s ) 。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约本身是国际电工委员会( i e c ) 为了满足 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动通信规约用于以太网实现而制定的。其网络层协议为 t c p i p 协议，应用层协议采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 规约的应用服务数据单元( a s d u ) 的定义。为了保证应用层a s d u 的通信可靠性，包装了应用服务控制接口 ( a p c i ) 传输接口，规定了应答和重发机制( 引用r t u t x 2 5 标准) 【1 。 2 0 0 0 年国际电工委员会制定了与i s o 标准和u t 协议兼容的远动协议 i e c 6 0 8 7 0 6 系列标准。该系列标准是一套用于电力系统控制的计算机通信协 议体系【1 1 】。其中远动应用服务元素协议( t a s e 2 ，亦称控制中心间通信协议 i c c p ) n - - j 使一个电网控制中心与同一企业的其它电网控制中心、其它电力企 业、联营电网、区域控制中心、独立发电厂等通过广域暖j ( w m , o 进行数据交 换。交换的信息由电力系统监视和控制用的实时数据和历史数据组成，包括 测量数据、计划数据、电能量结算数据以及操作消息。该交换在控制中心的 s c a d 觚m s 主机与其它控制中心主机之间进行，交换通常要经过一个或多 个介于其间的通信处理器【1 2 】。 随着变电站自动化的快速发展，急需制订相应的国际标准，国际电工委 员会( i e c ) 第5 7 委员会( t c 5 7 ) 为此成立了3 个工作组负责制定i e c6 1 8 5 0 系列 标准，第1 0 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求，第 1 1 工作组负责站级数据通信协议的定义，第1 2 工作组负责控制柜级数据通信 协议的定义。模型都是基于i s 0 9 5 0 6m m s 的，而且变电站的数据通信总线可 以直接访问控制中心，不需要另加网关，是一种将变电站内数据通信协议与 广域网协议组合在一起的体系结构。该标准为基于通用网络通信平台的变电 站自动化系统唯一国际标准1 1 引。 i e c 6 1 9 7 0 协议起源于美国电力研究协会( e r p i ) 的控制中心应用程序接口 4 山苤太堂亟堂僮i 金空 ( c c a p i ) 项目，其主要目标是为e m s 系统中不同厂商的应用功能之白j ，或不 同的e m s 系统之间，或e m s 系统与电力行业其他应用系统之间的数据交换 和应用集成提供便利，允许多个厂家的应用能够在一个e m s 环境中运行，支 持大范围的电力系统应用，允许长期的扩展和更新。i e c6 1 9 7 0 协议的两大支 柱是公共信息模型( c i m ) 和组件接口规范( c i s ) 。c i m 信息模型定义了信息交换 内容的语义，组件接口规范( c l s ) 规定了信息交换的语法。c i m 是整个6 1 9 7 0 协议框架的基础和核心。在国际电工委员会中，t c 5 7w g l 3 ( e m s - - a p i 工作 组) 具体协调i e c6 1 9 7 0 标准的提出、讨论、审阅、投票、颁布等事宜。目前 i e c 6 1 9 7 0 协议族尚在进一步完善与发展中【1 4 】。 1 2 3 电力系统远动规约体系及发展趋势 远动通信协议、计算机数据通信协议、变电站数据通信协议各有其适用 范围、也可以交叉使用。当前电力系统数据通信体系概貌，如图1 1 【1 2 j 所示。 由图可见i e ct c 5 7 制定的许多通信协议中，远距离传输信息的协议有： i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ，i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 。通过网络传输信息的协议有： i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ，i e c 6 0 8 7 0 6t a s e l 厂r a s e 2 。变电站内的协议有： i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ，i e c 6 1 8 5 0 7 。这些协议不能兼容或者不能完全兼容。每一种 通信规约都有其适用范围。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 4 ，i e c 6 0 8 7 0 6 t a s e l 肛a s e 2 等规约用于控制中心和控制中心以及变电站到控制中心之间的 通信。i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 ，i e c 6 1 8 5 0 7 用于现场装置到变电站以及变电站内部 的通信。 控 制 由 心 i e c 6 0 8 7 0 6 t a s e l t a s e 2 i e c 6 0 8 7 0 - 5 1 0 1 1 0 2 1 0 4 控制中心 图1 1 当前电力系统数据通信体系概貌 未来远动规约的发展趋势是以i e c 6 1 8 5 0 标准作为电力系统无缝通信系统 体系标准的基础，实现将来的统一传输协议【1 5 1 。i e ct c 5 7 已制定了一系列的 通信规约，涉及到整个电力系统数据通信领域，包括智能电子设备 i e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ) 与电力元件、子站与控制主站、不同控制主 5 盖 山峦太堂亟堂僮论室 一一 站间以及控制主站内部之问通信等，且可以通过i e c 6 1 8 5 0 和i e c 6 0 8 7 0 6 t a s e 2 规约形成电力系统无缝通信系统，而不需增添通信网关设备，使得整 个数据通信系统获得更好的实时性、可操作性和扩展性。具体结构如图1 2 所 示。 图1 2 电力系统无缝通信体系结构 1 2 4 远动规约多样性的影响及对策 如前所述，目前电力系统使用的远动规约多种多样，使用时需要进行规 约转换。所以，无论是国际电工委员会，还是我国，都十分重视电力系统远 动规约的标准化问题【1 6 】。2 0 0 0 年6 月，i e ct c 5 7s p a g 会议决定以i e c 6 1 8 5 0 标准作为制定电力系统无缝通信系统体系标准的基础，实现将来的统一传输 协议1 1 5 】。但是我们也要清楚的认识到，统一的过程将是一个相当长的过程。 首先，电力设备的投资是一个巨大的数目，已经在运行的设备不会仅仅为了 跟踪新的技术或标准，就退出运行而采用新的设备。其次，新的标准从理论 上成熟，到变成真正的产品投入使用，本身也需要一个相当长的过程。在这 个过程中，仍然会有一定数量的规约同时存在，不同规约的解释和转换是不 可避免的工作。因此，规约转换是现阶段解决规约多样性问题的基本方法， 为了支持电力系统的多规约通信，必须在系统中引入规约转换机制。 本文根据面向对象的思想，借鉴i e c 6 1 8 5 0 语义信息模型的形式化描述方 法，提出了基于语义信息模型的规约通用处理方法，可以较好地提高电力通 信软件的通用性和电网数据的互操作性，能够达到支持多种规约的目的。能 6 山盔太堂亟堂僮诠室 够适应电力信息传输系统的发展要求，保护了电力系统的现有投资。 1 3 以太网技术在电力系统中的应用及前景 1 3 1 以太网技术简介 以太n ( e t h e m e t ) 是目前应用最为广泛的基带总线局域网。以太网的核心 技术是它的随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路 访i h ( c s m a c d ) 的介质访问控制技术。在以太网中，任何联网节点的发送都 是随机的，网中不存在集中控制的节点，网中的结点平等的争用发送时间， 这种介质访问控制属于随机争用型方式。每个节点利用总线发送数据时，首 先要侦听总线的忙、闲状态，如果发送数据的过程中检测出冲突，为了解决 信道争用冲突，结点停止发送数据，随机延迟后重发【1 7 】。 1 3 2 以太网技术在电力系统中的应用及前景 随着计算机网络技术在电力系统中的应用，调度中心一般采用局域网， 并较多使用配置在以太网上的局域网。在基于局域网的s c a d a 系统中，一般 需要配置前置机工作站、调度工作站、和远动工作站。另外在局域网上也可 以增加一些微机工作站，提供给局长办公室、总工办公室使用，主要用来监 视电网实时运行情况，它可以显示实时画面、提供告警信息等。 以太网技术在厂站端的应用主要是在变电站综合自动化系统中的应用。 变电站综合自动化系统在通信技术的推动下发展成为典型的分层分布式结 构。该结构一般分为3 层：变电站层、间隔层和过程层。其中，过程层包含 变电站内的生产过程设施，如变压器、断路器及其辅助接点、电流和电压互 感器等，主要负责现场数据采集、提供i o 接口等；间隔层包含测量和控制 单元，负责该单元线路或变压器的参数测量和监控以及断路器的控制等。变 电站层包含全站性的监控主机，通信及控制主机，实现管理等功能的工程师 站。随着计算机技术和通信技术的发展，尤其是网络技术的应用，以太网技 术正被引入变电站自动化系统过程层的采集、测量单元和问隔层保护、控制 单元中。在基于i e c 6 1 8 5 0 体系的变电站自动化系统设计中，过程层与间隔层、 间隔层与变电站层之间的通信方式全部采用标准以太网方式( t c p i p ) ，取代了 当前自动化系统中的各种现场总线( 如l o n w o r k s 、c a n 、p r o f i b u s 、s m i 及r s 7 山苤太堂亟堂僮诠玄 一一 4 8 5 总线等1 ，构成基于网络控制的分布式变电站自动化系统。 基于以太网的变电站自动化系统相对于传统自动化系统有诸多优剧1 8 1 ： 1 ) 通信速率快。以太网的数据传输速度很快，一般采用1 0 0 m b i t s 的网速， 而r s 4 8 5 瓜s 2 3 2 的通信速率只有几十k b 每秒，即便在现场总线网络系 统中，最高速率也只有几m b 每秒。 2 ) 全双工通信。对于各个结点之间的连接相当于点对点方式，通信管理机可 同时接收所有节点的信息，也可同时向所有的间隔设备发送信息，所有信 息的采集和装置的控制可在很短的时间内完成。采用合适的通信规约，如 采用主动上送与查询相结合的方式，就可减少网络的数据流量，减轻网络 负担。 3 ) 网络结构简单。所有的设备连接在同一条数据线上，拓扑结构简单。 4 ) 网络设备通用。标准统一，价格便宜，软、硬件维护工作量少。 5 ) 基于以太网的变电站自动化技术，使得基于w e b 技术的远程维护成为可 能。这包括两种情况：第一，可通过网络远程访问w e b 服务器，了解本 站的实时运行情况；第二，可通过网络访问每台间隔层设备，利用通用浏 览器实时监视数据、观察保护动作记录及故障录波信息等。 总之，在变电站自动化系统中采用以太网通信技术是大势所趋，是通信 技术在电力系统领域应用和发展的必然趋势。 1 3 3 嵌入式以太网的应用 嵌入式技术是随着计算机技术的飞速发展于近几年出现在工业控制领域 的一种新技术，利用嵌入式的软硬件在单片机系统上实现以太网技术，即为 嵌入式以太网。嵌入式以太网基于微处理器的软硬件环境，与传统的基于p c 机或工作站软硬件环境的以太网一样都遵循i e e e 8 0 2 3 标准，它使用的网络协 议族( 如t c p i p ) 内嵌在高效实时多任务调度和中断管理的实时操作系统 r t o s 之中或通过专门的芯片实现。 变电站自动化系统中的智能电子设备( i e d ) 能与以太网连接的关键是将嵌 入式以太网芯片集成在变电站间隔层l e d 的c p u 处理模板或通信处理模板 上，即在智能电子设备中加入嵌入式以太网接口电路1 1 9 】。嵌入式以太网的应 用是变电站通信网络化的关键。 8 山苤太堂亟堂僮途空 1 4 本文的主要工作及论文安排 1 4 1 本文的主要工作 在阅读大量文献和调研的基础上，本文所做的工作主要有： 1 、) 系统学习了w i n d o w s 环境下的面向对象编程技术和c d t 、 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 、i e c 6 1 8 5 0 等几种常见的远动规约，研究了 电力系统远动通信规约的特点和发展方向。针对目前远动规约种类多样的 现状，根据面向对象的思想，借鉴i e c 6 1 8 5 0 规约语义信息模型的形式化 描述方法，提出了基于语义信息模型的规约通用处理方法。并利用模块化 软件设计方法，使用v i s u a lc + + 集成开发环境完成了规约描述文件编辑软 件的编码和调试工作。 深入钻研了以太网技术和计算机网络通信的有关知识，研究了以太网技术 在电力系统中的应用，在p c 机上使用v i s u a lc + + 集成开发环境实现了基 于t c p i p 和u d p i p 协议的网络通信模块。 3 ) 学习了d s p 集成开发环境c c s 2 0 0 0 的使用方法，研究了嵌入式以太网在 变电站自动化系统中的应用，提出了一种基于硬件协议栈芯片和双d s p 的嵌入式以太网接口的实现方法。设计了硬件电路，使用c c s 2 0 0 0 集成 开发环境完成了嵌入式以太网接口的通信控制程序编写工作。 4 ) 在上述工作的基础上，给出了基于网络通信技术的规约通用处理模块的设 计思路，完成了界面设计工作。 1 4 2 论文的安排 本论文安排如下： 1 ) 第一章：绪论。简单论述课题的现状、发展情况、面临的问题和解决方法， 介绍本文完成的工作和论文的结构。 2 ) 第二章：常见远动规约介绍。详细介绍了c d t ，i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 和 i e c 6 1 8 5 0 规约采用的数据传输方法、帧结构以及编码特点等。剖析了i e c 6 1 8 5 0 规约的实现机理和主要特点，为后续章节的研究打下了基础。 3 、) 第三章：规约转换技术的研究。总结了现有的规约转换方法，研究了电力 系统远动通信规约的特点和发展方向。提出了基于语义信息模型的规约通 用处理方法，使用v i s u a lc + + 集成开发环境完成了规约描述文件编辑软家 o 山苤太堂亟堂僮i 金玄 的编码和调试工作。 4 1 第四章：基于以太网的网络通信技术在电力系统中的应用。研究了以太网 技术在电力系统中的应用，在p c 机上使用v i s u a lc + + 集成开发环境实现 了基于t c p i p 和u d p i p 协议的网络通信模块。提出了一种基于硬件协议 栈芯片和双d s p 的嵌入式以太网接口的实现方法，设计了硬件电路，编 写了通信软件。结合第三章的工作，给出了基于网络通信技术的规约通用 处理模块的设计思路，完成了界面设计工作。 5 ) 第五章：全文的总结和展望。 1 0 山苤太堂亟堂僮诠玄 第二章常见远动通信规约介绍 本章介绍循环式远动规约c d t 、问答式远动规约i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 以及最 新的1 e c 6 1 8 5 0 规约。 2 1 两种不同传输模式的规约比较 2 1 1 循环式远动规约 发送站按规定的顺序，周期性地主动将远动信息送给主站。这种循环传 输模式不需要主站干预。传输信息时只需使用单向信道。当传输过程中某些 数据出现差错时，由于是循环传送，因而可用下一循环的数据来补救。 循环传输模式的传输时延与传送的波特率以及一个循环中传送的远动字 数有关。传送字数越多，传送时延就越长。此外，这种传输模式不论情况如 何，即使用户数据毫无变化，也照样不断地循环向主站发送数据，因此在正 常的情况下，信道的利用率不高。 2 1 2 问答式远动规约 问答式传输模式是主站作为发动通信的一方，由它向被控方发送请求传 送的命令。被控站则按主站的请求来组织、发送有关信息。这种传输模式通 常以问答的方式进行通信。 在问答传输模式中，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要 求发送某些类型的信息等，工作方式灵活。问答式传输模式需要双向通信， 因此需要双工信道。问答式远动通常由一个主站逐一轮询各个子站，如此循 环不停。循环一周需要一定的时间。如果被控站有事件发生，但由于传送信 息的主动权在主站，因而被控站一时难以将信息立即发送给主站。为了使主 站即时掌握各子站是否有事件发生，应采取辅助措施，例如在子站给主站的 回答信息中附加标志，表明有无紧急情况请求发送，或者在主站查询完一个 子站后，就询问各个子站是否有紧急情况要发送等。 2 2 循环式远动规约c d t 简介 1 9 9 1 年我国原电力工业部颁布的循环式远动规约( c d t 规约) 是典型 一 山峦太堂亟堂僮论空 的循环式规约。它是总结我国电网数据采集和监控系统在规约方面的多年经 验，为满足我国电网调度安全监控系统对远动信息实时性、可靠性的要求而 制定在国产电网调度自动化系统中应用最广泛的一种规约。 本规约适用于点对点的远动通道结构及以循环字节同步方式传送远动信 息的远动设备和系统，采用可变帧长度、多种帧类别循环传送，变位遥信优 先传送，重要遥测量更新循环时间较短，区分循环量、随机量和插入量采用 不同形式传送信息，以满足电网调度安全监控系统对远动信息的实时性和可 靠性的要求。信息按其重要性有不同的优先级和循环时问。本规约每帧都以 同步字开头，并有控制字，随后是信息字。信息字的数量依据实际需要设定， 帧长度可变。向通道发送二进制码规则：低字节先送，高字节后送；字节内 低位先送，高位后送。本规约采用c r c 校验，控制字和信息字的末字节分别 是对其前5 个字节的校验码。本规约定义了遥信、遥测、遥控、遥调、对时、 复归、广播、传送电能脉冲计数值和事件顺序记录、子站工作状态等等基本 的远动传输功能【5 j 。 2 2 1 帧结构 循环式远动规约的帧结构如图2 1 所示。每帧都以同步字开头，并有控制 字。除了少数帧外每帧均应有信息字。信息字的数量根据实际需要设定，帧 长度可变。 图2 1 循环式远动规约的帧结构 同步字按通道传送顺序为3 组e b 9 0 h ，6 个字节。控制字是对本帧信息 的说明，共6 个字节，如图2 2 所示。 1 2 控制字节 帧类别 信息字数n 源地址 同的地址 校验码 图2 2 循环式远动规约的帧结构的控制字和控制字节 山苤太堂亟堂僮i 金空 2 2 2 帧类别 2 2 3 校验码 定义 帧类别代号 上 t e = 0下 y e = i 6 1 h 重要遥测 遥控选择 c 2 h次要遥测 遥控执行 b 3 h一般遥测 遥控撤销 f 4 h 遥信状态 升降选择 8 5 h 电能脉冲计数值 升降执行 2 6 h 事件顺序记录 升降选择 5 7 h 设定命令 7 a h 设置时钟 0 b h 设置时钟校正值 4 c h 召唤子站时钟 3 d h 复归命令 9 e h 广播命令 表格2 1 循环式远动规约的帧类别 控制字和信息字都是6 个字节的( 4 8 ，4 0 ) 码，采用循环冗余校验( c r c ) ， 生成多项式g ( x ) = x 8 + x 2 + x + 1 ，陪集码为f f h 。 2 2 4 信息字结构 每个信息字由6 个字节组成，如图2 3 所示。为了区分信息的不同用途， 设有一个字节的功能码。 功能码 信息数据 信息数据 信息数据 信息数据 信息数据 校验码 图2 3 信息字通用格式 2 2 5 帧系列和信息字的传送顺序 帧系列和信息字的传送顺序只要满足规定的循环时间和优先级的要求， 可以任意组织。帧系列采用下列三种方式传送： 1 ) 固定循环传送，用于传送a 、b 、c 、d 1 、d 2 帧。 2 ) 帧插入传送，用于传送e 帧。s o e 可能连续出现，当轮到送e 帧时，用 软件指针定好发送界限，后续出现的下一次再送。 1 3 山苤太堂亟堂僮论玄 3 1 信息字随机插入传送，用于传送下列三种信息：a 对时的子站时钟返回信 息；b 变位遥信；c 遥控、升降命令的返校信息。 2 3i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约简介 本规约规定了电网数据采集和监视控制系统( s c a d a ) 中主站和子站( 远动 终端) 问以问答方式进行数据传输的帧格式、链路层的传输规则、服务原语、 应用数据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。适用于电网数据采集 和监视控制系统以及调度所间以问答式规约转发实时远动信息的系统。适用 于网络拓扑结构为点对点、多个点对点、多点共线、多点环形和多点星形网 络配置的远动系统中。通道可以是双工或半双工。 本规约采用f t l 2 帧格式，其中又分为可变帧长和固定帧长。具体的帧格 式在i e c 6 0 8 7 0 5 传输帧格式中有介绍，属于国际通用格式，后文还将详细说 明，在此不多介绍。在点对点和多个点对点的全双工通道结构中采用了子站 事件启动触发传输，此种传输方式属于平衡式传输。即当发生遥信变位时， 子站能主动触发传输服务，将事件报告给主站。对于多点共线、多点环形和 多点星形网络配置的非平衡式的远动系统，可以采用快速一校验一过程的事 件收集以加快非平衡通信系统的事件收集。对超过了应用服务数据单元最大 长度的信息体，就需要文件传输功能，在这种情况下，信息体按段的形式传 送到目的地。文件结构在两个方问上完个相同，文件可以分成许多节，可以 分成许多段，段按顺序传送用。 2 3 1i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的帧格式 1 4 固定帧长帧格式如表2 2 所示： 启动字符( 1 0 h ) 控制域( c ) 链路地址域( a ) 帧校验和( c s ) 结束字符0 6 h ) 表格2 2 固定帧长格式 可变帧长帧格式如表2 3 所示： 山苤太堂亟堂僮诠室 启动宁符( 6 8 h ) 长度( l ) 长度重复( l ) 启动字符( 6 8 h ) 控制域( c ) 链路地址域( a ) 链路用户数据 帧校验矛n ( c s ) 结束宁符( 1 6 h ) 表格2 3 可变帧长格式 2 3 2i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的链路传输规则 本标准的第3 章至第7 章规定了窗口尺寸为1 的非平衡方式传输的链路 传输规则，适用各种网络配置( 包括点对点、多个点对点) 。对于点对点和多个 点对点，增加了第8 章的子站事件启动触发传输的内容。所谓窗口尺寸为1 ， 即主站向子站触发一次传输服务，或者成功地完成或者报告产生差错之后才 能开始下一轮的传输服务。对于发送确认( s e n d c o n f i r m ) 和请求响应 ( r e q u e s t r e s p o n d ) 传输服务在传输过程中受到干扰，用等待一超时一重 发或等待一超时方式发送下一帧【7 1 。发送确认和请求响应这两种服务由一系 列在请求站和响应站间不可分割的对话要素组成，本标准内采用的链路服务 级别为3 级，如图2 4 所示。 链路服务级别 功能用途 s 1 发送无回答主站向子站发送广播报文 主站向子站设置参数和发送 s 2 发送确认 各种命令 土站向于站召唤数据，子站 s 3 请求响应 以数据或事件数据回答 图2 4i e c 6 0 8 7 0 5 - 10 1 规约的链路服务级别 2 3 3i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 规约的控制域和地址域 控制域的定义如表2 4 所示。 d i rp r mf c b a c df c v 厂d f c 功能码 d 7d 6d 5d 4 d 3 d o 表格2 4 控制域的定义 控制域各位的说明： d i r ：传输方向位。d i r = o ：表