基于IEC61850的主變鐵芯電流遠程采集智能終端開發(fā)

宋慶林 李輝

摘 要：本裝置通過霍爾互感器采集主變鐵芯電流，經(jīng)低通回路、高精度AD采樣至DSP數(shù)字信號處理器完成信號的濾波及全周傅里葉算法矢量計算，結(jié)合基于LINUX系統(tǒng)的ARM處理器平臺和數(shù)字信號處理器DSP平臺（外擴以太網(wǎng)控制芯片W5300）通過光模塊SPF分別完成IEC61850通訊規(guī)約的MMS、SV。通過高速CPLD、高精度晶振及串口光模塊1X9完成IEC103規(guī)約通訊，靈活實現(xiàn)了DSP+ARM+CPLD智能測量平臺的數(shù)字化及常規(guī)變電站遠程數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵詞：DSP；ARM；IEC61850；主變鐵芯電流；SPF；干式真空有載分接開關(guān)；放電燒損；原因分析

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0169-03

0 引言

傳統(tǒng)主變鐵芯電流監(jiān)測一直是現(xiàn)場運行人員通過電流卡鉗表實際測量得到，并通過人工判斷是否越限（越限值50mA）來檢測主變運行情況，無法實時全過程的了解電流變化情況并及時告警和分析記錄數(shù)據(jù)。

數(shù)字化變電站的IEC61850通信規(guī)約的普及，極大的提高了二次設備之間互操作及信息共享、提升了可擴展性，簡化了二次電纜回路，它是電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標準。本設計通過霍爾電流互感器接入就地端子箱內(nèi)的智能采集終端，通過低通及高精度AD模數(shù)變換至高速信號處理器DSP實時采集計算主變鐵芯電流的交直流各分量相角、幅值。通過基于LINUX系統(tǒng)的ARM（Cotex-A8）處理器平臺、數(shù)字信號處理器DSP平臺（外擴以太網(wǎng)控制芯片W5300）、高速CPLD、高精晶振、光模塊SPF、光模塊1X9實現(xiàn)了IEC61850的SV、MMS及IEC103規(guī)約通訊，并輸出硬接點信號。完成了DSP+ARM+CPLD的智能測量平臺的數(shù)字化及常規(guī)變電站遠程數(shù)據(jù)采集。

1 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示三種方式靈活實現(xiàn)了數(shù)字化及常規(guī)變的主變鐵芯電流交直流分量數(shù)據(jù)采集，完善了變壓器運行參數(shù)全過程監(jiān)控，極大提高了主變運行的安全可靠性。

第一種方式基于LINUX系統(tǒng)的ARM（Cotex-A8）處理器單元，采用IEC61850制造報文MMS將裝置遙信、遙測經(jīng)光纖接入站控層交換機。

第二種方式基于實時性高的DSP+W5300可選擇傳送SV采樣值接入過程層交換機或其他間隔單元，采用速率為1024dot/s。

第三種方式通過IEC103規(guī)約，通過高精度晶振、高速CPLD調(diào)制/解調(diào)串口光纖信號遠程接入主控室規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，同時輸出一路硬節(jié)點信號通過電纜接入常規(guī)測控單元，從而實現(xiàn)常規(guī)變電站后臺監(jiān)控。

2 裝置硬件介紹

硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過霍爾電流互感器采集主變鐵芯電流信號經(jīng)過高精低溫漂采樣電阻及低通回路濾波送入AD模數(shù)變換，DSP數(shù)字信號處理器完成采樣信號數(shù)據(jù)讀取，并利用數(shù)字濾波及傅里葉全周濾波算法計算各分量的幅值、相角。

采樣值經(jīng)第一路以太網(wǎng)芯片W5300，通過IEC61850-9-2LE的SV采樣報文上送過程層，第二路基于LINUX系統(tǒng)的ARM（Cotex-A8）處理器，通過IEC61850的MMS制造報文規(guī)范上送至后臺監(jiān)控系統(tǒng)，第三路基于高精晶振和高速CPLD提供串口IEC103規(guī)約的光信號高頻調(diào)制編解碼及硬節(jié)點輸出至常規(guī)變電站，靈活實現(xiàn)主變鐵芯電流實時告警及監(jiān)控。

3 裝置軟件介紹

數(shù)字化變電站IEC61850規(guī)約將變電站信息分為三個層次分別為站控層（后臺監(jiān)控）、間隔層（保護、測控裝置）、過程層（電子式電流互感器、斷路器、合并單元等），核心是抽象通信服務接口ACSI，通過特定通信服務映射SCSM，映射到具體的通信協(xié)議，極大提高了信息系統(tǒng)的開放互聯(lián)性。同時通過改變具體的SCSM而不需改變IEC61850的模型，即可完成各種通信協(xié)議的替換升級，保證了各部分的緊密聯(lián)系又互不影響。采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得信息模型具有繼承、復用性的特點和清晰的設備劃分結(jié)構(gòu)，為IED間良好的互通、互操作性提供了有力保證。

IEC61850信息建模就是基于實際IED的服務SERVER、邏輯設備Logical Device、邏輯節(jié)點Logical Node、數(shù)據(jù)對象DO、數(shù)據(jù)屬性DA的抽象并遵從XML Schema規(guī)范的ICD及SSD、SCD、CID創(chuàng)建并檢查，核心是邏輯節(jié)點的建模。本裝置建模服務器包含兩個訪問點分別為支持MMS服務的S1、采樣值SV的M1。邏輯設備包括訪問點S1下的公用邏輯設備LD0、測量邏輯設備MEAS（包含單相MMXN邏輯節(jié)點）、錄波邏輯設備RCD，訪問點M1下的合并邏輯設備MU（包含通用GPIO或者TCTR邏輯節(jié)點），所有邏輯設備都必須包含LLN0和LPHD兩個邏輯節(jié)點，并包含相應的數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)模板、報告及日志控制塊等，本次設計不涉及訪問點G1（變電站通用事件GOOSE），只完成MMS（遙信遙測）及SV（采樣）功能。

其中MMS（制造報文規(guī)范）服務采用客戶端（智能采集裝置）/服務器（后臺監(jiān)控）通信模式，將服務器、邏輯設備、邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)屬性等抽象模型，映射到MMS中的虛擬制造設備VMD、域、有名變量等對象，即是鏡像虛擬智能采集終端模型，采用ASN.1的BER編解碼規(guī)則（TLV結(jié)構(gòu)：標記、長度、內(nèi)容），選擇報告服務（上送智能采集裝置遙測值）以及相應的通訊過程連接、初始化、數(shù)據(jù)傳送、斷開等過程如圖3所示。MMS規(guī)范位于ISO/OSI的應用層包括協(xié)議ISO 8650-1及ISO/IEC 9506，其它層有表示層協(xié)議ISO 8823、會話層ISO 8327-1、傳輸層的ISO 8073通信協(xié)議等。

應用層ISO 8650-1及ISO/IEC 9506中應用層規(guī)約數(shù)據(jù)單元包括AARQ（A-ASSOCIATE-REQUEST），AARE（A-ASSOCIATE-RESPONSE），RLRQ（A-RELEASE-REQUEST）， RLRE（A-RELEASE-RESPONSE）等APDU。表示層規(guī)約數(shù)據(jù)單元包括CP（Connect Presentation）、CPA （Connect Presentation Accept）、CPR （Connect Presentation Reject）、RS（Resynchronize）等PPDU，會話層規(guī)約數(shù)據(jù)單元根據(jù)類型定義對應相應SI（identifier）、LI（Length indicator）、PI（Parameter identifier）、PGI（Parameter group identifier）、PV（Parameter value） 等SPDU。傳輸層規(guī)約數(shù)據(jù)單元，包括CR（Connection Request）、CC（Connection Confirm）、DR（Disconnect Request）、DC（Disconnect Confirm）等TPDU，各層根據(jù)具體服務功能選擇相應規(guī)約數(shù)據(jù)單元完成服務數(shù)據(jù)映射，協(xié)議詳細內(nèi)容參見相應規(guī)約標準。

SV（采樣值）采用基于IEC61850-9-2LE簡化版本或者采樣值輸入“虛端子”概念完成上送，采樣頻率為1024點每秒，發(fā)布方（智能采集終端）/訂閱者（其他間隔）單播或組播傳輸模式，不經(jīng)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，減少傳輸延時保證傳輸快速性，完成對主變鐵芯電流的采樣值快速上送。

IEC103規(guī)約串口光信號高頻調(diào)制，采用高精度晶振芯片提供可靠時鐘，結(jié)合高速CPLD，通過對串口的信號的高頻調(diào)制，完成滿足要求的光纖信號傳輸，接收側(cè)解調(diào)轉(zhuǎn)化為電信號，送至規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，接入常規(guī)站的后臺監(jiān)控系統(tǒng)，或者通過硬節(jié)點告警輸出接入常規(guī)測控裝置遙信開入，實現(xiàn)信號監(jiān)控。

4 改進措施及結(jié)論

此項目實現(xiàn)了將開關(guān)場主變鐵芯電流數(shù)據(jù)通過光纖遠程傳送至主控室的后臺監(jiān)控系統(tǒng)，在數(shù)字化變電站通過IEC61850的MMS、SV完成了組合輸出。常規(guī)變電站通過硬接點和串口光纖IEC103規(guī)約完成數(shù)據(jù)傳送，靈活實現(xiàn)了各種變電站內(nèi)的遠程信號采集傳送?？紤]到以后的數(shù)字化變電站發(fā)展趨勢以及IEC61850的協(xié)議規(guī)模和要求，后續(xù)將采用實時性更優(yōu)的VXWORKS操作系統(tǒng)以及功能更強大的ARM或PowerPC結(jié)合DSP的高速數(shù)據(jù)處理平臺，完善變電站的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集、控制、GOOSE、精準時鐘同步等功能。

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