適用于數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置的開發(fā)研究:

1系統(tǒng)設計概述

該文介紹的裝置以TI公司的OMAPL138多核處理器為主控制器，實現(xiàn)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測分析和基于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化系統(tǒng)的監(jiān)控主機連接和通信。

1硬件系統(tǒng)設計

該文介紹的適用于數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置硬件設計采用OMAPL138多核處理器;OMAPL138屬于一款集ARM9+6000系列DSP與一體的高性能芯片，其時鐘速度可達300MHz。內(nèi)部集成兩個CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一個32位的RISC處理器，可以進行基本的處理和系統(tǒng)控制功能，使用DSP6700進行數(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)設計

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各種實時操作系統(tǒng)都是以DSP/BIOS作為底層軟件，為嵌入式應用提供基本的運行服務。電能質(zhì)量監(jiān)測IED嵌入式軟件總體結(jié)構(gòu)設計。

系統(tǒng)初始化軟件模塊，主要對硬件進行初始化設置，在系統(tǒng)中形成信息模型實體;軟件通信模塊，主要負責與數(shù)據(jù)分析處理層進行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)存儲管理、文件生成、通訊協(xié)議處理等任務;通信軟件模塊內(nèi)有符合IEC61850標準IED的數(shù)據(jù)模型;滿足裝置與現(xiàn)有基于IEC61850標準的系統(tǒng)兼容要求;數(shù)據(jù)分析處理軟件模塊主要負責諧波分析、間諧波分析、系統(tǒng)電壓合格率統(tǒng)計分析、瞬時供電斷電統(tǒng)計分析、瞬時沖擊脈沖事件錄波、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)計分析、電壓波動與閃變事件統(tǒng)計分析、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)的設計

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)定性和免費的特點在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應用。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、內(nèi)核和硬件控制4個子系統(tǒng)組成。Linux系統(tǒng)平臺的建立主要包括以下四個步驟：

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Linux的引導作準備。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux內(nèi)核

根據(jù)不同嵌入式應用系統(tǒng)的要求，針對專用的硬件進行相關(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)動程序開發(fā)

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

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存儲器來保存程序代碼和數(shù)據(jù)，如果直接對Flash和SDRAM進行操作的話比較困難，所以解決方法是構(gòu)造文件系統(tǒng)，使其提供方便、可靠的系統(tǒng)應用。

1.4電能質(zhì)量IED信息模型

IEC61850標準將整個變電站的物理對象(包括若干一次設備和測量、控制、保護等二次設備)以及通信網(wǎng)絡抽象為相應的邏輯系統(tǒng)，每個邏輯系統(tǒng)中包含一個服務器，一個服務器由一個或多個邏輯設備組成;邏輯設備中的功能模塊分為若干個相關(guān)子功能，對應為各種邏輯節(jié)點;一個邏輯節(jié)點又包含一個或多個數(shù)據(jù)對象，其中數(shù)據(jù)對象是公共數(shù)據(jù)類的對象實例;一個數(shù)據(jù)對象具有多個數(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。

4.1邏輯節(jié)點

電能質(zhì)量中使用的邏輯節(jié)點類包括：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)，計量邏輯節(jié)點(MTR類)，測量邏輯節(jié)點(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)，擾動記錄(RDRE類)，擾動記錄模擬通道記錄(RADR類)等。

1.4.2邏輯設備

在IEC61850標準中，并沒有明確規(guī)定邏輯設備的模型，因此，在考慮電能質(zhì)量監(jiān)測終端的邏輯設備建模時有很強的靈活性。根據(jù)我們的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的實際情況，可以規(guī)定，在電能質(zhì)量監(jiān)測終端中，一個監(jiān)測通道就是一個邏輯設備。假設一臺電能質(zhì)量監(jiān)測裝置中有3個監(jiān)測通道：監(jiān)測線路1、線路2和線路3，對應的邏輯設備分別為PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所組成的電能質(zhì)量設備模型結(jié)構(gòu)。

4.1服務器

通常一個IED建模為一個SERVER類的實例。電能質(zhì)量IED中，我們可以以一個電能質(zhì)量監(jiān)測物理裝置創(chuàng)建為一個服務器對象。

1.5電能質(zhì)量IED服務建模

服務就是提供交換信息，因此服務模型的基礎是信息模型。IEC61850標準采用兩種服務方式：等對等服務和客戶/服務器方式。IEC618507-2部分定義了抽象通信服務(ACSI)。

在電能質(zhì)量監(jiān)IED中，我們通過報告報告服務(URCB)來傳輸實時數(shù)據(jù);通過文件傳輸服務來傳送傳故障錄波數(shù)據(jù);通過日志服務(LCB)來傳送歷史數(shù)據(jù);通過設置組控制(SGCB)來設定值。

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備的配置規(guī)定了一種描述語言，所定義的語言稱為變電站配置描述語言(SCL)。在變電站配置描述語言中，規(guī)定了描述通信有關(guān)的智能電子設備配置和參數(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。在某些適當部分，可能要求特殊通信服務映射SCSM專用擴展或使用規(guī)則。在應用層上，也可描述開關(guān)間隔拓撲本身以及開關(guān)間隔結(jié)構(gòu)與配置在智能電子設備上的變電站自動化功能(邏輯節(jié)點)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備工程工具和系統(tǒng)工程工具間，交換智能電子設備能力描述和變電站自動化系統(tǒng)描述。

1.7抽象通信服務接口和特定通信服務映射

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

IEC61850標準使用ACSI和SCSM技術(shù)，解決了標準的穩(wěn)定性與未來網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展之間的矛盾，隨著新的網(wǎng)絡技術(shù)在變電站自動化系統(tǒng)中的運用，只要對SCSM進行相應的改動，而不需要修改ACSI。

2結(jié)束語

修訂的IEC61850第二版標準中已經(jīng)完全涵蓋了描述電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置完整特性的所有標簽，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)測作為標準IED來考慮提供了可能，而電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置要實現(xiàn)這一點，必須滿足以下要求：

1)按照IEC61850-7標準建立電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的模型;

2)支持IEC61850-6標準的ICD文件(智能電子設備能力描述文件)的上傳、配置、下裝和解析;

3)支持IEC61850-8-1標準的、基于TCP/IP的MMS(制造報文規(guī)范)服務，與管理系統(tǒng)交互數(shù)據(jù);

4)支持GOOSE報文，可以實現(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)。