王東升

摘 要：智能電網(wǎng)系統(tǒng)及發(fā)電企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)需要實(shí)時監(jiān)測發(fā)電端的設(shè)備狀態(tài)，主要通信規(guī)約采用IEC61850，目前國內(nèi)支持該通信規(guī)約的數(shù)據(jù)采集設(shè)備較少，通常采用經(jīng)IEC61850協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。為減少發(fā)電端設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)節(jié)、節(jié)約成本、提高通信可靠性，開發(fā)了支持IEC61850規(guī)約的采集設(shè)備，并在某水電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)中成功應(yīng)用，取得了良好的效果。成果值得在類似監(jiān)測系統(tǒng)中推廣。

關(guān)鍵詞：IEC61850；IED；智能電網(wǎng)；水電站；監(jiān)測系統(tǒng)；數(shù)字化

中圖法分類號：TM76；TV736 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

智能電網(wǎng)及發(fā)電企業(yè)在數(shù)字化過程中經(jīng)常遇到通信介質(zhì)、通信規(guī)約不統(tǒng)一的問題?！巴粋€電網(wǎng)、同一個標(biāo)準(zhǔn)”能夠確保電力系統(tǒng)中設(shè)備監(jiān)測、控制系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性、安全性和可靠性[1-3]，也為用戶、設(shè)備供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商提供便利[4-7]。隨著IEC61850規(guī)約逐漸成為電力系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，部署在發(fā)電、輸電、變電、配電設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均應(yīng)支持這一規(guī)約[8-11]。針對此需求在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了支持IEC61850通信規(guī)約的功能，節(jié)省了協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，并在某水電站的溫度監(jiān)測系統(tǒng)中成功應(yīng)用。

1 IEC61850簡介

IEC61850通信規(guī)約由IEC（International Electrical Commission）編制，分為站控、間隔、過程三個層（見圖1）。站控層與間隔層之間通信協(xié)議為MMS（Manufacturing Message Specification制造報文規(guī)范）規(guī)約，間隔層與過程層之間的通信協(xié)議采用SV（Sampled Value Transmission采樣傳輸）和GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event通用的面向?qū)ο笞冸娬臼录┮?guī)約，分別完成數(shù)據(jù)采集和事件報告[12-13]。

該規(guī)約滿足電力系統(tǒng)數(shù)字化的要求，在國際上具有通用性，在智能電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。

2 某水電站測溫系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測溫系統(tǒng)需求

某水電站共5臺機(jī)組，每臺機(jī)組共336個RTD（Resistance Temperature Detector電阻溫度傳感器）測點(diǎn)，各測點(diǎn)分布在推力瓦、定子繞組、定子鐵心、定子齒壓板等部位。要求采集設(shè)備分布式布置，以8個采集單元為宜，分布式采集設(shè)備支持IEC61850通信協(xié)議，通過光纖組網(wǎng)后將數(shù)據(jù)傳送至電廠數(shù)據(jù)中心。

2.2 測溫系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)水電站測溫系統(tǒng)要求，將每臺機(jī)組的336個RTD測點(diǎn)根據(jù)測量設(shè)備部位分為8個采集單元，分別為推力瓦采集單元、定子繞組采集單元1、定子繞組采集單元2、定子鐵心采集單元、定子齒壓板采集單元、油槽采集單元、空冷器采集單元、冷熱水采集單元。

每個采集單元通過光纖與光纖交換機(jī)連接，再通過光纖與電廠數(shù)據(jù)中心連接，實(shí)現(xiàn)電廠數(shù)據(jù)中心直接與每個采集單元進(jìn)行IEC61850通信，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 RTD模塊硬件開發(fā)

3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

RTD模塊硬件架構(gòu)采用ZYNQ7000+LTC2984+

W5300的硬件架構(gòu)。

ZYNQ7000由FPGA模塊和ARM模塊組成。并行運(yùn)行的FPGA模塊與ADC芯片組成采集單元，ARM運(yùn)行Linux系統(tǒng)作為系統(tǒng)管理單元。

LTC2984作為ADC芯片，支持熱電阻、熱電偶傳感器，采集分辨率為24位，精度為0.1℃，滿足水電站測溫系統(tǒng)的要求。

W5300是支持TCP/IP協(xié)議的通信芯片，與FPGA直接連接，通過DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了以太網(wǎng)通信的速率，保證了采集到的的溫度數(shù)據(jù)能夠及時發(fā)送出去。

3.2 硬件設(shè)計及功能擴(kuò)展

RTD模塊提供20個溫度采集通道，互相獨(dú)立，每個通道通過SPI總線與FPGA通信，F(xiàn)PGA通過FSMC總線與STM32通信，如圖4所示。

該硬件架構(gòu)可以滿足電廠的分布式就地采集模式，如需要采集振動、擺度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，需將MAX31865改為相應(yīng)的ADC芯片，如HLW3070，提供24位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換，滿足電廠數(shù)據(jù)采集要求。

4 IEC61850服務(wù)端開發(fā)

RTD采集單元作為IEC61850服務(wù)端，電廠數(shù)據(jù)中心作為客戶端進(jìn)行C/S通信。IEC61850服務(wù)端程序運(yùn)行在ZYNQ7000的ARM部分，其開發(fā)步驟包括開發(fā)環(huán)境配置、生成模型、創(chuàng)建服務(wù)器、函數(shù)回調(diào)、數(shù)據(jù)上傳控制等。

4.1 開發(fā)環(huán)境配置

使用Visual Studio2015開發(fā)環(huán)境需要進(jìn)行如下步驟的配置：

（1）LibIEC61850庫下載，并解壓到指定硬盤位置；

（2）安裝JRE；

（3）安裝CMake。

4.2 生成模型

在LibIEC61850庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，主要操作步驟如下：

（1）生成項(xiàng)目工程。在解壓的LibIEC61850庫文件夾中建立build文件夾，打開命令窗口并CD到該文件夾，在CMD中執(zhí)行如下命令：cmake-G "Visual Studio 14 2015 Win64" ..，在build文件夾中生成項(xiàng)目工程。

（2）編輯ICD文件。根據(jù)水電站測溫系統(tǒng)需求進(jìn)行ICD（IED Configured Description，智能電氣設(shè)備的配置描述）文件的編輯，文件命名為iecserver.icd，結(jié)果如圖5所示。

（3）生成模型文件。CD到LibIEC61850庫文件夾中的tools＼model_generator路徑，執(zhí)行命令：java-jar genmodel.jar iecserver.cid，生成C語言的模型文件：static_model.c、static_model.h，將生成的模型文件復(fù)制到項(xiàng)目工程中進(jìn)行調(diào)用。

4.3 創(chuàng)建IEC61850服務(wù)器

創(chuàng)建IEC61850服務(wù)器過程如下：

（1）聲明IED模型

extern IedModel iedModel

（2）定義端口號

int tcpPort = 102

（3）創(chuàng)建服務(wù)器配置函數(shù)

IedServerConfig iedFiger = IedServerConfig_create（）

（4）生產(chǎn)服務(wù)器

IedServer iedServer = IedServer_create（&iedModel）

（5）啟動服務(wù)器

IedServer_start（iedServer，tcpPort）至此完成一個IEC61850創(chuàng)建、配置和啟動。

4.4 配置回調(diào)函數(shù)

配置回調(diào)函數(shù)是讓IEC61850能夠執(zhí)行客戶端發(fā)來的指令。

例如，在主函數(shù)中配置如下四個回調(diào)函數(shù)：

（1）IedServer_setControlHandler；

（2）IedServer_setControlHandler；

（3）IedServer_setControlHandler；

（4）IedServer_setControlHandler；

在對應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)里面實(shí)現(xiàn)每個回調(diào)函數(shù)的數(shù)據(jù)處理和返回。執(zhí)行函數(shù)為：

static ControlHandlerResult controlHandlerForBinaryOutput。

至此配置了四個回調(diào)函數(shù)，供客戶端對服務(wù)端進(jìn)行控制和問答。

4.5 實(shí)時數(shù)據(jù)上傳

服務(wù)器啟動后自動實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

（1）發(fā)送時間戳

IedServer_updateTimestampAttributeValue

updateTimestampAttributeValue為刷新時間戳函數(shù)，向客戶端發(fā)送當(dāng)前時間。

（2）發(fā)送溫度實(shí)時變量

IedServer_updateFloatAttributeValue

updateFloatAttributeValue為刷新溫度值函數(shù)，向客戶端發(fā)送當(dāng)前該測點(diǎn)溫度值。

至此，服務(wù)器可以實(shí)時向客戶端發(fā)送AnIn1變量（某個RTD測點(diǎn)）的時間戳和實(shí)時值。

5 IED Scout測試

5.1 創(chuàng)建ICD文件

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，一個機(jī)組共有8個分布式采集單元，因此，創(chuàng)建一個包含8個采集單元服務(wù)器變量的配置文件，客戶端或者IED Scout可以同時讀取8個采集單元的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

5.2 IED Scout連接服務(wù)器

打開IED Scout，選擇上一步創(chuàng)建的ICD文件，識別出所有的IED設(shè)備，如圖6所示。

勾選全部IED后確認(rèn)，IED Scout開始與服務(wù)器連接并讀取實(shí)時值，選擇推力瓦采集單元讀取數(shù)據(jù)，如圖7所示。

服務(wù)端向客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)包含每個RTD測點(diǎn)的實(shí)時值、狀態(tài)及時間戳。

至此已完成IEC61850服務(wù)端的開發(fā)及IED Scout測點(diǎn)客戶端讀取數(shù)據(jù)的測試，實(shí)現(xiàn)了RTD分布式采集設(shè)備的IEC61850的通信功能。

6 結(jié)論

在嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的IEC61850通信功能滿足某水電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)的通信要求，同時符合智能電網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)的智能化、數(shù)字化要求?；谠摴δ埽梢詫⒅С諭EC61850規(guī)約的嵌入式采集系統(tǒng)推廣到水電站的其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及智能電網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)，如動力監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)等。

在該設(shè)備硬件架構(gòu)下，只需要更改不同的ADC芯片即可實(shí)現(xiàn)不同采集變量的分布式以太網(wǎng)采集設(shè)備開發(fā)，適合水電、火電等分布式就地采集的環(huán)境要求。

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Development and Application of Data Collection Equipment Supporting IEC61850 Protocol

WANG Dongsheng

（Chengdu Branch，Beijing Aerospace Measurement & Control Technology Co.， Ltd.，Chengdu 610051，China）

Abstract：The intelligent grid system and digital system of power generation enterprises require real-time monitoring of the equipment status at the power generation end. The main communication protocol used is IEC61850. Currently，there are few data acquisition devices in China that support this communication protocol. Typically，an IEC61850 protocol conversion module is used to achieve data uploading. To reduce the links in the power generation equipment monitoring system，save costs，and improve communication reliability，a data acquisition device that support the IEC61850 protocol has been developed and successfully applied in the temperature monitoring system of a hydropower station. The device has achieved good results and is worthy of promotion in similar monitoring systems.

Key words：IEC61850；IED；smart grid；hydropower station；monitoring system；digitization