（电力电子与电力传动专业论文）基于iec+61850的数字化多功能电能表的研究.pdf

r e s e a r c ho nd i g i t a lm u l t i - f u n c t i o n a lp o w e rm e t e r b a s e do ni e c6 1 8 5 0 h ux i a o b o ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rk a n gz h o n g ii a n a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , d i g i t a l i z a t i o na n dn e t w o r k l i z a t i o nh a v eb e c o m eac u r r e n ti ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m s u n d e rt h ei e c 6 18 5 0s t a n d a r d d i g i t a ls u b s t a t i o nh a sb e e ne x t e n s i v e l yp o p u l a r i z e dw i t h i n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s i nc o n n e c t i o n w i t hp o w e rm e a s u r e m e n ts y s t e mi nd i g i t a l s u b s t a t i o n ，ad i g i t a l m u l t i f u n c t i o n a lp o w e rm e t e rb a s e do ni e c 618 5 0i s d e e p l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r b y a n a l y z i n gt h ep o w e rm e t e rl o c a t e di nt h es u b s t a t i o ni nt h eh i e r a r c h y , t h ed u a lb u sn e t w o r k t o p o l o g yw i t hp r o c e s sb u sa n ds u b s t a t i o nb u si se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt op a r t7 - 3a n dp a r t 7 - 4o ft h ei e c 618 5 0s t a n d a r d ，p o w e rm e t e ri n f o r m a t i o nm o d e li n c l u d d i n gd a t am o d e l i n ga n d c o m m u n i c a t i o ns e r v i c em o d e l i n gi sc a r r i e do n m e c h a n i s m so fa n a l o gv a l u es a m p l ee t h e r n e t f r a m ef o r m a ta n dt h em a p p i n ga c s it om m si ns u b s t a t i o nl e v e la r ea l s os t u d i e d t h ek e yt oi m p r o v em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fe n e r g yp a r a m e t e r si st h em e a s u r e m e n t a l g o r i t h m a ni m p r o v e ds p e c t r a ll e a k a g ec a n c e l l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r mi s u s e dt om e a s u r et h es y s t e mf r e q u e n c yw i t hah i g ha c c u r a c y f o rt h em e a s u r e m e n to ft h e h a r m o n i cv o l t a g es i g n a la n dc u r r e n ts i g n a l ，s c a l e dc o n j u g a t eg r a d i e n t t r a i n i n gm e t h o di s s u c c e s s f u l l yu s e di nl i n e a ra r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dm e a s u r e m e n tr e s u l ti se x c e l l e n t f o r t h er e a c t i v ep o w e rm e a s u r e m e n t ，t h ed e s i g n e di i rd i g i t a lf i l t e ri sa p p l i e dt oa p p r o x i m a t et h e - 9 0d e g r e ep h a s er e s p o n s eo fh i l b e r tt r a n s f o r m e r s i m u l t a n e o u s l y , t h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo f i i rf i l t e ri ss i m u l a t e db ym a t l a b ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ti i rf i l t e rc a nd oh i 曲一p r e c i s i o n r e a c t i v ep o w e rm e a s u r e m e n t t h ed e s i g no ft h ed i g i t a lp o w e rm e t e ri n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h e h a r d w a r eo ft h ep o w e rm e t e ri sc o m p o s e do fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ta n dt w ow a y so f f i b e r - o p t i ce t h e m e ti n t e r f a c ec i r c u i t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tw i t ht m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s pi su s e dt oc a l c u l a t i n gah u g en u m b e ro fe n e r g yp a r a m e t e r s t h ec o m m u n i c a t i o nt a s k b e t w e e nt h ep r o c e s sb u s a n dt h es u b s t a t i o nb u si sf u l f i l l e db yt w ow a y so ff i b e r - o p t i ce t h e m e t i n t e r f a c ec i r c u i t , a n de a c hw a yo ft h ec i r c u i ti n c l u d e so p t i c e l e c t r i cc o n v e n e r , e t h e r n e tm e d i a c o n v e r t e ra n de t h e m e tc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：i e c 618 5 0 ；p o w e rm e t e r ；f o u r i e rt r a n s f o r m ；n e u r a ln e t w o r k ；h i l b e r t t r a n s f o r i l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：办厶年月夕日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - i ( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：猢! i ：迅。 指导教师签名： 日期：z 4 o 年月歹日 日期：孤历年月多日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的来源及研究意义 第1 章前言 本课题为与北京许继电力光学技术有限公司的合作研究课题，研究一种基于 i e c 6 1 8 5 0 变电站通信标准的数字化电能表计量装置。该装置以d s p 为处理核心，完全 兼容i e c 6 1 8 5 0 通信体系，它既保证了电能表各参量的高精度测量，又实现了与数字化 变电站其它装置的无缝连接，且具有良好的互操作性。 随着我国电力工业发展的突飞猛进，电网的电压等级越来越高，电网的类型越来越 多样化。而这一系列的变化，都对电力系统中的在线测控装置和继电保护装置提出了更 高的要求。测量精度、自动化水平、保护测量的数据传输能力、抗干扰能力以及设备间 的互操作性和实时性等问题，都不得不成为重点考虑的问题。 变电站是输电体系中的一个重要环节，时刻跟上现代电力系统发展的步伐就非常必 要。近年来高速发展的数字化变电站系统是在计算机技术和网络通信技术基础上发展起 来的。它改变了传统二次设备的组态模式，用光纤以太网保护测控装置代替传统的模拟 量采样值输入的电气设备，很好地解决了上述存在的问题。 实现数字化变电站，关键是变电站中各种数字化装置的实现。基于i e c 6 1 8 5 0 的数 字化多功能电能表，作为间隔层的计量设备，是对i e c 6 1 8 5 0 数字化变电站标准体系与 数字化多功能电能表的有机结合。它兼具了两者各自的优势： ( 1 ) 电能参量信号处理数字化，使得电能表测量精度高、抗干扰能力强且故障率很 低。 ( 2 ) 可以实现多种电能参量的测量功能，可测量电网频率、基波谐波、功率因数、 有功电能、无功电能、谐波电能、视在功率等几十种参数。还能输出规范的l k w h 电能 脉冲，方便校验和进行远方自动抄表。 ( 3 ) 应用i e c 6 1 8 5 0 变电站通信体系，使得各厂商生产的变电站设备具有统一的通 信标准，彻底解决变电站设备间的互操作性问题。 ( 4 ) 变电站一次设备和二次设备完全数字化、网络化，大大提高数字化变电站的自 动化水平。 ( 5 ) 采用数字输入输出接口并用光纤以太网作为传输介质，使这些保护测量用信号 的数据传输带宽得到极大增强。 第l 章前言 基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化多功能电能表，从根本上解决了传统变电站存在的各种技 术瓶颈，是对数字化变电站中计量设备物理实现的最好诠释。随着数字化变电站通信技 术的全面推广，基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化多功能电能表必将得到全面的应用。 1 2 本课题的研究历史及现状 1 2 1 电能表发展的历史概况 电能表作为电能传输和消耗的计量装置，在工业的生产发展和人民的日常生活中都 起到了至关重要的作用。从1 8 9 0 年感应式电能表的发明到现在各种全电子式智能电表 的广泛应用，电能表已走过了一百多年的历史。电能表的发展经历了感应式电能表、脉 冲式电能表、模拟乘法器式电能表和数字化电能表等阶段。 感应式电能表利用交变电流周围的交变磁场在金属圆盘中产生的感应电流，进而产 生电磁转矩这一原理，达到电能计量的目的【。它具有生产工艺简单，成本低廉和可靠 性高等特点。经过不断的改进，即使历经百年，它仍作为主要的电能计量工具活跃于电 力工业中。不可否认，由内部电磁旋转元件老化这一先天性的缺陷决定了感应式电能表 的计量准确度不高。 脉冲式电能表从本质上讲它还是一种感应式电能表，与感应式电能表的不同之处在 于它多出一个产生l k w h 脉冲信号的元件机构。它是电能表由感应式到电子式过渡的一 种产品，但它对初期电力市场的发展与规范起到了积极的推动作用。 为了提高电能计量的精度，模拟乘法器式电能表用电子电路元件替代感应式电能表 的测量机构，根据电能是对电功率的积分这一原理计量电能。由于已经彻底摒弃了感应 式电能表内部的旋转元件，模拟乘法器式电能表的计量准确度得到了很大的提高。同样， 模拟乘法器式电能表也存在自身的缺点，这些类型的电能表内部都由各种各样的模拟器 件构成，电流电压信号的尖峰脉冲效应以及周围环境温度造成模拟器件的温漂效应等因 素，也会对这种电能表的计量准确度造成一定的影响2 1 。因此模拟乘法器式电能表的可 靠性因素也限制了它的发展。 随着我国电力市场的成熟和用电用户对电能质量需求的不断提高，感应式电能表和 模拟乘法器式电能表已经远不能满足当今工业社会发展的需要。“分时电价 能有效提 高电网供电的可靠性，对电网传输的负荷起到“削峰平谷”的效果；为保证一些精密仪 器和设备的正常运行，离不开对电网电压频率的高精度监测；半导体功率电子器件的大 量应用使得电网注入了大量的谐波，作为电网中的计量装置，电能表应有测量电压电流 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 信号的基波谐波以及有功功率和无功功率的功能。对于传统的电磁感应式电能表和模拟 乘法器式电能表都无法满足上述的需求，而数字化电能表是以微处理器芯片或专用的电 能计量芯片为核心，用数字信号处理单元取代传统的机械元件，具有高精度、高可靠性 和多功能等一系列优点，极大满足了电力系统高速发展的需求。 1 2 2 数字化电能表技术 毋庸置疑，现代电力工业市场对电能表提出的高要求，以及微电子和计算机技术的 进步对电能表的发展起到了推波助澜的作用，也给数字化电能表的全面应用提供了良好 的土壤。现阶段，我国数字化电能表从计量结构原理上分大体有两类：基于单片机( m c u ) 或数字信号处理器( d s p ) 的数字化电能表和基于专用电能计量芯片的数字化电能表。 ( 1 ) 基于m c u d s p 的数字化电能表 基于m c u d s p 的数字化电能表的典型结构如图1 1 所示。这类电能表首先对现场 的大电压和大电流信号进行调理整形和模数转换，然后将采样得到的数据送入 m c u d s p ，利用其内部的电能参量程序算法计算得出各电能参量。 i i 电流i感器r信 单片机 枷 d s p 号 - 调 转换 ( 计算 l 电压互感器l 理 处理) 电能参量 图1 - 1 基于m c u d s p 的数字化电能表的原理图 f i g l - 1s c h e m a t i co fd i g i t a lp o w e rm e t e rb a s e do nm c u d s p 这类数字化电能表在硬件的具体实现时具有很大的灵活性，可以根据需要添加l e d 和l c d 等显示电路模块；添加r s 2 3 2 、r s 4 8 5 和c a n 总线等通信电路模块，从而轻松 实现电能计量数据的就地显示和远方集中抄表的功能，同时还能方便地在服务器端进行 在线的数据分析。 在基于m c u 的数字化电能表中，m c u 是整个电能表装置的处理核心。现在市面 上应用较为广泛的m c u 主要有：基于i n t e l 公司c 5 1 内核的5 1 系列单片机，如a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 5 2 ；t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机，如m s p 4 3 0 f 1 4 9 ；m o t o r o l a 公司 的飞思卡尔单片机，如6 8 h c 9 0 8 。它们大都是8 1 6 位的寄存器，时钟频率从几兆到几 十兆不等，这些硬件的技术指标注定了它不适用于大型复杂的程序算法运算。因此，基 于单片机的数字化电能表在非谐波环境下计算电压电流时多采用均方根算法；在谐波环 3 第i 章前言 境下时多采用离散傅里叶变换算法( d f t ) 计算特定次的谐波；在计算电压频率参数时， 多用时间窗脉冲计数的方法。 在基于d s p 的数字化电能表中，d s p 是整个电能表装置的处理核心。现阶段世界 上生产d s p 芯片的厂商主要有：t i 、a d 、m o t o r o l a 和a t m e l 等。其中又以t i 公司生 产的d s p 芯片影响力最大，产品最为成熟，它占到了市场份额的5 0 以上，例如 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列【3 1 。它与m c u 本质的区 别就在于运算的速度上和对信号处理专有指令的优化上。与m c u 相比，d s p 芯片大都 是3 2 位的寄存器，有着高达上百兆甚至上g 的时钟频率。更为关键的是，它拥有异常 丰富的信号处理优化指令集，对于像f f t 中的位倒序运算以及数字滤波器中的离散卷积 运算，d s p 能够提供“指令级”的运算速度。将运算量很大的电能计量程序算法应用于 d s p 芯片，在保证电能参量计量精度的基础上，运算结果的实时性也不打折扣。 这类数字化电能表计量误差主要来源于a d 转换器的位数和电能参量计量算法。由 于对信号进行了数字化的处理，这类电能表较传统的电磁感应式电能表而言仍具有很高 的测量精度和稳定的误差等级。 ( 2 ) 基于专用电能计量芯片的数字化电能表 基于专用电能计量芯片的数字化电能表的典型结构如图1 2 所示。这类电能表以电 能计量芯片为数据处理核心，直接用硬件得到有功电能和无功电能等电能参量【4 j 。它只 是基于微处理器的电能表的一种变形，把a d 转换器移入了电能芯片的片内，内部数据 处理模块用了针对电能计量优化的d s p 。不同之处在于这类电能表还需要一片微控制 器，用于控制读取电能计量芯片寄存器中的数据和对数据进行上传。 微控制 s p ! 5 p l 器 电絮感卜 信 二a 型 专用 +通信- ( 读取 器 7 号 a ，d1 卜 d s p 接口 电警感卜 调 + 理 转换器 数据) 器i 哇王劁 计量芯，片 电能参量 图1 2 基于专用电能计量芯片的数字化电能表的原理图 f i g l 一2 s c h e m a t i co fd i g i t a lp o w e rm e t e rb a s e do nd e d i c a t e dp o w e rm e t e r i n gc h i p 电能计量芯片是一种高度集成的片上系统芯片( s o c ) ，它集成了1 6 2 0 位高精度的 型a d 转换器、电能计量专用d s p 模块、电能频率转换器以及s p i 通信接口模块 等。典型的产品有a d i 公司的a d e 7 7 5 8 ，珠海炬力公司的a t t 7 0 2 2 a b ，s a m e s 公司 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 的s a 9 9 0 4 a 等，它们都具有信号有效值测量、有功计量、无功计量和频率测量等功能 1 5 1 1 6 1 o 由于电能计量芯片片内集成专用d s p 以及高精度的a d 转换器，使得这种基于专 用电能计量芯片的电能表具有很强的抗干扰能力和比较好的测量精度。这类电能表的多 功能化依赖于电能计量芯片的多功能化，要想实现更多、更复杂的计量功能，就必须使 用更高一级的电能计量芯片，这无形中提高了电能表研制的成本，同时又降低了电能表 电能参量计量的灵活性。 1 2 3 电能参量计量算法的研究应用现状 数字化电能表的硬件是随着微电子芯片制造技术逐步发展的，但是它的基本构成框 架是相对稳定的，仍然脱离不了a d 采样后进行数据处理这种模式。数字化电能表研究 与研制的重点和难点在于实现电能表的高精度，更进一步讲就是如何从电能参量计量算 法上革新来实现电能表的高精度测量。 从电能计量的角度看，电能参量包含：电网频率、电压电流基波有效值、电压电流 谐波有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、基波电能、谐波电能等众多 参数。电压电流基波谐波有效值以及功率因数的计算可以用傅里叶级数理论统一起来； 有功功率、无功功率和基波谐波电能可以用功率测量理论统一。所以从电能参量的实现 算法角度看，可以分为三大类：测频算法，谐波分析测量算法和功率测量算法。 ( 1 ) 测频算法 目前已有多种方法应用于电力系统频率的测量，主要有：过零点检测法 7 1 、基于傅 里叶变换理论的算法、最小二乘法、数字滤波法等。过零点检测法检测正弦信号的两个 相邻的过零点，进而算出电网电压频率，它其实是一种测周期的方法。这种方法的缺点 是检测的精度不高，同时还需要硬件锁相环的支持。基于傅里叶变换理论的算法是目前 应用最为广泛的测频算法，各种改进的算法之间都是以傅里叶变换理论为基础的。文献 8 提出了利用傅罩叶变换算出相邻数据窗间的相位差，根据它计算出系统的频率【8 1 。基 于傅里叶算法测频的另一类方法是加窗插值f f t 法，对采样数据叠加各种各样的窗函数 来减少频谱泄漏，提高测量的精度。文献9 中，作者将r i f e v i c e n t 窗应用到加窗插值理 论_ k t 9 。数字滤波法原理简单，它借助f i r 或i i r 数字滤波器将信号中的高次谐波滤除， 再结合如过零比较法等方法计算系统频率。 ( 2 ) 谐波分析测量算法 5 第l 章前言 现代电力系统中，高压直流输电( h d v c ) 中的换流站，无功补偿中的静止无功补 偿器( s v c ) 、静止无功发生器( s v g ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、可控串联补偿器( t c s c ) ， 以及各种交流变频调速装置已大量投入使用【1 0 1 。它们内部含有大量的电力电子设备，是 一系列巨大的谐波产生装置，谐波分析测量已成为电能计量中的一个重要组成部分。 电力系统谐波分析测量算法主要有：基于d f t 变换的谐波分析法、基于子空间分 解的m u s i c 法【1 1 1 、基于自回归一滑动模型( a r m a ) 的p r o n y 方法【12 1 、人工神经网络法 ( a n n ) 和小波变换法等。在谐波分析测量算法中，基于d f t 的谐波分析法在电能表 的工程应用中同样是最受青睐的，这种方法大体有两类：基于加窗插值f f t 的频谱校正 方法和修正采样频率法。它们都是围绕如何减少采样不同步造成的频谱泄漏，进而提高 基波谐波测量精度展开的。加窗插值f f t 的频谱校正方法根据校正方法的不同又可细分 为四种【1 3 j ：能量重心校正法、比值校正法、频谱细化法和相位差校正法。修正采样频率 法从一定程度上减小了频谱泄漏，但根本上无法完全消除。m u s i c 法和p r o n y 法不仅 可以高精度地测量谐波，也可以测量间谐波，但计算涉及复杂的数字公式，运算量很大， 实时性不高。将a n n 法和小波变换法应用到谐波分析测量中是近些年才兴起的，却已 经取得了重大的发展，具有良好的应用前景。 ( 3 ) 功率测量算法 功率测量主要分为有功功率测量和无功功率测量。对于有功功率的测量，目前大体 有两种计算方法：利用有功功率的定义，即电压、电流有效值以及功率因数角余弦的乘 积计算；另一种是利用瞬时功率在时间上的累积计算。相比第一种方法，第二种方法只 需知道电压电流的模拟量采样值即可，计算简单方便，得到了广泛的应用。无功功率测 量算法有四大类：直接公式法、基于f f t 的无功功率测量和基于数字移植法。直接公式 法套用无功功率的原始定义直接计算，而公式定义本身就是以标准正弦为前提的，因此 在谐波环境下该方法有很大的测量误差。基于f f t 的方法是直接公式法的一种变形，对 信号进行f f t 变换，再利用无功定义计算。数字移相法构造一种变换，对电压进行9 0 度移相，然后按照计算有功功率的步骤得出无功功率。以基于h i l b e r t 移相器的测量方 法最为成熟，获得了良好的精度。 1 2 4 基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化多功能电能表技术 i e c 6 1 8 5 0 标准是全世界唯一的变电站网络标准，它的出现从根本上解决了变电站 设备间通信速度慢，可靠性低和接1 3 通用性差等一系列诟病，它为数字化变电站的实施 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 提供了理论依据。基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化多功能电能表是一种特殊的数字化电能表， 它将自身的通信接口规范于数字化变电站通信协议( i e c 6 1 8 5 0 ) 这个框架之下，使之具 有数字化变电站中智能设备的一切特性。 i e c 6 1 8 5 0 从通信协议上采用了标准的o s i 网络参考模型，在物理层和链路层上构 建于标准的高速以太网通信网络，并在此基础上严格遵循i e c 6 1 8 5 0 自身定义的顶层协 议。在i e c 6 1 8 5 0 体系下的数字化变电站中，电子式电流互感器( e c t ) 与电子式电压 互感器( e v t ) 的概念被提出来，它们同样被i e c 6 1 8 5 0 规范为智能设备，是变电站系 统中的重要组成部分。 由于e c t 与e v t 的使用，与传统的数字化电能表相比，基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化 电能表的结构组成发生了根本性的变化。基于i e c 6 1 8 5 0 数字化电能表的典型结构如图 1 3 所示。 i e c 6 1 8 5 0 模拟量采样值 以太网数据包 光电以太网 d s p + ( 计算 转换器控制器 处理) 电能参量 图l - 3 基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表的原理图 f i g l - 3 s c h e m a t i co fd i g i t a lp o w e rm e t e rb a s e do ni e c 6 1 8 5 0 由图可知，基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表接收到的不再是模拟信号，而是内含模 拟量采样值的以太网数据包。由互感器，信号调理电路以及a d 转换电路组成的预处理 电路集成到e c t 和e v t 中，电能表“专注 于信号的处理。电能表接口采用i e c 6 1 8 5 0 规定的光纤数字接口，先要对数字光学信号进行光电转换，以太网控制器对数据包进行 简单的解包处理后，就交给微处理器集中进行电能参量的计算。由于以太网数据包解析 任务和多种电能参量的计算任务都由微处理器处理，数据的计算量很大，微处理器选用 了具有高速运算能力的d s p 作为处理核心。基于i e c 6 1 8 5 0 数字化电能表可以应用到任 意一个数字化变电站中，而不会产生任何兼容性问题。 1 3 本课题的主要工作 本课题研究的基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化多功能电能表，为数字化变电站的计量装备 提供了一个良好的解决方案。除了拥有兼容i e c 6 1 8 5 0 标准的接口，满足数字化变电站 智能设备间的互操作性，基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表还具备多功能，高精度的特点。 本课题的工作具体展开有以下几个部分： 7 第1 章前言 ( 1 ) 全面理解i e c 6 1 8 5 0 标准的整体框架，明确数字化变电站的层次结构和基于 i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表在其中所处的层次位置，制定相应的通信网络解决方案。 ( 2 ) 深入剖析i e c 6 1 8 5 0 标准的第7 部分，根据其中己定义好的模型和抽象服务， 建立基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表的信息模型和通信服务模型，并详细分析了a c s i 服务的映射方法。 ( 3 ) 深入研究基于d s p 的数字化多功能电能表的典型电路和以太网通信方法，设 计其硬件电路。 ( 4 ) 设计i e c 6 1 8 5 0p a r t 9 1 以太网数据包的解包程序；研究基于频谱对消的改进测 频算法，编写对应的频率测量程序，用常用的测频算法对比其精度；研究将基于尺度共 轭梯度法的线性神经网络法应用于谐波分析测量中，编写对应的谐波测量程序并验证其 精度；设计一种椭圆i i r 滤波器，用i i r 滤波器的频率响应逼近h i l b e r t 变换器的频率响 应，进而得到基于i i r 数字滤波器的无功功率测量算法，并用m a t l a b 仿真滤波器的频率 特性，并验证其测量精度。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章基于i e c 6 18 5 0 数字化电能表的对象模型与通信服务映射 2 1 i e c 6 18 5 0 标准体系分析 2 1 1i e c 6 1 8 5 0 标准简介 在总结了 i j c a 2 0 和i e c 6 0 8 7 0 5 通信协议的实际运行经验基础上，国际电工委员 会t c 5 7 于2 0 0 3 年颁布了正式的变电站自动化系统标准i e c 6 1 8 5 0 【l4 1 。它的完整名 称是变电站通信网络和系统，它是基于以太网络通信平台的国际标准，i e c 6 1 8 5 0 的出 现，也同时为变电站自动化系统指明了今后的发展方向：将i e c 6 1 8 5 0 构建于现代高速 以太网通信技术体系之上，对变电站中的一切电气设备进行功能分层和模型抽象，应用 面向对象的自我描述技术，完全彻底地实现设备间的互操作。 i e c 6 1 8 5 0 通信标准由l o 个部分组成【1 5 】，如图2 1 所示。 p a r t1 二二二二 鳓 二二二二 p a r t 2 p a r t3 二二二卫垩歪二二二二 p a r t4 二二二二塑塑堕亘重垂二二二 p a r t 5 p a r t6 蔓垂重里壅塑! 至里丝望笪堡童困 p a r t 7 变电站和馈线设备的基本结构 特殊通信服务映射( s c s m ) p a r t8 匝巫亟垫蜜亘蕈鲴 p a r t 9 ， 霎盟匹 p a r tlo 二二二垂匦 二 图2 - 1i e c 6 1 8 5 0 标准组成 f i 9 2 - 1c o m p o n e n t so fi e c 6 1 8 5 0 i e c 6 1 8 5 0 的第一部分说明了标准制定的基本原则以及标准中涉及的基本概念。第 二部分定义了本标准范围内变电站自动化系统所用到的术语，例如变电站层、间隔层、 逻辑设备、逻辑节点和数据对象等概念。第三部分和第五部分分别对变电站通信网络建 设中应达到的质量要求、工程要求和通信要求进行了规范。 9 第2 章基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表的对象模型与通信服务映射 第六部分规定了变电站中智能电子设备( i e d ) 的配置描述语言( s c l ) 1 1 6 ，使用 s c l 能更方便地配置l e d 设备和网络通信系统，能约束i e d 的功能结构和l e d 之间的 相互关系，使得不同厂商生产的i e d 设备能够对s c l 中的数据以兼容的方式进行交互。 第七部分又分为四个小部分【17 】：p a r t7 1 介绍了l e d 间信息交换的基本原理、l e d 的信息模型和通信服务模型；p a r t7 - 2 详细描述了变电站中i e d 设备的抽象服务接口 ( a c s i ) ，通过p a r t7 1 中定义的服务模型，对i e d 中信息模型进行操作，完成特定的 通信功能，a c s i 在这个过程中扮演了接口的角色；p a r t7 3 和p a r t7 - 4 分别对i e d 信息模 型中用到的公共数据类( c d c ) 、逻辑节点类( l n c ) 等进行了具体的建模，它们都是 对i e d 信息模型的进一步细化。第七部分中a c s i 的定义，揭示了l e d 设备通信服务与 特定的通信协议栈之间独立的本质。 第八部分与第九部分为特定通信服务映射( s c s m ) ，规定了从l e d 的特定通信服 务到具体通信协议栈的映射方法。第八部分定义特定通信服务映射到协议栈的应用层一 一制造报文规范( m m s ) 。第九部分是为p a r t7 - 2 中的采样值通信服务专门定义的，目 的是为了提高采样值传输的实时性；p a r t9 1 直接将采样值通信传输服务映射到串行通 信链路上，网络层和传输层等中间层均为空；p a r t9 - 2 是对p a r t9 1 的扩充，它将采样值 服务映射到i s o i e c8 8 0 2 3 的采样值。 第十部分规定了变电站自动化系统中l e d 设备一致性测试的方法【1 8 】，主要包括l e d 系统硬件的配置测试、系统软件的配置测试、时间同步测试以及通信延迟等内容。一致 性测试是i e c 6 1 8 5 0 标准的重要组成部分，实现了l e d 的一致性测试，才真正达到了设 备间互操作性的要求。 。 2 1 2i e c 6 1 8 5 0 标准的主要技术特点 i e c 6 1 8 5 0 标准的提出极大地推动了数字化变电站技术的实际应用，而数字化变电 站技术的推广又潜移默化地领导着变电站自动化系统更深层次的革命，从某种程度上 说，i e c 6 1 8 5 0 标准为s c a d a 系统树立了一个很好的范本，是未来s c a d a 系统发展的 风向标。 经过i e c 6 1 8 5 0 标准的规范下，变电站自动化系统中的电气设备已不是通过固定、 呆板的串行通信规约比特流进行数据的上传和下载，已不再有上位机和下位机的概念， 甚至不再是变电站通信信息交互的实体。电气设备按照功能进行分层，功能模块被虚拟 成多个功能节点，将它们作为信息交换的实体进行数据交互，完成传统继电保护测控装 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 置的保护、测量和控制功能。采用面向对象的技术，可以把变电站中一切的通信事件统 一为对象的程度化操作，最大程度地方便了变电站自动化系统的配置、维护与扩展。 i e c 6 1 8 5 0 这些不同与传统通信规约的特征，总体上可以概括为以下几个突出的技术特 占 、 ( 1 ) 功能分层的l e d 和变电站自动化系统 在电力系统中，可将电气设备分为一次设备和二次设备【1 9 】。一次设备一般指有电能 流过的电气设备，如发电机、变压器、互感器、输电线路、断路器和电动机等。二次设 备指对一次设备进行状态监测、数据测量和控制保护的电气设备，如电能计量表、三相 重合闸、输电线路电流保护和变压器气体保护等。在基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化变电站中， 变电站自动化设备从逻辑上被分为三层：变电站层、间隔层和过程层，如图2 2 所示。 变电站层 间隔层 过程层 远方控制中心技术服务 l 功能a | j 功能bh 功能c 夕 远方保太远? 护 j 髓h 计量 i 保护h 控制i h i 控制h 保护l ?： l 过程接口l l 传感器l l 执仃兀件 i 过程接1 2 1 上6 上压设备上j 一 图2 - 2 变电站自动化系统分层结构 f i 9 2 - 2 s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mh i e r a r c h y 图2 2 中，过程层直接与一次高压设备互感器以及断路器等进行数据交换，间隔层 仍由保护、控制和测量设备这些二次设备构成，过程层处于一次设备和二次设备之间。 实际上，过程层接口与电流互感器功能模块组合就构成了e c t ；过程层接口与电压互感 器功能模块组合就构成了e v t ；电流互感器功能模块、断路器等一次设备再加上传感器 和断路器的执行元件就构成了智能断路器。过程层是对e c t 、e v t 和智能断路器等智 能电子设备的功能抽象，完成电气量实时测量，继电保护中开关刀闸设备的操作等功能。 间隔层大体上仍由传统的保护间隔、控制间隔和测量间隔等设备组成，但在具体细 节上有很大不同。间隔层中的智能电气设备是对保护、控制和测量功能的抽象，间隔层 中的一个智能电子设备不一定对应现实中的一个电气设备实体，它可以由不同电气设备 实体中的功能模块组成，来共同完成间隔层i e d 的功能。同时，数字化变电站中间隔层 第2 章基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表的对象模型与通信服务映射 设备的硬件功能模块较传统的间隔设备有了很大的变化，一些较为底层的功能已经下放 到了过程层中去【2 0 】。例如传统测控设备中的模拟量采集电路已经集成到e c t 和e v t 中； 传统断路器开断的逻辑判断电路以及执行机构也下放到过程层的智能断路器中。 变电站层是整个数字化变电站自动化系统的中枢，它由中心处理服务器，数据服务 器人机接口等组成，利用高速的光纤以太网对间隔层智能设备上传的各种数据进行汇 总，对这些数据进行分析，最后调度命令以通信服务的方式下放间隔层和过程层，完成 设备的在线诊断、改变设备的运行状态等功能。 ( 2 ) 采用抽象通信服务接口a c s i 通过长期对变电站中电气设备通信的生产实践，i e c 6 1 8 5 0 在p a r t7 - 2 部分定义了电 气设备通信所需要的各类通信服务。它独立于现有网络通信协议，跟p a r t8 1 中已定义 的应用层( a c s i 映射到m m s ) 甚至是网络参考模型无关。它根据不同的数据通信服务 制定了不同的通信服务模型【2 1 1 ，如图2 3 所示。 网 络 参 考 模 型 通信服务接口 特定通信服务映射 一映射接口 第7 层 第1 - 6 层 图2 - 3a c s i 通过s c s m 映射到通信协议栈 f i 9 2 3a c s im a p p e dt ot h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c kt h r o u g ht h es c s m 不同的通信服务对应不同的s c s m ，例如继电保护装置的动作判别以及电能计量等 需要模拟量采样值作为数据输入，而这些功能的实现有着高实时性的要求，i e c 6 1 8 5 0 就将采样值传输服务通过p a r t9 1 2 定义的s c s m 直接映射到简化的协议栈上；针对文 件传输服务和日志服务等实时性要求不高的通信服务则可以通过p a r t8 1 定义的s c s m 映射到具有完备网络参考模型的m m s + t c p i p 协议栈上。 应用a c s i ，实现了通信服务与具体协议栈的分离，为以后变电站电气设备的扩展 和通信服务的扩展提供了极为便捷的方式。 ( 3 ) 面向对象的数据对象建模和完备的自我描述 i e c 6 1 8 5 0 面向对象的数据建模技术是对a c s i 技术的有力支持，通信服务的抽象要 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 有数据模型的抽象作支撑。在i e c 6 1 8 5 0 定义的客户机服务器( c l i e n t s e r v e r ) 数据结构 中，智能电子设备被定义成服务器，内部由一个或多个逻辑设备组成，每个逻辑设备又 按照功能划分成多个逻辑节点，逻辑节点是整个i e d 的功能模块的最小实体。逻辑节点 又由各种数据对象组成，数据对象则是由从公共数据类继承而来的数据属性实体构成， 如图2 - 4 所示1 2 2 。 图2 - 4l e d 服务器数据分层结构 f i 9 2 - 4 i e ds e r v e rd a t ah i e r a r c h y 这种数据模型的分层结构形成了自上而下的从属关系和自下而上的数据汇总关系。 i e d 之间的数据交换只需按照数据模型分层逐级检索，不存在一对多或多对一的错误引 用结果。即使到了最底层的数据属性，也都有自身完备的数据类型描述，在数据传输完 成的同时，也完成了数据流内部信息的自我解释。 2 2 基于i e c 6 1 8 5 0 的数字化电能表的网络拓扑分析 2 2 1 数字化变电站自动化系统的网络拓扑 由2 1 2 节可知，i e c 6 1 8 5 0 规范的数字化变电站在功能上划分为变电站层、间隔层 和过程层三个层次，层与层之间的i e d 通过构建的高速光纤以太网络相连，但这并不意 味着它们一定也从属于不同的网络。目前，基于i e c 6 1 8 5 0 变电站自动化系统的组网方 案有两种：具有过程总线和变电站总线的双总线网络拓扑，具有统一总线的网络拓扑。 ( 1 ) 双总线( 过程层总线和变电站总线) 网络拓扑