基于IEC61850电能质量监测IED的建模

分数:___________任课教师签字：___________华北电力大学研究生结课作业学年学期：2010-2011第二学期课程名称：电力系统实时安全监控新技术学生姓名：**学号：********提交时间：2011年6月25日基于IEC61850电能质量监测IED的建模1引言随着电力电子技术的广泛应用，电力电子整流设备、电气化铁路、电弧炉以及其它非线性负载大量使用。这些非线性负载会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波“污染”；电弧炉、电力机车等波动性负荷的运行不仅产生大量的间谐波和高次谐波，还引起电压波动和三相不平衡等一系列的电能质量问题[1][2]。电能质量问题不仅导致供用电设备本身的安全性和使用寿命的降低，而且严重干扰了电网自身的安全经济运行。因此，无论从电网运行的需要考虑，还是从供电用户的需要考虑，加强对电能质量的监控都是非常必要的。这一问题正受到电力部门和用户越来越广泛的关注。只有对电能质量做出实时可靠的监测与分析，才能制定有效的措施来改善电能质量问题[2]。日益突出的电能质量问题引起了电力部门和用户的高度重视。目前，越来越多的变电站开始对电能质量进行监测。电能质量监测设备种类繁多，制造商使用各自的通信协议和数据格式，开发的监测设备和软件不尽相同，不同设备之间互不兼容。因此，使用标准的协议和标准的数据文件交换格式、建立开放式的电能质量监测系统十分必要[3]。IEC61850是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系，明确提出了信息分层、面向对象、数据对象统一建模、可实现系统的配置管理、采用映射的方法、与具体网络独立，符合采用网络传输建立无缝通信系统的要求，己成为无缝通信系统传输协议的基础，避免了繁琐的协议转换，实现了IED间的互操作性。由于IEC61850中定义的逻辑节点类和数据类并没有涵盖电能质量监测的所有信息，这影响到了IEC61850在电能质量监测方面的应用。对象建模是IEC61850的核心，文献[4]建立了电能质量监测IED(intelligentelectronicdevice，IED)的测量功能模型，文献[5-7]建立了具有仪用互感器逻辑节点的电能质量监测IED的测量功能模型，而电能质量监测的其它功能(电能质量事件检测功能、波形记录扰动记录功能)的建模急待解决。近年来，TC57第10工作组一直致力于研究IEC61850在电能质量方面的扩展工作，并于2005年形成了IEC61850电能质量附录的委员会草案版本[8-9]。文献[8-10]对电能质量信息交换的逻辑节点和数据类进行了标准化，这为建立较完整的电能质量监测IED的对象模型奠定了基础。本课题在了解电能质量定义和电能质量监测IED原理的基础上，希望能设计电能质量监测IED与变电站自动化系统SAS各功能层的接口，并遵循IEC61850及其电能质量对各个功能进行分解，利用标准化的逻辑节点建立采用上述接口方式的用于监测电能质量的IED模型。参考文献[1]肖湘宁，韩民晓．电能质量分析与控制[M]．北京：中国电力出版社，2004．[2]郭敏，赵成勇，曹东升，等.同步采样与谐波分析方法的实现[J].电测与仪表,2011,48(544):13-17.[3]陈巨龙.基于IEC61850体系的电能质量监测系统的研究[D]．保定：华北电力大学，2007[4]ApostolovA，MuschlitzB．ObjectmodelingofmeasuringfunctionsinIEC61850basedIEDs[C]．TransmissionandDistributionConferenceandExposition，LosAngeles，USA，2003．[5]AlexanderA，ChristophB，KayC．UseofIEC61850objectmodelsforpowersystemquality/securitydataexchange[J]．QualityandSecurityofElectricPowerDeliverySystems，2003：155-164．[6]李鹏，游大海．基于IEC61850的对象模型在电能质量监测IED中的应用[J]．电力系统通信，2006，27(12)：66-70．[7]李鹏，游大海．IEC61850标准下的对象模型的研究及其在电能质量监测IED中的应用[J]．电力标准化与技术经济，2006，(3)：10-14．[8]IEC61850-7-3，ClarificationsandCorrections,andExtensionsforPowerQualityandRepresentationofHistoricalandStatisticalInformation[S]．[9]IEC61850-7-4，Compatiblelogicalnodeclassesanddataclasses(additionofpowerqualitymonitoring)[S]．[10]徐鹤勇，和敬涵.基于IEC61850电能质量监测装置的建模与实现[J].继电器,2007,35(21):55-58.基于IEC61850的变电站自动化系统KeiichiKaneda,SetsuoTamura,NobuhisaFujiyama,YoshikazuArata,andHachidaiIto摘要：变电站自动化系统（SAS）广泛应用于变电站的控制、保护、监控以及通信等方面，以提高电力系统可靠性。尽管硬连线控制已被用于在SAS的早期版本，使用其简单的通信方式，近年来IT技术的快速发展，采用以太网LAN的解决方案的变电站自动化系统已变得越来越普遍。此外，IEC61850标准已作为变电站新的全球通信标准。该标准由十个部分组成，其中最后一部分是在2005年发布。随后IEC61850已广泛应用于世界各地的变电站自动化系统。本文将详细地描述基于IEC61850的变电站自动化系统，主要包括系统设计和建模方法。此外，还将涵盖一些系统建模和系统配置的概念、以及IEC61850的优点，同时指出IEC61850在实施过程中需要考虑的问题，还讨论IEC61850实际应用碰到的问题以及已克服这些问题的措施。关键字：IEC61850,，逻辑节点，环局域网，变电站自动化系统，生成树协议I简介变电站自动化系统（SAS）广泛应用于变电站的控制、保护、监控以及通信等方面，以提高电力系统可靠性。尽管硬连线控制已被用于在SAS的早期版本，使用其简单的通信方式，近年来IT技术的快速发展，采用以太网LAN的解决方案的变电站自动化系统已变得越来越普遍[1][2]。此外，IEC61850作为变电站通信的国际标准，已经发布[3]，并且基于IEC61850的变电站自动化系统的工程应用也逐渐增加。最近发布的IEC61850标准的主要目的是实现互操作性，旨在让不同供应商的各类设备通过以太网LAN实现SAS逻辑配置。然而，IEC61850的当前版本已与逻辑节点方面有许多选择，并提供通信服务的许多方法。因此，每个制造商使用不同的选择和通信服务，以实现SAS的功能。这意味着，IEC61850无法为SAS的设计提供一个通用准则，因为不同用户对SAS的功能要求是不一样的。本文将详细地描述基于IEC61850的变电站自动化系统，主要包括系统设计和建模方法。此外，还将涵盖一些系统建模和系统配置的概念、以及IEC61850的优点，同时指出IEC61850在实施过程中需要考虑的问题，还讨论IEC61850实际应用碰到的问题以及已克服这些问题的措施。II变电站自动化系统的概要本节将叙述变电站自动化系统的用途和功能的整体概述。II-1SAS的应用背景SAS是一个系统，能够为变电站提供监测、控制以及保护的自动化功能，同时还可以利用在电子、信息和通信技术领域的最新改进。SAS应用的增加满足市场需求，降低总成本（包括变电站设备的周期成本），为变电站设备提供高效的运行或接近极限运行，同时优化设备的维护费用等[4]SAS应用在变电站始于1980’S,系统采用符合国际标准的规范如以太网和TCP/IP，以及系统利用有别于不同设备厂商的专有方法，并在20世纪90年代早期已得到应用。在2003~2005年，IEC61850成为变电站通信的国际标准，并且近年来基于IEC61850的变电站自动化系统的工程应用也逐渐增加。基于IEC61850的工程应用的主要突破是实现互操作性，这是IEC61850规约的主要目标之一。由于该系统进行配置拥有足够的灵活性，预计会更容易应对市场需求。新规约仍然对SAS的设计与实施会产生很大的影响，从设备制造商、系统集成商和终端用户获得的实践经验形成积极的讨论，讨论还在一直持续进行。这样有助于规约的进一步改善，这项工作仍在继续。II-2SAS的基本功能SAS的基本功能可分为如下：监测、控制、记录以及保护等。尽管SAS系统的功能因项目不同而有所不同，但大多数SAS系统具有的功能如表I所示。表ISAS功能的概览基本功能功能的典型事例监视功能*监测配电设备的状态、分接头的位置、变压器的状态和分接头、用于保护和控制的设备的状态等。*监测电量参数：如电流、电压、频率、有功功率和无功功率等。控制功能*配电设备和变压器分接头的控制*同步检测和闭锁*电压矫正控制和电压—无功功率控制记录功能*记录所有监测数据和操控/控制的设备/装置*设备的故障记录和装置的扰动记录保护功能*输电线路、变压器、母线、发电机、配电设备的保护*反馈线、并联电抗器、并联电容器等Ⅲ基于IEC61850的变电站自动化系统在本节中将叙述一种基于IEC1850规约进行变电站自动化系统设计、建立、配置和测试的一整套方法。III-1系统设计和建立的方法通常变电站自动化系统的系统设计主要需要四步，如图1所示。接下来的章节将主要主要描述整个设计过程。其中，第一步(定义)和第二步(系统设计)。图1系统设计步骤的示例系统设计的第一步是定义，SAS需求的定义。首先确定变电站类型的详细资料，因为提供的这些基本信息可以确定SAS的必要功能和系统配置。变电站的类型包括是输电变电站还是配电变电站，是大型还是小型变电站，该变电站在电力系统中的重要性。同时，用户必须提供详细的功能需求—变电站的母线布置、间隔层或设备的数量。变电站的类型如下：*小型配点变电站*中型配电变电站*大型配电变电站*小型输电变电站*大型输电变电站下一个步是IED的选型和系统结构的设计适当地考虑冗余标准。在变电站自动化系统上，冗余架构是基于用户需求和变电站的重要性进行综合考虑。当系统配置满足要求时，有必要利用以下步骤进行IED的选型：（a）选择基于IEC61850与功能规格相一致的IED。（b）如果基于IEC61850与功能规格相一致的IED难以得到，我们只好选择配置全球通信标准(如IEC60870-5-103)的IED，通过使用IEC61850规约转换器，来确保IED间的互操作性。当基于IEC1850的变电站自动化系统被应用于变电站，需要考虑以下两点：（a）避免因单点故障而使系统不可用。（b）为非IEC61850设备或信号（来自于其它设备或变电站的）提供集成化解决方案。其中，（a）项是很重要，应该慎重考虑，因为它直接关系到变电站运行的可靠性。然而，过分地强调可靠性可能会导致系统配置的复杂性以及成本的增加。因此，系统集成商必须为某个特别的系统建立合适的配置。在上面的(b)中提到的是必须要考虑的一个问题，因为IEC61850是一个新的标准，并不是所有IED都遵从IEC61850规约。而且，例如某处输入所需信号只能通过机械触点获得，那(b)项就变得很重要。例如，每个保护板都可能包含一些触点信号（可能达20路/板），如下所示：*保护功能状态：IN/OUT，ON/OFF*闭锁继电器状态*继电器测试状态*VT故障报警*DC/AC故障报警*闭锁继电器复位命令等等。上述问题的解决方案是为了采集BCU处的触点信息，并翻译成IEC61850规约信息。然而，保护屏信号不允许被输入到BCU，这是为了将控制功能从保护功能中分离出来，以确保