摘要
随着计算机和通信技术的发展,以太网技术正被引入到变电站自动化系统,然而传统的以太网技术采用的CSMA/CD协议是一种延时非确定性的网络通信方式,且不支持优先级传输,当网络负载过大时,通信性能会大大降低。电力生产的特殊性对变电站自动化系统通信网络的传输质量提出了高可靠性和实时性要求,因此有必要对基于太网网的变电站自动化系统的实时性进行深入细致的研究。
论文对IEC60870-5-103协议和IEC60870-5-104协议的规约结构、传输规则、实施过程等做了详细的阐述。分析了网络103协议的结构。指出了变电站间隔层设备采用以太网通信时,采用网络103协议是较好的选择。研究了基于以太网的变电站自动化的网络的结构、数据流、报文传输规律,分析了影响变电站自动化通信网络实时性的因素。论文通过EPOCHS仿真平台模拟了网络103协议突发性信息和周期性信息的上送过程和信息在应用层的处理过程。采用PSCAD/EMTDC和NS2一起协作同步仿真变电站内数据流的方法,仿真了与故障类型紧密相关的突发性信息。通过多次对网络仿真环境和仿真参数的转换,得到了链路平均延时、突发信息的端到端延时、网络负载等仿真结果,对影响变电站通信网络实时性因素作了定量分析。
The Ethernet is used widely as the communication network of SAS with the development of computer technology and the communication network technology. However, the traditional Ethernet technology using the CSMA/CD protocols is a delay-non-deterministic network, even does not support the priority transmission. When the network loads oversizes, the communication performance reduces greatly. Therefore it is neccessary to thoroughly research the delay of the communication network of Ethernet- based SAS
This paper introduces the protocol formats、the transmission rules and the application process of IEC60870-5-104 and IEC60870-5-103, analyzes the format of network-103 protocols ,and indicates that it is a better choice to use network-103 protocols when Ethernet is used in the bay layer network. Then, this paper studies the network structure, the data stream, the transimmission rules of message in the Ethernet-based SAS, obtains the factors that affecting the realtime of communication network., and simulates the sending prosses of the spontaneity message and loop messages by the EPOCHS .This thesis uses a method that synchronically simulates the traffic in a substation with the PSCAD/EMTDC simulator and the NS2 software ,and simulates the alarm messages closely related to the faults in the electric power system around substation . This thesis obtaines the results of link layer delay, message delay and network load etc., and quantitatively analyzes the factors affecting the communication network realtime transimission ability through setting different the network environment and parameters.
引文
[1]IEC 61850, Communication networks and systems in substations: part 1~10, 2003
[2]Hauser.C, Comments to U.S.-Canada power system outage task force regarding the interim report, Technical Report EECS-GS-004, Nov.2003
[3]窦晓波,吴在军,胡敏强.借鉴IEC 61850 功能分布的保护装置的设计.电力系统自动化.2004,28[23]:65~69
[4]吴在军,胡敏强.基于IEC 61850 标准的变电站自动化系统研究.电网技术,2003,27(10):61~65
[5]殷志良,刘万顺,杨奇逊,等.基于IEC 61850 标准的过程总线通信研究与实现,中国电机工程学报,2005,25(8):84~89
[6]段建东,张保会.利用线路暂态行波功率方向的分布式母线保护.中国电机工程学报,2004,24(6):7~12
[7]Yalla.M, Adamiak.M, Apostolov.A, et al. Application of peer-to-peer communication for protective relaying. IEEE Transactions on Power Delivery, 2002, 17(2): 446-451
[8]程利军,蔡敏,唐涛,等.西门子微机母线保护及其发展.电力系统自动化,2004,28(10):91~96
[9]V.N.Gohkar, T.M.Dhande, S.S.Kabra. Application of InformationTechnology in Substation Automation[J].2004 IEEE,2004.
[10]Tor Skeie, Svein Johannessen, Christoph Brunner. Ethernet in substation [J].2002 IEEE, 2002:43-51.
[11]孙军平,盛万兴,王孙安.新一代变电站自动化网络通信系统的研究.中国电机工程学报,2003,23(23):16-19,145.
[12]谷米,贺仁睦.变电站通信网络的仿真研究[J].电网技术,2000,24(6):70—74.
[13]王峥,胡敏强,郑健勇等.变电站轮询式通信网络的Matlab仿真研究[J].电力系统及其自动化学报,2001,13(5):15-18.
[14]吴在军,胡敏强,杜炎森.变电站通信网络实时性能仿真分析[J].电力系统自动化,2005,4,29(8):45-49。
[15]高会生,靳玮玮,刘广.变电站继电保护数据流端对端实时性仿真研究[J].华北电力大学学报.2007,34(1):102-105
[16]董楠,朱林,段献忠.基于OPNET 的变电站过程层网络的仿真研究[J].继电器,2006 34(21):40-45
[17]韩小涛,聂一雄,尹项根.基丁OPNET 的变电站二次回路通信系统仿真研究[J].电网技术,2005,29(6):67~71/77
[18]高会生,斳玮玮.基于OPNET 的变电站端对端通信实时性仿真研究[J].继电器,2006,34(19):33—37
[19]Hopkinson K M, Birman K P, etc. EPOCHS: Integrated Commercial off-the-shelf software for agent-based electric power and communication simulation[C]. Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, 2004 IEEE/PES 8-11 Nov.20004 page(s):428-424.
[20]James S. Thorp, Xiaoru Wang, Kenneth M. Hopkinson, etc. Chapter 7 Agent Technology Applied to the Protection of Powes Systems [D]. Berlin: Springer, 2003.12.
[21]王晓茹,K.M.Hopkinson,J.s.Thorp.利用Agent实现新的电网后备保护[J].电力系统自动化,2005,29(21):57—61.
[22]Guodong Liao, Xiaoru Wang, et al. The simulation study of substation automation communication system[J]. POWERCON 2006, October 15-19, 2006,Chongqing, China
[23]DL/T667—1999/IEC60870—5-103:1997.远动设备及系统第5部分传输规约第103篇:继电保护设备信息接口配套标准.北京:中国电力出版社,1999.
[24]赵丽平 李群湛 陈小川.IEC60870—5—103协议在牵引变电所自动化系统中的应用[J].电力系统自动化学报,2003,15(3),89—92
[25]DL/T667-1999/IEC60870—5—104:2000.远动设备及系统第5部分传输规约第103篇:继电保护设备信息接口配套标准.北京:中国电力出版社,1999.
[26]GB/T/IEC 60870—5:1995 远动设备与系统共5篇远动传输规约的基本标准.北京:中国电力出版社,1999.
[27]赵渊,沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-5-104远动规约在电力系统中 的应用[J].电网技术,2003,27(10),56—60
[28]廖泽友,蔡运清.IEC60870—5-103和IEC60870-5—104协议的应用经验[J].继电器, 2003,27(4)66—68
[29]胡明, 周全林, 柳凤夙, 廖泽友 .变电站自动化系统采用 IEC60870—5—103、104协议的优势[J].电力系统自动化,2003,31(5),62—64.
[30]中国南方电网有限责任公司.中国南方电网继电保护故障信息系统通信与接口规范[S].广州:中国南方电网有限责任公司.2005,3.
[31]王海峰,丁杰.对变电站内若干网络通信问题的探讨[J].电网技术,2004,28(24)65~66
[32]陈文升.变电站自动化系统内部网络技术的研究[D].华北电力大学,2002.
[33]谭文恕,对变电站自动化系统通信网络的要求及通信网络标准化的动态[J].电网技术,1999,22(12):1—5.
[34]童晓阳,廖国栋,王晓茹.发布/订阅通信模型改进及在变电站自动化的应用[J].电力系统自动化:2005,29(14)
[35]毛险峰,王光平.500kv变电站自动化系统的数据流及网络结构分析[J].华中电力,2000,13(1):65—67.
[36]廖国栋.变电站自动化系统嵌入式以太网的研究[D].西南交通大学,2005,5.
[37]李裕奇.随机过程[M].北京:国防工业出版社,2003,8.
[38]辛建波.基于以太网的变电站自动化系统的时延不确定性研究[D].华中科技大学,2005,11.
[39]刘俊,徐昌彪,隆克平.基于NS的网络仿真探讨[J].计算机应用研究,2002,23(9),54-57.
[40]王晓曦,.王秀利,周津慧,王永吉.NS2网络仿真器功能扩展方法及实现[J].微小型计算机,2004,25(6),1011—1014.
[41]陈磊,冯冬芹,金建祥,褚健.以太网在工业控制中的实时性问题.自动化仪表.2003,24(7):67~70
[42]田国政。变电站自动化系统的通信网络及传输规约选择[J].电网技 术,2003,27(9):66—68.
[43]辛建波,段献忠.电力系统信息需求分类及其对通信网络的要求研究[J].电器,2004,32(21):21~25
[44]蒋年德,魏育成.变电站综合自动化系统体系结构研究[J].电网技术,2003,27(10):48—51.
[45]燕京,陈政,尹项根.变电站信息网络传输仿真研究[J].电力自动化设备,2004,24(3):39—42
[46]侯宗浩, 王秉康,黄泳翔.网络仿真的研究[J].计算机仿真,2003,20(10):89—91
[47]吴潮辉,胡玉兰,黄传荣.变电站自动化通信技术现状及发展[J].华北电力 技术,2002,8:52-54.
[48]沈宏涛.基于以太网的变电站自动化网络通信系统研究[D].西南交通大学,2005,5.
[49]冉懋海.工业以太网技术在变电站自动化系统中的实时性研究[D].西南交通大学,2006,5.
[50]屈万一.电力系统远动规约及其实现[D].武汉大学,2004,4.
[51]谢大为。电力调度系统采用104规约进行网络访问的研究.华北电力大学,2003,12.
[52](美)莱特,(美)史帝文斯.TCP/IP详解,卷 1:协议[M].范建华等译.北京:机械工业出版社,2000.4.
[53](美)莱特,(美)史帝文斯.TCP/IP详解,卷 2:实现[M].陆雪莹等译.北京:机械工业出版社,2000.7.
[54]徐雷鸣,庞博等.NS与网络模拟[M].北京:人民邮电出版社,2002.
[55]李成忠,张新有等.计算机网络原理与设计(第三版)[M].成都:西南交通大学计算机通信工程学院,2003.