基于IEC61850的变电站网络通信及装置的研究

摘要

随着变电站自动化、通信和微电子等技术的快速发展，在变电站自动化系统领域出现了大量基于微处理器/控制器的智能电子设备，变电站自动化的水平在不断提高，系统集成成为趋势。在这一发展过程中，互操作性差已经开始成为“瓶颈”问题，即不同厂商或同一厂商在不同时期的智能电子设备采用的网络和通信协议可能不相同，使得智能电子设备之间需要协议转换才能集成到一个变电站系统，从而增加了系统的成本和复杂性，影响了系统的实时性和可靠性。为了解决这个问题并适应将来快速更新的计算机和通信技术，国际电工委员会于2005年正式颁布了关于变电站自动化网络通信的国际标准IEC61850。本文围绕基于IEC61850的变电站网络通信和符合该标准的智能电子设备网络通信装置的实现展开研究，分为IEC61850标准的体系分析和具体模型的构建、基于IEC61850的通信网络的特征及规划、变电站通信网络数据流建模及网络通信性能仿真、符合该标准的智能电子设备网络通信装置的设计几部分。 IEC61850是一套完备的、面向未来的变电站通信网络与系统标准，本文首先介绍了其制定背景、结构体系和主要内容，分析了信息模型的内涵、技术特征和建模方法，并针对变电站中最为重要的两类模型--采样值报文传输模型和通用变电站事件传输模型进行了具体的模型构建和通信映射。 实现IEC61850通信的物理承载是以太网，本文首先通过对以太网的技术特征进行分析，得出其通信特性，然后研究和分析了变电站通信网络对环境、规模、安全性、可靠性和实时性等要求，其中对网络传输延时的特性进行了深入研究。在上述分析的基础上，对变电站通信网络进行了规划和构建，提出了使用适用的网络拓扑、报文加入优先级标签、采用基于多VLAN的节点分布规划和网络冗余等提高实时性和可靠性的改进措施。 区别于传统的以太网通信，变电站通信网络中存在多种数据流，是要进行特殊处理的。本文首先对基于IEC61850的变电站通信网络的数据流进行分析并划分类别，根据其特性建立了数学模型。然后归纳了网络模拟的一些技术和方法，并通过基于NS-2的网络模拟技术对变电站通信网络的性能进行了动态模拟，得出了相关的网络性能指标。模拟结果证明了使用交换式以太网、报文引入优先级标签和采用基于多VLAN的节点分布规划等提高实时性措施的正确性，有利于变电站的网络规划和建设以及智能电子设备通信装置的设计。 从现代电力系统的信号源开始，首先分析了电子式互感器数字接口的要求并建立数学模型，然后采用模块化的思想设计出相应的具体软/硬件，实现了基于IEC61850的电子式互感器数字接口的通信装置样机。在此基础上将此装置经过扩展和修改用于其他的智能电子设备的网络通信，使其具有广泛使用性和兼容性。最后设计了试验环境，通过测试验证了该样机的通信性能满足要求并具有较高的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2问题的提出和选题的意义

1.2.1变电站自动化系统

1.2.2智能电子设备

1.2.3变电站通信网络

1.2.4IEC61850标准

1.3基于IEC61850的变电站网络通信的研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4论文的主要研究内容

2基于IEC61850的变电站数据通信模型研究

2.1 引言

2.2 IEC61850的制订背景以及内容概述

2.2.1 IEC61850的制订背景

2.2.2 IEC61850的内容概述

2.3 IEC61850的内涵及特征分析

2.3.1 IEC61850的内涵分析

2.3.2 IEC61850的标准特征

2.4面向对象的通信模型构建

2.4.1基于IEC61850的面向对象建模内涵及方法

2.4.2采样值传输模型

2.4.3通用变电站事件模型

2.5本章小结

3基于IEC61850的变电站通信网络研究

3.1引言

3.2以太网技术及其改进

3.2.1以太网技术概述

3.2.2以太网技术特点

3.2.3变电站通信网络的特征要求

3.2.4实时性改进措施

3.3变电站通信网络的时延不确定性研究

3.3.1报文传输流程

3.3.2报文传输时延的构成

3.3.3时延不确定性分析

3.4变电站通信网络规划和构建

3.4.1网络拓扑选择

3.4.2组网方式

3.4.3基于多VLAN的节点分布规划

3.4.4基于优先级标签的报文传输方法

3.4.5网络冗余

3.5本章小结

4变电站通信网络性能仿真

4.1引言

4.2变电站通信网络数据流的分析与建模

4.2.1变电站通信网络数据流分析

4.2.2变电站通信网络数据流建模

4.3变电站通信网络性能分析方法研究

4.3.1通信网络性能分析的方法

4.3.2基于NS-2的网络模拟技术

4.4变电站通信网络性能仿真分析

4.4.1仿真模型

4.4.2实时性改进方案的仿真及结果分析

4.4.3变电站网络通信仿真及结果分析

4.5本章小结

5基于IEC61850的变电站IED通信装置的实现

5.1引言

5.2电子式互感器数字接口设计

5.2.1电子式互感器数字接口要求和数学模型

5.2.2模块化的结构体系

5.2.3嵌入式以太网技术

5.2.4网络冗余设计

5.3硬件设计

5.3.1主板及电源模块

5.3.2互感器二次转换器模块和光纤接口模块

5.3.3合并单元、同步时钟处理和系统调度模块

5.3.4网络通信模块

5.3.5其他模块

5.4软件设计

5.4.1 DSP程序设计

5.4.2 FPGA程序设计

5.4.3 MSP430单片机程序设计

5.4.4上位机软件设计

5.5修改装置用于其它IED的网络通信

5.6通信装置的性能测试

5.7本章小结

结 论

创新点摘要

参考文献

致 谢