变电站智能电子设备互操作及其交互性分析的研究

摘要

智能电子设备(IED)的互操作是实现智能变电站的重要基础。目前，变电站内IED间的互操作存在以下问题:(1)变电站内一些采用私有协议的IED无法接入IEC61850系统以实现数据通信互操作;(2)多IED的功能互操作中交互结构设计的逻辑是否合理、交互实时性是否满足应用需求、交互过程中是否存在可靠性薄弱环节等问题的分析方法有待研究。为此，本文针对上述问题开展了研究。
　　为解决变电站内私有协议IED的数据通信互操作问题，在研究私有协议及Modbus-TCP协议成分特点的基础上，提出了二者间的映射关系及协议间的转换方法。设计了较大波形数据与Modbus-TCP文件间的“多对一”映射方法。通过实例对所提方法进行了验证，结果表明:私有协议IED可通过本文方法接入I0接口，从而接入IEC61850系统实现数据通信互操作。
　　为了对多IED交互结构的逻辑合理性进行验证，提出了基于行为树(BT)的多IED交互过程建模与可达性分析方法。首先，在给出一种新的BT模型的基础上，提出了行为、装置和系统的BT建模方法。其次，给出了BT模型与通信顺序进程(CSP)模型的映射方法，并给出了采用过程分析工具(PAT)对可达性进行验证的方法。最后，验证了实例系统中典型功能的可达性，结果表明，本文方法能为功能互操作中多IED的交互逻辑设计提供指导。
　　为了计算IED交互结构中各项功能的理论完成时间并进行超时分析，提出了基于BT的多IED交互实时性建模与分析方法。将实时系统模型中的延时、超时和并发等概念引入BT模型中，形成新的时间BT模型。采用该模型完成了固定网络延时下的交互过程建模、时间计算和超时分析。给出了基于BT的广域网络延时模型，完成了广域后备保护系统的建模与仿真，完成了对特定IED在交互过程中是否满足分布式任务的实时性要求的验证。结果表明，本文方法能为功能互操作中多IED的交互实时性设计提供指导。
　　为了对多IED动态交互可靠性进行定量评估并找出其中的薄弱环节，提出了基于BT的单IED及多IED交互可靠性的建模与分析方法。在扩充BT的可靠性修饰节点后，完成了单IED内部和多IED间的动态交互过程的可靠性建模。给出了IED内及分布式系统中各行为的可靠性定量计算的方法，完成了单IED和多IED动态交互过程的可靠性计算，找出了其中的可靠性薄弱环节。结果表明，本文方法能为功能互操作中多IED的交互可靠性设计提供指导。
　　为了拓展本文交互性分析方法的适用性，给出广义互操作的概念，提出了基于BT的广义互操作问题的建模与求解方法。以环网中保护整定顺序求解为例验证了方法的适用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 IED互操作及其交互性分析的国内外研究动态

1．2．1 变电站IED数据通信互操作研究动态

1．2．2 变电站内IED功能互操作的研究动态

1．2．3 形式化的IED交互性分析研究现状

1．2．4 行为树模型及其应用研究动态

1．3 论文的主要研究内容和章节安排

1．3．1 论文的主要研究内容

1．3．2 论文的章节安排

第2章 IED接入IEC61850系统实现数据通信互操作的研究

2．1 引言

2．2 变电站内IED的数据通信互操作

2．2．1 符合IEC61850标准的变电站IED数据通信互操作

2．2．2 符合I0规范的状态监测IED的数据通信互操作

2．2．3 私有协议变电设备在线监测IED的数据通信互操作

2．3 私有协议与I0规范的映射关系

2．3．1 私有协议结构分析

2．3．2 I0规范解析

2．3．3 私有协议与I0规范的映射

2．3．4 私有协议lED中较大波形数据的读取

2．4 协议转换方法及其算例分析

2．4．1 短报文的转换方法及其算例分析

2．4．2 长报文的转换方法及其算例分析

2．4．3 主动报文转换方法及算例分析

2．5 本章小结

第3章 基于BT模型的多IED交互可达性分析

3．1 引言

3．2 BT模型基础

3．2．1 BT模型的定义

3．2．2 BT模型的图形表示法

3．3 功能互操作中的IED及其交互过程建模

3．3．1 距离与过流保护系统的多IED交互模型

3．3．2 基于BT的多lED交互过程概要建模

3．3．3 基于BT的多IED交互过程详细建模

3．4 BT模型到CSP模型的转换

3．4．1 CSP中的基本模型元素

3．4．2 BT模型与CSP模型的映射

3．5 多IED交互的可达性验证

3．5．1 CSP模型的PAT语法表示

3．5．2 交互的可达性验证

3．6 本章小结

第4章 基于时间BT模型的多IED交互实时性分析

4．1 引言

4．2 多IED交互实时性模型

4．3 基于时间BT的多lED交互实时性建模

4．3．1 BT的实时性扩展

4．3．2 BT的通信通道节点扩展

4．3．3 基于时间BT的多IED交互建模

4．4 基于固定网络时延的多IED交互实时性分析

4．4．1 算例分析

4．4．2 多IED交互模型的PAT描述

4．4．3 基于BT模型的多IED交互实时性分析

4．5 基于可变网络时延的多IED交互实时性建模与分析

4．5．1 基于BT的广域网络传输实时性建模分析

4．5．2 广域后备保护交互过程的实时性分析

4．6 本章小结

第5章 基于概率BT模型的多IED交互可靠性分析

5．1 引言

5．2 单个IED内部行为的交互关系及其可靠性模型

5．2．1 单个lED的可靠性特点

5．2．2 数字保护IED的可靠性模型

5．3 基于BT的单IED可靠度模型

5．3．1 BT的概率扩展

5．3．2 保护lED的可靠性建模

5．4 基于BT模型的IED的可靠度计算

5．4．1 可靠度计算公式

5．4．2 BT模型到PAT描述的映射

5．4．3 基于PAT的可靠性计算

5．4．4 算例分析

5．5 多IED交互过程的可靠性分析

5．5．1 交互关系的可靠性模型

5．5．2 基于BT的多IED交互过程的可靠性分析

5．6 本章小结

第6章 基于BT的多lED广义互操作建模及其应用

6．1 引言

6．2 多lED广义互操作模型及其问题模型

6．2．1 多lED广义互操作模型

6．2．2 多IED广义互操作的问题模型

6．3 多IED广义互操作的BT模型及其问题求解

6．4 基于广义互操作模型的环网保护整定计算顺序求解

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介