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適用于智能電網(wǎng)的雷電流在線監(jiān)測裝置應(yīng)用研究

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為適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，克服現(xiàn)有產(chǎn)品通信協(xié)議不公開，不能與監(jiān)控中心系統(tǒng)兼容的弊端，提出了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建立的雷電流在線監(jiān)測裝置。系統(tǒng)闡述了裝置組成與工作原理以及雷電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)；進而在IEC61850協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上研究了裝置的通信體系設(shè)計，給出了裝置的通信流程和實現(xiàn)步驟；并完成了裝置的硬件設(shè)計與軟件開發(fā)。最后通過檢測與試驗，驗證所設(shè)計的雷電流在線監(jiān)測裝置滿足設(shè)計要求，具有較小的測量誤差，可適應(yīng)智能電網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用。

IEC61850 雷電流 在線監(jiān)測 FPGA+MCU嵌入式系統(tǒng)

0 引言

隨著繼電保護及開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，由操作過電壓造成的輸電線路故障已經(jīng)越來越少，而自然雷害產(chǎn)生的沖擊過電壓、過電流則逐漸成為線路故障的主因[1-2]。特別是近年來我國正建設(shè)以特高壓為主干的新一代堅強智能電網(wǎng)，運行經(jīng)驗和雷擊線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏將阻礙特高壓輸電技術(shù)的發(fā)展。因此有必要開展雷擊在線監(jiān)測技術(shù)的研究，從而為含有特高壓的智能輸電系統(tǒng)的設(shè)計、運行及雷電防護提供豐富的現(xiàn)場直接測量數(shù)據(jù)[3-4]。

現(xiàn)已開發(fā)和應(yīng)用的雷電流在線監(jiān)測裝置[5-8]普遍存在的問題是沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議不公開，不能與數(shù)字變電站或監(jiān)控中心原有監(jiān)測系統(tǒng)兼容。然而隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，對電網(wǎng)中各種智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）信息集成化的要求越來越高，為使不同廠商的產(chǎn)品具有互操作性，并實現(xiàn)與系統(tǒng)的無縫集成，IEC制定頒布了關(guān)于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61850，我國已將其等同采用為電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]。目前國內(nèi)的科研機構(gòu)和主要廠商已在基于IEC61850的輸變電設(shè)備在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)[10]、數(shù)字保護裝置[11-12]、故障錄波裝置[13-14]、電子式互感器裝置[15]等方面取得了大量的研究成果和建設(shè)經(jīng)驗。

本文介紹基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的雷電流在線監(jiān)測裝置，采用FPGA+MCU中央處理器結(jié)構(gòu)，具有高速采集、無線傳輸、自備電源等特點，能夠滿足智能電網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)對IED裝置的新要求，具有較好的工程應(yīng)用價值。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 裝置組成和工作原理

雷電流在線監(jiān)測裝置的終端結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由羅氏測量線圈、雷擊電流在線監(jiān)測裝置終端、射頻收發(fā)天線和太陽能板四個組件構(gòu)成。其中雷擊電流在線監(jiān)測裝置終端包括雷電流通信記錄單元和鋰電池供電單元兩部分，而雷電流通信記錄單元是整個裝置的核心，采用FPGA+MCU嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。雷電流通信記錄單元分為信號調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、雷電流啟動判別記錄模塊和GPRS無線數(shù)據(jù)通信模塊。

其工作原理是：當(dāng)雷擊輸電線路時，雷電流流經(jīng)桿塔，穿心固定于鐵塔上某根特定支撐角鋼上的測量線圈將感應(yīng)出相應(yīng)的雷電流分量，同時觸發(fā)雷電流監(jiān)測裝置。所采用的羅氏測量線圈輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換模塊送至具有啟動、判別及記錄等功能的中央處理模塊，然后發(fā)送給數(shù)據(jù)通信模塊即經(jīng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出雷擊電流的相關(guān)報文信息。所發(fā)送的報文數(shù)據(jù)采用IEC61850-8標(biāo)準(zhǔn)，面向非制造報文規(guī)范（MMS）協(xié)議ISO/IEC 8802-3幀格式映射的采集數(shù)據(jù)。雷電流報文信息包括雷電流波形、峰值、極性以及預(yù)輸入的所在鐵塔信息。遠端服務(wù)器通過GPRS接收雷電流報文數(shù)據(jù)，上傳到監(jiān)控中心并讀取數(shù)據(jù)。

圖1 雷擊電流在線監(jiān)測裝置終端結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

雷擊監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分為設(shè)備層、通信層和系統(tǒng)層，如圖2所示。

圖2 雷擊監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備層主要由作為安裝載體的高壓設(shè)備和雷電流在線監(jiān)測IED器件組成，完成雷擊輸電線路電流的測量、采集、發(fā)送等功能。通信層建立在IEC61850-8-1標(biāo)準(zhǔn)下，雷電流在線監(jiān)測裝置模型按照MMS協(xié)議向通信鏈路層映射，采用的數(shù)據(jù)傳輸物理層為GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)與Internet的鏈接。在系統(tǒng)層中，通信數(shù)據(jù)接入到主站FTP服務(wù)器，服務(wù)器按照IEC61850規(guī)范集成各種監(jiān)測裝置的自有功能，能夠?qū)崟r進行雷擊監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)召喚、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)存儲及瀏覽顯示，并且在服務(wù)器的上層接入數(shù)據(jù)庫，以便對監(jiān)測的雷擊電流進行全面的診斷分析。同時用戶會收到雷擊告警短信；通過Internet/Ethernet網(wǎng)絡(luò)，客戶端可以自由訪問FTP服務(wù)器上的雷電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過軟件分析。

采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)后，監(jiān)控中心的服務(wù)器主站支持終端雷擊監(jiān)測裝置的即插即用，監(jiān)測數(shù)據(jù)可直接更新到服務(wù)器，便于統(tǒng)一管理。

2 基于IEC61850的數(shù)據(jù)通信設(shè)計

2.1 IEC61850通信體系特點

當(dāng)前電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由自上而下的“煙囪式”子系統(tǒng)構(gòu)成，各系統(tǒng)采用不同的通信協(xié)議，系統(tǒng)之間信息交互繁瑣，無法實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的共享，以致出現(xiàn)“信息孤島”的現(xiàn)象，所以主站常需設(shè)立特殊服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。為使通信網(wǎng)絡(luò)成為開放的、無縫的體系，需要各個監(jiān)控子系統(tǒng)都基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立。IEC61850是一個具有開放性和全球性的先進通信標(biāo)準(zhǔn)，具體表現(xiàn)為[16]：

1）實現(xiàn)互操作性。系統(tǒng)的通信不限于主站對終端進行訪問，還需要實現(xiàn)不同設(shè)備之間的信息交互，這是向未來開放系統(tǒng)過渡的基礎(chǔ)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的開放性特點符合這一要求，實現(xiàn)IED的互操作。

2）獨立于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存在。在應(yīng)用領(lǐng)域，快速革新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)往往導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)定義易于擴展的信息模型和抽象通信服務(wù)接口ASCI，向各種類型的通信網(wǎng)絡(luò)開放，適應(yīng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及軟、硬件技術(shù)的發(fā)展。

3）使用面向?qū)ο筮M行自我描述。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)為IED建立標(biāo)準(zhǔn)模型，模型邏輯結(jié)構(gòu)清晰，易于擴展和描述。

這些特點使得IEC61850通信體系具有適應(yīng)現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展，提高系統(tǒng)開放性以及數(shù)據(jù)模型一致等優(yōu)越性。

2.2 通信流程

所設(shè)計的雷電流在線監(jiān)測裝置的通信結(jié)構(gòu)采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，主流程如圖3所示。在初始化完成后，連接裝置數(shù)據(jù)庫，解析配置文件，創(chuàng)建IEC61850對象空間和服務(wù)運行環(huán)境。然后初始化IEC61850對象到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)單元或消息類型的映射，在此消息類型包括雷電流采集啟動，采集結(jié)束，手動采集，異常告警。在收到IEC61850請求后，可訪問數(shù)據(jù)庫或發(fā)送消息，由裝置的通信模塊作出應(yīng)答；相應(yīng)地在收到裝置發(fā)送的消息時也可根據(jù)映射關(guān)系，直接找到對應(yīng)的IEC61850對象。因此整個IEC61850通信流程就是接收IEC61850請求、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、根據(jù)數(shù)據(jù)映射關(guān)系讀寫數(shù)據(jù)庫或發(fā)送消息等。

圖3 通信流程圖

2.3 實現(xiàn)步驟

（1）雷電流監(jiān)測裝置建模

首先對裝置的功能進行定義、分解和分配，完成邏輯節(jié)點（Logical Node，LN）建模，由于雷電流在線監(jiān)測裝置所完成的功能就是采集測量，且不需要對邏輯節(jié)點進行操作且邏輯節(jié)點間無直接進行數(shù)據(jù)交換，因此數(shù)據(jù)集的成員僅僅是不同邏輯節(jié)點下的數(shù)據(jù)對象。然后按照IEC61850及實際應(yīng)用把邏輯節(jié)點組合成邏輯設(shè)備（Logical Device, LD），這里把雷擊在線監(jiān)測裝置看作一個邏輯設(shè)備。每個邏輯設(shè)備都包含邏輯節(jié)點LLN0和LPHD，LLN0描述邏輯設(shè)備本身的信息；LPHD描述邏輯設(shè)備所表征的物理設(shè)備的相關(guān)信息。

（2）雷電流監(jiān)測裝置模型向通信協(xié)議應(yīng)用層的映射

在設(shè)備應(yīng)用層，依照抽象通信服務(wù)接口（Abstract Communication Service Interface，ACSI），根據(jù)信息模型的屬性構(gòu)建出信息模型的服務(wù)（Service）。這里涉及到采樣值傳輸?shù)挠成?，在IEC61850-9中采樣值傳輸是通過緩沖區(qū)的更新映射方式完成的。

（3）雷電流監(jiān)測裝置模型向通信鏈路層的映射

根據(jù)IEC61850-8-1，依照特殊通信服務(wù)映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）將抽象的通信服務(wù)映射到具體的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和MMS協(xié)議上。ASCI類向MMS映射需要將ACSI類的屬性結(jié)構(gòu)映射為MMS類的一個或多個字段的值。這類映射可以看作是ACSI類的MMS封裝。

圖4為基于IEC61850和MMS的通信結(jié)構(gòu)圖，其中設(shè)備接口模塊采用與設(shè)備相同的通信協(xié)議，實現(xiàn)設(shè)備通信，并將收到的點信息存放到一個點信息表結(jié)構(gòu)中，其功能為點信息的采集和發(fā)送。

圖4 基于IEC61850/MMS的通信結(jié)構(gòu)圖

3 硬件和軟件的實現(xiàn)

3.1 裝置的硬件實現(xiàn)

裝置的硬件構(gòu)成如圖1所示，由測量線圈，信號調(diào)理，AD轉(zhuǎn)換，雷電流啟動判別記錄，無線數(shù)據(jù)傳輸和供電電源等模塊組成，其核心部分是雷電流啟動判別記錄單元，采用FPGA+MCU嵌入式處理器結(jié)構(gòu)，具有強大的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)處理能力，外圍設(shè)備接口豐富，伸縮性好，使用靈活，擔(dān)負數(shù)據(jù)采集、處理及控制其他模塊的任務(wù)，結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

首先在所設(shè)計的信號調(diào)理單元中，由測量線圈輸出的最大峰值為±10V的信號經(jīng)10倍分壓后變?yōu)椤?V，再經(jīng)電平移位變成符合AD芯片輸入的1.5～3.5V的信號，二次分壓器采用阻容方式，保證信號不畸變。后級采用寬帶運放，頻帶達100MHz。AD芯片采用ADS831E，并行8位數(shù)據(jù)輸出，具有低功耗275mW，極小的非線性0.35字，單電源供電超小型封裝，適合于工業(yè)級別。

FPGA芯片采用ALTERA公司的EP3C10E144C8N，該芯片內(nèi)部含有PLL及RAM，集成度高，比CPU加硬件邏輯方式減少了芯片間連線，使整個采樣部份具有更高的可靠性。閃存及待機管理由ATMEGA16單片機完成，外部50MHz采用有源晶振，時鐘精度高，相位抖動小。PLL模塊將外部50MHz時鐘倍頻至80MHz供AD采集及數(shù)據(jù)存儲用。硬件邏輯部份讀取控制RAM中的指令啟動相應(yīng)的操作，產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的存儲地址將AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送至雙口RAM中，根據(jù)不同的采樣速率產(chǎn)生相應(yīng)的時鐘。

圖5 FPGA+MCU結(jié)構(gòu)圖

表1 沖擊電流試驗數(shù)據(jù)

NIOS是ALTERA提供的一個32位CPU軟核，NIOS II 系列嵌入式處理器使用32位的指令集結(jié)構(gòu)，采用NIOS II 處理器，不會局限于預(yù)先制造的處理器技術(shù)，而是根據(jù)自定的標(biāo)準(zhǔn)處理器，按照需要選擇合適的外設(shè)、存儲器和接口。此外，還可以輕松集成自特有的功能，使設(shè)計具有獨特的競爭優(yōu)勢。NIOS II 具有完全可定制和重新配置特性，所實現(xiàn)的產(chǎn)品可滿足現(xiàn)在和今后的需求。考慮到滿足系統(tǒng)性能的前提下將NIOS的時鐘設(shè)為50MHz的二分頻即25MHz，NIOS負責(zé)與波形RAM、控制RAM的交互，以及根據(jù)上位機的指令將數(shù)據(jù)送到GPRS模塊。

3.2 內(nèi)核軟件的開發(fā)

裝置的內(nèi)核軟件基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用C++編程，主要包括一個主程序和各種數(shù)據(jù)處理，信息發(fā)送等子程序。圖6為雷電流啟動判別記錄單元服務(wù)流程的主程序，終端裝置工作時，主程序在初始化設(shè)備后，進行零點校準(zhǔn)，判別采集是否被觸發(fā)，AD輸出為0表示沒有被觸發(fā)，返回零點校準(zhǔn)，輸出為1表示觸發(fā)采集，此時從單片機中讀取采樣頻率參數(shù)，然后開始讀取采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)沒有結(jié)束則指示等常閃，看門狗復(fù)位繼續(xù)采集，采集數(shù)據(jù)結(jié)束則指示燈常亮，看門狗復(fù)位，等待下一輪采樣觸發(fā)。

圖6 雷電流啟動記錄單元主程序流程圖

4 裝置測試

裝置實物如圖7所示，經(jīng)測試裝置通過各項功能檢測。在實驗室，對裝置的測量精度進行測試，試驗布置如圖8所示。采用沖擊電流發(fā)生器分別產(chǎn)生4/10μs和8/20μs兩種波形，檢驗裝置的輸出，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。輸入量為沖擊電流，輸出為裝置的測量采樣值，在5～20kA的沖擊電流作用下，裝置的誤差均±2%。

圖7 雷電流在線監(jiān)測裝置實物圖

圖8 沖擊電流試驗布置圖

5 結(jié)束語

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的雷擊電流在線監(jiān)測裝置全面支持IEC61850協(xié)議，可實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)與主站通信的無縫連接，同時各設(shè)備間數(shù)據(jù)格式透明，方便系統(tǒng)的擴展。此外裝置的實現(xiàn)采用FPGA+MCU嵌入式結(jié)構(gòu)可準(zhǔn)確完成雷擊電流的采集，GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和太陽能自供電的功能也使得裝置的安裝更加靈活，有利于設(shè)備的應(yīng)用與推廣。

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