基于TCP/IP的IEC60870-5-104远动规约在风电场中的设计与应用

摘要

社会经济的高速发展、能源消耗的日益增加、生存环境的不断恶化，人类社会的可持续发展面临严峻挑战，发展、利用新能源是解决该挑战最有效的途径之一。风能是最有潜力的绿色新能源，风力发电技术的发展带动风电场的快速建设，随着风电场规模的不断扩大及分期扩建，多机型风电场变得越来越普遍。 当前我国各风电场装备的风电机组都配有相应的远程监控系统，但系统的通讯方式互不兼容，给风电场的运行管理造成困难，因此我国制定相应远动通信规约IEC60870-5-104规范风电机组控制系统。论文以最新的资料和数据介绍了该规约在国内外的发展状况。 综合分析了风电场监控系统的结构，通过对不同的通讯方式进行比较，确定了就地监控系统与远动子站之间采用异步串行RS-485通讯接口、远动子站与调度主站之间采用基于TCP/IP以太网的IEC60870-5-104远动规约。总结了风电场监控系统的功能、基本要求及特点。 基于以太网技术和TCP/IP技术，研究了IEC60870-5-104规约在风电场中的应用。分析了IEC60870-5-104规约的报文结构、如何在风电场实现变电站端与调度主站端之间的TCP/IP连接与数据传输、调度主站端如何对远动子站端下达控制命令并对其进行远动控制。IEC60870-5-104规约不仅适用于调度主站与变电站综合自动化系统或调度主站与远动子站RTU之间基于以太网的数据传输，同时也适用于变电站内部的数据网络传输。 分析了风电场变电站的三种不同种类的数据流，即周期性数据流、随机性数据流和突发性数据流，分别针对其自身的特点进行建模分析。得出了报文传输的流程，即报文从一端传输到另一端所经历的四个阶段。在这四个阶段中所产生的时延，构成网络端对端的时延。 通过设置不同的网络仿真环境和仿真参数，应用网络仿真工具OPNET对IEC60870-5-104规约进行了建模、仿真。仿真结果表明不同的规约层对通讯都有时延影响，特别是高层规约的封装和拆封开销。分析并得出了影响规约性能的主要因素为网络背景流量、节点处理能力等等，并提出了解决措施。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1我国能源的现状

1.2风力发电的现状与发展趋势

1.2.1国外风力发电现状

1.2.2国内风力发电现状

1.3 IEC60870-5-104规约的研究现状

1.4本研究课题的背景及来源

1.5本论文的主要研究内容

第二章风电场远程监控系统

2.1风电场远程监控系统结构

2.2监控系统的通讯方式

2.2.1通讯方式的比较

2.2.2通讯方式的选择

2.3监控系统功能

2.4监控系统的基本要求与特点

2.5本章小结

第三章IEC104规约的分析与实现

3.1 IEC104规约

3.1.1 IEC104的规约结构

3.1.2 IEC104规约的报文结构

3.2 IEC104规约的通信链路实现

3.3 IEC104规约传输控制的实现

3.3.1应用规约控制信息(APCI)的基本结构

3.3.2变电场变电站端与调度端之间TCP/IP连接的实现

3.3.3 APCI对象的实现

3.3.4发送序列号和接收序列号的实现

3.3.5 IEC104规约规定的四个超时时间的实现

3.4 IEC104规约数据传输的实现

3.4.1应用服务数据单元(ASDU)的基本结构

3.4.2风电场变电站端与调度端之间的数据传输

3.4.3 ASDU对象的实现

3.5本章小结

第四章IEC104规约的实时性能分析

4.1变电站数据流分析

4.2 IEC104报文传输的过程延时分析

4.2.1报文传输流程

4.2.2端对端时延构成

4.2.3时延特性分析

4.3本章小结

第五章IEC104规约应用的建模仿真与结果分析

5.1 OPNET仿真软件

5.1.1 OPNET软件

5.1.2 OPNET仿真流程

5.1.3 OPNET应用于IEC104性能研究

5.2底层网络通信建模

5.2.1网络拓扑结构建模

5.2.2节点建模

5.2.3统计参数的搜集

5.2.4仿真结果分析

5.3基于TCP/IP的变电站数据通信建模

5.3.1网络拓扑结构建模

5.3.2节点建模

5.3.3仿真结果分析

5.4基于IEC104规约应用层建模

5.4.1 IEC104进程建模

5.4.2 IEC104规约对应节点建模

5.4.3 APDU包格式模型建模

5.4.4支持包的格式

5.5仿真结果分析

5.6改善IEC104实时性能的措施

5.7本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢