适用于数字化变电站的电能质量监测装置的开发研究

时间：2012-09-14 21:17:55

关键字：数字化变电站电能质量监测监测装置 IEC61850

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[导读]适用于数字化变电站的电能质量监测装置的开发研究

近几年来，随着IEC61850标准的应用和光电互感器的研发及投入使用，数字化变电站概念已在工程实践中得到应用，基于IEC61850的数字化变电站已经成为建设坚强智能电网的基石，是不可逆转的发展趋势。

由于负荷性质的非线性、冲击性，以及受电网中相互联系线路发生故障、电能质量恶化等因素的影响，存在谐波超标、闪变越限、三相不平衡、电压暂态等电能质量问题。

该文也探讨了IEC61850标准适用于电能质量监测领域的可行性，从而在推动数字化变电站建设和推行IEC61850标准方面发挥作用。

1系统设计概述

该文介绍的装置以TI公司的OMAPL138多核处理器为主控制器，实现电能质量综合监测分析和基于IEC61850的数字通讯等功能，通讯功能符合新一代数字化变电站IEC61850的技术要求，可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信。

图1数字化变电站的电能质量监测装置的硬件结构图

1.1硬件系统设计

该文介绍的适用于数字化变电站的电能质量监测装置硬件设计采用OMAPL138多核处理器;OMAPL138属于一款集ARM9+6000系列DSP与一体的高速高性能芯片，其时钟速度可达300MHz。内部集成两个CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一个32位的RISC处理器，可以进行基本的处理和系统控制功能，使用DSP6700进行高效的数据处理功能。

1.2电能质量数据处理软件系统设计

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各种实时操作系统都是以DSP/BIOS作为底层软件，为嵌入式应用提供基本的运行服务。电能质量监测IED嵌入式软件总体结构设计如下图：

系统初始化软件模块，主要对硬件进行初始化设置，在系统中形成信息模型实体;软件通信模块，主要负责与数据分析处理层进行数据通讯，完成数据存储管理、文件生成、通讯协议处理等任务;通信软件模块内有符合IEC61850标准IED的数据模型;满足装置与现有基于IEC61850标准的系统兼容要求;数据分析处理软件模块主要负责谐波分析、间谐波分析、系统电压合格率统计分析、瞬时供电断电统计分析、瞬时冲击脉冲事件录波、电压骤升骤降事件录波、电压波形切痕事件、三相不平衡度统计分析、电压波动与闪变事件统计分析、RMS值突变事件录波记录等功能。

1.3系统管理、通讯嵌入式操作系统的设计

系统通讯、管理等采用Linux系统。Linux操作系统以其开源性、稳定性和免费的特点在嵌入式系统中得到广泛应用。Linux操作系统的软件层次主要由用户程序、操作系统服务、内核和硬件控制4个子系统组成。Linux系统平台的建立主要包括以下四个步骤：

1.3.1BOOTLOADER的移植

在大多数ARM中使用的BOOTLOADER，主要包含U-BOOT、BOOT和LOADER三部分程序组成，主要是为Linux的引导作准备。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux内核

根据不同嵌入式应用系统的要求，针对专用的硬件进行相关Linux内核的功能配置、裁剪和移植Linux内核。

1.3.3相关驱动程序开发

在电能质量监测IED中主要的驱动开发有：网络驱动、串口驱动、USB驱动、键盘驱动、液晶屏驱动等。

1.3.4文件系统的建立

在嵌入式系统中通常要使用Flash存储器来保存程序代码和数据，如果直接对Flash和SDRAM进行操作的话比较困难，所以最好的解决方法是构造文件系统，使其提供方便、可靠的系统应用。

1.4电能质量IED信息模型

IEC61850标准将整个变电站的物理对象(包括若干一次设备和测量、控制、保护等二次设备)以及通信网络抽象为相应的逻辑系统，每个逻辑系统中包含一个服务器，一个服务器由一个或多个逻辑设备组成;逻辑设备中的功能模块分为若干个相关子功能，对应为各种逻辑节点;一个逻辑节点又包含一个或多个数据对象，其中数据对象是公共数据类的对象实例;一个数据对象具有多个数据属性，数据属性含有各种数据类型、值和功能约束(FunctionConstraint)等。

电能质量IED的信息模型属性如下图所示：

1.4.1逻辑节点

电能质量中使用的逻辑节点类包括：三相电流电压(MMXU类)，三相电流电压序分量及不平衡度(MSQI类)，谐波数据(MHAI类)，电压闪变(MFLK类)，计量逻辑节点(MTR类)，高级测量逻辑节点(MADV类)，频率偏差(QFVR类)，暂态电流(QITR类)，电流不平衡(QIUB类)，暂态电压(QVTR类)，电压不平衡(QVUB类)，电压偏差(QVVR类)，扰动记录(RDRE类)，扰动记录模拟通道记录(RADR类)等。

1.4.2逻辑设备

在IEC61850标准中，并没有明确规定逻辑设备的模型，因此，在考虑电能质量监测终端的逻辑设备建模时有很强的灵活性。根据我们的电能质量监测装置的实际情况，可以规定，在电能质量监测终端中，一个监测通道就是一个逻辑设备。假设一台电能质量监测装置中有3个监测通道：监测线路1、线路2和线路3，对应的逻辑设备分别为PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所组成的电能质量设备模型结构如下图所示：

1.4.1服务器

通常一个IED建模为一个SERVER类的实例。电能质量IED中，我们可以以一个电能质量监测物理装置创建为一个服务器对象。

1.5电能质量IED服务建模[!--empirenews.page--]

服务就是提供交换信息，因此服务模型的基础是信息模型。IEC61850标准采用两种服务方式：等对等服务和客户/服务器方式。IEC618507-2部分定义了抽象通信服务(ACSI)，-其通信方法如下图：

在电能质量监IED中，我们通过报告报告服务(URCB)来传输实时数据;通过文件传输服务来传送传故障录波数据;通过日志服务(LCB)来传送历史数据;通过设置组控制(SGCB)来设定值。

1.6配置电能质量IED信息模型的SCL文件

IEC61850-6为变电站智能电子设备的配置规定了一种描述语言，所定义的语言称为变电站配置描述语言(SCL)。在变电站配置描述语言中，规定了描述通信有关的智能电子设备配置和参数、通信系统配置、开关间隔(功能)结构及它们之间关系的文件格式。在某些适当部分，可能要求特殊通信服务映射SCSM专用扩展或使用规则。在应用层上，也可描述开关间隔拓扑本身以及开关间隔结构与配置在智能电子设备上的变电站自动化功能(逻辑节点)的关系。规定文件格式的主要目的是可以以某种兼容的方式，在不同厂家提供的智能电子设备工程工具和系统工程工具间，交换智能电子设备能力描述和变电站自动化系统描述。

1.7抽象通信服务接口和特定通信服务映射

抽象通信服务接口(ACSI)主要考虑信息交互的问题，它独立于具体的网络应用层协议(例如目前采用的MMS)，与采用的网络(例如现在采用的IP)无关。考虑到TCP/IP、OSI、现场总线等各种各样的通信系统已经建立起来，IEC61850引入了特殊通信服务映射SCSM。采用该映射模型，可以使数据对象和ACSI服务有很大的灵活性，它的改变不受底下七层协议栈的影响。

IEC61850标准使用ACSI和SCSM技术，解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾，随着新的网络技术在变电站自动化系统中的运用，只要对SCSM进行相应的改动，而不需要修改ACSI。

2结束语

最新修订的IEC61850第二版标准中已经完全涵盖了描述电能质量在线监测装置完整特性的所有标签，这就为在智能(数字化)变电站站控层将电能质量在线监测作为标准IED来考虑提供了可能，而电能质量在线监测装置要实现这一点，必须满足以下要求：

1)按照IEC61850-7标准建立电能质量监测装置的模型;

2)支持IEC61850-6标准的ICD文件(智能电子设备能力描述文件)的上传、配置、下装和解析;

3)支持IEC61850-8-1标准的、基于TCP/IP的MMS(制造报文规范)服务，与管理系统交互数据;

4)支持GOOSE报文，可以实现快速的控制功能;

5)配置冗余的双路100MRJ-45以太网接口，可与数字化变电站层以IEC61850-8协议交互数据。

参考文献

1.黄浩声，许小兵，卜强生.基于IEC61850标准的定值模型应用与测试[J].江苏电机工程，2011.1.

2.王力，朱冉.基于IEC61850标准的装置建模与工程应用[J].江苏电机工程，2011.1.

3.马泽菊.基于IEC61850的SCL文件和配置管理的研究[J].科技风，2010.1.