广东工业大学 硕士学位论文 IEC61850在电力系统中的应用研究 姓名：张晓光 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：程汉湘 20090531
广东工业大学 硕士学位论文 IEC 61850在电力系统中的应用研究 姓名：张晓光 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：程汉湘 20090531
摘要 摘要 随着数字化变电站的发展，IEC61850规约必将成为未来电力系统的统一规约。 如何将现有的使用CDT、101、104等规约的常规变电站纳入到IEC61850通信体 系中，是实现常规远动通信体系向IEC61850通信体系过渡的重要课题。而规约 转换器则是解决这一问题的关键技术。本文针对一个抽象出的过渡期典型变电站 自动化系统，设计出一种基于IEC61850建模的面向对象的新型规约转换器软件。 经测试该软件能满足实际应用的基本性能要求。 本文通过将IEC61850、CDT、101、104分别分解为功能和信息表、物理层、 链路层、应用层等四方面，对这几个规约进行了简单的对比分析，建立了初步的 映射关系。这种映射关系是建立公共数据库的基础，公共数据库的数据项为传统 规约的遥测、遥信等数据影射到IEC61850相应逻辑节点模型的集合，公共数据 库是联系各规约的关键组件。然后运用软件工程的方法，对规约转换器进行了面 向对象分析和面向对象设计，面向对象分析得出了规约转换器的对象模型、动态 模型和功能模型，面向对象设计划分了规约转换器的数据管理子系统和问题域子 系统。接下来进行了各子系统的详细设计，数据管理子系统的设计得出了公共数 据库的简单形式，问题域子系统则进一步分解成IEC61850子站、CDT、101、104 等四个模块，给出了各模块的详细设计方案。最后将整个设计方案用C++编程实 现，并进行单元测试和集成测试，验证了方案的正确性和可靠性。 运用面向对象分析和设计方法对IEC61850规约转换器进行设计是本文所作 的有益尝试，设计方案和运行结果证明面向对象的新型规约转换器具有良好的可 靠性及可扩展性。同时，本文设计的IEC61850规约转换器功能还不完整，IEC61850 规约标准的规模很庞大，本文只根据规约转换需要实现了其中的一部分，要完整 实现IEC61850规约还有大量工作要做。本文的工作为IEC61850规约转换器的 进一步扩展研究打下了良好的基础。 关键词：IEC61850:规约转换；面向对象
摘要 摘要 随着数字化变电站的发展，IEC 61850规约必将成为未来电力系统的统一规约。 如何将现有的使用CDT、101、104等规约的常规变电站纳入到IEC 61850通信体 系中，是实现常规远动通信体系向IEC 61850通信体系过渡的重要课题。而规约 转换器则是解决这一问题的关键技术。本文针对一个抽象出的过渡期典型变电站 自动化系统，设计出一种基于IEC 61850建模的面向对象的新型规约转换器软件。 经测试该软件能满足实际应用的基本性能要求。 本文通过将IEC 61850、CDT、i01、104分别分解为功能和信息表、物理层、 链路层、应用层等四方面，对这几个规约进行了简单的对比分析，建立了初步的 映射关系。这种映射关系是建立公共数据库的基础，公共数据库的数据项为传统 规约的遥测、遥信等数据影射到IEC 61850相应逻辑节点模型的集合，公共数据 库是联系各规约的关键组件。然后运用软件工程的方法，对规约转换器进行了面 向对象分析和面向对象设计，面向对象分析得出了规约转换器的对象模型、动态 模型和功能模型，面向对象设计划分了规约转换器的数据管理子系统和问题域子 系统。接下来进行了各子系统的详细设计，数据管理子系统的设计得出了公共数 据库的简单形式，问题域子系统则进一步分解成IEC 61850子站、CDT、101、104 等四个模块，给出了各模块的详细设计方案。最后将整个设计方案用C++编程实 现，并进行单元测试和集成测试，验证了方案的正确性和可靠性。 运用面向对象分析和设计方法对IEC 61850规约转换器进行设计是本文所作 的有益尝试，设计方案和运行结果证明面向对象的新型规约转换器具有良好的可 靠性及可扩展性。同时，本文设计的IEC61850规约转换器功能还不完整，IEC 61850 规约标准的规模很庞大，本文只根据规约转换需要实现了其中的一部分，要完整 实现IEC 61850规约还有大量工作要做。本文的工作为IEC 61850规约转换器的 进一步扩展研究打下了良好的基础。 关键词：IEC 61850；规约转换；面向对象
广东工业大学硕士学位论文 ABSTRACT With the development of digital substation,IEC 61850 will become the unified protocol of the power system in future.How to bring the existing substation communicating by CDT,101 or 104 protocol into the IEC 61850 substation communication system,is an important topic for the conventional substation's communication system transform to the IEC 61850 system.The protocol converter is the key technology to solve this problem.In this paper,abstracted an typical substation automation system in the transition period,designed a kind of object-oriented protocol converter based on the IEC 61850 protocol.The software has been tested to meet the practical application's basic performance requirements. This paper analysised the establish relationship of IEC 61850,CDT,101 and 104 protocol by Decomposition them to the function and information form,the physical layer,the link layer and the application layer,established the initial mapping relationship between them.This mapping relationship is the basis for the establishment of public databases.Public database build by mapping traditional protocol's telemetering,teleindication to the IEC 61850 model's corresponding set of logic nodes.The public database is a critical component that linking the Protocols. Then expand the protocol converter's object-oriented analysis and object-oriented design using software engineering methods,object-oriented analysis of the protocol converter obtain results of object model,dynamic model and functional model, object-oriented design divide the protocol converter to subsystems,including the data management subsystem and the problem domain subsystem,data management subsystem design to draw a simple form of public database,the problem domain subsystem is further broken down into IEC 61850 substation,CDT,101,104 four modules and given the detailed design of the program modules.Finally,the entire design realized with C++programming language and did unit testing and integration
广东-T业大学硕士学位论文 ABSTRACT With the development of digital substation，IEC 6 1 850 will become the unified protocol of the power system in future．How to bring the existing substation communicating by CDT，1 0 1 or 1 04 protocol into the IEC 6 1 850 substation communication system，is an important topic for the conventional substation’S communication system transform to the IEC 6 1 850 system．The protocol converter is the key technology to solve this problem．In th．is paper，abstracted an typical substation automation system in the transition period，designed a kind of object—oriented protocol converter based on the IEC 6 1 850 protoc01．The software has been tested to meet the practical application’S basic performance requirements． This paper analysised the establish relationship of IEC 6 1 850，CDT,1 0 1 and 1 04 protoco l by Decomposition them to the function and information form，the physical layer，the link layer and the application layer，established the initial mapping relationship between them．This mapping relationship is the basis for the establishment of public databases．Public database build by mapping traditional protocol’S telemetering，teleindication to the IEC 61 850 model’S corresponding set of logic nodes．The public database is a critical component that linking the Protocols． Then expand the protocol converter’S object—oriented analysis and object—oriented design using software engineering methods，object-oriented analysis of the protocol converter obtain results o f obj ect model，dynamic model and functional model， object—oriented design divide the protoco l converter to subsystems，including the data management subsystem and the problem domain subsystem，data management subsystem design to draw a simple form of public database，the problem domain subsystem is fuaher broken down into IEC 6 1 850 substation，CD T，1 0 1，1 04 four modules and given the detailed design of the program modules．Finally，the entire design realized with C++programming language and did unit testing and integration II
ABSTRACT testing to verify the program's correctness and reliability. Using object-oriented analysis and design method for the design of the protocol converter is a useful attempt made in this paper,the design of programs and the results prove that the new object-oriented protocol converter has good reliability and scalability.At the same time,the paper's design features of the protocol converter is not complete,especially the part of IEC 61850 protocol,because of its large-scale, this paper only realized a small part of IEC 61850 in accordance with the need for conversion,the full realization of the protocol converter is still need much work to do, the work of this paper can be used as a basis for further expansion. Key Words:IEC 61850;Protocol Converter;Object-Oriented Ⅲ
ABSTRACT testing to verify the program’S correctness and reliability． Using objeet—oriented analysis and design method for the design of the protoco l converter is a useful attempt made in this paper，the design of programs and the results prove that the new object—oriented protocol converter has good reliability and scalability．At the same time，the paper’S design features of the protocol converter is not complete，especially the part of IEC 6 1 850 protocol，because of its large-scale， this paper only realized a small part of IEC 6 1 850 in accordance with the need for conversion，the full realization of the protocol converter is still need much work to do， the work of this paper can be used as a basis for further expansion． Key Words：IEC 61850；Protocol Converter；0bject-Oriented III
独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 张晓光 指导教师签字： 娜头 wo9年5月3引日 81
独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 8I -z40f年}月3／日
第一章绪论 第一章绪论 1.1研究背景及研究课题的意义 随着变电站自动化技术从面向功能到分层分布、面向对象的发展趋势，导致 通信规约从传统规约向IEC61850转变，IEC已将61850规约作为未来电力系统的 统一规约。新建的变电站要符合IEC61850规约，而常规变电站已大量存在，它 们向新规约转变的过程牵涉到对原有变电站自动化系统硬件和软件的逐步替换升 级，今后很长一段时期将是新旧更替的过渡时期。如何将旧的变电站自动化系统 纳入到符合IEC61850规约的变电站自动化体系中以便实行统一的自动化管理， 平稳度过过渡期，是当前一个重要的研究课题。基于EC61850建模的面向对象 的新型规约转换器是其中的关键技术。 1.1.1变电站自动化系统的硬件结构 首先介绍变电站自动化系统的基本硬件结构，明确EC61850规约及规约转换 器在其中的作用范围，划清研究范围和研究背景。 变电站自动化系统的各种结构如图1-1~图1-3所示。 保护 系统管理， 通信管理， 电表 实时数据处理， 人机界面等模块 工控机 其它智能 电子设备 图1-1集中式结构四 Fig.1-1 Centralized Structuret
第一章绪论 第一章绪论 1．1研究背景及研究课题的意义 随着变电站自动化技术从面向功能到分层分布、面向对象的发展趋势，导致 通信规约从传统规约向IEC61850转变，IEC已将61850规约作为未来电力系统的 统一规约。新建的变电站要符合IEC61850规约，而常规变电站已大量存在，它 们向新规约转变的过程牵涉到对原有变电站自动化系统硬件和软件的逐步替换升 级，今后很长一段时期将是新旧更替的过渡时期。如何将旧的变电站自动化系统 纳入到符合IEC61850规约的变电站自动化体系中以便实行统一的自动化管理， 平稳度过过渡期，是当前一个重要的研究课题。基于IEC 61850建模的面向对象 的新型规约转换器是其中的关键技术。 1．1．1变电站自动化系统的硬件结构 首先介绍变电站自动化系统的基本硬件结构，明确IEC 61850规约及规约转换 器在其中的作用范围，划清研究范围和研究背景。 变电站自动化系统的各种结构如图1．1～图1．3所示。 工控机 图1．1集中式结构… Fig．1—1 Centralized Structuretl 1 保护 电表 其它智能 电子设各
广东工业大学硕十学位论文 GPS ( 人机界面 打印机与其它 调度中心 监控主机 智能设备 实时网络 遥测功能 遥信功能 控制功能 保护功能 断路器 TV/TA TV/TA 状态量采集 温度直流 (包括脉冲电能) 电乐高开关出江AT出仁A 变压器分接厂关 图1-2分布式结构 Fig.1-2 Distributed Structure GPS ( 人机界面 打印机与其它 调度中心 监控主机 智能设备 实时网络 保 I/O 保护 I/O 保 保护 LO 护 单元 单元 单元间隔1 单元间隔m 间隔1 间隔m 图1-3分散（层)分布式结构四 Fig.1-3 Dispersion (Stratified)and Distributed Structurel" 规约是“跑”在连接线上的“数据流”，是设备间交换信息的“交通工具”。 不同的变电站自动化系统硬件结构需要使用与之匹配的规约才能满足信息交换的 要求。目前现有的变电站自动化系统以集中式和分布式结构居多，而新建的则大 多采用分散（层)分布式结构。变电站自动化结构从集中式向分散（层）分布式 发展，相应的数据传输规约也由传统规约（适用于集中式和分布式）向IEC61850 规约（适用于分散分布式）发展。 2
广东-1：业大学硕十学位论文 G 打印机与其它， 智能设备 s(【t)) 人机界面 1 A ： I 监控主机 调度中心 T黻V／TA 温度 T直V／流TA。燃，燃秽船 直流 (包括脉冲电能)。鼻竺：?：=。I／∑出口 出口 图1．2分布式结构【-】 Fig．1—2 Distributed Structure‘11 单元间隔1 单元间隔m 间隔1 间隔m 图1．3分散(层)分布式结构【t】 Fig．I-3 Dispersion(Stratified)and Distributed Structuretl J 规约是“跑”在连接线上的“数据流”，是设备间交换信息的“交通工具’’。 不同的变电站自动化系统硬件结构需要使用与之匹配的规约才能满足信息交换的 要求。目前现有的变电站自动化系统以集中式和分布式结构居多，而新建的则大 多采用分散(层)分布式结构。变电站自动化结构从集中式向分散(层)分布式 发展，相应的数据传输规约也由传统规约(适用于集中式和分布式)向IEC 61850 规约(适用于分散分布式)发展。 2 广}翮丁 己l一
第一章绪论 1.1.2IEC61850规约的产生背景 随着大规模集成电路和傲处理器技术的快速发展，越来越多的智能电子设备 (IED,Intelligent Electronic Devices)被引入变电站自动化系统中，取代常规二次 设备完成变电站自动化系统要求的功能（继电保护、当地和远方监视和控制等）。 它们就地分散安装在开关柜上或其它一次设备附近，相互间通过通信网络相连， 与监控主机通信，这导致变电站自动化系统由集中式或分布式结构向分散（层） 分布式结构发展，由传统的“主站-子站”控制模式向IED互操作模式发展。同 时导致变电站内的数据传输规约由面向信号点的不具有互操作性的非IEC61850 规约，发展到面向对象的具有互操作性的IEC61850规约。IEC61850成为未来变 电站自动化系统的唯一标准。 IEC61850是国际上关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。 IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层（第2层）、间隔层（第1层）、 过程层（第0层）。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到 制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在 间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。IEC61850标准中 没有继电保护管理机，变电站内的智能电子设备(IED)、测控单元和继电保护均 采用统一的协议，通过网络进行信息交换。 作为最新制定的电力系统通信规约，IEC61850还有待实践检验和完善，目前 它并没有得到广泛应用，广泛应用于实际中的仍然是传统的CDT规约和IEC 60870-101、104等通信规约。 1.1.3目前电力系统通信体系现状 到目前为止，IEC TC57已经制定了适用于电力系统不同范围内的许多通信规 约，它们现正广泛应用于电力系统中，其所组成的电力系统通信体系结构如图1-4 所示。 3
第一章绪论 1．1．2 IEC 61850规约的产生背景 随着大规模集成电路和微处理器技术的快速发展，越来越多的智能电子设备 (IED，Intelligent Electronic Devices)被引入变电站自动化系统中，取代常规二次 设备完成变电站自动化系统要求的功能(继电保护、当地和远方监视和控制等)。 它们就地分散安装在开关柜上或其它一次设备附近，相互间通过通信网络相连， 与监控主机通信，这导致变电站自动化系统由集中式或分布式结构向分散(层) 分布式结构发展fl】，由传统的“主站．子站’’控制模式向IED互操作模式发展。同 时导致变电站内的数据传输规约由面向信号点的不具有互操作性的非IEC61 850 规约，发展到面向对象的具有互操作性的IEC61850规约。IEC61850成为未来变 电站自动化系统的唯一标准。 IEC61 850是国际上关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。 IEC61 850将变电站通信体系分为3层：变电站层(第2层)、间隔层(第1层)、 过程层(第0层)。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到 制造报文规范(MMS)、传输控制协议／网际协议(TCP／IP)以太网或光纤网。在 间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。IEC61 850标准中 没有继电保护管理机，变电站内的智能电子设备(IED)、测控单元和继电保护均 采用统一的协议，通过网络进行信息交换。 作为最新制定的电力系统通信规约，IEC 61850还有待实践检验和完善，目前 它并没有得到广泛应用，广泛应用于实际中的仍然是传统的CDT规约和IEC 60870．101、104等通信规约。 1．1．3目前电力系统通信体系现状 到目前为止，IEC TC57已经制定了适用于电力系统不同范围内的许多通信规 约，它们现正广泛应用于电力系统中，其所组成的电力系统通信体系结构如图1．4 所示
广东工业大学硕十学位论文 1EC61968 控制中心 控制中心 1EC60870-6TASE.1 IEC 60870-6 TASE.2 TC-网关 1EC60870-5104 1EC60870-101 0S11-3层网络 1EC60870-102 (路由器，例如用P) 变电站主机 TC-网关 1EC60870-103 间隔设备 IEC61850 HV/MV设备 图1-4电力系统现有通信规约体系☒ Fig.1-4 the Existing Communication Potocols System of Power Systemt2 由图1-4可见，IEC TC57制定的许多通信协议中，远距离传输信息的协议有： IEC60870-5-101和IEC60870-5-102:通过网络传输的协议有：IEC60870-104、 1EC60870-6TASE.1和IEC60870-6TASE.2,这些协议不能兼容或者不能完全兼 容；在变电站内有：IEC60870-103和IEC61850,也是无法兼容四。 除了IEC TC57制定的通信规约外，目前由许多制造厂开发的特定的专用通信 协议也已经得到应用，但是采用不同的制造厂的智能电子设备(IED)时要求复杂昂 贵的协议转换。对制造厂商而言，制定统一的标准协议，以支持不同制造厂生产 的智能电子设备(IED)具有互操作性和互换性，就成了用户和厂商的迫切需求。 在实际工程上，无论是站内不同厂家设备之间还是在和远方调度的连接中， 由规约转换问题引起的软件编程成为实际工程调试量最大的项目，既耗费人力物 力，运行维护也不方便，是目前自动化技术发展的一大问题)。数据传输规约统 一标准化的要求越来越迫切，它推动了IEC61850规约的继续发展
广东工业大学硕十学位论文 图1．4电力系统现有通信规约体系【：】 Fig．1-4 the Existing Communication Potocols System of Power Systemt21 由图1．4可见，IEC TC57制定的许多通信协议中，远距离传输信息的协议有： IEC 60870．5．101和IEC 60870．5．102；通过网络传输的协议有：IEC 60870．104、 IEC 60870．6 TASE．1和IEC 60870．6TASE．2，这些协议不能兼容或者不能完全兼 容；在变电站内有：IEC 60870．103和IEC 61 850，也是无法兼容【2l。 除了IEC TC57制定的通信规约外，目前由许多制造厂开发的特定的专用通信 协议也已经得到应用，但是采用不同的制造厂的智能电子设备(IED)时要求复杂昂 贵的协议转换。对制造厂商而言，制定统一的标准协议，以支持不同制造厂生产 的智能电子设备(IED)具有互操作性和互换性，就成了用户和厂商的迫切需求。 在实际工程上，无论是站内不同厂家设备之间还是在和远方调度的连接中， 由规约转换问题引起的软件编程成为实际工程调试量最大的项目，既耗费人力物 力，运行维护也不方便，是目前自动化技术发展的一大问题【3】。数据传输规约统 一标准化的要求越来越迫切，它推动了IEC61 850规约的继续发展。 4
第一章绪论 1.1.4未来理想的IEC61850电力系统通信体系 2000年6月，IEC TC57SPAG会议决定以IEC61850标准作为未来电力系统 无缝通信系统体系标准的基础，制定出电力系统无缝远动通信体系结构的统一传 输协议IEC61850+。此标准目前仍在制定过程中。IEC TC57提出的IEC61850+ 远动无缝通信体系结构方案如图1-5所示四。 IEC61970(C1M) IEC61968(UIB) 控制中心 控制中心 1EC60870-6TSE.2 1EC61850+ TC-网关 TC-网关 事故追忆分析 配置特森应用 0S11~3层网络 (路由器，例如用1P) 控制中心 变电站主机 TC-网关 1EC61850 IEC61850 变电站总线 间隔设备 1EC61850 HV/MV设备 图1-5电力系统无缝远动通信规约体系 Fig.1-5 the Seamless Telecontrol Communication Potocols System of Power Systemt21 1)IEC60870-6(TASE.2)用于控制中心之间通过网络进行通信： 2)变电站内的网络采用IEC61850: 3)控制中心和变电站之间通过网络采用IEC61850+进行通信，这样从控制中心 到变电站的过程层可以采用统一的通信协议； 4)变电站和控制中心的配置、事故追忆、特殊应用计算机之间采用IEC61850+1。 可以看出，扩展后的IEC61850规约不用进行规约转换即可实现电力系统远动 通信，是理想的无缝通信体系规约
第一章绪论 1．1．4未来理想的IEC61850电力系统通信体系 2000年6月，IEC TC57 SPAG会议决定以IEC 6l 850标准作为未来电力系统 无缝通信系统体系标准的基础，制定出电力系统无缝远动通信体系结构的统一传 输协议IEC 61850+t4J。此标准目前仍在制定过程中。IEC TC57提出的IEC 61850+ 远动无缝通信体系结构方案如图1．5所示【2】。 l IEC61970(clu)l l lEC61968(u18)I 拄翻中心l l控翻中心 琵；因| |圆嘉鳘碧鞣鑫嚣 p≮i磊鬲r■ ＼(踌出罄。例如阁lp)√ 一一—1 I控稍中心l 掣罔’ } l 变电蛞总线 阆掰设冬 HV／MV设备 图1．5电力系统无缝远动通信规约体系【：l Fig．1-5 the Seamless Telecontrol Communication Potocols System of Power Systemt2l 1)IEC 60870．6(TASE．2)用于控制中心之间通过网络进行通信： 2)变电站内的网络采用IEC 6 l 850； 3)控制中心和变电站之间通过网络采用IEC 61 850+进行通信，这样从控制中心 到变电站的过程层可以采用统一的通信协议； 4)变电站和控制中心的配置、事故追忆、特殊应用计算机之间采用IEC 61850+t2J。 可以看出，扩展后的IEC61850规约不用进行规约转换即可实现电力系统远动 通信，是理想的无缝通信体系规约。 5