基于IEC61850的数字化变电站通信研究_甜梦文库
基于IEC61850的数字化变电站通信研究
西南交通大学 硕士学位论文 基于IEC61850的数字化变电站通信研究 姓名：刘从洪 申请学位级别：硕士 专业：轨道交通电气化与自动化 指导教师：王倩
西南交通大学硕士研究生学位论文第１页摘要数字化变电站成为变电站自动化系统的发展方向。电子式电流／电压互感 器、智能开关等智能化一次设备的诞生使建设数字化变电站成为可能，高速、 可靠和开放的通信网络以及完备的通信系统标准是数字化变电站实现的保 障，特别是最新颁布的变电站通信网络与系统的国际标准ＩＥＣ６１ ８５０为建设 数字化变电站提供了全面规范。 本文首先分析了ＩＥＣ６１８５０的主要技术特征，阐述了几个具有代表性或特性的通信服务的实现方法。然后从数字化变电站本身的特点出发，以ＩＥＣ６１ ８５０标准中规定的Ｄ２型变电站为例，结合ＩＥＣ６１８５０设计出了符合ＩＥＣ６１８５０的数字化变电站不同组网方案，并对其变电站内通信报文类型进行 了分析。在基于ＩＥＣ６１８５０的Ｄ２型数字化变电站模型的基础上，论文根据数字变电站的实际情况，分析了单播、组播和广播的三种报文三种传输方案的优劣， 最后确定了数字化变电站通信采用基于组播的传输模式，论文分析了几种常 用的改进以太网实时性的办法：改善网络拓扑结构，采用交换式以太网与优 先级标记和改进实时通信模型等。论文根据数字化变电站自身的特点，设计 了在网络端节点和交换机内部同时进行报文优先级传输控制策略，．来改善非 时间紧急信息对时间紧急信息的影响。．最后，论文以ＩＥＣ６１８５０规约中的Ｄ２型变电站为例，利用ＯＰＮＥＴ网络 仿真工具，基于网络负荷和ＣＰＵ负荷的多种情况，对具有综合优先级控制策 略下数字化变电站内ＩＴｌ和ＩＴ２类型信息端对端时延情况进行了多种条件下 的仿真，仿真结果验证了在传输网络和端节点同时进行信息的优先级传输控 制方案应用于基于ＩＥＣ６１８５０规约的新型数字化变电站通信网络，可以大大 提高通信性能，完全能够满足ＩＥＣ６１８５０规约中对时间要求高的报文的实时性 时间要求，仿真研究对于现实中提高基于以太网组网的新型数字化变电站通 信网络的实时性具有一定的参考价值。关键词ＩＥＣ６１８５０；数字化变电站；变电站网络通信；数据流模型；网络仿真西南交通大学硕士研究生学位论文第１ ｌ页Ａｂ ｓｔｒａｃｔＤｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ．Ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈａｓＥＣＴ／ＥＶＴ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈｇｅａｒａｎｄ ｅｔｃ．ｍａｋｅ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｆａｓｔ，ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｏｐｅｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｓａｓｗｅｌｌａｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄｓｅｎｓｕｒｅｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ＩＥＣ６ １ ８５０ ｐｒｏｖｉｄｅｓｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅｍａｊｏｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ｏｆ ＩＥＣ ６１ ８５０ａｎｄｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｔａｋｉｎｇ Ｄ２ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＥＣ６ １ ８５０ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｓｏｒｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ，ｓｅｖｅｒａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒａｒｅｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ。Ｔｈｅ ｍｅｓｓａｇｅａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．ｔｙｐｅｓｏｆ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎｔｈｅ Ｄ２ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＩＥＣ６ １ ８ ５０ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆ ｕｎｉｃａｓｔ，ｍｕｌｔｉｃａｓｔ ａｎｄ ｂｒｏａｄｃａｓｔ ａｎｄ ａｄｏｐｔｓ ｍｕｌｔｉｃａｓｔａｓｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ Ｅｔｈｅｍｅｔ ｎｅｔｗｏｒｋ：ｃｈａｎｇｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ａｄｏｐｔｉｎｇｓｗｉｔｃｈｅｄ ｅｔｈｅｍｅｔａｎｄｐｒｉｏｒｉｔｙ ｔａｇ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒｅａｌ―ｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｅｔｃ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｍｅｓｓａｇｅ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｅａｌ―ｔｉｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｉｎｇ Ｄ２ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＥＣ ６ １ ８５０ ｉｎ ＯＰＮＥＴ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔｏｕｒｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｉｎ ｎｏｄｅａｓ ａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｓｉｍｕｌａｔｅｓｃａｎｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ ＩＥＣ６１ ８５０．Ｉｔ ａｃｈｉｅｖｅｓｏｆ ｄｉｇｉｔａｌｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓｔｈａｔｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆ ＩＥＣ ６１ ８５０．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｖａｌｕａｂｌｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ?ｔｉｍｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ西南交通大学硕士研究生学位论文ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ ｗｈｉｃｈａｒｅ第ｌＩ Ｉ页ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｗｉｔｈ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ｍｏｄｅｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄ ＩＥＣ６ １ ８５０；Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｄａｔａ Ｓｔｒｅａｍｓ Ｍｏｄｅｌｓ；Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＮｅｔＷｏｒｋｓ ｉｎ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；西南交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。本学位论文属于 １．保密口，在 年解密后适用本授权书；２．不保密ｄ，使用本授权书。（请在以上方框内打“４”）学位论文作者签名：刘ｌ入；氕日期：二卯８．５指导老师签名：蔓乒苛日期：纵彤＆?，西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： １．论文根据ＩＥＣ６ １８５０通信规约，结合数字化变电站的特点，以 ＩＥＣ６１８５０规约中规定的Ｄ２型变电站为例，设计出了满足ＩＥＣ６１８５０ 规范的新型数字化变电站系统组网结构。 ２．论文根据数字化变电站自身的特点，设计了在网络层及应用端节点 相结合同时使用按优先级传输控制策略，来改善非时间紧急信息对 时间紧急信息的影响，取得良好效果。西南交通大学硕士研究生学位论文第１页第１章绪论１．２课题的研究背景及意义变电站自动化系统在我国应用发展十多年来，为保障电网安全经济运行 发挥了重要作用。但目前也多少存在着二次接线复杂，自动化功能独立、堆 砌，缺少集成应用和协同操作，数据缺乏有效利用等问题。这些问题大多是 由于变电站整体数字化、。信息化水平不高，缺乏能够完备实现信息标准化和 设备之间互操作的变电站通信标准造成的。 电网的不断发展和电力市场化改革的深入对电网安全经济运行和供电质 量的要求不断提高，变电站作为输配电系统的信息、源和执行终端，要求提 供的信息量和实现的集成控制越来越多，数字化、信息化以及信息模型化的 要求越来越迫切，数字化变电站成为变电站自动化系统的发展方向。电子式 电流互感器、电子式电压互感器、智能开关设备的诞生使建设数字化变电站 成为可能，而高速、可靠和开放的通信网络及完备的通信系统标准是数字化 变电站实现的保障，特别是最新颁布的变电站通信网络与系统的国际标准ＩＥＣ６１８５０为数字化变电站和电力系统信息化提供了全面的建设规范【ｌｊ。 数字化变电站是变电站自动化技术的发展方向，其核心技术是智能化的一次设备和网络化的二次设备，在过程层、间隔层及站控层上，按照国际标 准ＩＥＣ６１ ８５０通信规范，实现变电站内部以及变电站与集控站间的信息共享 和互操作【２Ｊ。数字化变电站技术也是国家电网公司和南方电网公司“十一五” 期间的重点科技项目。北京顺义５００ ｋＶ变电站、广西桂林５００ ｋＶ变电站、 内蒙古杜尔伯特２２０ｋＶ变电站、江西外陈２２０ ｋＶ变电站、江西董家窑２２０ 变电站、百南晋城２２０ ｋＶ变电站、百南翠峰１１０ ｋＶ变电站、广东沙坪１１０ 变电站、河北西地１１０ ｋＶ变电站、ＩＩＩ东青岛１１０ ｋＶ变电站、无锡圆石１１０ｋＶ ｋＶ ｋＶ变电站、银川海宝１１０ｋＶ变电站等多个５００ ｋＶ／２２０ ｋＶ／１１０ ｋＶ的数字化变电 站己经陆续投入运行或开工建设，取得了宝贵的经验１３】。数字化变电站很核 心的问题是网络结构与通信，目前面临的困难是基于全站唯一网络的数字化西南交通大学硕士研究生学位论文第２页变电站由于传输信息量大，非时间紧急信息对时间紧急信息有较大影响，尤 其是过程层和间隔层ＩＥＤ之间数字通信方案还有许多问题需要解决一Ｊ。因此 结合我国已建数字化变电站的经验和最新网络技术，对数字化变电站网络进 行研究和性能改进具有现实和重要的意义。１．３国内外研究现状基于ＩＥＣ６１８５０的数字化变电站通信研究涉及到ＩＥＣ６１８５０通信规约和基 于过程层设备数字化的变电站的研究，数字化变电站很核心的问题是网络结 构及通信。下面分别从ＩＥＣ６１８５０标准和数字化变电站通信两方面概述国内 外研究现状。１．３．１ＩＥＣ６１８５０标准研究１．国外研究现状ＩＥＣ６１８５０从开始制定就受到国际上的广泛关注。在制定ＩＥＣ ６１ ８５０的过程中，美国、德国、荷兰等国都有示范工程，用以验证标准，通过实践来促 进标准的进一步完善【５］。１９９８年，在德国由ＦＧＨ，ＶＥＷ，ＡＢＢ，ＡＬＳＴＯＭ和 ＳＩＥＭＥＮＳ几家公司联合建立了一个示范项目ＯＣＩＳ（Ｏｐｅｎ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎＳｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ），建立这个项目的目的是：Ａ．比较并测试ＩＥＣ ６１８５０标准草案和ＵＣＡ２．０；Ｂ．复查标准草案的灵活性、可行性和效能；Ｃ．向ＩＥＣ标准草案介绍 己有的知识：Ｄ．帮助标准化进程；Ｅ．确信该标准符合欧洲市场的需要；Ｆ．考 虑ＶＤＥＷ的建议【６Ｊ。 ２０００年，为了验证ＩＥＣ ６１８５０的可行性，欧洲的西门子和ＡＢＢ等公司 联合搭建了一个试验环境，经验证，完全满足变电站自动化系统的实时响应 性和网络互联的要求。国外大公司对ＩＥＣ ６１８５０的研究，在理论上己经成熟， 在２００４年初，己开始推出其符合ＩＥＣ ６１８５０标准的相关产品。 ２．国内研究现状 关于ＩＥＣ６１８５０的文献主要集中在以下几个方面：（１）ＩＥＣ ６１８５０标准的制订情况、内容、特点和与其它通信标准比较等综述西南交通大学硕士研究生学位论文第３页性的文献…１】对国内了解认识ＩＥＣ ６１８５０起到了很大的帮助作用。（２）ＩＥＣ６１８５０标准分析‘１２。１ ４１。侧重从计算机学科领域对ＩＥＣ ６１８５０的结构 化模型、语义约定和自动机理论等进行研究。 （３）１ＥＣ６１８５０在故障信息处理系统中的专门应用【１５０ ８１。提出了较为详细的 实现方案。 （４）通信服务及映射实现的研究与分析［１９之１１。包括采样值、基于ＴＣＰ／ＩＰ 的ＭＭＳ等。 （５）ＳＣＬ配置文件的研究‘２２乞４１。目前，此类研究还处于理论研究初期，具 体实现机制还需深入研究。 （６）主要是通过对国外互操作实验的介绍，提出国内进行互操作实验的建 议和对ＩＥＣ６１８５０的互操作性进行理论分析【２５．２６１。（７）文献［２７］构建了变压器差动保护闾隔内的过程总线通信实验平台，验 证了传输实时报文的可行性。但文章没对网络流量进行定量分析。（８）文献［２８］在ＩＥＣ６１ ８５０的基础上，以变压器差动保护为例，分析了ＩＥＤ在ＩＥＣ６１８５０中的体系结构、逻辑模型、信息流、设计了ＩＥＤ的数据对 象模型，阐述了采样测量数据基于发布／订阅方式的传输原理。文献对过程层采样数据的传输方式的理解比较有帮助。１．３．２数字化变电站通信的研究数字化变电站的部分技术条件，如符合ＩＥＣ ６１８５０的数字式过程层设备、 间隔层设备、变电站自动化系统及协同操作、集成应用的自动化功能尚未成 熟应用，相关研究仍分属不同领域；只有所依赖的各项技术条件都已成熟， 并进行系统应用，数字化变电站才能得到广泛实施。当然这个过程不会太长， 文献［３０］简单报道了２００５年首个国产数字化变电站的投运，文献［２９］贝ＪＪ较早 的总结了数字化变电站的特征。数字化变电站通信网络的研究工作可以归纳为以下几个方面：先进通信技术的移植，即将先进的通信网络硬件、软件技术应用到变电 站自动化系统。依据ＩＥＣ６１８５０数字化变电站通信网络采用以太网。文献［３１］、【３２１研究了嵌入式以太网在变电站自动化系统和自动化装置上的应用方法，文献［３３］、［３４］研究了以太网在工业领域中的应用特性，提出了一些以太网实西南交通大学硕士研究生学位论文第４页时性改进措施。上述文献对相关实践具有借鉴价值，但后两部分文献中提出 的方法并不一定都适合变电站自动化系统，需要根据变电站自动化系统的实 际特点作出选择或改进。 通信协议及网络性能分析。由于早期缺乏统一标准，变电站通信网络的 类型和协议并不统一。类型有ＲＳ．４２２／４８５，ＣＡＮ，ＬｏｎＷｏｒｋｓ，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ和以 太网等，协议有ＣＤＴ，ＤＮＰ３．０和ＩＥＣ ６０８７０．５系列目前发展到ＩＥＣ６１８５０标准。造成变电站通信网络的性能研究相对分散：文献［３５］对基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ 的变电站通信网络进行了分析，文献［３６］对基于ｐｏｌｌｉｎｇ方式的变电站通信网 络进行了分析，文献［３７］对基于ＣＡＮ的变电站通信网络进行了分析等等。由 于不同类型网络传输控制机制和协议的显著差异，研究成果的适用性受到限 制。ＩＥＣ ６１８５０统一了未来变电站通信网络的基本结构和特性，因此，对基于ＩＥＣ ６１８５０的变电站通信网络进行性能分析将具有更普遍的实践指导意义；同时，数字式过程层设备的应用不仅使变电站通信网络的流量特性发生 了较大变化，对网络实时性的要求也变得更高（甚至是“硬实时”的要求）， 对网络性能进行准确分析也十分必要。 文献［３８］对变电站采用交换式以太网实现信息综合传输的可行性进行了 研究，研究表明：当网络轻载时，交换式以太网能够满足变电站信息传输的 需求。但是，越来越多的智能电子设备接入变电站可能会引起网络过载，此 时，采用交换式以太网进行信息综合传输不能排除非时间紧急信息对时间紧 急信息的影响。特别在紧急情况下，由于网络流量剧增可能出现网络拥塞、 流量冲突等问题。文献［３９］对基于以太网的变电站通信网络的性能进行了仿 真研究，但过程层通信采用的是ＵＤＰ协议，未采用ＩＥＣ６１８５０规定的三层通 信模型，因此不完全符合ＩＥＣ ６１８５０的规定。因此，如何改善网络传输性能， 消除非时间紧急信息对时间紧急信息的影响，建立一个完整的、更加贴近实 际情况的数字变电站通信网络还需要很多工作要做。１．４论文所做的主要工作论文的研究工作主要分为３部分：（１）变电站通信网络与系统的国际标准ＩＥＣ６１８５０的理论分析；（２）基于ＩＥＣ ６１８５０的数字化变电站结构特点与通信网络的研究；（３）基于ＩＥＣ６１８５０的数字化变电站通信网络实时性分析。全文西南交通大学硕士研究生学位论文 章节安排如下：第５页第１章为绪论部分。主要介绍了选题背景、?课题的国内外研究现状，阐 述了课题研究的重要性和意义。．第２章是ＩＥＣ６１８５０标准特点及通信映射。归纳了ＩＥＣ ６１８５０的主要技术 特征，包括功能分层的变电站、面向对象的信息模型、功能与通信解藕、变 电站配置语言和面向对象的数据自描述等。概述了信息模型的通信映射，阐 述了几个具有代表性或特性的通信服务的实现方法。 第３章是基于ＩＥＣ６１８５０的数字化变电站系统结构。本章就数字化变电 站的特征、结构和数据流报文，组网方式等相关问题展开了研究。给出了数 字化变电站过程层的四种基本组网方式和变电站总线的基本组网方式。 第４章是基于ＩＥＣ６１８５０的数字化变电站通信网络。在分析以太网介质 访问控制方法的基础上，针对数字化变电站特点，给出了数字化变电站自动 化系统对通信网络的基本要求；针对标准以太网存在延时不确定性的问题， 总结了提高以太网实时性能的主要措施，根据数字化变电站特点，设计了在 传输网络和端节点同时进行信息的优先级传输控制方案策略。详细分析了数 字化变电站通信网络的传输特征，分析了以太网为使用者提供了单播、广播 及分组广播３种传输模式相结合的方式对数字化变电站内报文进行选择性的 传输方案。 第５章是基于ＯＰＮＥＴ的数字化变电站通信实时性仿真分析，验证了在 传输网络和端节点同时进行信息的优先级传输控制方案应用于基于 ＩＥＣ６１８５０规约的新型数字化变电站通信网络的可行性，完全能够满足 ＩＥＣ６１８５０规约中对时间要求高的报文的实时性时间要求，仿真研究对于现实 中提高基于以太网组网的新型数字化变电站通信网络的实时性具有一定的参 考价值。西南交通大学硕士研究生学位论文第６页第２章ＩＥＣ６１ ８５０标准特点及通信映射２．１ ＩＥＣ６１ ８５０标准技术特点ＩＥＣ６１８５０是迄今为止最为完善的变电站通信网络与系统的标准，与以往的变电站通信标准相比，它具有如下突出的技术特征【８】：（１）功能分层的变 电站；（２）面向对象的数据对象统一建模；（３）功能与通信解藕：（４）变电站配 置语言ＳＣＬ。本节主要介绍与本文内容相关的（１）一（３）特性。２．１．１功能分层的变电站ＩＥＣ６１ ８５０为了完成变电站自动化系统的控制、监视和继电保护三大功能，将变电站自动化系统按功能和逻辑通信抽象为３层体系结构：变电站层、 间隔层和过程层【１０】。变电站总线用于变电站层和间隔层间通信，过程总线用 于间隔层和过程层间通信，其结构如图２．１所示。制图２－１功能分层的变电站自动化系统ＩＥＣ６１８５０并不规定通信拓扑，不限制任何物理通信接口，只需根据需求西南交通大学硕士研究生学位论文第７页定义可以在物理的通信链路上应用的通信服务，因此，这种层体系结构只是 抽象的概念，并不限定实际的网络形式。这样的通信系统有利于变电站内设 备以及变电站与控制中心构成统～的无缝连接网络。下一章将进一步详细论 述分层的通信结构。２．１．２面向对象的数据对象统一建模ＩＥＣ６１８５０将ＩＥＤ视为客户机／服务器（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）的运行方式，客户机代表向其它ＩＥＤ请求或确认功能服务，服务器代表ＩＥＤ本身可视或可访问的 自动化功能。而ＩＥＤ以客户机方式请求或确认功能服务的过程也就是其它 ＩＥＤ以服务器方式提供功能服务的过程，客户机的运行行为可以由其与服务 器间的逻辑关系得出，所以，ＩＥＣ６１８５０通常主要将ＩＥＤ的服务器功能（但包括由客户机主动发起请求目的不需要服务器响应的客户机功能，如ＧＯＯＳＥ） 作为建模对象。ＩＥＣ６１８５０采用面向对象的建模方法：首先，定义若干语义模型类，用来规范变电站自动化系统涉及到数据、结构、操作以及广义的ＳＣＡＤＡ语义； 接着，对照语义模型类，将ＩＥＤ的自动化功能和相关信息抽象、分解，并通 过对语义模型类的继承、重载或直接引用，生成特定的应用实例；最后，将 这些实例按照“类”的形式层次化的构成具有一致性和确定性的信息模型（服 务器）。信息模型的属性包含逻辑设备（Ｌｏｇｉｃ 象和数据属性４个层次¨７Ｊ： １．逻辑设备，用于包含１组特定应用功能的产生和使用信息的虚拟设 备，逻辑设备由逻辑节点和附加的功能服务聚合而成。 ２．逻辑节点，交换数据的最小功能单元，１个逻辑节点代表服务器的ｌ 项基本功能或ＩＥＤ中的１组设备信息，可以与其它逻辑节点进行信息交互， 并执行特定的操作，逻辑节点由数据对象、数据属性、数据属性列表以及对 应的功能服务聚合而成。 ３．数据对象，包含逻辑节点的所有信息，从不同的ＣＤＣ及ＣＰＤＣ继承 而来，是ＣＰＤＣ的命名实例。 ４．数据属性，数据对象的内涵，是模型中信息的最终承载者。 从模型构成语义可以看出，信息模型不是数据集合，而是数据与功能服ＤｅｖｉｃｅＬＤ）、逻辑节点、数据对西南交通大学硕士研究生学位论文‘第８页务的聚合，是一个面向对象的模型，模型中的数据和功能服务相互对应，数 据的交换必须通过对应的功能服务来实现。数据与功能服务的紧密结合使模 型具备了良好的稳定性、可重构性和易维护性。２．１．３功能与通信解耦如上节所述，信息模型之间的数据交换由信息模型的功能服务实现。在 总结变电站自动化系统涉及通信服务的基础上，ＩＥＣ６１８５０定义了１４类ＡＣＳＩ（Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）模型，用来规范信息模型的功能服务。包括服务器模型、应用关联模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、 数据模型、数据集模型、替换模型、整定值控制块模型、报告及记录控制块 模型、通用变电站事件模型、采样值传输模型、控制模型、时间及时间同步 模型和文件传输模型。每类ＡＣＳＩ模型都由若干抽象通信服务组成，每个服 务又都定义了服务的对象和方式：服务方式包括服务的发起、响应和过程， 而服务的过程是指某个具体服务请求如何被服务器所响应，以及采取什么动 作在什么时候以什么方式响应【４…。 ＡＣＳＩ模型中的通信服务分为２类：①客户机／Ｊｌ艮．务器模式，诸如控制、 读写数据值等服务；②发布者／订阅者或对等交换模式，诸如采样值传输、ＧＳＥ 等服务，如图２．２所示。图２－２ ＡＣＳＩ通信方法西南交通大学硕士研究生学位论文第９页ＡＣＳＩ规范的信息模型的功能服务独立于具体网络，即功能与通信解耦。 功能的最终实现还需要经过ＳＣＳＭ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅＭａｐｐｉｎｇ），ＳＣＳＭ负责将抽象的功能服务映射到具体的通信网络及协议上，具体包括：①根据功能需要和实际情况选择通信网络的类型和ＯＳＩ模型的１～６层协议；②在应用层上（ＯＳＩ模型中的第７层），对功能服务进行映射，生成 应用层协议数据单元（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 如图２―３所示。特殊通信服务映射Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ＤａｔａＵｎｉｔ，ＡＰＤＵ），形成通信报文，抽象通信服务接口应用层厂应用层协议数据单元 协议图２―３ ＡＣＳＩ向应用层的映射ＡＣＳＩ对信息模型的约束是强制和惟一的，而ＳＣＳＭ的方法却是多样和 开放的。采用不同的ＳＣＳＭ方法，可以满足不同功能服务对通信过程、通信 速率以及可靠性的不同要求，解决了变电站内通信复杂多样性与标准统一之 间的矛盾；适时的改变ＳＣＳＭ方法，就能够应用最新的通信网络技术，而不 需要改动ＡＣＳＩ模型，解决了标准的稳定性与未来通信网络技术发展之间的 矛盾。ＩＥＣ ６１８５０并不要求每种ＳＣＳＭ方法都能够映射ＡＣＳＩ所有的抽象服 务，但越简单的ＳＣＳＭ方法对ＡＣＳＩ模型的支持就越不完备，所实现的功能 服务也就越简单。ＡＣＳＩ向不同ＳＣＳＭ映射的过程，如图２．４所示。特点接口应用网络１层～６层 图２―４ ＡＣＳＩ向不同ＳＣＳＭ的映射ＩＥＣ６１８５０运用ＡＣＳＩ和ＳＣＳＭ技术不仅实现了功能与通信的解耦，而且通信可以灵活的采取多种实现形式，这是建立统一、开放和发展的变电站西南交通大学硕士研究生学位论文 自动化系统的可行方法。第１０页２．２ ＩＥＣ６１ ８５０通信映射信息模型的通信映射即ＡＣＳＩ向ＳＣＳＭ的映射。目前ＩＥＣ ６１８５０定义了 ４种ＳＣＳＭ方法，它们都以ＯＳＩ模型为基础并都选择以太网作为通信网络的 物理层和数据链路层如图２．５【２０】［４１１，具体如下： １．基于客户机／服务器模式的核心ＡＣＳＩ服务向ＭＭＳ的映射。 ２．ＧＳＥ模型中的ＧＯＯＳＥ报文传输服务、ＧＳＥ管理服务和ＳＶ模型中的 采样值传输服务直接向以太网数据链路层的映射。 ３．ＧＳＥ模型中的ＧＳＳＥ报文传输服务向ＭＭＳ信息报告（ＭＭＳＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＲｅｐｏｒｔ）以及无连接的ＯＳＩ协议栈的映射。４．时间及时间同步服务向简单网络时间协议（Ｓｉｍｐｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｔｉｍｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，ＳＮＴＰ）映射。 本节根据上述四类信息模型的分类方法，下面将做具体分析。ｒ搿ｔｉｌｌ票栏信 （多路广ＳＶ霎罂鲁襄銎件（）毳惹ＧＯ电站ＯＳ事Ｅ）ＧＯＯＳＥ时间同步ＡＣＳＩ核删匣务 心服务ＭＭＳ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｓｕｉｔｅ通用变电站 状态争仟≮‘菇第ＧＳＳＥＴｉｍｅＳｙｎｃ（ＳＮＴＰ）ＵＤＰ／ＩＰＴＣＰ／ＩＰＩＳＯ Ｃｏ Ｔ．ＰｒｏｆｉｌｅＧＳＳＥ Ｔ．ＰｒｏｆｉｌｅＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２．２ ＬＬＣＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２．３ Ｅ ：ｈｅｒｔｙｐｅ ＩＳｏ／ＩＥＣ ８８０２．３图２－５ ＩＥＣ６１８５０通信映射结构西南交通大学硕士研究生学位论文第１１页２．２．１核心ＡＣＳＩ服务向ＭＭＳ的映射ＩＥＣ６１８５０．８―１提供了ＩＳＯ／ＩＥＣ９５０６（制造报文规范ＭＭＳ）应用协议实现 ＩＥＣ６１８５０．７．２，７－３，７－４中规定的服务、对象和算法所需要的的详细指令和规 范。ＩＥＣ ６１８５０协议的特殊通信服务映射也没有规定具体映射到何种通信协 议，这为ＭＭＳ在ＩＥＣ ６１８５０中得到应用提供了可能性。最重要的是，ＭＭＳ 和ＩＥＣ ６１ ８５０都采用了面向对象的技术方法来解决互操作性的问题，很少有 一个国际标准能够像ＭＭＳ一样，对ＩＥＣ ６１８５０的核心服务（客户／Ｎ务器模型） 提供完全的支持，因此ＩＥＣ６１８５０．８―１重点对抽象通信服务接口映射到ＭＭＳ 作了详细的规定【４２１。 作为应用层协议，ＭＭＳ协议完全遵循ＯＳＩ通信体系结构，能够运行于 多种通信网络和协议栈。ＩＥＣ ６１８５０在选择以太网作为通信网络物理层和数 据链路层，应用层、表示层和会话层映射到ＯＳＩ模型的基础上，对传输层框 架的选取定义了２种方式：ＴＣＰ／ＩＰ传输层框架或ＯＳＩ传输层框架。ＯＳＩ传输 层框架协议体系结构概念清楚，但其复杂且不实用的特点使其没有得到广泛 的支持，使得ＭＭＳ的推广受到很大的限制。Ｉｎｔｅｍｅｔ使用的ＴＣＰ／ＩＰ协议由 于具有简单、高效的特点，能够避免通信子网在处理能力上的浪费，已成为 计算机通信的事实上的标准，得到广泛的支持。因此推荐采用ＲＦＣｌ００６提出 的在ＴＣＰ协议栈上实现ＯＳＩ传输服务，见表２．１。 ＭＭＳ将实际设备外部可视行为抽象成虚拟制造设备（ＶｉｒｔｕａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＤｅｖｉｃｅ）ＶＭＤ及其包含的对象子集，并通过定义与之对应的一系列ＭＭＳ服务实现对实际设备的控制。由于ＭＭＳ和ＩＥＣ ６１８５０都采用抽象 建模的方法，因此，只要将ＩＥＣ ６１８５０的信息模型正确的映射到ＭＭＳ的ＶＭＤ 及其ＭＭＳ服务，并进行必要的数据类型转换，就可以实现ＡＣＳＩ向ＭＭＳ的映射。 下文将从信息模型的属性和通信服务这２个方面去讨论向ＭＭＳ及其底层协议 栈的映射方法。１．ＩＥＣ ６１ ８５０信息模型向ＭＭＳ的映射ＩＥＣ６１８５０中变电站通信网络信息模型主要由服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据集、日志、文件这七大信息类模型构成，而ＭＭＳ协 议中也规定了分层次的语义空间，和ＩＥＣ６１８５０有关的包括虚拟制造设备西南交通大学硕士研究生学位论文第１ ２页（ＶＭＤ）、域（Ｄｏｍａｉｎ）、有名变量（Ｎａｍｅｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ）、有名变量列表（ＮａｍｅｄＶａｒｉａｂｌｅＬｉｓｔ）、日志（Ｊｏｕｒｎａｌ）、文件（Ｆｉｌｅ）对象，映射方法详见表２―２。需要说６１明的是，ＭＭＳ的索引语法也和ＩＥＣ８５０有所不同，标识符“．＂则被“￥”取代，对数据的索引还应该加上功能约束的表征。本文以数据 ＷＤＲ．８８ １／ＰＩＯＣ．Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ．ｓｔｖａｌ为例作了描述。表２―１ ＭＭＳ＋０ＳＩ＋ＴＣＰ／ＩＰ＋以太网的协议栈ＯＳＩ模型分层 应用层名称ＭＭＳ服务规范ＩＳＯ ９５０６．１ＩＳＯ／ＩＥＣ ８ ６４９ ＩＳＯ／ＩＥＣ ８ ８２２协议规范ＩＳＯ ９５０６．２ ＩＳ０／ＩＥＣ ８６５０关联控制服务元素 表示层 面向连接的表示ＩＳ０／ＩＥＣ８８２３―１抽象语法标记 会话层 面向连接的会话ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８２４．１ＩＳＯ／ＩＥＣ ８３２６ＩＳｏ／ＩＥＣ ８８２５ ＩＳｏ／ＩＥＣ ８３２７．１传输层ＴＣＰ上的ＩＳＯ传输服务 ＴＣＰ协议ＲＦＣ １００６ＲＦＣ ７９３ ＲＦＣ ７９２网络层ＩＣＭＰ协议（ｖ４） ＩＰ协议（ｖ４） ＡＲＰ／ＲＡＲＰ协议ＲＦＣ ７９１ＲＦＣ ８２６／ＲＦＣ ９０３数据链路层ＩＳＯ／ＩＥＣ８８０２．３上的ＩＰ数 据报ＣＳＭＡ／ＣＤＲＦＣ ８９４ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２―３物理层光纤或ＲＪ４５ＩＥＣ６０８７４．１０或ＩＳＯ／ＩＥＣ８８７７表２－２ ＩＥＣ６１８５０信息模型和ＭＭＳ对象映射关系ＩＥＣ６１８５０ＩＥＣ ６１ ８５０实例ＭＭＳ对象ＭＭＳ实例信息模型Ｓｅｒｖｅｒ Ｓｅｒｖｅｒ０ＶＭＤＤｏｍａｉｎ Ｎａｍｅｄ ＶａｒｉａｂｌｅＶＭＤ０ＬＤ ＬＮＷＤＲ．８８１ ＷＤＲ．８ ８ １．ＷＤＲ／ＰＩＯＣＷＤＲ．８８１ ＷＤＲ．８８ １／ＰＩＯＣ西南交通大学硕士研究生学位论文Ｄｏ第１ ３页 ＷＤＲ一８８ １／ＰＩＯＣ￥ＳＴ￥ＢｅｈａｖｉｏｕｒＷＤＲ一８８ １．ＷＤＩＶＰＩｏＣ．ＢｅｈａｖｉｏｕｒＤＡＷＤＲ．８８ １．ＷＤＲ／ＰＩＯＣ．Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ．ｓｔｖａｌＷＤＲ．８ ８ １／ＰＩＯＣ￥ＳＴ￥Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ￥ｓｔｖａｌ Ｎａｍｅｄ Ｖａｒｉａｂｌｅ ＬｉｓｔＤａｔａ ＳｅｔＬｏｇ Ｆｉｌｅ ２．ＩＥＣ ６１ ８５０通信服务向ＭＭＳ的映射 ＩＥＣＪｏｕｒｎａｌ Ｆｉｌｅ６１８５０．７．２定义的ＡＣＳＩ抽象服务，对服务请求的接收方需要作出的动作进行了描述。但是只有当这些抽象服务映射到一种具体的服务，并对携 带服务参数的报文格式和编码规则以及其网络传输方式加以定义，才可以用 于实际的信息交换过程。如果将ＩＥＣ ６１８５０的通信服务映射到ＭＭＳ定义的一套标准的服务，这样任何ＭＭＳ用户都可以使用相同的服务进行交互，从而满足互操作性，见表２．３。表２－３ＩＥＣ６１８５０的ＡＣＳＩ服务到姗ｓ服务的映射ＭＭＳ对象ＩＥＣ６１８５０服务ＡｓｓｏｃｉａｔｅＭＭＳ服务ＩｎｉｔｉａｔｅＶＭＤＲｅｌｅａｓｅ Ａｂｏｒｔ ＧｅｔＳ ｅｒｖｅｒＤｉｒｅｃｔｏｒｙ Ｃｏｎｃｌｕｄｅ ＡｂｏｒｔＧｅｔＮａｍｅＬｉｓｔ（取ＶＭＤ中的对象列 表）域ＧｅｔＬｏｇｉｃａｌＤｅｖｉｃｅＤｉｒｅｃｔ ＯｒｙＧｅｔＮａｍｅＬｉｓｔ（取域中的对象列表）命名变量ＧｅｔＡｌｌＤａｔａＶａｌｕｅｓ ＧｅｔＤａｔａＶａｌｕｅｓ ＧｅｔＢＲＣＢＶａｌｕｅｓ ＧｅｔＵＲＣＢＶａｌｕｅｓ ＧｅｔＬＣＢＶ．ａｌｕｅｓＲｅａｄ西南交通大学硕士研究生学位论文ＧｅｔＬｏｇＳｔａｔｕｓＶａｌｕｅｓ第１ ４页ＧｅｔＳＧＶａｌｕｅｓ ＧｅｔＳＧＣＢＶａｌｕｅｓＳｅｌｅｃｔ ＳｅｔＤａｔａＶａｌｕｅｓＷｒｉｔｅＳｅｔＢＲＣＢＶａｌｕｅｓＳｅｔＵＲＣＢＶａｌｕｅｓＳｅｔＬＣＢ Ｖａｌｕｅｓ ＳｅｌｅｃｔＡｃｔｉｖｅＳＧＳｅｌｅｃｔＥｄｉｔＳＧＳｅｔＳＧＶａｌｕｅｓＳｅｔＳＧＣＢＶａｌｕｅｓＳｅｌｅｃｔＷｉｔｈＶａｌｕｅＣａｎｃｅｌ，Ｏｐｅｒａｔｅ ＴｉｍｅｔＡｃｔｉｖｅｄＯｐｅｒａｔｅＧｅｔＤａｔａＤｉｒｅｃｔｏｒｙ ＲｅｐｏｒｔＧｅｔＮａｍｅｄＶａｒｉａｂｌｅＡｃｃｅｓｓＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＲｅｐｏｒｔＲｅａｄ命名变量列表ＧｅｔＤａｔａＳ ｅｔＶａｌｕｅｓ ＳｅｔＤａｔａＳｅｔＶａｌｕｅｓ ＧｅｔＤａｔａＳｅｔＤｉｒｅｃｔｏｒｙ、№ｉｔｅＧｅｔＮａｍｅｄＶａｒｉａｂｌｅＬｉｓｔＡｔｔｒｉｂｕｔｅｓＲｅａｄＪｏｕｒｎａｌ日志ＱｕｅｒｙＬｏｇＢｙＴｉｍｅ ＱｕｅｒｙＬｏｇＢｙＴｉｍｅＥｎｔｒｙ文件ＧｅｔＦｉｌｅＳｅｔＦｉｌｅ ＤｅｌｅｔｅＦｉｌｅ ＧｅｔＦｉｌｅＡｔｔｒｉｂｕｔｅＶａｌｕｅｓＦｉｌｅＯｐｅｎ，ＦｉｌｅＲｅａｄ，ＦｉｌｅＣｌｏｓｅ ＯｂｔａｉｎＦｉｌｅＦｉｌｅＤｅｌｅｔｅＦｉｌｅＤｉｒｅｃｔｏｒｙ从上表可以看出，ＡＣＳＩ服务到ＭＭＳ服务的映射并不是简单的一一对应 关系。有两种情况需要注意： （１）映射到ＭＭＳ Ｒｅａｄ或Ｗｒｉｔｅ服务时，实际上是多个ＡＣＳＩ服务。比如 ＧｅｔＤａｔａＶａｌｕｅｓ服务、ＧｅｔＤａｔａＳｅｔＶａｌｕｅｓ服务等，因此必须要用某种方法西南交通大学硕士研究生学位论文第１ ５页来区别ＭＭＳ应该执行何种类型的ＡＣＳＩ服务。比如在ＭＭＳ Ｒｅａｄ服务原 语时加入一定的参数来区别该服务的应用对象、范围和具体内容等。 （２）ＡＣＳＩ定义的ＧｅｔＦｉｌｅ服务映射到ＭＭＳ服务时，实际上是用３个ＭＭＳ服务实现的：ＦｉｌｅＯｐｅｎ，ＦｉｌｅＲｅａｄ，ＦｉｌｅＣｌｏｓｅ。这３个服务代表着ＧｅｔＦｉｌｅ服务的３个必要的过程，因此需要协同工作来完成一项ＡＣＳＩ服务。２．２．２ＧＯＯＳＥ、ＳＶ、ＧＳＥ管理报文的通信映射变电站自动化系统中具有大量的快速报文，这些报文如果按照上节的通 信方法进行传输，不但要经过ＩＥＣ ６１８５０协议向应用层协议ＭＭＳ的转换延 迟，而且其它各层协议封装／解析的时间开销巨大，显然无法满足实时性要求。 因此，ＩＥＣ ６１８５０规定ＧＯＯＳＥ报文传输、ＳＶ报文传输、ＧＳＥ管理报文传输 这３类通信服务仅在表示层上进行ＢＥＲ编码后（ＩＥＣ６１８５０ ９一ｌ定义的采样值 报文甚至表示层为空），直接映射至以太网的数据链路层。同时为了确保 ＧＯＯＳＥ和采样值报文的实时性，又在数据链路层上采用了基于ＶＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１ Ｑ）的以太网优先级标记，通过赋予上述２类报文较高的优先级别，使它们通过交换机时消耗较小的排队延时，如表２―４所示【４３１。表２―４ ＧＯＯＳＥ、ＳＶ、ＧＳＥ管理报文的通信服务和协议ＯＳＩ模型分层名称 Ｇ００ＳＥ报文 ＧＳＥ管理报文服务规范协议规范Ｍ／Ｏ Ｍ应用层ＩＥＣ ６ｌ８５０．９―１定义的采 样值报文ＩＥＣ６ｌ ８５０ＩＥＣ６１８５０．９―２定义的采样 值报文 表示层 ＡＳＮ．１的ＢＥＲ编码 （第一种采样值报文除外） 会话层 传输层 网络层ＩＳ０／ＩＥＣ８８２４．１ＩＳＯ／ＩＥＣ８８２５ＭＭ Ｍ Ｍ西南交通大学硕士研究生学位论文 数据链路层 优先级协议／虚拟局域网ＶＬＡＮ第１６页ＭＩＥＥＥ８０２．１ＱＣＳＭＡ／ＣＤＩＳ０／ＩＥＣ８８０２．３Ｍ物理层同ＭＭＳ报文通信映射下面主要介绍ＧＯＯＳＥ报文和ＳＶ报文的映射实现，ＧＳＥ管理报文的映射方 法和ＧＯＯＳＥ报文的情况基本类似。 １．ＧＯＯＳＥ报文的映射 在应用层，ＩＥＣ ６１８５０规定ＧＯＯＳＥ报文采用应用协议数据单元（ＡＰＤＵ） 的格式ｍ１，如下：ＩＥＣＧｏｏｓｅＰｄｕ：：＝ＳＥＱＵＥＮＣＥｇｏｃｂＲｅｆ ｔｉｍｅＡｌ ｌｏｗｅｄｔｏＬｉｖｅ ｄａｔＳｅｔ ｇｏｌＤｔ １ｊ １Ｊ １Ｊ １ｊ１ＪＩＭＰＬＩＣＴＴ ＩＭＰＬＩＣＴＴ ＩＭＰＬＩＣＩＴ ＩＭＰＬＩＣＩＴ ＩＭＰＬＩＣＴＴ ＩＭＰＬＩＣＩＴ ＩＭＰＬＩＣＴＴ ＩＭＰＬＩＣＩＴ ＩＭＰＬＩＣＴＴ ＩＭＰＬＩＣＴＴ ＩＭＰＬＩＣＩＴ ＩＭＰＬＩＣＩＴ ＡＮＹＶＩＳＩＢＬＥ―ＳＴＲＩＮＧ． ＩＮＴＥＧＥＲ． ＶＩＳＩＢＬＥ―ＳＴＲＩＮＧ．ＶＩＳＩＢＬＥ――ＳＴＲＩＮＧＵｔｃＴｉｍｅ， ＩＮＴＥＧＥＲ， ＩＮＴＥＧＥＲ， ＢＯＯＬＥＡＮ ＩＮＴＥＧＥＲ， ＢＯＯＬＥＡＮ ＩＮＴＥＧＥＲ， ＤＥＦＡＵＬＴ ＤＥＦＡＵＬＴＯＰＴＩＯＮＡＬＳｔＮｕｍ ｓｑＮｕｍｔｅＳｔＦＡＬＳＥｃｏｎｆＲｅｆ ｎｄｓＣｏｍ ｎｕｍＤａｔＳｅｔＥｎｔｒ ｉ ａ１１Ｄａｔａ ｓｅｃｕｒｉ ｔｙｅｓ口Ｈ瞄∞口陷 １ｊ９］１０ １１ １２ＦＡＬＳＥ，ＳＥＱＵＥＮＣＥＯＦＤａｔａ，ＯＰＴＩＯＮＡＬ）ＵｔｃＴｉｍｅ：：＝ＯＣＴＥＴＳＴＲＩＮＧＥＮＤ。由上可见，虽然ＧＯＯＳＥ报文传输服务并不映射到ＭＭＳ协议上，但是西南交通大学硕士研究生学位论文第１７页ＩＥＣ６１８５０规定ＧＯＯＳＥ报文的组织格式依然按照ＭＭＳ定义的数据格式，ＧＯＯＳＥ 报文的ＡＰＤＵ为ＡＳＮ．１定义的构造类型（ＳＥＱＵＥＮＣＥ），具体包含多类数据： （１）ｇｏｃｂＲｅｆ，ａｌ １Ｄａｔａ，ｎｕｍＤａｔＳｅｔＥｎｔｒｉｅｓ，ｄａｔＳｅｔ，ｃｏｎｆＲｅｆ参数代表 ＧＯＯＳＥ模型的通用对象控制块ＧＯＣＢ（ＧＯＯＳＥＣｏｎｔｒｏｌＢｌｏｃｋ）服务和属性，其中ａｌｉＤａｔａ是ＧＯＣＢ引用数据集在ＭＭＳ中的映射，变量列表名ｄａｔＳｅｔ是数据集路 径名ＤａｔＳｅｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅ在ＭＭＳ中的映射。 （２）ｓｅｃｕｒｉｔｙ参数代表ＩＥＣ ６１８５０对采取的加密和数字签名的安全机制。 （３）ｔ，ｓｔＮｕｍ，ｓｑＮｕｍ，ｔｉｍｅＡｌｌｏｗｅｄｔｏＬｉｖｅ，ｔｅｓｔ等属于报文控制参数。 ｔ代表ＧＯＯＳＥ报文产生的时标，通常作为驱动事件的发生时标；ｓｔＮｕｍ代表 ＧＯＯＳＥ事件计数值，该参数表征了为保证传输可靠性采用的重传机制，初始值 为０，每产生一次时间加１，记满后复归１；ｓｑＮｕｍ代表ＧＯＯＳＥ报文计数值，每 发送１次ＧＯＯＳＥ加１，记满后复归１，ｓｔＮｕｍ加ｉ时复归０；ｔｉｍｅＡｌｌｏｗｅｄｔｏＬｉｖｅ 代表报文存活时间，单位为ｍｓ，为减轻网络负载，重传报文的 ｔｉｍｅＡｌｌｏｗｅｄｔｏＬｉｖｅ通常依次增大；ｔｅｓｔ代表ＧＯＯＳＥ报文是否处于测试状态。 在表示层，ＧＯＯＳＥ报文的ＡＰＤＵ采用ＡＳＮ．１的ＢＥＲ编码格式。在数据链路 层，ＧＯＯＳＥ报文采用以太网帧的封装格式， 分组广播地址为０卜ＯＣ―ＣＤ一０卜ｏｏ―００至ＯＩ－ＯＣ－ＣＤ―Ｏｌ一０１－ＦＦ；广播地址为ＦＦ－ＦＦ―ＦＦ―ＦＦ―ＦＦ―ＦＦ：虚拟ＬＡＮ优先级标记为Ｏｘ８１００，报文的优先级缺省为４，以太网型式为Ｏｘ８８８８，应用标识为Ｏｘ０００到Ｏｘ３ＦＦＦ。ＧＳＥ管理报文分组广播地址为 Ｏ卜ＯＣ―ＣＤ―０２一００一００至０卜０Ｃ―ＣＤ一０２―０卜ＦＦ，虚拟ＬＡＮ优先级标记为Ｏｘ８１００， 报文的优先级缺省为ｉ，以太网型式为Ｏｘ８８８９，应用标识为Ｏｘ０００到Ｏｘ３ＦＦＦ。 ２．ＳＶ报文的映射Ｈ副 在应用层，ＳＶ ＡＰＤＵ置入发送缓冲区之前，一个或多个应用服务数据单 元（ＡＰＤＵ）连接成一个ＡＰＤＵ，并在报文的前面串联一组应用协议控制信息 （ＡＰＣＩ），包括ｉｂｙｔｅ的ＡＳＮ．Ｉ标记、ｌ的ｂｙｔｅ长度、２ｂｙｔｅｓ的ＡＳＤＵ个数，如图２－６所示。ＡＰｃＩ（应用．协议控制信息）ＡｓＤｕ（应用服务数据单元）图２－６多个ＡＳＤＵ连成１个ＡＳＤＵＩＥＣ６１８５０９－ｉ定义的采样值报文中，每个ＡＳＤＵ包括两个部份：一是与西南交通大学硕士研究生学位论文第１ ８页ＩＥＣ６００４４－７／８兼容的通用数据集ＡＳＤＵ，主要是１２路电流、电压信息和反映 其有效性的状态信息；二是ＩＥＣ ６１８５０定义的状态数据集ＡＳＤＵ，包含二进制 输入状态及其品质信息，主要用于开关量的输入。而ＩＥＣ ６１８５０―９―２定义的 采样值报文ＡＳＤＵ则不采用上述专用数据集，ＡＳＤＵ的个数和数据集内容是自 定义的，在实际应用中如有大于１２路采样需要时，采用该报文的自定义数据 集则十分灵活方便，但不支持状态信息的传输。 在表示层，ＩＥＣ ６１８５０－９－１定义的采样值报文采用公共数据类编码规则，而ＩＥＣ 不同。６１８５０９－２定义的采样值报文采用ＡＳＮ．１的ＢＥＲ编码格式，两者有所在数据链路层，两种采样值报文采用以太网帧的封装格式，尽管两者的 报文长度不同，但ＡＰＤＵ的组织格式却基本一致：广播地址为ＦＦ―ＦＦ―ＦＦ―ＦＦ －ＦＦ－ＦＦ；分组广播地址为０１－ＯＣ―ＣＤ一０４一００一００至０卜０Ｃ―ＣＤ一０卜０４一ＦＦ。２．２．３ＧＳＳＥ报文的通信映射为与ＵＣＡ ＧＯＯＳＥ报文保持兼容，ＩＥＣ ６１８５０定义了不如ＧＯＯＳＥ报文 灵活的ＧＳＳＥ报文，它的功能也更加明确和更易识别，在传输跳闸／变位信号 等特定应用中具有一定的便利性，但ＩＥＣ的最终目标还是将ＧＯＯＳＥ完全代 替ＧＳＳＥ。ＧＳＳＥ报文在应用层被映射到ＭＭＳ，底层被映射到无连接的ＯＳＩ 模型＋以太网的协议栈上，如表２．５所示。限于篇幅，本文不再赘述具体映 射环节的实现【４ ３｜。表２－５ ＧＳＳＥ报文的通信服务和规范ＯＳＩ模型分层 应用层名称 制造报文规范ＭＭＳ服务规范ＩＳ０９５０６．１协议规范ＩＳＯ ９５０６．２Ｍ／０ Ｍ关联控制服务元素ＡＣＳＥＩＳ０／ＩＥＣ８６４９ＩＳＯ／ＩＥＣ８６５０Ｍ表示层无连接的表示 抽象语法表述ＩＳ０／ＩＥＣ８８２２ ＩＳＯ／ＩＥＣ８８２４．１ＩＳ０／ＩＥＣ９５７６―１ＩＳＯ／ＩＥＣ８ ８２５．１Ｍ Ｍ西南交通大学硕士研究生学位论文 会话层 传输层 网络层 无连接的会话 无连接的传输 无连接的网络 无连接端系统对中 间系统 数据链路层 逻辑链路控制ＣＳＭＡ／ＣＤＩＳ０／ＩＥＣ８ ８０２．２ＩＳ０／ＩＥＣ８ ８０２．３ ＩＳＯ／ＩＥＣ８ ３ ２６ ＩＳＯ／ＩＥＣ８０７２第１ ９页ＩＳ０／ＩＥＣ９５４８．１ ＩＳ０／ＩＥＣ８６０２Ｍ Ｍ Ｍ ＭＩＳＯ／ＩＥＣ８３４８ＩＳ０／ＩＥＣ８４７３．１／２ＩＳＯ ９５４２Ｍ Ｍ物理层同ＭＭＳ报文通信映射２．２．４时间与时间同步报文的通信映射时间及时间同步服务主要的功能是完成变电站范围内的时间同步，实现 过程是：驻留在提供时间同步服务的ＩＥＤ中的时间服务器从外部时钟源（如 ＧＰＳ）获取时间信息，再通过时间与时钟同步报文ＴｉｍｅＳｙｎｃ（ＣＴｉｍｅ Ｓｙｌｌｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ）校准请求同步的ＩＥＤ的内部时钟［４３１。ＴｉｍｅＳｙｎｃ报文映射到完整通信协议栈，传输层采用无连接的ＵＤＰ协议，应用层采用ＴＣＰ／ＩＰ协议族上的通用网络授时协议ＳＮＴＰ（ＳｉｍｐｌｅＮｅｔｗｏｒｋ ＴｉｍｅＰｒｏｔｏｃ０１），如表２―６表２－６时间与时间同步报文的通信服务和协议ＯＳＩ模型分层 应用层 表示层 会话层 传输层名称服务规范协议规范Ｍ／ｏ简单网络时间协议ＳＮＴＰＲＦＣ２０３０Ｍ用户数据报协议ＵＤＰ 互联网控制报文协议ＩＣＭＰＲＦＣ７６８ ＲＦＣ７９２Ｍ Ｍ对ＩＰ分组广播的主机扩 展ＩＧＭＰ 网络层 互联网协议ＩＰ 地址解析协议ＡＲＰＲＦＣｌｌ２２ＭＲＦＣ７９１ ＲＦＣ８２６Ｍ Ｍ西南交通大学硕士研究生学位论文 广播网络数据报文 数据链路层 以太网ＩＰ数据报传输标 准ＣＳＭＡ／ＣＤＩＳＯ／ＩＥＣ ８ ８０２．３ＲＦＣ９１９第２０页Ｍ ＭＲＦＣ８９４Ｍ物理层同ＭＭＳ报文通信映射ＳＮＴＰ协议具有主／被动对称、客户机／服务器及广播３种工作模式， ＩＥＣ６１８５０将ＴｉｍｅＳｙｎｃ服务定义为双边应用关联ＴＰＡＡ（ＴｗｏＰａｒｔｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ），因此ＳＮＴＰ采用客户机／ＪＪ艮．务器的工作模式。ＴｉｍｅＳｙｎｃ报文的 时间／同步精度取决于外部时钟源的精度和网络路径的特性。变电站通常采用 高精度的ＧＰＳ作为外部时钟源，且变电站通信网络的规模相对较小，ＳＮＴＰ 的同步精度能够实现ＩＥＤ之间的毫秒级同步，可以满足变电站内大多数应用 功能的需要。面对过程层需要更高精度的同步问题，ＩＥＣＴＣ５７ＷＧｌ ０准备将新制订的基于以太网的精确时间同步协议（ＩＥＥＥ ５１８８／ＩＥＣ?６１５８８）引入ＩＥＣ６１８５０，将其作为过程层采样同步报文，它的精度可以达到亚微秒级。西南交通大学硕士研究生学位论文第２１页第３章基于ＩＥＣ６ １ ８ ５０的数字化变电站系统结构设计数字化变电站的概念是随着数字式过程层设备的诞生出现的。在实现过 程层数字化、信息共享化的基础上，数字化变电站强调变电站自动化系统整 体的信息化、统一模型化和站内ＩＥＤ之间、变电站与控制中心之间协同操作、 集成应用的能力。数字化变电站系统的结构设计是数字化变电站设计的重要 组成部分，本章将给出Ｄ２数字化变电站的组网结构设计。３．１数字化变电站自动化系统的特征变电站实现数字化，指的是变电站信息的采集、传输、处理全过程实现 数字化，且每个环节都具备完善的白诊断功能；变电站过程层的所有设备都 实现智能化，二次接线大大简化。整个变电站的信息模型，包括数据模型和 功能模型，都采用统一模式；各类设备的数据通信都采用开放的统一的通信 协议，实现所有数据的无缝交换；所有信息的可靠性、完整性、实时性都能 得到保证，数据测量精度高；通信介质全部采用光纤来取代传统的电缆；各 种设备和功能共享统一的信息平台，避免设备的重复投资，整个变电站的管 理实现全面的自动化和信息化【４４１。与传统的变电站相比，数字化变电站自动 化系统大致有以下几个特点【４５】： １．变电站层次化：根据不同功能，变电站在逻辑结构上划分为过程层、 间隔层和变电站层：过程层实现所有与一次设备接口相关的功能，包括开入／ 开出、模拟量采样等；间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设 备产生作用；变电站层的功能是利用全站的数据对全站的一次设备进行监视 和控制及与远方控制中心的数据交换。过程层是专门针对数字式过程层设备 划分的，它分担了常规变电站间隔层的部分功能。 ２。过程层设备数字化：一次设备被检测信号回路采用电子式电流互感器 ／电子式电压互感器，被控制驱动回路采用智能断路器，常规的强电模拟信号 测量电缆和控制电缆被数字光纤所取代。 ３．间隔层内设备网络化：变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、西南交通大学硕士研究生学位论文第２２页测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、 同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块 化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设 备不再出现功能装置重复的Ｉ／Ｏ现场接口，通过网络真正实现数据共享、资 源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。 ４．自动化的运行管理系统：变电站运行管理自动化系统应包括电力生产 运行数据、状态记录统计无纸化、自动化；数据信息分层、分流交换自动化； 变电站运行发生故障时，能及时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故 障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定 期检修＂改为“状态检修”。５．支持系统与运行系统协调工作：数字化变电站中，基于信息共享的各种运行支持系统（如一次设备运行状态检测系统等）可以功能优化并与变电站 的运行系统协调工作。３．２数字化变电站自动化系统的通信层次结构设计ＩＥＣ６１ ８５０作为变电站通信网络与系统的惟一国际标准和电力系统无缝通信体系的基础，数字化变电站采用ＩＥＣ６１８５０将是必然选择。但是ＩＥＣ６１８５０和数字化变电站有着更深层次的关联：前者对后者的实现起着不可替代的作 用，例如其它常见的通信协议并不涉及诸如采样值传输的过程层通信，而ＩＥＣ ６１８５０则为数字式过程层设备的全面接入做好了准备，即前者是以后者为蓝 本制订的，也正因如此，前者的全面实践有赖于后者的实现。所以ＩＥＣ 的实践与数字化变电站的建设是个有机结合的过程。 在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式 互感器机电一体化设备的出现，变电站综合自动化技术迈进了数字化的新阶 段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动 装置的Ｉ／０单元，如Ａ／Ｄ变换、光隔离器件、控制操作回路等将割裂出来作 为智能一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字 化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的Ｉ／０部分；而在中低压 变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现 了变电站机电一体化设计。６１ ８５０西南交通大学硕士研究生学位论文第２３页数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次 设备和网络化的二次设备。在逻辑结构上继承了分层分布式的特点分为三个 层次，根据ＩＥＣ６１８５０标准定义，在逻辑结构上数字化变电站自动化系统分为 三个层次，分别是“变电站层”、“间隔层＂、“过程层”。在这３层中有１０类 逻辑接口，分别接入２类总线：过程总线（ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｕｓ）以及变电站总线（ｓｔａｔｉｏｎ ｂｕｓ）。各层次内部和层次之间采用高速网络通信。以ＩＥＣ６１８５０规约中规定的Ｄ２型变电站图３―１为例，三个层次的关系如图３－２所示，为简化 起见，６个结构相同的馈线间隔用间隔（Ｆ１～Ｆ６）表示，两个变压器间隔用间 隔（Ｔ１，Ｔ２）表示。呱ＶＶ挖ｎ拗他＝＼Ｊ１口－／ｌＲ丁、虽一一可工］＿、眄］＼一广，｝ＬＪ＼、Ｔ＿ＬＪＴ－厂砣图３―１ ＩＥＣ６１８５０规定的Ｄ２型变电站西南交通大学硕士研究生学位论文第２４页远动单元ｌＩ主控单元ｌｌＨＭＩ一变电站层一间隔控｜Ｉ间隔保间隔控制单元 间隔Ｓ１间隔保间隔控间隔保护单元制单元ｌｌ护单元间隔层１丽］ｒ＿丽ｌ过程层网络ｌ护单元间隔Ｓ１制单元 １ｉ雨ｒｆＴｌ．Ｔ２］毕剑ｋ毕髫ｉ箩扩各并单元 路器 Ｉ｜口７１干儿Ｆ１～Ｆ６１］ｌ弼ｒｆＴｌ．Ｔ２］过程层网络Ｉ过程层网络一过陧罢币引广丽ｌＪ伊１～Ｆ６）智能断 路器合并单 兀一佳旧。憎塘一千．旧 旧ｌ◆ｒ．挝隅喉ｖ一一鲤匣坠ＪＩ ｆ司ｌＮｓｌ＿ｊ智能断ｌｌ合成合｜ｌ智能断 路器 ＩＩ并单元Ｉｌ 路器 问隔 ｜ｌ间隔ｌｌ 问隔Ｉ（Ｔ１ １，Ｔ２）ｌｌ（Ｔ１，Ｔ２）｜ｌ（Ｔ１２，Ｔ２）图３―２ Ｄ２型数字化变电站自动化系统功能层变电站层：变电站层的主要任务是：通过高速网络汇总全站的实时数据 信息，不断刷新实时数据库，及时保存历史数据库；按既定协约将有关数据 信息送往调度或控制中心；接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、 过程层执行；具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；具有（或备有）站内 当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声 音等多媒体功能；具有对间隔层、过程层设备的在线维护、在线组态、在线 修改参数的功能；具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。 间隔层：间隔层的主要功能是：汇总本间隔过程层实时数据信息；实施 对一次设备保护控制功能；实施本间隔操作闭锁功能；实施操作同期及其他 控制功能；对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制； 承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及变电站层的网络通信功能， 必要时，上下网络接口具备双口全双工方式以提高信息通道的冗余度，保证 网络通信的可靠性。 过程层：过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是智能 化电气设备的智能化部分，其主要功能可分为三类：①电气运行的实时电气 量检测。即利用光电电流、电压互感器及直接采集数字量等手段，对电流、 电压、相位及谐波分量等进行检测。②运行设备的状态参数在线检测与统计。西南交通大学硕士研究生学位论文第２５页如对变电站的变压器、断路器、母线等设备在线检测温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。③操作控制的执行与驱动。在执行控制命令时具有智能性，能判断命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作 精度进行控制，如能使断路器定向合闸，选相分闸，在选定的相角下实现断 路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。３．３数字化变电站内数据流及其报文分类３．３．１数字化变电站数据交互分析数据流是指在一个给定的时间间隔内的数据交换，这种数据交换可能是 连续的或由事件驱动的［４６１。分布实时应用在它的不同部分有不同的数据流类 型，数据流类型可以简单到传感器送来的温度值，也可以复杂到几百个传感 器通过网络进行数据交换以保证控制过程正常运行。在分析这些不同的复杂 数据时，我们必须理解这些不同数据的类型、属性和模式。在具有变电站一 间隔层一过程层结构分层的Ｄ２型数字化变电站内，需要传输的数据流有如 下几种【４ ７１，以图３．２为例。 １．过程层一间隔层通信 在间隔层和高压一次设备的智能传感器和执行器之间的数据流。间隔层 的设备大多数需要从过程层的电压和电流互感器采集正常和事故情况的电压 值和电流值，采集设备的状态信息和故障诊断信息，这些信息包括：断路器 和隔离开关位置、主变压器分接头位置，变压器、互感器、避雷器的诊断信 息以及断路器操作信息。 ２．间隔层内的通信 间隔层的设备有间隔控制单元和间隔保护单元两种。 在一个间隔层内的相关间隔功能间或设备间的数据流即是保护、控制、 监视、测量数据流。这类信息有测量数据、断路器状态、器件的运行状态、 同步采样信息等。 ３．间隔层之间的通信 不同间隔层之间的数据交换有：母线分段和变压器间隔之间跳闸命令传西南交通大学硕士研究生学位论文 输等。 ４．间隔层一变电站层通信 间隔层和变电站层的通信内容很丰富，概括起来有以下３类。第２６页ａ．测量及状态信息。正常和事故情况下的测量值和计算值，断路器、隔 离开关、主变压器分接开关位置、各间隔层运行状态、保护动作信息等。 ｂ．操作信息。断路器和隔离开关的分、合命令，主变压器分接头位置的 调节，自动装置的投入与退出等。 ｃ．参数信息。微机保护和自动装置的整定值等。 ５．站一电网控制中心之间通信 变电站和一个远方控Ｎ／监视中心之间的数据流。远方中心可能是一个具 有固定的链路连接的网络控制中心，或具有通过公共网络的拨号链路的维修 中心。事件可以由一个外部时钟或集成到系统中的时钟和变电站同步。３．３．２变电站内报文分类变电站自动化网络通信系统是一个典型的实时系统，其不同部分、不同 时期的数据流具有不同的实时性要求。 ＩＥＣ６１８５０定义了７种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、 原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文【４引。１．快速报文：这类报文典型表现为数据、命令或单一报文的简单二进制 代码，如“跳闸”、“合闸”、“启动＂和“停止”等等，接收此类报文的ｌＥＤ通常在接收以后就立即动作。 ２．中速报文：某种报文，若它发生的时间是必要的，但传输时间却无关 紧要，则希望发送此种报文的ｌＥＤ有自己的时钟。报文应含有发送机设定的 时标，接收机将在一定的内部时间延迟后正常反应，然后按报文中的时间标 志给出的时间来进行计算。通常的状态信息属于此类报文，这类报文也可能 含有单－－Ｎ量值。３．低速报文：此类报文含有复杂的报文，可能需要时间标志。这种类型报文一般用于低速自动控制功能、事件记录传输、读或改变设定点值和通常 的系统数据描述等。不管时间标记需要（正常）还是不需要（例外），都应由实际应用所决定。对正常警报／事件的处理，警报和事件应标有时间标记。非电量西南交通大学硕士研究生学位论文第２７页测量（如温度）也属于此类型。但某些自动装置和数值（如压力）则需要类型２的 报文。 ４．原始数据报文：此类报文如数字式变送器和数字式仪用互感器的输出 数据。此数据包括每个ＩＥＤ输出的连续同步数据流，并交叉有其它ＩＥＤ的数 据。．５．文件传输报文：此类报文用来传送大型记录数据文件、信息目的和整 定等。数据应分为有限长度的块，以便为其它通信网络的应用所使用。 ６．时间同步报文：这类报文用于同步变电站自动化系统中ＩＥＤ的内部 时钟。按照用途（事件时间标记或原始数据的采样精度）需要不同级的时间同 步。 ７．具有访问控制的命令报文：这类报文用来传送控制命令。此命令可由当地或远方人机会话接口（ＨＭＩ）发出。这需要有较高的安全性。此类报文是基于类型３的报文，必须带有附加的口令和查证过程。 从时域的角度，根据数字化变电站内报文的种类，可以将数字化变电站 内的信息分成四类，由于标准的以太网还不满足时间同步信息的传输需求，ＩＥＣＴＣ５７ＷＧｌ ０正准备将新制订的基于以太网的精确时间同步协议（ＩＥＥＥ ６１５８８）引入到数字化变电站来，这类信息，本文在信息的分类中暂５１８８／ＩＥＣ时不予考虑，见表３―１所示。表３－１信息分类信息类型ＩＴｌ ＩＴ２ ＩＴ３描述 周期性信息，例如原始数据报文。 事件驱动信息，例如快速报文。 主动上送设备运行信息或下发控制信息，，例如低速报文，中速报 文，具有访问控制的命令报文。ＩＴ４维护信息传输，例如文件传输报文。３．４数字化变电站自动化系统的组网结构设计合理的组网方式是保证以太网高效可靠运行的重要条件。在数字化变电西南交通大学硕士研究生学位论文第２８页站中，合理的组网方式可以简单概括为：组建的网络在实现承载功能、并满 足性能要求的基础上，在不改变网络本体参数的条件下，通过对网络结构和 节点分布的优化，提高网络的效能和变电站信息化应用的水平，并达到效能 与投入的平衡【５ ２｜。 数字化变电站的基本结构继承了分层分布式的特点，其功能在逻辑上被 分配到３个不同的层（即过程层、间隔层和变电站层）中。在这３层中有１０类 逻辑接口，分别接入２类总线：过程总线（ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｕｓ）以及变电站总线（ｓｔａｔｉｏｎ ｂｕｓ），因此其组网方式从应从过程总线和变电站总线考虑入手，具体分析如 下。３．４．１过程总线的基本组网结构设计过程总线可以采用不同的组网方式，ＩＥＣ ６１８５０标准中列举了４种基本 方案（４引，如图３．３所示，它们体现了不同的组网原则，可以满足不同的数据 流要求及可靠性要求，并可应用于不同场合。 １．面向间隔原则。在方案１中，每个间隔有其自身的总线段，同时还装 设１个独立的全站范围的总线以连接各间隔的总线段。面向间隔的组网方案 的优点是结构清晰、易于维护，缺点是需要安装较多的交换机和路由设备， 成本较高。该方案适用于２２０ ｋＶ及以上系统以及重要间隔。另外，设备的 互操作性乃至互换性既可在ＩＥＤ层面获得，也可在间隔层面获得。在ＩＥＣ ６１８５０实施初期，由于缺乏足够的互操作性实践，间隔层面的互操作性更容 易得到保证，这也就自然导致了面向间隔的组网方案。 ２．面向位置原则。方案２中每个间隔总线段覆盖了多个间隔。当ＩＥＤ的 安装位置处于多个传感器的安装位置的中心时，从高压端到ＩＥＤ的光纤传输 距离最短。另外，２２０ ｋＶ双母线接线多采用母线ＰＴ，该ＰＴ可以为多个间 隔所共用，从而节省了ＰＴ的安装数量。 ３．单一总线原则。方案３是一种全站单一总线方案，所有设备都与该总 线连接。该方案的优点是节省了交换机，成本较低；缺点是系统可靠性差， 需要较高的总线速率。该方案适用于网络负载较轻、实时性要求不高的中、 低压系统。 ４．面向功能原则。方案４中的总线段是按照保护区域来设置的，其突出西南交通大学硕士研究生学位论文 优点是总线段之间的数据交换量最小。第２９页………肺～Ｄ梨～～＿一１ｌｒ～扩｛．ｉ二掣一吾藁西图３－３过程总线的几种结构采用不同的组网方式，这取决于数据流要求、可靠性要求或安装过程中 的具体情况，本文的Ｄ２型数字化变电站的过程层间隔组网方案采用方案ｌ 面向间隔原则进行组网如图３．３所示：西南交通大学硕士研究生学位论文第３０页图３―４面向间隔的Ｄ２型数字化变电站过程总线组网图３―４中共有９个间隔，其中间隔Ｆ１～Ｆ６表示馈线间隔，间隔Ｓ ｌ表示 母线分段间隔，Ｔ１、Ｔ２间隔表示变压器间隔，每个间隔根据其智能断路器单 元，采集电流电压信息的合并单元和完成本间隔的间隔保护和间隔控制单元 组成一个独立的子网，每个子网有其自身的总线段，同时还装设１个独立的 全站范围的总线以连接各间隔的总线段。３．４．２变电站总线的基本组网结构设计数子变电站总线的基本组网方案包括除过程层总线组网设计外还包括变 电站层总线组网设计，变电站层总线组网设计主要有以下方案： １．独立的变电站总线。采用该方案时，位于间隔层的ｌＥＤ需要２套以 太网接口（如故考虑冗余，需要４套以太网口），分别接入过程总线和变电站 总线，如图３．５所示。 ２．合并的变电站总线和过程总线。由于在数字化变电站中采用公共的以 太网技术，变电站总线和过程总线完全可以合并，如图３－６所示。这样，ｌＥＤ西南交通大学硕士研究生学位论文第３１页只需ｌ套以太网接口（如果考虑冗余需要２套以太网口），既简化了结构又 降低了设备和维护费用。该方案的缺点是实时数据和非实时数据、控制性数 据和非控制性数据共享同一网络，易导致争夺网络资源以及安全性问题，应 利用交换式以太网的优先级排队特性以及虚拟局域网技术解决上述问题。远动单元ＩＩ主控单元交换机间隔控 制单元 间隔’Ｆｌ～Ｆ６间隔保 护单元７Ｆｌ～Ｆ６１丽间隔控 制单元雨。７Ｔ１．Ｔ２、间隔保 护单元问隔控 制单元 间隔ｓ１间隔保 护单元吓ｉ雨ｒｆＴｌ．Ｔ２、ｌｌ间隔Ｓ１交换机 智能断 路器 间隔Ｆｌ～Ｆ６交换机 合成合 并单元 智能断 路器交换机智能断 路器合并单 兀Ｆ１～Ｆ６）ｌＩ（Ｔ１１，Ｔ２）ｌｌ（Ｔ１，ｘ２）ｌｌ（Ｔ１２，Ｔ２）ｌ Ｉ塑堕兰！｜｜塑堕墨！图３－５独立变电站总线结构远动单元ｌｌ主控单元 交换机间隔控 制单元 司隔１～Ｆ６１间隔保 护单元间隔控 制单元间隔保 护单元间隔控Ｉ习Ｊ ｐ南１禾ｌ厂间隔Ｊ｜ｆＦｌ～Ｆ６１邪矿７Ｔ１．Ｔ２７１邪矿‘Ｔ１．Ｔ２］护单元 制单元 间隔Ｓ１ ｌ｜间隔Ｓ１交换机交换机 智能断 路器 间隔Ｔ１１．Ｔ２交换机 智能断 路器 间隔蓼；罗Ｉｒ善弄ｉ芫 路器 Ｉ｜。丌午儿司隔１～Ｆ６合成合 并单元）ｌ｜（Ｔｌ，Ｔ２） （Ｔ１２，ｘ２）Ｉ Ｉ间隔ｓ１｜｜问ＮｓｌＩＩ间隔智能断 路器合并单７１３图３－６合并总线结构图３．５数字化变电站通信网络由站级网络和多个物理上相互独立的过程 子网组成；通过交换机将站内所有间隔层ＩＥＤ和变电站层设备连接成站级网 络，并通过路由器将外部网络接入，站外网络能够直接访问站内间隔层ＩＥＤ，西南交通大学硕士研究生学位论文第３２页间隔信息可以得到最大程度的共享；间隔层ｌＥＤ与过程层设备之间根据不同 间隔或功能划分成多个物理上相互独立的过程子网，当间隔具有惟一的间隔 层ｌＥＤ和智能过程层设备时，则可以直接采用点对点的连接方式。过程子网的优点在于：①借助间隔信息的广域交互，可实现输配电系统 的广域控制；②单个过程子网连接的节点数目很少，网络负荷得到有效控制，不必过多关心通信网络的性能。但过程子网的缺点同样显而易见：①虽然过程层信息（如采样值、状态位置信息等）已经数字化，却只能被本间隔的设备独享，间隔之间无法共享，间 隔层ｌＥＤ之间只能通过站级网络实现有限的信息交互，涉及过程层信息的集 成应用和协同操作受到了限制；②使用了较多的网络设备，建设成本增加；③间隔层ｌＥＤ需具备多个网络接口，才能分别实现站级网络和过程网络的冗余。 图３－６数字化变电站通信网络为惟一物理网络，站内所有的智能设备（甚 至包括ＥＣＴ／ＥＶＴ）都接入同一个网络，任意智能设备之间，特别是变电站层 设备与过程层设备之间，都能够直接通过数字化变电站通信网络进行信息交 互。全站惟一网络使过程层信息得到最大程度的共享（借助远动网络，甚至可 以实现系统范围的共享），变电站信息化水平显著提高；利用从数字化变电站 通信网络上获取的丰富的过程层信息，各种协同操作和分布式应用功能均能 便捷实现，变电站自动化系统的整体性能得以提高；由于过程层信息和功能 可以复用，间隔层ｌＥＤ或其网络接口、组网设备的数目得以精简，设备投资 减少；数字化变电站的效能得到充分发挥。但同时由于网络规模较大、节点 数目众多且位置分散，数字化变电站通信网络的结构变得复杂，组网和运行 管理的难度有所增加，主要体现在：①由于过程层设备数目众多且位置分散（特别是高压变电站中），通常需要多级交换，即先将地理位置相邻（可能是同一间隔内）的几个节点接至１个 接入交换机，再将接入交换机串连成环网或汇聚至变电站层的核心交换机。 ②由于所有智能设备都接入同一个网络，各种类型的数据流，如随机出现的 电能质量监测数据、录波数据、设备配置及程序文件等大流量数据，使数字 化变电站通信网络整体的运行状况变得复杂，且较难评估。报文区分优先级 并采取全双工的通信方式是确保数字化变电站通信网络实时性能的必要措施。西南交通大学硕士研究生学位论文第３３页依据目前的技术条件，两层物理网络的数字化变电站通信网络即过程子 网易实现，而全站惟一网络可先在规模不大、节点数目较少的新建中低压变 电站中尝试进行，待积累一定的组网和运行管理经验后，全站惟一网络将凭 借信息高度共享等优势成为数字化变电站通信网络的最终形态，因此本文将 以Ｄ２数字化变电站为例，着重研究方案１：合并的变电站总线和过程总线的 全站惟一网络的数字化变电站通信网络的实时性能。西南交通大学硕士研究生学位论文第３４页第４章基于ＩＥＣ６ １ ８ ５０的数字化变电站通信网络作为现代通信网络技术在数字化变电站系统这一特殊场合的应用实例， 变电站通信网络不可避免的受到现代通信网络技术发展的影响，如何将先进 的通信网络技术应用到变电站自动化系统始终是变电站自动化技术的一项重 要课题。以太网，特别是交换式以太网已经在商用领域取得了广泛成功，但 在工业过程控制领域中的实践才刚刚开始，为了能使以太网更适用于新型的 数字化变电站，采取什么样的传输模式方式、实时性和信息安全措施，需耍 展开深入研究。 依据ＩＥＣ６１ ８５０对变电站功能分层作出的规定，数字化变电站划分为变 电站层、间隔层和过程层。ＩＥＣ６１ ８５０规定变电站层与远方控制中心之间、变 电站层与间隔层之间、间隔层与过程层之间分别通过基于以太网的远动网络、 站级网络和过程网络进行各个层面的信息交互。４．１数字化变电站各通信层的交换式以太网４．１．１传统以态网特性 １．以太网协议层次结构 以太网属于ＬＡＮ协议体系（ＩＥＥＥ８０２系列）。同大多数通信协议一样，ＬＡＮ 协议建立在ＯＳＩ模型的基础上；作为底层协议，ＬＡＮ协议对应ＯＳＩ模型中的 物理层和数据链路层，但ＬＡＮ协议又将数据链路层划分为逻辑链路控制 （ＬｏｇｉＣＬｉｎｋＣｏｎｔｒｏｌ，ＬＬＣ）和介质访问控制（ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）２个子层，如图４－１所示∞引。划分ＬＬＣ和ＭＡＣ子层的目的在于：如果要改变网 络的传输介质或者访问控制方法，只需要改动与介质相关的ＭＡＣ层协议，无 需改动与介质无关的ＬＬＣ层协议，从而使ＬＡＮ协议具有广泛的适用性。就以 太网而言，这３层协议的具体功能如下： 物理层：位于０ＳＩ模型的最底层，用来对数据终端设备（ＤＴＥ）和数据电路 端设备（ＤＣＥ）之间接口状态和位流进行控制，即为数据链路实体之间位流传送 所需的物理连接的激活、维持和解除，提供机械、电气、功能性和规程性的西南交通大学硕士研究生学位论文 手段。第３５页ＭＡＣ层：负责以太网帧的封装（发送时将ＬＬＣ层的数据封装成帧，接收时 将帧拆封给ＬＬＣ层），包括帧前同步信号的产生，源／目的地址的编码及对物理介质传输差错进行检测等，并实现以太网介质访问控制方法和冲突退避机制。 ＬＬＣ层：负责向上层协议提供标准的ＯＳＩ数据链路层服务。通过服务访问 点（ＳｅｒｖｉｃｅＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ，ＳＡＰ）建立１个或多个与上层协议间的逻辑接口，使上层协议（如ＴＣＰ／ＩＰ）能够运行在以太网上。ＯＳＩ参考模型应用层（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）ＩＥＥＥＳ０２参考模型表示层 （Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）会话层（Ｓｅｓｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）传输层（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ）网络层（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌａｙｅｒ）逻辑链路控制（Ｌｏｇｉｃａｌ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒ０１）数据链路层（Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ Ｌａｙｅｒ）介质访问控制（Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒ０１）物理层（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ）物理层 （Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ）图４－１ ＯＳＩ模型与ＩＥＥＥ８０２参考模型比较２．以太网帧格式 帧（ｆｒａｍｅ），它是一系列标准化的数据位，用来在系统中传输数据。以太网系统的核心概念是帧（Ｆｒａｍｅ），物理硬件都用来在计算机之间传输以太网 帧嵋制。以太网帧中的各个数据位组成了特定的字段，如图４―２所示。６４ｂｉｔｓ ４８ｂｉｔｓ ４８ｂｉｔｓ １６ｂｉ．ｔｓ（４６ｔｏ １５００）ｂｉｔｓ３２ｂｉｔｓ图４―２以太网帧格式以太网帧以一个称为帧前同步信号的６４位组开始，该信号主要用于提供西南交通大学硕士研究生学位论文第３６页使所有硬件有足够时间来识别一个正在传输中的帧，并使它们开始工作，以 接收数据。 帧前同步信号后面是目的地址和源地址字段。每个以太网接口都有一个４８位地址标识，该标识由ＩＥＥＥ统一分配，以保证每一以太网接口的地址全球唯一，称为硬件地址或物理地址。又因为以太网介质访问控制系统包括了 帧和它的地址，所以又把它称为介质访问控制（ＭＡＣ）地址。 接着是１６位的类型字段。由于标准制定的原因，这一１６位字段有两种 定义，即ＩＥＥＥ定义和ＤＩＸ定义。前者将其定义为以太网帧的长度字段，后者 则用该字段标识出数据字段中所携带的高级网络协议的类型，如ＴＣＰ／ＩＰ或 ＩＰＸ／ＳＰＸ等。 紧跟着是数据字段，它的范围是４６字节到１５００字节之间。数据字段必 须至少有４６字节，这是为了确保帧信号在网络传输过程中停留的时间足够 长，使网络系统中的每个站点在以太网系统的最大循环信号传输时间内都能 收到帧。 ３．介质访问控制方法 以太网在ＭＡＣ层采用ＣＳＭＡ／ＣＤ（ＣａｒｒｉｅｒＣｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ＷｉｔｈＤｅｔｅｃｔｉｏｎ，带冲突检测的载波侦听多路访问）介质访问规则嵋副。ＣＳＭＡ／ＣＤ是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立 地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监 听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到 介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送 随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突， 则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一 段时间后，再重新争用介质，重发送帧。检测信道是否空闲采用的方法要根 据网络是基带信号还是宽带信号来确定。在宽带网络中，检测信道是否空闲 可以使用载波监听的方法，即检测电缆上是否有载波信号。 ４．１．２交换式以太网特点 传统以太网采用的非确定式网络访问仲裁机制ＣＳＭＡ／ＣＤ，大大影响网络 的实时性，交换式技术的发展为从本质上解决以太网通信的“确定性＂提供 了可能，当采用全双工微网段通信方式后，每个站点都具有独立的冲突域，西南交通大学硕士研究生学位论文第３７页不再受限于原有的ＣＳＭＡ／ＣＤ工作方式，从而大大改进了以太网通信的实时性。 以太网技术的一个重要发展就是交换技术的出现。采用交换技术的交换机提 供了新的柔性的解决方法以解决以太网固有的问题和局限，如全双工通信技 术和微网段技术。其中微网段技术把冲突域进行了重新划分，一个设备或者 一组设备组成了一个冲突域，大大减少了冲突的发生。全双工通信技术和微 网段技术大大提高了以太网的性能和时间的确定性。交换机的出现，使以太 网具有建立虚拟局域网的能力和提供生成树等容错机制，ＩＥＥＥ８０２．１Ｐ规范还 赋予二层交换机通过优先级域支持不同优先级别流量的能力¨６｜。４．１．２符合数字化变电站的交换式以太网实时性改进随着以太网技术的发展及其在数字化变电站自动化系统中的应用，各种 特定功能构建的各自独立的专用网络将被全开放的以太网取代。如何提高以 太网的实时性能，排除非紧急信息对时间紧急信息的影响是非常有必要进行 研究的。信息的端到端延时不仅仅消耗在数据的传输延时和光电信号的传播 延时上，可能更多的消耗在报文发送前的排队延时上（即发送前和冲突退避后 的等待时间）。因此，提高以太网的实时性能，应首先从避免数据冲突或保证 实时数据的优先传输入手，目前主要存在以下几类方法∞７１： １．采用交换式以太网与优先级标记（ＩＥＥＥ８０２．１ｐ／Ｑ）通过交换机将网络划分成多个网段，与交换机每个端口连接的网段都是 １个独立的冲突域，交换机根据收到数据帧中的源ＭＡＣ地址建立该地址与交 换机端口间的映射，实现网段间的通信。当交换机端口连接单个网络节点时， 节点与交换机之间可以采取全双工的通信方式，即节点能够同时收发数据， 网络上的数据冲突彻底避免。交换式以太网提供多个传输路径，节点之间不 再共享带宽，网络传输能力显著提高，同时实现方法简单易行（不需要改动终 端设备），并兼容标准以太网，它是以太网最重要的技术革新，也是提高以太 网性能最主要和最成熟的技术措施。当有多个报文同时发往１个端口时，可 由交换机进行优先级仲裁，保证优先级别高的报文得到优先转发。 ２．改进介质访问控制方法 譬如检测到数据冲突后，实时节点／帧不退避，或采用与非实时节点／帧 不同的退避机制、或等待较小的帧间隙时间，从而保证实时节点／帧的优先发西南交通大学硕士研究生学位论文第３８页送。该类方法不能避免数据冲突，但可以确定实时信息的最坏端到端延时， 能够满足硬实时系统的要求。但需要修改以太网通信控制器芯片，且与标准 以太网不兼容。 ３．实时调度协议 将网络中的某个节点设定为主节点，由该节点调度其它网络节点对网络 进行有序访问，通过预留带宽避免了数据冲突。但该类方法网络开销较大、 通信效率低，且与标准以太网不兼容。 ４．改进实时通信模型 如发布者／订阅者（Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ／Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ）及其改进模型，通过点对多点 的直接传送等措施，提高实时信息的传输效率，ＩＥＣ６１８５０中定义了采样传输 值的发布／订阅通信模型。 ５．简化协议栈 直接在数据链路层上以以太网帧的形式通信，这可以减小报文传输和协 议封装／解析的时间开销。 对于数字化变电站而言，出于兼容性和技术成熟程度的考虑，第２，３ 种方法，由于缺乏统一的标准和广泛支持，目前暂不适合用于数字化变电通 信网络。 上述方法大多是是基于网络层及数据链路层提高传输实时性，减少网络 延时，。但是在变电站端对端的信息传输时间中，与由网络引起的时延相比， 网络端节点的处理时间较长【３８】。因此，本论文在交换以太网的网络层（或数 据链路层）综合考虑通过综合使用第１，４，５种方法来提高网络的实时性能， 其中第１、４、５种方法在ＩＥＣ６１８５０规约中已有相关规定。第１种方法采用 交换式以太网与优先级标记，变电站内需采用符合ＩＥＥＥ８０２．１标准的交换机， 能够实现信息的分类与优先级传输，可以减小由网络引起的时延，同时，为 了保证变电站中端对端的信息传输时间要求，除了在交换机内实现信息的分 类与优先级传输，在网络端节点内即通信模型的应用层同时采用报文优先级 控制，下一节将具体给出其设计思路。４．１．３数字化变电站网络节点中优先级机制的设计４．１．３．１ＩＥＥＥ８０２．１标准的优先级标签西南交通大学硕士研究生学位论文第３９页ＩＥＣ６１８５０标准采用了符合ＩＥＥＥ８０２．１Ｑ的优先级标签，其以太网帧格式 如图４－３所示，与图４－２相比，插入了４字节的ＶＬＡＮ标记。前２个字节为标 签协议标识，值为０ｘ８１００，表明这是一个加入了标签域的以太网帧头；后２ 个字节中，前３位指明帧的优先级，是交换机和端节点将数据帧分成不同优 先级类别的依据，共可以标注８种不同优先级，其中４～７为高优先级，ｌ～ ３为低优先级，并应避免使用优先级０，否则会引起正常通信下不可预见的 传输时延，接着１个比特是类型帧标记，即规范格式指示符，最后１２比特用 来定义ＶＬＡＮ标识号，即虚拟局域网，该功能是可选的，如果采用这种机制， 应通过配置设定，如果不需要，此值应为零，数字化变电站过程层网络通信 基于多播的形式进行通信，利用ＶＬＡＮ技术，在交换机的端口进行ＶＬＡＮ的划 分，从而有效的控制网络流量，减少设备投资，提高网络安全性，后面的仿 真中将引入ＶＬＡＮ技术。７字节前同步码 帧首定界 目的地址 源地址，１字节６字节 ６字节 ４字节 ４字节４６’１ ５００夕韩邮ＬＡｉ协议标记ＶＬＡＮ标记２ ３ １数据／长度数据‘＼＼用户优先级 类型帧标记 ＶＬＡＮ标签１ ２字节 ４字节帧检验序列图４―３插入ＶＬＡＮ标签后的ＩＳＯ／ＩＥＣ ８８０２―３以太网帧格式文章３．３．２节中已将数字化变电站内的信息从时域角度分为ＩＴｌ，ＩＴ２， ＩＴ３，ＩＴ４四类信息。对照ＩＥＣ６ｌ ８５０规约中对各种报文的实时性要求，可以 得出，ＩＴｌ类信息传输时间要求是３～１０ｍｓ完成：ＩＴ２类信息具有严格时间要 求，必须在规定时间ｌ～４ｍｓ内完成；ＩＴ３类信息传输时间要求为１００～５００ｍｓ； ＩＴ４类信息采用多帧传送传输时间一般等于或大于１０００ｍｓ［５６Ｊ。因此，根据四 种信息不同的实时性要求，我们为其分配不同的优先级别，ＩＴ２类信息是数 字化变电站内最重要的信息，应当优先保证该信息的实时可靠传输，按照西南交通大学硕士研究生学位论文第４０页ＩＥＥＥ８０２．１标准为此信息分配最高的优先级别７；ＩＴｌ是数字化变电站内的关 键信息，为它分配次高优先级别６；ＩＴ３为电网运行信息分配标准优先级别５； ＩＴ４为维护信息，放在次要地位，分配最低的优先级别４。 ４．１．３．２应用层报文队列实时管理模型 本文通过在应用层建立报文队列实时管理模型来改善非实时信息对实时 信息的影响，如图４―４所示，实时管理模型实现主要通过三步：首先为ＩＴｌ， ＩＴ２，ＩＴ３，ＩＴ４四类信息创建优先级不同的发送和接收队列，然后将端节点 的发送和接收数据放入与它们优先级相对应的队列中，最后当端节点资源可 用时，选择适当的队列调度算法将队列中的报文进行解析或转发到下一层。图４―４应用层报文队歹０实时管理模型图４．４中实时管理模型由信息分类模块、队列管理模块和队列调度模块 组成。信息分类模块的功能是根据报文类型的优先级别，将不同的报文放入 不同的队列；队列管理模块主要提供必要的优化算法来管理不同的队列；队 列调度模块的功能是用来决定排在队列中的报文处理的顺序。 ４．１．３．３优先级队列调度算法 如何从多个队列中选择下一个待处理的报文，队列调度算法不仅要考虑西南交通大学硕士研究生学位论文第４１页时延特性，还要兼顾对不同业务数据的公平性及其算法本身设计和实现的复 杂性。有３种设计思想可以完成这个任务： （１）只要更高优先级的队列不为空，永远先处理优先级最高队列中的报文；然 后再处理相邻较低优先级队列中的报文，这将使实时报文的时延特性得到最 严格的保证； （２）始终从优先级更高的队列中选择下一个要处理的报文；在被选择的报文将 要处理之前，相邻优先级较低的