基于IEC61850的数字化变电站信息系统构建及可靠性研究

华中科技大学博士学位论文基于IEC61850的数字化变电站信息系统构建及可靠性研究姓名：徐天奇申请学位级别：博士专业：电力系统及其自动化指导教师：尹项根;游大海20090227分类号学号2005531310028学校代码10487密级博士学位论文基于IEC61850的数字化变电站信息系统构建及可靠性研究学位申请人：徐天奇学科专业：电力系统及其自动化指导教师：尹项根教授副指导教师：游大海教授答辩日期：2009年2月27日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringResearchonIEC61850BasedDigitalSubstationInformationSystemanditsReliabilityPh.D.Candidate：XuTianqiMajor：PowerSystemanditsAutomationSupervisor：Prof.YinXianggenProf.YouDahaiHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074，P.R.ChinaFebruary,2009独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日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，即：学校有权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。本人授权华中科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在____________年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学博士学位论文I摘要数字化变电站自动化系统（DSAS）的实施将极大降低信息共享的难度和成本并允许智能电子设备（IED）间的互操作，将有利于实现高性能、低成本的自动化功能。然而实现这些优点的前提是使用统一通信标准，IEC61850是变电站通信系统的国际标准，其优越性已得到初步证实，且已被包括我国在内的多个国家采用为行业标准，因此基于IEC61850构建DSAS信息系统是昀优选择。目前数字化变电站自动化技术正迅速发展，IEC61850也得到了初步应用，但构建完全体现IEC61850优势的DSAS并进行推广尚有几个关键难点问题必须解决，本文先探讨了DSAS特别是其信息系统的构建方法，然后对其通信系统进行仿真研究，根据DSAS的本质特征对其可靠性进行评估，并对IEC61850一致性测试进行了深入探讨。首先，IEC61850不仅仅是一个通信标准，它也定义了DSAS的框架和原理，因此基于IEC61850构建DSAS信息系统的诸多方面都涉及此标准的内涵，本文紧紧围绕互操作性这一重要内涵对IEC61850进行深入解析，阐明了它的工作原理，在此基础上，以信息系统构建为重点，探讨了昀大程度体现IEC61850互操作性优势的DSAS的构建方法，并在间隔层IED实现环节中引入了改进的数据逻辑结构及二叉树储存结构，解决了现有信息模型实现准确与高效之间的矛盾。IED组网方案是DSAS构建的重要内容，本文重点讨论了过程总线和站级总线合并或分离2种基本组网形式及环型、混合型和双网卡完全冗余几种网络冗余方式，探讨了DSAS推广过程中常规开关设备、间隔层IED接入的过渡方案，并给出了5个电压等级的典型变电站的典型DSAS网络设计方案。其次，网络设计方案将直接影响通信时延，而时延是否满足要求将直接影响DSAS功能能否被有效执行，然而过低的网络时延意味着昂贵的造价，因此确定适合具体变电站的组网方案显得尤为重要，但目前还没有专门的组网方案评价系统。本文应用OPNETModeler软件构建了遵循IEC61850的典型IED精确仿真模型，首次将仿真精华中科技大学博士学位论文II度推进到了协议栈级，并搭建了DSAS通信系统性能仿真平台，对前面提出的5种典型DSAS网络设计方案进行了仿真，其结果具有实际指导意义。第三，对DSAS的可靠性进行准确评估是其实施并推广的必要前提，但目前还没有专门针对DSAS可靠性的评估方法，本文首次指出DSAS可靠性的本质是功能可靠性，在综合考虑IED硬件可靠性、软件可靠性、通信系统可靠性及通信时延这几个因素的基础上，提出了基于图论和离散时间马尔可夫链的DSAS功能可靠性及系统可靠性模型，并推导了状态转移矩阵计算方法和根据状态转移矩阵与初始状态计算MTTF的方法。昀后，对IED进行IEC61850一致性测试是减小互操作性风险的低成本手段，但目前的一致性测试方法并未取得良好效果，本文提出了供求双方和官方对一致性测试的不同要求，并针对这些要求对一致性测试方法进行了探讨。一致性测试并不能全面评价IED的能力，本文提出可以再对IED进行互操作性测试、性能测试和功能测试并给出了测试方法。在分析IEC61850特点的基础上，提出了IED测试的难点及需解决的问题。关键词：数字化变电站自动化系统IEC61850互操作性组网方案仿真平台可靠性一致性测试华中科技大学博士学位论文IIIAbstractTheimplementationofDigitalSubstationAutomationSystem(DSAS)willgreatlyreducethedifficultyandcostofinformationsharing,andwillalsoallowinteroperabilitybetweenIntelligentElectronicDevices(IEDs).Theseadvantageswillbehelpfultoachievehigh-performanceandlow-costautomationsystem.However,usingunifiedcommunicationstandardisthepreconditionofrealizationoftheseadvantages.IEC61850istheinternationalstandardsaboutthenetworkcommunicationsysteminsubstations,anditsbenefitshavebeenprovedpartly.Furthermore,ithasbeenadoptedasanindustrystandardbymanycountriesincludingChina.Asaresult,buildingtheinformationsystemofDSASbasedonIEC61850isthebestchoice.Atpresent,digitalsubstationautomationtechnologiesaredevelopingquickly,andIEC61850alsohavebeenrealizedpartlyinsomeapplicationcases,buttherearestillseveralkeyissuesneedtoberesolvedbeforeimplementingDSASandmakingfulluseofIEC61850advantages.Inthispaper,DSASbuildingmethod,especiallytheinformationsystembuildingmethodisstudied.Basedonit,communicationsystemarestudiedthroughsimulatingmethod.SystemreliabilityevaluatingiscarriedoutaccordingtotheessenceofDSAS.IEC61850conformancetestisalsoinvestigateddeeply.Firstofall,IEC61850isnotonlyacommunicationstandard,butalsoexplainthestructureandprincipleofDSAS,somanyaspectsofbuildingDSASinformationsystemshouldberelatedwiththeintensionofIEC61850.Inthepaper,IEC61850isanalyzedfromtheviewpointoftheinteroperabilityobjectiveofit,anditsworkprincipleisillustrated.Basedonit,themethodsofbuildingDSASinformationsystemwhichcanadequatelyembodyinteroperabilityadvantageofIEC61850isdiscussed.DatastructuresareusuallyusedtoimplementinformationmodelsinbaylevelIEDsorprocesslevelIEDs.Fromtheinteroperabilitypointofview,Iproposealogicalstructurewhichcanreflectinformationmodelveritably.Astoragestructurebasedonbinarytreeisalsoproposed.Theuseofthetwostructurescansolvetheproblemofexactitudeandhighefficiencyofinformationimplementation.ThedeterminationofnetworkingschemesisimportantstepofbuildingDSAS.Thetwobasicformsofnetworkingschemes,whichareseparationormergermodesoftheprocessbusandstationbus,arediscussed.Thebasicredundancymethodsincludingringtopology,hybridtopology,andfullyredundantwithdoublenetwork华中科技大学博士学位论文IVadaptersarediscussedtoo.TransitionalschemeofDSAShastobetakenintoaccountsincepopularizationofDSASwillbealong-termcourse.Thus,theaccesssolutionsfortraditionalswitchingequipmentsandtraditionalbaylevelIEDsarediscussed.Asexamples,typicalDSASdesignsforfivetypicalsubstationsarealsogiven.Secondly,networkingschemedesignswilldeterminethecommunicationdelays,andwhetherornotthecommunicationdelaycouldmeettherequirementswoulddirectlyimpactonwhetherDSASfunctionscouldbeperformedsuccessfully.H