適用于數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的開發(fā)研究

近幾年來(lái)，隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和光電互感器的研發(fā)及投入使用，數(shù)字化變電站概念已在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，基于IEC61850的數(shù)字化變電站已經(jīng)成為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基石，是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

由于負(fù)荷性質(zhì)的非線性、沖擊性，以及受電網(wǎng)中相互聯(lián)系線路發(fā)生故障、電能質(zhì)量惡化等因素的影響，存在諧波超標(biāo)、閃變?cè)较蕖⑷嗖黄胶?、電壓暫態(tài)等電能質(zhì)量問(wèn)題。

該文也探討了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)適用于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性，從而在推動(dòng)數(shù)字化變電站建設(shè)和推行IEC61850標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮作用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該文介紹的裝置以TI公司的OMAPL138多核處理器為主控制器，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)分析和基于IEC61850的數(shù)字通訊等功能，通訊功能符合新一代數(shù)字化變電站IEC61850的技術(shù)要求，可以與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)連接和通信。

圖1數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該文介紹的適用于數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)采用OMAPL138多核處理器;OMAPL138屬于一款集ARM9+6000系列DSP與一體的高速高性能芯片，其時(shí)鐘速度可達(dá)300MHz。內(nèi)部集成兩個(gè)CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一個(gè)32位的RISC處理器，可以進(jìn)行基本的處理和系統(tǒng)控制功能，使用DSP6700進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理功能。

1.2電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都是以DSP/BIOS作為底層軟件，為嵌入式應(yīng)用提供基本的運(yùn)行服務(wù)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)IED嵌入式軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖：

系統(tǒng)初始化軟件模塊，主要對(duì)硬件進(jìn)行初始化設(shè)置，在系統(tǒng)中形成信息模型實(shí)體;軟件通信模塊，主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)分析處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、文件生成、通訊協(xié)議處理等任務(wù);通信軟件模塊內(nèi)有符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)IED的數(shù)據(jù)模型;滿足裝置與現(xiàn)有基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)兼容要求;數(shù)據(jù)分析處理軟件模塊主要負(fù)責(zé)諧波分析、間諧波分析、系統(tǒng)電壓合格率統(tǒng)計(jì)分析、瞬時(shí)供電斷電統(tǒng)計(jì)分析、瞬時(shí)沖擊脈沖事件錄波、電壓驟升驟降事件錄波、電壓波形切痕事件、三相不平衡度統(tǒng)計(jì)分析、電壓波動(dòng)與閃變事件統(tǒng)計(jì)分析、RMS值突變事件錄波記錄等功能。

1.3系統(tǒng)管理、通訊嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通訊、管理等采用Linux系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)以其開源性、穩(wěn)定性和免費(fèi)的特點(diǎn)在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。Linux操作系統(tǒng)的軟件層次主要由用戶程序、操作系統(tǒng)服務(wù)、內(nèi)核和硬件控制4個(gè)子系統(tǒng)組成。Linux系統(tǒng)平臺(tái)的建立主要包括以下四個(gè)步驟：

1.3.1BOOTLOADER的移植

在大多數(shù)ARM中使用的BOOTLOADER，主要包含U-BOOT、BOOT和LOADER三部分程序組成，主要是為L(zhǎng)inux的引導(dǎo)作準(zhǔn)備。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux內(nèi)核

根據(jù)不同嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的要求，針對(duì)專用的硬件進(jìn)行相關(guān)Linux內(nèi)核的功能配置、裁剪和移植Linux內(nèi)核。

1.3.3相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)IED中主要的驅(qū)動(dòng)開發(fā)有：網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、USB驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、液晶屏驅(qū)動(dòng)等。

1.3.4文件系統(tǒng)的建立

在嵌入式系統(tǒng)中通常要使用Flash存儲(chǔ)器來(lái)保存程序代碼和數(shù)據(jù)，如果直接對(duì)Flash和SDRAM進(jìn)行操作的話比較困難，所以最好的解決方法是構(gòu)造文件系統(tǒng)，使其提供方便、可靠的系統(tǒng)應(yīng)用。

1.4電能質(zhì)量IED信息模型

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將整個(gè)變電站的物理對(duì)象(包括若干一次設(shè)備和測(cè)量、控制、保護(hù)等二次設(shè)備)以及通信網(wǎng)絡(luò)抽象為相應(yīng)的邏輯系統(tǒng)，每個(gè)邏輯系統(tǒng)中包含一個(gè)服務(wù)器，一個(gè)服務(wù)器由一個(gè)或多個(gè)邏輯設(shè)備組成;邏輯設(shè)備中的功能模塊分為若干個(gè)相關(guān)子功能，對(duì)應(yīng)為各種邏輯節(jié)點(diǎn);一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)又包含一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，其中數(shù)據(jù)對(duì)象是公共數(shù)據(jù)類的對(duì)象實(shí)例;一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象具有多個(gè)數(shù)據(jù)屬性，數(shù)據(jù)屬性含有各種數(shù)據(jù)類型、值和功能約束(FunctionConstraint)等。

電能質(zhì)量IED的信息模型屬性如下圖所示：

1.4.1邏輯節(jié)點(diǎn)

電能質(zhì)量中使用的邏輯節(jié)點(diǎn)類包括：三相電流電壓(MMXU類)，三相電流電壓序分量及不平衡度(MSQI類)，諧波數(shù)據(jù)(MHAI類)，電壓閃變(MFLK類)，計(jì)量邏輯節(jié)點(diǎn)(MTR類)，高級(jí)測(cè)量邏輯節(jié)點(diǎn)(MADV類)，頻率偏差(QFVR類)，暫態(tài)電流(QITR類)，電流不平衡(QIUB類)，暫態(tài)電壓(QVTR類)，電壓不平衡(QVUB類)，電壓偏差(QVVR類)，擾動(dòng)記錄(RDRE類)，擾動(dòng)記錄模擬通道記錄(RADR類)等。

1.4.2邏輯設(shè)備

在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，并沒(méi)有明確規(guī)定邏輯設(shè)備的模型，因此，在考慮電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端的邏輯設(shè)備建模時(shí)有很強(qiáng)的靈活性。根據(jù)我們的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)際情況，可以規(guī)定，在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端中，一個(gè)監(jiān)測(cè)通道就是一個(gè)邏輯設(shè)備。假設(shè)一臺(tái)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置中有3個(gè)監(jiān)測(cè)通道：監(jiān)測(cè)線路1、線路2和線路3，對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備分別為PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所組成的電能質(zhì)量設(shè)備模型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.4.1服務(wù)器

通常一個(gè)IED建模為一個(gè)SERVER類的實(shí)例。電能質(zhì)量IED中，我們可以以一個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)物理裝置創(chuàng)建為一個(gè)服務(wù)器對(duì)象。

1.5電能質(zhì)量IED服務(wù)建模

服務(wù)就是提供交換信息，因此服務(wù)模型的基礎(chǔ)是信息模型。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用兩種服務(wù)方式：等對(duì)等服務(wù)和客戶/服務(wù)器方式。IEC618507-2部分定義了抽象通信服務(wù)(ACSI)，-其通信方法如下圖：

在電能質(zhì)量監(jiān)IED中，我們通過(guò)報(bào)告報(bào)告服務(wù)(URCB)來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);通過(guò)文件傳輸服務(wù)來(lái)傳送傳故障錄波數(shù)據(jù);通過(guò)日志服務(wù)(LCB)來(lái)傳送歷史數(shù)據(jù);通過(guò)設(shè)置組控制(SGCB)來(lái)設(shè)定值。

1.6配置電能質(zhì)量IED信息模型的SCL文件

IEC61850-6為變電站智能電子設(shè)備的配置規(guī)定了一種描述語(yǔ)言，所定義的語(yǔ)言稱為變電站配置描述語(yǔ)言(SCL)。在變電站配置描述語(yǔ)言中，規(guī)定了描述通信有關(guān)的智能電子設(shè)備配置和參數(shù)、通信系統(tǒng)配置、開關(guān)間隔(功能)結(jié)構(gòu)及它們之間關(guān)系的文件格式。在某些適當(dāng)部分，可能要求特殊通信服務(wù)映射SCSM專用擴(kuò)展或使用規(guī)則。在應(yīng)用層上，也可描述開關(guān)間隔拓?fù)浔旧硪约伴_關(guān)間隔結(jié)構(gòu)與配置在智能電子設(shè)備上的變電站自動(dòng)化功能(邏輯節(jié)點(diǎn))的關(guān)系。規(guī)定文件格式的主要目的是可以以某種兼容的方式，在不同廠家提供的智能電子設(shè)備工程工具和系統(tǒng)工程工具間，交換智能電子設(shè)備能力描述和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)描述。

1.7抽象通信服務(wù)接口和特定通信服務(wù)映射

抽象通信服務(wù)接口(ACSI)主要考慮信息交互的問(wèn)題，它獨(dú)立于具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議(例如目前采用的MMS)，與采用的網(wǎng)絡(luò)(例如現(xiàn)在采用的IP)無(wú)關(guān)?？紤]到TCP/IP、OSI、現(xiàn)場(chǎng)總線等各種各樣的通信系統(tǒng)已經(jīng)建立起來(lái)，IEC61850引入了特殊通信服務(wù)映射SCSM。采用該映射模型，可以使數(shù)據(jù)對(duì)象和ACSI服務(wù)有很大的靈活性，它的改變不受底下七層協(xié)議棧的影響。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性與未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，隨著新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的運(yùn)用，只要對(duì)SCSM進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，而不需要修改ACSI。

2結(jié)束語(yǔ)

最新修訂的IEC61850第二版標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)完全涵蓋了描述電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置完整特性的所有標(biāo)簽，這就為在智能(數(shù)字化)變電站站控層將電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)作為標(biāo)準(zhǔn)IED來(lái)考慮提供了可能，而電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必須滿足以下要求：

1)按照IEC61850-7標(biāo)準(zhǔn)建立電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的模型;

2)支持IEC61850-6標(biāo)準(zhǔn)的ICD文件(智能電子設(shè)備能力描述文件)的上傳、配置、下裝和解析;

3)支持IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)的、基于TCP/IP的MMS(制造報(bào)文規(guī)范)服務(wù)，與管理系統(tǒng)交互數(shù)據(jù);

4)支持GOOSE報(bào)文，可以實(shí)現(xiàn)快速的控制功能;

5)配置冗余的雙路100MRJ-45以太網(wǎng)接口，可與數(shù)字化變電站層以IEC61850-8協(xié)議交互數(shù)據(jù)。

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