適用于數字化變電站的電能質(zhì)量監測裝置的開(kāi)發(fā)研究

近幾年來(lái)，隨著(zhù)IEC61850標準的應用和光電互感器的研發(fā)及投入使用，數字化變電站概念已在工程實(shí)踐中得到應用，基于IEC61850的數字化變電站已經(jīng)成為建設堅強智能電網(wǎng)的基石，是不可逆轉的發(fā)展趨勢。

由于負荷性質(zhì)的非線(xiàn)性、沖擊性，以及受電網(wǎng)中相互聯(lián)系線(xiàn)路發(fā)生故障、電能質(zhì)量惡化等因素的影響，存在諧波超標、閃變越限、三相不平衡、電壓暫態(tài)等電能質(zhì)量問(wèn)題。

該文也探討了IEC61850標準適用于電能質(zhì)量監測領(lǐng)域的可行性，從而在推動(dòng)數字化變電站建設和推行IEC61850標準方面發(fā)揮作用。

1系統設計概述

該文介紹的裝置以TI公司的OMAPL138多核處理器為主控制器，實(shí)現電能質(zhì)量綜合監測分析和基于IEC61850的數字通訊等功能，通訊功能符合新一代數字化變電站IEC61850的技術(shù)要求，可以與變電站綜合自動(dòng)化系統的監控主機連接和通信。

圖1數字化變電站的電能質(zhì)量監測裝置的硬件結構圖

1.1硬件系統設計

該文介紹的適用于數字化變電站的電能質(zhì)量監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與一體的高速高性能芯片，其時(shí)鐘速度可達300MHz。內部集成兩個(gè)CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一個(gè)32位的RISC處理器，可以進(jìn)行基本的處理和系統控制功能，使用DSP6700進(jìn)行高效的數據處理功能。

1.2電能質(zhì)量數據處理軟件系統設計

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各種實(shí)時(shí)操作系統都是以DSP/BIOS作為底層軟件，為嵌入式應用提供基本的運行服務(wù)。電能質(zhì)量監測IED嵌入式軟件總體結構設計如下圖：

系統初始化軟件模塊，主要對硬件進(jìn)行初始化設置，在系統中形成信息模型實(shí)體;軟件通信模塊，主要負責與數據分析處理層進(jìn)行數據通訊，完成數據存儲管理、文件生成、通訊協(xié)議處理等任務(wù);通信軟件模塊內有符合IEC61850標準IED的數據模型;滿(mǎn)足裝置與現有基于IEC61850標準的系統兼容要求;數據分析處理軟件模塊主要負責諧波分析、間諧波分析、系統電壓合格率統計分析、瞬時(shí)供電斷電統計分析、瞬時(shí)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、三相不平衡度統計分析、電壓波動(dòng)與閃變事件統計分析、RMS值突變事件錄波記錄等功能。

1.3系統管理、通訊嵌入式操作系統的設計

系統通訊、管理等采用Linux系統。Linux操作系統以其開(kāi)源性、穩定性和免費的特點(diǎn)在嵌入式系統中得到廣泛應用。Linux操作系統的軟件層次主要由用戶(hù)程序、操作系統服務(wù)、內核和硬件控制4個(gè)子系統組成。Linux系統平臺的建立主要包括以下四個(gè)步驟：

1.3.1BOOTLOADER的移植

在大多數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L(cháng)inux的引導作準備。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux內核

根據不同嵌入式應用系統的要求，針對專(zhuān)用的硬件進(jìn)行相關(guān)Linux內核的功能配置、裁剪和移植Linux內核。

1.3.3相關(guān)驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

在電能質(zhì)量監測IED中主要的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)有：網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)、串口驅動(dòng)、USB驅動(dòng)、鍵盤(pán)驅動(dòng)、液晶屏驅動(dòng)等。

1.3.4文件系統的建立

在嵌入式系統中通常要使用Flash存儲器來(lái)保存程序代碼和數據，如果直接對Flash和SDRAM進(jìn)行操作的話(huà)比較困難，所以最好的解決方法是構造文件系統，使其提供方便、可靠的系統應用。

1.4電能質(zhì)量IED信息模型

IEC61850標準將整個(gè)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(luò )抽象為相應的邏輯系統，每個(gè)邏輯系統中包含一個(gè)服務(wù)器，一個(gè)服務(wù)器由一個(gè)或多個(gè)邏輯設備組成;邏輯設備中的功能模塊分為若干個(gè)相關(guān)子功能，對應為各種邏輯節點(diǎn);一個(gè)邏輯節點(diǎn)又包含一個(gè)或多個(gè)數據對象，其中數據對象是公共數據類(lèi)的對象實(shí)例;一個(gè)數據對象具有多個(gè)數據屬性，數據屬性含有各種數據類(lèi)型、值和功能約束(FunctionConstraint)等。

電能質(zhì)量IED的信息模型屬性如下圖所示：

1.4.1邏輯節點(diǎn)

電能質(zhì)量中使用的邏輯節點(diǎn)類(lèi)包括：三相電流電壓(MMXU類(lèi))，三相電流電壓序分量及不平衡度(MSQI類(lèi))，諧波數據(MHAI類(lèi))，電壓閃變(MFLK類(lèi))，計量邏輯節點(diǎn)(MTR類(lèi))，高級測量邏輯節點(diǎn)(MADV類(lèi))，頻率偏差(QFVR類(lèi))，暫態(tài)電流(QITR類(lèi))，電流不平衡(QIUB類(lèi))，暫態(tài)電壓(QVTR類(lèi))，電壓不平衡(QVUB類(lèi))，電壓偏差(QVVR類(lèi))，擾動(dòng)記錄(RDRE類(lèi))，擾動(dòng)記錄模擬通道記錄(RADR類(lèi))等。

1.4.2邏輯設備

在IEC61850標準中，并沒(méi)有明確規定邏輯設備的模型，因此，在考慮電能質(zhì)量監測終端的邏輯設備建模時(shí)有很強的靈活性。根據我們的電能質(zhì)量監測裝置的實(shí)際情況，可以規定，在電能質(zhì)量監測終端中，一個(gè)監測通道就是一個(gè)邏輯設備。假設一臺電能質(zhì)量監測裝置中有3個(gè)監測通道：監測線(xiàn)路1、線(xiàn)路2和線(xiàn)路3，對應的邏輯設備分別為PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所組成的電能質(zhì)量設備模型結構如下圖所示：

1.4.1服務(wù)器

通常一個(gè)IED建模為一個(gè)SERVER類(lèi)的實(shí)例。電能質(zhì)量IED中，我們可以以一個(gè)電能質(zhì)量監測物理裝置創(chuàng )建為一個(gè)服務(wù)器對象。

1.5電能質(zhì)量IED服務(wù)建模