基于IEC61850的智能变电站通讯网络设计

学院（系）： 自动化学院

专业班级： 电气1405班

学生姓名： 姚宇威

指导老师： 宋仲康

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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年 月 日

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作者签名： 年 月 日

导师签名： 年 月 日

摘 要

智能变电站有效地改善了传统变电站信息传输效率低、资源浪费大的问题，很好的实现了低碳环保的目的，推动了电力清洁能源的发展。智能变电站的发展对电力资源的高效利用和保障信息共享传输的可靠起着着至关重要的作用。目前在智能变电站的快速发展中仍存在着一些问题，一些技术仍不成熟，论文就通讯网络相关的问题进行展开。

论文首先分析了国内外智能变电站技术的发展，研究了IEC 61850标准，归纳了IEC 61850标准的关键技术特征。提出来基于交换机端口对智能设备进行局域网划分的技术，在对智能变电站通讯网络的特征以及网络拓扑进行分析后展开了对通讯网络的网络设计方案。最后研究了OPNET Modeler仿真软件的仿真流程，完成了对报文传输延时的仿真。

通过全站唯一的网络通讯，大大提高了信息传输效率，实现了全站高度的信息共享。

关键词：智能变电站；IEC 61850；通讯网络；OPNET仿真

ABSTRACT

Smart substations have effectively improved the problem of low transmission efficiency and waste of resources in traditional substations. They have achieved the goal of low-carbon environmental protection and promoted the development of clean energy. The development of smart substations plays a crucial role in the efficient use of power resources and in ensuring the reliability of information sharing and transmission. At present, there are still some problems in the rapid development of smart substations, and some technologies are still not mature. The dissertation will focus on issues related to communication networks.

The paper first analyzes the development of smart substation technology at home and abroad, studies the IEC 61850 standard, and summarizes the key technical features of the IEC 61850 standard. Based on the technology of local area network partitioning of smart devices based on switch ports, a network design scheme for communication networks was developed after analyzing the characteristics of the intelligent substation communication network and the network topology. Finally, the simulation flow of OPNET Modeler simulation software was studied, and the simulation of the message transmission delay was completed.

Through the only network communication of the whole station, the information transmission efficiency has been greatly improved, and the information sharing of the entire station height has been realized.

Key Words: smart substation network, IEC 61850,Communication network ,OPNET simulation,

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景与意义 1

1.2 国内外的发展现状 1

1.2.1 国外智能变电站发展 1

1.2.2 我国智能变电站发展 2

1.3 研究的主要内容 2

第2章 IEC 61850标准与报文传输 4

2.1 IEC 61850标准简介 4

2.2 IEC 61850的变电站通信体系 5

2.3 IEC 61850定义的报文传输 6

2.4 报文传输延时分析 7

第3章 通信网络及其设计方案 8

3.1通信网络服务映射 8

3.2 面向对象的信息建模 9

3.3 通信网络的特征 10

3.4 通信网络拓扑 11

3.5 通信网络的网络设计方案 13

第4章 通讯网络设计方案仿真 15

4.1 OPNET Modeler仿真软件 15

4.1.1 仿真软件简介 15

4.1.2 仿真流程 15

4.2 数据流分析 16

4.2 通讯网络仿真 18

4.2.1 仿真目标 18

4.2.2 仿真模型 18

4.2.3 仿真参数整定 26

4.2.4 通信网络仿真与分析 27

第5章 结论 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 33

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 研究的背景与意义

智能变电站技术是电力行业有着良好未来发展前景的技术，但是由于通信标准的不够统一和不胜完善，原先落后的变电站通讯技术不能适应如今智能变电站的发展。随后提出的IEC 61850 标准为变电站自动化技术提供了一个较为完善的通信标准技术，为智能变电站通讯网络的组建提供了技术支持^[1]。

智能变电站是采取先进的智能化装备，把各种功能的设备集成起来，实现了控制、测量、保护、监控以及采集数据等基本功能且在变电站中进行信息共享。并且还可以根据需要对电网进行自动控制、智能调节以及对站内数据进在线分析决策，根据分析调节在线数据，达到对电网实时自动控制的目的。

当今世界注重低碳经济发展、可持续发展，低碳环保逐渐成为经济健康发展的重要环节。在可持续发展的基础上，能源利用效率的提升、可再生资源的新开发逐渐成为发展的重中之重。而这些便是智能变电站的发展的目标，智能电网的发展顺应了世界能源发展的主旋律，可靠的、安全的智能变电站通讯网络设计是电网能够良好发展的重要基石，智能变电站技术的发展和完善为人们的生活提供了更加健康、低碳、环保的环境。

智能变电站使用组建通讯网络的方式来实现信息传输，因此通讯网络组建方案的设计对实现智能变电站变电站全站信息共享的目标起着重要的影响。还在变电站自动化系统初始发展阶段时，通信协议没有一个明确的标准，变电站内部的各种设备以及变电站与远方的通信因为通讯协议的不一样，均要通过转换器来进行传输。变电站信息传输的可靠性、实时性以及安全性多不能得到良好的保证。在这种背景下，IEC 61850标准的提出应运而生，它对各个传输的标准进行了规范，有着良好的扩展性和兼容性

在基于IEC 61850标准下，论文对智能变电站的通讯网络组建方案进行分析和设计。

1.2 国内外的发展现状

1.2.1 国外智能变电站发展

1985年，西门子公司研制出了第一套变电站自动化系统，将其名为LSA-678。欧洲各国在这之后开始试运行运该系统，于此同时， 1992年，在日本计算机监控技术开始在高压变电站中逐渐应用开来^[2]。美国也在初期研发了通过远动装置对信息进行采集，通过计算机对数据进行实时传输的变电站自动化系统

基于IEC61850标准的优越性，它从制定初期到实施应用的整个流程受到国内外的广泛关注。欧美各国的研究机构在IEC 61850标准的研究以及相应产品的研发均投入了大量的实验。

国外ABB，ALSTOM以及SIEMENS等几个大型的电力公司，在2000年，己经开展了符合IEC 61850标准的智能电子设备，并且上述各个电力公司进行了一系列互操作测试性实验^[3]。

如在2000年，ABB和SIEMENS经测试表明IEC 61850标准能够良好的实现互操作的特性。在2002年，这两家公司又携手完成了采样值网络传输互操作试验以及跳闸与采样值互操作性试验。

在2003年，在网络传输的基础上，实现了跳闸合闸报文传输的测试实验。

目前，国外对IEC 61850标准的研究和开发已基本趋于成熟，相关产品的生产也已经打开了市场。

1.2.2 我国智能变电站发展

不同于国外，我国早期并没有自己研发的变电站自动化系统，于20世纪50年代，我国从欧洲引入了远动装置技术。从1959年以后，我国才开始逐渐走向了自主研发远动装置技术道路，研发了系列的远动产品，并在东北地区进行了大规模的运用。

在20世纪80年代中期，我国的远动控制技术迅速发展。我国的电力行业相关企业也在这一时间段，大量引进以及消化吸收国外先进的变电站自动化系统的相关标准和技术，同时也开始了微机型保护装置的自主研究。这些都为变电站自动化系统的建立和完善提高了可靠的基础。随着四大网工程的提出，我国变电站自动控制系统技术进入了高速发展模式，逐渐与世界变电站自动化技术的水平拉近了距离的^[4]。

在20世纪90年代，我国逐渐开始进行变电站自动化系统的理论研究。在1999年， IEC 61850标准的解析和研究在国内如火如荼的展开了，成立了专门的研究小组对其展开了相关研究，为IEC 61850标准在国内的应用提供了良好的氛围。

在2005年到2006年，国家电力调度中心组织了国内电力行业相关的有影响力的几家企业，就IEC 61850标准，展开了5次互操作试验。完成了IEC 61850标准中的几乎所有标准和规范。

变电站自动化系统智能设备也随着IEC 61850标准研究进行了大量的研发生产。目前，智能变电站的智能化设备研究也已逐步的投入生产当中，国内已有多个智能变电站进行了试点运行。

1.3 研究的主要内容

论文主要研究了基于IEC 61850标准的智能变电站通讯网络技术。

对IEC 61850标准的核心内容展开了深入研究，对网络报文的传输和延时进行了分析以及对智能变电站通讯网络的数据流进行了研究分析。介绍了变电站内信息映射服务的大致原理，并对智能变电站中信息传输的特征做了简要介绍，对网络唯一的智能变电站通信网络组建方案进行了分析设计。研究了OPNET仿真软件的特点和其仿真流程。

最后，研究并分析智能变电站通信数据流，对OPNET Modeler网络仿真软件和该软件的仿真流程进行介绍，对报文在智能变电站通讯网络中的传输展开建模与仿真研究。对智能化变电站通讯网络性能进行仿真建模和仿真。

第2章 IEC 61850标准与报文传输

2.1 IEC 61850标准简介

IEC61850标准对变电站自动化系统做出了详细、全面的描述和规范。这些标准大致由10个部分组成^[5]。如表2.1所示。

表2.1 IEC 61850标准内容

IEC 61850标准在变电站智能化的发展中起着至关重要的作用。IEC 61850的关键技术主要有：变电站三层接口、采用模型思想进行对变电站统一的建模、抽象通信服务和特定通信服务以及统一的配置描述语言^[6]。

IEC 61850 标准定义了比较详细的逻辑节点和数据对象，与传统通信协议相比IEC 61850具有以采用分层体系的特征^[7]。而且信息模型面向对象，具有较强的互操作性，通过抽象通信服务接口以及特定通信服务接口来进行其信息的传输。

2.2 IEC 61850的变电站通信体系

图2.1为智能变电站网络通讯系统的层次与接口模型，可以从图中可以看到IEC 61850标准的变电站逻辑在功能的信息方面分为三层，即站控层、间隔层和过程层^[8]。

图2.1 通信系统层次与接口模型

站控层也称变电站层，其主要作用是通过收集、分析变电站内的所有信息，通过一次设备对装置进行监控管理以及关联变电站的接口来完成通信；

间隔层也称间隔单元层，设备由各个独立的间隔单元组成，它们主要作用是保护以及控制一次设备，并且收集测量一次设备的实时信息，同时也可以接收站控层所发出的控制信息；

过程层与一次设备直接相连，位于最底层，主要是实现检测一次设备电气量如电流电压值与开关设备的运行参数等。该层是智能变电站所特有的，运用高速的通讯网络进行通信连接。

在间隔层和变电站层之间的通信通过ACSI映射到MMS和采用基于TCP／IP协议的以太网，而通常采用485总线通信结构来进行过程层与间隔层之间的网络通讯^[9]。

IEC 61850标准给各个层次间和各个层次内的通信定义了接口逻辑，其连接层次和功能如表2.2所示。

表2.2 变电站自动化系统接口功能分配表

2.3 IEC 61850定义的报文传输

在变电站中，共享的信息全都是通过网络报文的形式来进行传输的，根据不同功能要求来适应变电站不同的信息传输需要，报文大致可以分为三种类别，即保护和控制类（P类）、计费计量类（M类）、时间功能类（T类）。不同的类别所适用的范围也不一样，同种类别的不同性能级别对应的报文要求和适用范围也不尽相同。

同时，根据IEC 61850标准，智能变电站通信系统中传输的报文按照实时性可以分为7类：

1. 快速报文：该类报文是简单的编码类报文，一般是“启动停止”、“跳闸合闸”等，报文性能极为快速，传输要求时间在0~100ms。
2. 中速报文：该类报文大都为状态信息，传输速度中速，传输要求时间不大于100ms。
3. 低速报文：该类报文是带时标的报文，报文性能级别为低速，传输要求时间不大于500ms。
4. 原始数据报文：该类报文大多是一次检测设备发出的报文，用于保护控制和计量，传输速度极为快速，传输时间不大于10ms。
5. 文件传输报文：该类报文是变电站层内部以及变电站层与远方之间的监控数据，传输速度较慢，对传输时间没有硬性要交。
6. 时间同步报文：该类报文用于各类装置的时钟，满足应用功能的时间同步要求，使报文时标同一。
7. 访问控制报文：该类报文是具有访问和控制功能的命令报文，若是对开关设备的操作，需要满足第一类报文即快速报文的传输要求。

2.4 报文传输延时分析

报文传输的延迟主要分为三个部分，即源节点发出报文产生的延时、网络传输延时和目标节点接收处理延时。

（1）由发送时延和缓冲延时组成，主要包括源节点数据的打包封装产生的延时、复制报文进入以太网的发送缓冲区的时延，以及报文在以太网缓冲区等待被发送时进行排队引起的时延。

（2）主要包括网络传输中所经过交换机或路由器等网络节点产生的延时，以及在网络节点之间的通信链路发生的延时。

（3）由目标节点接收延时和接收缓冲延时，主要包括数据到目标设备后排队等待的时间，以及目标节点接收数据后节点进行解封的时间。

综上所述，报文传输的总的延迟时间T可表示为：

（2.1）

第3章 通信网络及其设计方案

3.1通信网络服务映射

IEC 61850标准对智能变电站内信息传输的通信服务进行了规定，用抽象通信服务接口（ASCI）和特殊通信服务映射（SCSM）技术，解决了通信网络的稳定性问题，使未来网络技术发展的前进更为宽广。

根据IEC 61850标准，将通信服务映射分为了4类。 GSSE报文的通信映射；ASCI服务向MMS的映射；SV报文和GOOSE报文的通信映射以及时间同步服务报文的通信映射。

这4类通信映射服务用来实现ACSI向SCSM的映射，即信息模型的服务功能映射。它们的基础都是OSI模型，通信协议栈的数据链路层以及物理层均为以太网传输，如图3.1所示。

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