（机械电子工程专业论文）基于iec61850的无源电子式电流互感器后级自动化系统的研究及设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 变电站自动化系统( s a s ) 一直是近几年电力系统的热门研究课题，包括各 大公司，高校以及研究院等都在积极探索、研究其内部设备间的自动化通信体系。 随着i e c 6 1 8 5 0 ( 变电站自动化系统通信标准) 的发布及逐步完善，变电站自动 化系统对其内部设备提出了在新标准下更小型化、数字化、智能化、通信规范化 的要求，也提出了新型数字变电站的概念。而电流互感器( c t ) 及其接口技术 作为变电站中不可或缺的基本单位，也必将面临着变革。 在变电站自动化系统中，完整的电流互感器系统不仅包含电流测量传感头， 也包括了其后级自动化系统及输出接口。随着电压等级的提高，电网的日益复杂 以及新型标准的提出，传统的电磁式电流互感器已经难以满足电力系统高速自动 化的发展。在这个背景和新技术的推动下，新型电子式电流互感器( e c t ) 应运 而生，而i e c 6 1 8 5 0 也对电子式互感器的输出接口做出了规范。所以，新的高性 能电子式电流互感器及其基于i e c 6 1 8 5 0 的后级自动化系统的研制就成为电力系 统自动化进程中的关键。因此，本文所做的基于i e c 6 1 8 5 0 的无源电子式电流互 感器后级自动化系统的研究及设计就具备重大的现实性和实用性。 新型电子式电流互感器主要分为有源型和无源型( 无源型也可称为o c t ) 。 由于有源型性能较为稳定，因此其信号处理系统和接口技术比较完善，目前己占 据一定市场份额。而无源型由于传感头材料稳定性的问题难以解决，一直处于研 发、设计的实验性阶段。但是无源型具备了高压侧无需供能等有源型所不具备的 一些优点，在传感头技术难题得到解决后必会迅猛发展。 本文所做的研究采用了由上海舜字海逸光电技术有限公司自主研发的无源 电子式电流互感器传感头，传感头的特殊结构使之稳定性较强，在被测电流的额 定电流为4 0 0 a 时具备o 1 级精度，达到了实际应用、投产的要求。本文的主要 研究内容首先是对无源传感头理论模型进行分析，对公司提供的第一版后级信号 处理电路进行大量的数据测量和分析，提出其问题所在，然后在兼顾系统性能以 及经济性的情况下，重新设计一套自适应的信号处理系统，使系统精度从3 级达 到0 2 级；其次，论文根据对i e c 6 1 8 5 0 标准理论通信模型的深入研究，为前级 信号处理系统设计了符合i e c 6 1 8 5 0 接口规范的通用型无源电子式电流传感头的 浙江理工大学硕十学位论文 信号整合输出单元合并器。 本文所设计的前级信号处理系统和后级合并器分别使用嵌入式领域基于 a r m 7 t d m i 内核以及d s p 内核的处理器芯片。本系统的硬件构架采用嵌入式模 块化设计思想，不仅能够完成本系统传感头信号的自适应测量，也具备很强的通 用性。软件构架采用前后台结合操作系统任务调度的方式，移植了嵌入式实时操 作系统g c o s ，并且进行较大的修改，使之更精简、实时性更强，更适用于工业 高实时领域。本文设计和编写了前后级系统的所有软件。 作者作为项目的主要软、硬件设计人员，参与了前期样机的设计、开发。论 文内容是样机前期研制时，作者所做设计以及工作，可以为无源互感器系统设计 提供参考，也可为工业嵌入式实时软、硬件系统设计提供参考，论文内容具备一 定的理论意义和实用价值。 传感头制造技术及一次头设计技术涉及公司机密，论文中不做详述。 关键词：无源；电子式电流互感器；i e c 6 1 8 5 0 ；删；d s p ；g c o s i i 浙江理工大学硕士学位论文 a b s t a c t t h er e s e a r c ho fs u b s t a t i o na u t o m a t i cs y s t e m ( s a s ) h a sa l w a y sb e e nt h eh o tt o p i c i nr e c e n ty e a r s al o to fb i gc o m p a n i e s ，u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u e sh a v e d e v o t e dt h e i re n e r g i e st or e s e a r c ht h ea u t o m a t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h ed e v i c e s i nt h es a s t h ed e v i c e si nt h es a sw e r er e q u e s t e dt ob es m a l l e ra n dm o r e d i g i t i z a t i o n , i n t e l l i g e n t i z a t i o n , c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n 硪e ri e c 6 18 5 0 ( t h e s t a n d a r do fs u b s t a t i o na u t o m a t i cc o m m u n i c a t i o n ) w a si s s u e da n d 孕a d u m l yi m p r o v e d m e a n w h i l e ，t h ec u r r e n tt r a n s f o r m e r ( c t ) ，蠲o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tu n i th a tt h e s u b s t a t i o n ，w i l lf a c et ot r a n s f o r m a t i o n t h ew h o l es y s t e mo fc ti nt h es a sn o to n l yi n c l u d e sc u r r e n ts e n s o rb u ta l s ot h e p o s ta u t o m a t i cs y s t e ma n do u t p u ti n t e r f a c e t h et r a d i t i o n a lc tc o u l dh a r d l ym e e tt h e d e m a n d so ft h ed e v e l o p m e n to fs a sw h e nt h ev o l t a g eg r a d ew a si n c r e a s eg r e a t l y 嬲 w e l la st h ee l e c t r i cn e t w o r kw a sm o r ec o m p l i c a t i e da n dt h en e ws t a n d a r dw a si s s u e d i nt h e s eb a c k g r o u n da n dd r i v e db yt h en e wt e c h n o l o g y , s e v e r a lk i n d so fe l e c t r o n i c c u r r e n tt r a n s f o r m e r ( e c t ) w e r ep r o d u c e d m e a n w i l e ，a no u t p u ts t a n d a r do fe c tw a s p r o p o s e db yi e c 6 18 5 0 t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fa u t o m a t i cs y s t e mo ft h ee c to n t h eb a s i so fi e c 618 5 0h a sb e e nt h ek e yp o i n ti nt h ep r o c e s so fs a s t h e n , t h e r e s e a r c h e so fa u t o m a t i cs y s t e mo ft h ep a s s i v ee c ti nt h e t h e s i sh a v es i g n i f i c a n t r e a l i s ma n dp r a c t i c a b i l i t y t h ee c tc a nb ed i v i d e di n t ot w od i f f e r e n tk i n d sb a s i c a l l y , o n ei sa c t i v ea n dt h e o t h e ri sp a s s i v e ( t h ep a s s i v ee c ti sa l s oc a l l e do c t ) t h ea c t i v ee c th a sap e r f e c t a u t o m a t i cs y s t ma n do u t p u ti n t e r f a c eb e c a u s eo fi t ss t a b l ep e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，i t h a st a k e nu pas h a r eo fm a r k e t a sr e g a r d sp a s s i v ee c t , t h es t a b l ep r o b l e mo fi t s s e n s o rm a t e r i a li sh a r dt or e s o l v e ，s oi ti sa l w a y si nt h es t a g eo fr e s e a r c h b u tt h e p a s s i v ee c th a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sn op o w e rs u p p l ya tt h ep r i m a r ys i d ew h i c h t h ea c t i v ee c td o e sn o th a v e ，i tw i l ld e v e l o ps w i f ta f t e rt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo ft h e s e n s o ri sr e s o l v e d t h ep a s s i v ee c ts e n s o rd e v e l o p e db yt h es h a n g h a is u n y ut e c h n o l o g yc o m p a n yi s u s e di nt h er e s e a r c ho ft h et h e s i s a sb e n e f i t e df r o mt h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h es e n s o r , 1 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 i t ss t a b i l i t yi ss t r o n ge n o u g ht om e e tt h ed e m a n do fa c t u a lp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n f i r s t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h et h e o r ym o d u l eo ft h ep a s s i v es e n s o rw h i c hi su s e d t h e n , t h et h e s i sf i n d st h ep r o b l e mp r o d u c e db yt h eo r i g i n a lc i r c u i tw h i c hi sp r o v i d e d b yt h ec o m p a n yb yal o to fm e a s u r i n g sa n dt e s t i n g s f u r t h e r m o r e ，t h et h e s i sd e s i g n s a na u t o m a t i cs i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mw h i c ha l s oc o n s i d e r st h ep e r f o r m a n c ea sw e l l a st h ec o s to ft h es y s t e m t h i ss y s t e mm a k e st h ep a s s i v ee c t sp r e c i s i o ng r a d ef r o m g r a d e3t og r a d e0 2 ( t h ep e c e n to fr e l a t i v ee r r o r ) s e c o n d l y , a f t e rt h et h e s i sa n a l y s e s t h et h e o r e t i c a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h ei e c 618 5 0d e e p l y , i td e s i g n sam e r g e u n i t ( m o nt h eb a s i so ft h ei e c 618 5 0f o rg e n e r a lp a s s i v ee c t t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h em ud e s i g nb yt h et h e s i su s et h ep r o c e s s i n g u n i tb a s i so nt h ec o r eo fa r m 7 t d m ia n dd s et h ed e s i g no ft h eh a r d w a r es t r u c t u r e i nt h es y s t e mu s e sam o d u l a ri d e ai nt h et h e s i s ，i tn o to n l ya c h i e v e st h ep u r p o s eo f m a s u r i n gt h es i g n a lp r o d u c e db yt h es y s t e mp a s s i v es e n s o r , b u ta l s oc a nb eu s e d c o m m o n l y a n dt h ed e s i g no ft h es o f t ：w a r eu s e st h em o d ew h i c hc o m b i n e db y f o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e ma n do p e r a t i n gs y s t e m ( o s ) t h e nt h et h e s i st r a n s p l a n t s t h ei t c o sw i t hag r e a tm o d i f i c a t i o n a sar e s u l t ，t h eo si sm o r es u i t a b l ef o ri n d u s t r y r e a lt i m es y s t e mt h a nb e f o r eb e c a u s eo fi t sn e wp e r f o r m a n c e t h et h e s i sd e s i g n st h e w h o l es o f t w a r eo ft h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n dm u a st h em a i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n e ri nt h i sp r o j e c t , t h ea u t h o ro ft h e t h e s i sh a sp a r t i c i p a t e di nt h er e s e a r c ho ft h ep r o t o t y p e t h ec o n t e n to ft h et h e s i si st h e w o r kt h a tt h ea u t h o rh a sd o n ef o rt h ep r o t o t y p er e s e a r c h t h e r e f o r e ，t h et h e s i sc a nb e t h er e f e r e n c em a t e r i a lt ot h ed e s i g no ft h ep a s s i v ee c t s y s t e mo rt h ei n d u s t yr e a lt i m e s y s t e m s o ，t h et h e s i sh a sac e r t e nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo ft h ep a s s i v es e n s o ra n dp r i m a r yt e r m i n a li s r e l a t e dt ot h es e c r e to ft h ec o m p a n y , s oi tw i l ln o tb ee x p l a i n e dd e t a i l e d k e y w o r d s ：p a s s i v e ；e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( e c t ) ；a r m ；d s p ；i t c o s i v 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：未肪喈 日期。岬年j 月7 - e 1 l 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密。 学位论文作者签名： 知窃磁 日期：矿舻7 年? 月7 je t l 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：蚀l 日期：聊年；月万月 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，电力系统j 下面临着变革，安全性更高，占地更小，成本更低的高自 动化系统是人们长期寻求的目标n m l 。随着材料技术和微机、嵌入式等技术的迅 猛发展，各种诸如智能断路器、电子开关等智能化的电力测控设备层出不穷口3 。 而电流互感器( c t ) 作为电力测控的基石单元，也正在朝新的方向发展嗍1 7 1 。 电流互感器的作用就是为电力系统的计费、测量、保护、控制等提供数据陋1 。 传统的c t 是采用电磁感应的原理测量电流，它的技术成熟，性能稳定，特性简 单，但是随着目前电网电压等级的不断提升，它的缺点也日益突出阳旧3 。 1 ) 超高电压等级下，设备结构的复杂性，绝缘要求等成倍提升，大多数依 靠油做绝缘体，易燃易爆。 2 ) 占地面积大、维护难度高。 3 ) 产生磁饱和、磁滞效应。 4 ) 动态范围小，计量、保护需要分开设计。 5 ) 非数字式的接口难以适应数字化变电站的发展。 而电子式电流互感器能从不同程度上解决现有的这些问题，因此新的测量技 术在近些年迅猛发展。目前应用的电子式电流互感器从测量技术上来分主要有两 种n 。一种是基于r o g o w s k i 的空心线圈测量方法，一种是基于f a r a d a y 旋光效 应口2 1 的磁光材料测量方法。 前者利用空心线圈的电磁感应原理感应一次侧电流，然后将信号进行电光转 换后使用光纤传输信号，所以高压侧需要提供能量给电光转换电路，因此也称为 有源电子式电流互感器，它的技术已经逐步趋向成熟，占据一部分的市场份额， 但是由于感应原理还是为电磁感应定律，所以空心线圈测量的动态范围不大，一 般情况下，计量和保护也需要分开设计。 后者的原理是利用偏振光在磁场中的旋光效应，称为无源电子式电流互感 器，根据其传感头的介质及结构，又可以分成几种，目前相对来说占主导地位的 有块状玻璃型、全光纤型。由于磁光材料的v e r d e t 常数极易受温度、震动等环 浙江理工大学硕士学位论文 境的影响而变化，所以体积大的磁光材料，例如块状玻璃各处受温度的影响会产 生随机误差，并且由于应力的变化产生的双折射现象也难以解决n 羽。而全光纤型 电流互感器也是被同样的问题所困扰n 4 1 。由于这些技术性的难题，无源型正处 于研究、试运行阶段。但后者是真正意义上的光电互感器，体积小，无磁滞、磁 饱和效应，测量动态范围宽，一次侧采用相应的设计就能够避免保护和测量的冗 余设计。由于传感部分非电感类器件，故暂态特性好，频响性能高，而且在高压 侧不需要进行电光转换，多路合并器可以直接放在控制室内，不仅大大节约了成 本，而且提升了系统的性能，是未来的发展方向n 5 1 。 本文所做的研究是基于i e c 6 1 8 5 0 的无源电子式电流互感器后级自动化系统 的研究及设计。传感头为上海舜宇海逸公司自主研发，传感头利用f a r a d a y 旋光 效应作为其测量原理，在结构上有别于块状玻璃和全光纤，采用独特的直通型磁 光晶体的差分双光路结构，使用1 5 5 0 n m 的激光作为光源，经测试，在被测电流 的额定电流为4 0 0 a 时，传感头精度达到o 1 级。直通型磁光晶体的特殊结构使 传感头无双折射现象，而差分双光路的结构使传感头对温度、震动及环境影响不 敏感，并且符合误差小，频响高，各项性能指标已经能够达到投产应用的标准， 所以本文所做的后级自动化系统的研究也有现实意义。 一个完整的电子式电流互感器系统不仅包括传感头部分，而且也包含了信号 处理系统，信号传输系统。在变电站这种特殊的环境下，其后级系统也应当具备 相应的接口。近几年数字变电站的迅猛发展，要求其测控设备智能化的程度越来 越高，因此目前电子互感器的发展不仅是传感器本身技术的发展，也是其智能化、 自动化技术的发展n 6 1 。 早些年前，为了对正在发展的电子式互感器建立统一的接口标准，以及实际 应用的一些问题，国际电工委员会( m c ) 颁布了i e c 6 0 0 4 4 7 8 。它提出了整合 多路电压电流互感器的合并单元( 合并器) 的概念，并且规定了数据从合并单元 输出到诸如继电保护等二次测控设备的格式以及方式。 然而随着各种智能设备的出现，变电站内协议转换所造成的资源浪费以及线 路繁多复杂等问题也凸显出来，为了解决变电站内不同设备之间的互操作性， i e c 颁布并完善了i e c 6 1 8 5 0 ( 变电站自动化系统标准) ，我国也已经引入这个标 准，标准代号为d l t8 6 0 系列，并且这几年根据各大公司的协调测试，也在不 2 浙江理工大学硕士学位论文 断的修缮这个标准。随着2 0 0 7 年i e c 6 1 8 5 0 6 最后一部分的审核通过，i e c 6 1 8 5 0 已经正式成为我国变电站的通信标准，开始贯彻执行。i e c 6 1 8 5 0 采用以太网组 网，对于电子式互感器合并单元的输出接口，也是以太网络，因此基于 i e c 6 0 0 4 4 7 8 的接口已经不适用于采用i e c 6 1 8 5 0 的新型数字变电站n 刀。例。 基于r o g o w s k i 线圈的电子式电流互感器由于传感技术比较成熟，已经能够 产品化，因此其后级自动化及合并系统也比较完善，目前一般采用f p g a + 单片 机的方式进行数据解码和发送，功能相对简单。而对直通型磁光晶体的电子互感 器后级系统的研究甚少。由于直通型磁光晶体使用光纤传输信号，抗干扰能力强， 即使光纤距离很长，有小部分会衰减，但是由于光纤中的信号是比例的反应被测 电流的大小，所以在工程应用中可以通过标定得到真实的被测电流，因此，光纤 可以直接加长几公里直接到控制室，而他的后级信号处理系统就可以与合并单元 做到一块，这不仅有利于信号同步，设备维护，而且大大缩减了成本。所以，设 计此种基于i e c 6 1 8 5 0 的电子式互感器的后级自动化系统，也就是设计一个传感 头信号处理系统和设计一个兼容i e c 6 1 8 5 0 标准的合并器，具有重大的现实意义。 但是，采用i e c 6 1 8 5 0 标准的合并器由于功能更加复杂，不仅在硬件层面要重新 考虑其设计方案，而且软件层面也需要采用嵌入式实时操作系统进行模块化的设 计，并且此种嵌入式设计技术具有通用性，也可为各类实时工业控制系统提供参 考。 1 2 国内外研究现状 在三十多年前，就已经有过电子式互感器的报道。当时人们只是一个设想， 如何采用另一种方式如何测量高压线的电流、电压，但是由于材料技术、电子技 术等各方面的不足，电子互感器没有得到进一步的发展。到了上个世纪8 0 年代， 美国和日本首先在这方面取得了可喜的进步。1 9 8 6 年，a b b 公司将光电互感器 挂网运行。1 9 8 7 年，日本东京电力公司与日本东芝公司合作研发的o c t 和o p t 实现了长时间挂网运行，实测参数均达到i e c l 2 0 1 的标准。十九世纪九十年代 至今，国外的电子式互感器已经到达实用化的阶段。a b b 公司已经研制出 115 k v - 5 0 0 k v 有源及无源电子式互感器。法国a l s t o m 公司主要致力于无源电 子式互感器的研究，目前已研制出1 2 3 k v - 7 6 5 k v 光学电流互感器，组合式光学 3 浙江理t 大学硕士学位论文 电流互感器等。 由于电子式互感器以及其他智能设备种类繁多，因此i e c 颁布了 i e c 6 0 0 4 4 7 8 ，i e c 6 1 8 5 0 ，希望统一变电站内部的通信标准，i e c 6 1 8 5 0 是变电 站必然要逐步采用的统一标准妲。有源电子互感器整套系统做的比较成熟，已经 有符合传统变电站的接口，也有符合i e c 6 1 8 5 0 标准的接口。i e c 6 1 8 5 0 中为电子 式互感器的合并器定义了两种标准，i e c 6 1 8 5 0 9 1 以及i e c 6 1 8 5 0 9 2 。前者是一 个过渡型的标准。各大公司研制的电子互感器及合并器部分已经能够符合 i e c 6 18 5 0 9 1 的标准。目前也已经有采用i e c 6 18 5 0 9 - 2 的数字变电站投放试运 行，这是一种完全数字化的变电站，变电站的三层结构各采用一条总线，实现信 息共享。达到了小型化、智能化、一体化的目的。不仅节约了成本，提高了整体 性能，由于结构的简单，使得维护更加方便，但是由于网络负荷等硬件原因， i e c 6 1 8 5 0 9 2 目前全部实现难度较大，但它是将来的发展方向嘞儿矧。 在电子式互感器领域，国内起步较晚，一直到近几年，电子式互感器才逐步 走向产品化阶段。目前，清华大学、华中科技大学等高校以及研究院都有积极参 与研发新型电子式互感器。南自新宁公司已经有各个等级的电子互感器产品，并 且挂网运行。南瑞继保以及许继等也有相应的产品挂网。 南自新宁的o e t 7 0 0 系列光电互感器利用电磁感应原理的r o g o w s k i 线圈以 及串行感应分压器实现的混合式交流电流电压互感器乜4 1 。如图1 1 ，传感头部件 包括串行感应分压器、r o g o w s k i 线圈、采集器( 前级信号处理系统) 等。传感 头部件与电力设备的高压部分等电位，传变后的电压和电流模拟量由采集器就地 转换成数字信号。采集器与合并器间的数字信号传输及激光电源的能量传输全部 通过光纤来进行。 o e t 7 0 0 系列互感器绝缘结构非常简单，传感头部件在使用了分流器和 r o g o w s k i 线圈后，光电互感器可应用于直流系统，传感头部件中的采集器以及 互感器的其它部件不需另做设计。 为兼顾光电互感器能够与传统互感器混合应用，o e t 7 0 0 系列的合并器除了 可以接收并处理来自多个采集器的数字信号外，还可以接收并处理电磁式互感器 提供的电压、电流模拟量。合并器提供同步信号输入通道，可以接收变电站同步 信号以同步连接的各采集器；如果变电站同步信号丢失，合并器将告知二次设备 4 浙江理上人学硕+ 学位论文 采用插值法进行同步。当变电站无同步信号源或同步源丢失时，可以手动设定一 台合并器工作于| 司步信号输出，其余合并器接收。 并器还可以通过辅助c p u 和扩展输出输入接m i 直接提供保护、测量等 功能，同时通过光纤以a 网接口给监控、测量等装茕提供数据。合并器采用 1 e c 6 1 8 5 0 - 9 一l 的规约，而且能够通过u s b 进行信息配嚣。 幽11o e t 7 0 0 系统原理幽 产品外形如图12 。 幽1 2o e t t 0 0 产 外形幽 前引引引犁 浙江理工大学硕士学位论文 南瑞继保研发的p c s 9 2 5 0 系列电子式互感器是常规电磁式电流、电压互感 器的替代产品汹1 。p c s 9 2 5 0 系列电子式互感器包括1 0 k v 5 0 0 k v 不同电压等级 的独立型电子式电流电压互感器及g i s 用电子式电流电压互感器，电子式互感 器系统结构图如图1 3 所示。系列产品如表1 1 所示。 表1 1p c s - 9 2 5 0 电子式互感器系列产品列表 产品名称型号 g i s 用电子式电流互感器p c s 一9 2 5 0 一e ( 圯 g i s 用电子式电压互感器 p c s 一9 2 5 0 一e g v g i s 用电子式电流电压组合互感器 p c s 9 2 5 0 一e g i 独立型电子式电流互感器 p c s 一9 2 5 0 - e a c 独立型电子式电压互感器 p c s 一9 2 5 0 一e a v 独立型电子式电流电压组合互感 p c s 一9 2 5 0 一e a i 器 中低压电子式电流互感器 p c s - 9 2 5 0 一l a c 中低压电子式电压互感器 p c s 一9 2 5 0 一l a v 6 浙 l ：理l 。人学硕士学位论文 嘲l31 毛$ 9 2 5 0 互培器系统结构凹 p c s 2 2 1 系列合并单元是与电予式互感器配合使用的数据采集发送单元，井 具各计算及录波等功能。p c s 2 2 1 系列合并单元装黄的外观如附l4 所示。 幽14 髓一2 2 1 系列合并单j 外观酗 p c s 2 2 1 系列合计单元装置设计灵活通用，能够支持多个j 家和多种电子式 互感器接口，包括g i s u 了式互感器、光供电电子式互感器和常规c t 等；输出 通道数可以根据需要灵活上 加。并能适应2 2 0 k v 、5 0 0 k v 及以上等级变电站并种 浙江理工大学硕士学位论文 电子式互感器配置的需要。南瑞继保的合并器发送l 条线路a b c 三相测量和保 护电流、电压的数据。通用数据帧包括保护和测量两种数据并通过光纤发送。发 送协议遵循i e c 6 0 0 4 4 8 所定义的点对点串行数据接口标准。合并器还提供了两 个1 0 b a s e t l o o b a s e t x 以太网接口，采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 南瑞网络版规约与 变电站自动化系统相连。可以向变电站自动化系统提供装置的状态、报警和各个 远端模块的状态。但是它并没有提供i e c 6 1 8 5 0 的相应兼容模块。 北京许继电气、以及北京浩霆光电等公司也有相应的产品挂网以及成熟的二 次配套设备，它们采用的都是有源式电流互感器，有些设备的后级系统还是采用 老的标准，这对于新型数字化变电站的接口，还需要一个协议转换接口，不仅增 加了系统的不稳定因素，而且增加了成本，所以电子式互感器的i e c 6 1 8 5 0 数字 接口是必须要发展的阶段。而在无源电流互感器方面，国内还处于研发、测试阶 段，没有成熟的商业化产品，而且目前大部分都是采用全光纤型以及块状玻璃型 啮1 。对于直通型磁光晶体的电子式电流互感器，国内鲜有报道。 1 3 论文的主要工作 本次课题的来源是与上海舜宇海逸光电技术公司的项目合作，作者参与了产 品前期样机的研发设计，在项目中主要负责对第一版信号处理电路进行大量数据 测量、分析，进而设计符合传感头理论模型的改进性的电路，达到提升系统精度 等级的目的，并且设计基于i e c 6 1 8 5 0 的自动化数字输出接口，最后设计、编写 嵌入式协议栈以及实时操作系统等程序。 论文设计的传感器系统的主要结构是：前级采用a d u c 7 0 2 6 采样a d 信号， 电路软、硬件上协调实现差分双光路的自动增益均衡( 自适应控制) ，并且实现 采样频率软件控制等功能。后级合并器采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的d s p 芯片进行整合 多相信号，由于是样机设计，所以系统设计整合3 路3 相电流信号，并且系统具 备例如u s b 配置、显示等通用的功能。 由于本课题涉及光学、磁场学、强弱电、数字信号处理、嵌入式、计算机等 不同领域，范围较广，论文主要对作者所做的以下工作内容进行论述： l 、分析传感头的理论模型，通过对第一版电路的测试，以及大量实际测量数据 分析，提出电路存在的问题，并按照传感头的理论模型以及第一版电路存在 8 浙江理工大学硕士学位论文 的问题进行改进性的第二版电路硬、软件设计以及验证，使系统的精度从3 级达到0 2 级。 2 、研究变电站自动化系统i e c 6 1 8 5 0 标准的理论模型、内涵及其对电子式互感 器的要求，并且根据i e c 6 18 5 0 9 1 的标准，针对本系统的前级信号处理系统， 为直通型磁光晶体的双光路传感头设计符合数字变电站标准的接口合并 器。 3 、对微型操作系统i - l c o s 的实时性进行探索，并对源码进行修改、裁剪，移植 到合并器上。设计合并器的软件构架以及编写驱动程序。 论文的内容具有研究和实用价值。论文依据设计的前后关系，分为七章。 第一章：分析论文研究的背景意义，国内外现状，以及介绍论文主要工作。 第二章：研究i e c 6 1 8 5 0 理论模型、内涵，以及i e c 6 1 8 5 0 将会带来的变化。分 析i e c 6 1 8 5 0 中新型合并器的模型，并且简述如何依据标准和实际要求设计新型 合并器。 第三章：首先介绍论文所使用的上海舜宇海逸光电技术有限公司所提供的传感头 的基本原理，然后分析其理论模型，通过实际数据的测量对第一版电路进行分析 以及进行改进型的硬、软件设计，并且通过数据分析验证第二版电路的正确性。 第四章：论述合并器各个核心模块，以及与前级信号系统的接口是如何设计的。 这部分是一个通用性的设计，其方案可以为其他嵌入式系统提供参考。 第五章：论述系统是如何设计符合i e c 6 18 5 0 9 1 标准的合并器接口。这部分包 含以太网硬、软件设计，以及i e c 6 1 8 5 0 9 1 的应用场合，帧格式，和一些细节 处理。 第六章：论述了如何设计一个精简并且可扩展的高硬实时性的嵌入式操作系统。 它实质上是前后台系统嵌入一个经特殊裁剪的p c o s 操作系统，它的好处就是 高硬实时任务和一般实时任务分开，实时任务能够得到1 0 0 的不被其他任务影 响，得到最快响应。这部分的代码能够为t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 的应用提供实例代码， 并且为嵌入式实时操作系统的设计提供参考。 第七章：结论及展望，包含对本论文设计进行总结，提出不足之处，并且对数字 化变电站以及电子式互感器的未来发展方向进行思考。 9 浙江理t 大学硕士学位论文 第二章i e c 6 1 8 5 0 带来的变革 2 1i e c 6 1 8 5 0 与变电站自动化系统 2 1 1i e c 6 1 8 5 0 概述 随着光学技术和嵌入式技术的迅猛发展，变电站自动化系统中各种智能化设 备的出现，设备间的互操作性成了迫切需要解决的问题。建立一套统一的通信标 准，使得一个范围内的设备共享一条总线，不仅能够解决协议转换带来的资源开 销，也能解决以往线路重复使用而占用空间、物理资源等问题。并且，这也是工 业领域自动化高度集成的趋势。i e c 6 1 8 5 0 是国际电工委员会为变电站自动化系 统制定的标准，目的是解决不同厂家所制造的不同电子设备间的互操作性伽。只 有理解深入i e c 6 18 5 0 ，才能为电子式电流互感器设计合适的接口。 i e c 6 1 8 5 0 是一个庞大的系统，它不仅自身有着复杂的内容，而且吸收了各 领域的多种通用性标准，目的是实现不同制造厂商生产的智能电子设备( i e d ) 的互操作性。互操作性不仅降低设备互连的成本，更为系统的升级维护提供极大 便利，它是制造厂商和用户的共同要求。不耗费额外资源而能使不同物理设备进 行互操作必须包含两点。l 、直接兼容互通的物理通信接口。2 、能够相互识别并 进行相互操作的通信协议。对于前者，i e c 6 1 8 5 0 采用以太网规则通信，但是可 由用户自由选择通信媒体。而后者正是标准的目的和内容。 i e c 6 1 8 5 0 所提出的互操作性概念并不是以实际设备为基石，而是将功能视 为系统的最主要的元素，所有设备都可以按照功能进行分解。标准定义了逻辑节 点( l n ) 为功能的承载体，逻辑节点也是系统进行信息交换的最小单元。由两 个以上的逻辑节点所完成的功能称为分布式功能，在变电站自动化系统中，功能 一般都是分布式的。 为了更清晰的描述功能，区分各种不同的信息传输类型，优化系统的整体性 能，i e c 6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统( s a s ) 功能的分类分层分布的原则，将 整个系统从功能上划分为三层：站控层( 变电站层) ，间隔层，过程层。过程层 的典型设备为智能f o ，传感器，执行器等。站控层是变电站系统的核心，负责 对间隔层以及过程层设备的集中监控，并且提供与远方控制中心的接口。间隔层 主要是过程层一次设备的保护和控制装置的集合，它也可以看成是变电站主要功 l o 浙江理工大学硕士学位论文 能的集合。某些功能可能集成在过程层的智能电子设备上，但是这些功能是间隔 层的一部分，间隔层采集过程层设备的数据，提供变电站最主要的监控，保护功 能，并且与站控层进行通讯。间隔层可以划分为许多间隔单元，一般的做法是将 一些功能紧密联系的物理装置划分为一个间隔单元，例如可以将同一个母线段的 断路器，继电器以及给它们提供相应电流数据的电流传感器划分为一个间隔单 元。划分间隔单元的目的主要是考虑实际工程的应用以及其总线分布情况，因为 就目前的技术还不足以实现全站共享一条总线。标准并没有对实际工程应用时的 组网方式有所要求，其中只是给出了一些建议性的划分方法。 目前国内投放的符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站，大部分只是在站控层做了符 合i e c 6 1 8 5 0 的协议转换，极有少数的数字变电站的间隔层，过程层能达到 i e c 6 1 8 5 0 的标准，所以底层还是采取老的协议，因此协议转换必然带来资源的 浪费。而合并单元作为过程层互感器输出信号的中转站，无疑是变电站内重要保 护、测控功能实现的基础，若要间隔层，过程层达到m c 6 1 8 5 0 标准，首先必须 设计符合i e c 6 1 8 5 0 标准的合并单元。合并单元是i e c 6 0 0 4 4 7 8 中首次提出的针 对电子式互感器输的模型，但是在i e c 6 1 8 5 0 中，它与其他设备的通信方式已经 变的完全不同嘲 4 1 1 。要实现在i e c 6 1 8 5 0 下合并单元的功能，首先要对i e c 6 1 8 5 0 互操作概念有清晰的理解，然后才能按照标准中描述的功能构建新的合并单元。 2 1 2 设备内部逻辑分解 i e c 6 18 5 0 的各个部分逻辑层次性很强，例如i e c 6 18 5 0 7 1 介绍总体设备建 模及实现，i e c 6 1 8 5 0 7 2 为抽象通信服务接口( a c s i ) 等等，这使得标准更加 容易被理解和使用。图2 1 为i e c 6 1 8 5 0 总体概况，它表明了标准是如何实现互 操作性的，它的总体过程可以分为三步。 浙江理工人学硕士学位论文 与总线传输信息 图2 1i e c 6 1 8 5 0 通信概况 1 将一个实际物理设备的功能进行标准化的分解，分解为承载功能的逻辑 节点，并且以数据及数据属性实例化这些节点，这个过程可以称为物理设备的信 息建模。标准7 4 详细定义了百多个的逻辑节点，覆盖了变电站几乎所有的功能。 这些逻辑节点有特定的名称，例如p t