（电机与电器专业论文）基于sopc的电子式互感器系统设计.pdf

基于s o p c 的电子式互感器系统设计 t h ed e s i g no fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rs y s t e mb a s e do ns o p c a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gd e m a n do ft h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ti np o w e rs y s t e m ，p r o m o t e st h e d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e rt e c h n o l o g y e l e c t r i c a le q u i p m e n ts h o u l dm e e tc e r t a i nn e w r e q u i r e m e n t sa sar e s u l to ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y , u l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s m a r t 鲥dt e c h n o l o g ya n dd i g i t a l s u b s t a t i o nt e c h n o l o g y a sak i n do fm o s ti m p o r t a n th i g h - v o l t a g ee q u i p m e n t si np o w e rs y s t e m , p o w e rt r a n s f o r m e ri sa p p l i e di nr e l a yp r o t e c t i o n , s y s t e mm e t e r i n ga n da n a l y s i so fp o w e r s y s t e m i th a sac l o s er e l a t i o n 、加t l lt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m t r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e rh a se x p o s e das e r i e so fs h o r t c o m i n g ss u c ha sh i 曲i n s u l a t i o n r e q u i r e m e n t , m a g n e t i cs a t u r a t i o n , f e r r o r e s o n a n c c ，s m a l ld y n a m i cr a n g e ，n a r r o ww a v eb a n d ， e t c t h e s es h o r t c o m i n g sp r e d e s t i n e dt h a tt h et r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e rw i l lb e r e p l a c e db yo t h e rt y p e st r a n s f o r m e rw i t hn e wt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，c o n s i d e r a b l e i n t e r e s th a sb e e np a i dt ot h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r sw h i c hb a s e do nt h em o d e m c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r en e wt e c h n o l o g i e sa r ec o n s t a n t l yb e i n gi n t r o d u c e dt o e l e c t r o n i ct r a n s f o r n l e rw i t ht h ea i mo fi m p r o v i n gr e l i a b i l i t y , r e d u c i n gt o t a ll i f ec y c l ec o s t s i no r d e rt or e a l i z es e a t n e s sc o n n e c t i o na n di n t e r a c t i v eo p e r a t i o ni nt h ei n t e g r a t i o no f s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，i e ch a sm a d et h es t a n d a r ds y s t e mi e c6 18 5 0 ，t h es t a n d a r do f c o m m u n i c a t i o nn c t w o k sa n ds y s t e mi ns u b s t a t i o n c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na l lo ft h e e l e c t r i c a le q u i p m e n t si n c l u d i n gp o w e rt r a n s f o r m e r ss h o u l do b e yt h ei e c618 5 0s t a n d a r d t h et e c h n o l o g yo fs o p cc a ni n t e g r a t ep r o c e s s o r ，m e m o r y , p e r i p h e r a li n t e r f a c ea n d m u l t i - l e v e ls y s t e md e s i g nm o d u l e si n t oas i n g l ec h i p 。b e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t y , e f f i c i e n c ya n d r e u s a b l eo fd e s i g n , s o p ct e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s f o r m e ra th o m ea n da b r o a di s d e s c r i b e d , a n dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rw h i c hb a s e do ni e c 6 18 5 0s t a n d a r di sa n a l y s e d u n d e rt h i sb a s i s ，a ne l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rs y s t e md e s i g ns c h e m e w h i c hb a s e do ns i n g l e - c h i ps o p ct e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ，t h e nt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d o ne l e c t r o n i cc i r c u i t - l e v e li sd e s c r i b e d an e wm e t h o do ff i b e rc o m m u n i c a t i o nw h i c hb a s e d o ns y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm eh i g hv o l t a g ea n dt h el o wv o l t a g ec o m e su p b yu s i n gt i m e - s h a r i n gt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo nu p f i b e r , t h es y s t e mt r a n s m i t ss y n c h r o n o u s s a m p l i n gs i g n a la n dd a t at r a n s m i s s i o nc o n t r o ls i g n a l a n di t r e a l i z e st h es y n c h r o n o u s s a m p l i n ga n ds y n c h r o n o u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o nv i at h ec o m b i n a t i o no fas e r i e so f 大连理工大学硕士学位论文 w i d e - n a r r o wp u l s e s t i l i sm e t h o dr e d u c e st h ec o m m u n i c a t i o ne r r o rr a t ea n di m p r o v e st h e r e l i a b i l i t yo ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h es y n c h r o n i z a t i o no ft h ee l e c t r o n i ct r a n s f o r i f l e r m e r g i n gu n i ti sr e a l i z e db yu s i n gg p sp p s a n dt h ed i g i t a li n t e r f a c eb a s e do ni e c618 5 0 - 9 一l i sr e a l i z e db yu s i n ge m b e d d e de t h e r n e tt e c h n o l o g y t h e nm a t h e m a t i cm o d e l sa r eb u i l ta n d c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e h a r d w a r ea r ed e s i g n e db ya d o p t i n gt h et h o u g h to fm o d u l a r i z a t i o n 。 f i n a l l yt h r o u g ht h et e s ti nd e s i g n e dc i r c u m s t a n c e ，t h ed i s s e r t a t i o np r o v e st h a tt h em o d e l s c a p a b i l i t ym e e t t st h er o q u i r e r n e n t sa n dh a sh i g hr e l i a b i l i 何 k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c s t r a n s f o r m e r ；i e c6 18 5 0 ：s o p c ：d i g i t a li n t e r f a c e ；n i o si i s o f t - c o r e ：f i b e rc o m m u n i c a t i o n p r o j e c ts u p p o r t e db y l i a o n l n gp r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 2 0 0 7 2 1 8 2 ) 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：墓i 查监鱼壹鱼鱼逋至叠墨叁金之遮过 作者签名： 毯亟盎日期：攀年上月二生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：三里望年上月二三鱼日 日期：型年上月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电力工业为工业和国民经济其他部门提供基本动力，是我国经济建设的基础工业， 在国民经济中占有举足轻重的地位。近年来，随着国家经济建设的迅速发展，对电的需 求日益扩大。随着电力生产、电力传输系统容量的增加，电网运行电压的等级也越来越 高，远距离、大容量输电线路和互联电网的发展使得高压和超高压变电站在规模和容量 方面日益增加，电网的大发展同时也给电力系统的安全稳定运行带来了新的问题，传统 的综合自动化技术已逐渐不能满足电网的发展需要，建造数字化变电站已成为变电站自 动化技术的发展趋势【1 4 1 。 数字化变电站要求互感器具有数字量的输出信号，而传统的电磁式互感器己难以满 足电力系统进一步发展的需要，并暴露出一系列严重的缺点：如绝缘要求高、磁饱和、 铁磁谐振、动态范围小、频带窄等i s 用。因此，寻求更理想的新型互感器已势在必行。 近4 0 年来，许多国家已利用光学传感技术、电子学技术、光通信技术等大力发展电子 式互感器的研发和制造1 1 , 2 1 。 1 2 数字化变电站 数字化变电站指信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化的变电站，其基本特 征为设备智能化、通信网络化、运行管理自动化等。 数字化变电站具有以下几个主要特征f 8 1 0 1 ： 一次设备数字化和智能化：具有数字接口的电子式或光电式互感器替代了变电站内 传统的电磁式互感器；采用具有数字通信功能的智能断路器、变压器等设备，或者在这 些一次设备加装智能终端实现信号的数字式转换与状态监测，达到一次设备数字化和智 能化的要求。 二次设备数字化和网络化：数字化变电站的二次设备除了具有一般数字式设备的特 点外，还具备对外光纤网络通信接口，与传统变电站信息传输以电缆为媒介不同，数字 化变电站二次信号传输是基于光纤以太网实现的。 运行管理系统自动化：在现有综自系统已经具备较大程度的自动化特征的基础上， 数字化变电站全站通信网络和系统实现均采用i e c6 1 8 5 0 标准，数字化变电站在站内设 备的互操作性、信号的光纤传输、网络通信平台的信息共享等方面进一步体现了运行管 理自动化的特点。 基于s o p c 的电子式互感器系统设计 综上所述，基于光电技术的互感器应用构成了变电站电气量信息采集的数字化应 用；i e c6 1 8 5 0 标准的颁布实施为变电站实现信息的统一建模奠定了基础；以太网技术 的发展为变电站内实现基于网络方式的信息交换提供了技术支持；智能断路器技术的发 展使变电站自动化技术实现了二次设备向一次设备的应用延伸【s 】。 现在我国已基本普及变电站自动化系统。常规意义的变电站自动化系统的监控、远 动、继电保护、自动安全装置等二次设备已经基本采用数字技术。在现有基础上，应用 智能化开关、电子式互感器、一次设备在线检测等设备，应用通信协议逐渐向i e c6 18 5 0 靠拢，将现有变电站发展为全数字化变电站。 1 3电子式互感器发展与研究现状 1 3 1 电子式互感器的定义及特点 鉴于光电互感器以及其他新型互感器的快速发展，国际电工委员会( i e c ) 制定了 电子式电压互感器标准i e c6 0 0 4 4 - 7 、电子式电流互感器标准i e c6 0 0 4 4 8 。按照此标准， 电子式互感器的含义包括所有的光电互感器及其他使用电子设备的互感器。 与传统的电磁式互感器相比，电子式互感器具有以下一系列优点【2 5 】： ( 1 ) 绝缘性能优良，造价低。在高压电子式互感器中，高压侧与低压侧之间的信 号传输采用绝缘材料制造的石英光纤，高低压侧之间只有光的联系而没有电的联系，实 现了完全的电气隔离，绝缘结构简单，造价低。 ( 2 ) 不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。电磁感应式互感器由于使用了 铁心，不可避免地存在磁饱和、铁磁共振和磁滞效应等问题，而电子式互感器不存在这 方面的问题。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压侧无开路和短路危险。电磁感应式电流互感器的低 压侧不能开路，开路则会产生高压的危险。电磁感应式电压互感器的低压侧不能短路， 短路则会产生很大的短路电流。由于电子式电流互感器的高压侧与低压侧之间只存在光 纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，不存在低压侧开路和短路危险，同时因没有磁耦 合，免除了电磁干扰的影响。 ( 4 ) 动态范围大，测量精度高。电网正常运行时，电流互感器流过的电流并不大， 但短路电流一般很大，而且随着电网容量的增加，短路故障时短路电流越来越大。电磁 感应式电流互感器因存在磁饱和问题，难以在实现大范围测量的同时满足高精度计量和 继电保护的需要。电子式电流互感器有很宽的动态范围，额定电流可测到几安培至几千 安培，短时大电流可达几万安培。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 频率响应范围宽。电子式互感器的频率响应可达到1m h z 。电子式互感器已 被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压电流、高频电压电流与直流 电压电流的测量。 ( 6 ) 没有因充油而产生的易燃、易爆炸等危险。电磁感应式互感器一般采用充油 或充气的办法来解决绝缘问题，这样不可避免地存在易燃易爆炸等危险；而电子式电流 互感器绝缘结构简单，可以不采用油或气体绝缘。 ( 7 ) 体积小、质量轻。电子式互感器的质量比电磁式互感器的质量小得多。如2 2 0 k v 的电子式电流互感器质量约为1 0 0k g ，而同样电压等级的电磁式电流互感器的质量约 为1 0 0 0k g 。这给运输与安装带来了很大方便。 ( 8 ) 适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。现代的电子式 互感器具有数字输出接口和模拟输出接口，输出的数字接口的物理层和链路层符合国际 电工委员会的遥控设备和系统i e c6 0 8 7 0 标准以及变电站的通信和系统i e c6 1 8 5 0 标准。 这与今后电力系统中数字化的继电保护、通信及计量是兼容的。 1 3 2 电子式互感器的分类 电子式高压电力互感器有两类：光学电子式互感器和混合电子式互感器。通常，光 学电子式互感器高压侧不需要供电，也叫做无源电子式互感器，混合电子式互感器高压 侧需要供电，也叫做有源电子式互感器。 ( 1 ) 光学电子式互感器 光学电子式互感器的电流测量原理包括f a r a d a y 效应、磁致伸缩效应、k e r r 效应和逆 压磁效应等，电压测量原理包括p o e k e l s 效应、k e r r 效应和逆压电效应等【7 1 。 虽然，光学式电子式互感器提出的较早，并且研究的单位很多，但是由于以下几方 面的问题，影响其长期运行的工作稳定性，导致其实用化进程相对缓慢【1 1 , 1 2 1 ： 传感部分由光学元件完成，传感元件的性能直接关系到整个系统的准确性和可 靠性，目前，国内外的光学材料还难以达到要求； 传感器由光学元件粘接而成，其工艺要求较高，现在的工艺水平难以满足要求； 构成光学传感器的各光学元件的温度稳定性很难达到电力系统的运行要求。 ( 2 ) 混合电子式互感器 混合电子式互感器通常采用r o g o w s k i 线圈、低功率小铁心线圈( l p c t ) 、霍尔器 件以及分压器等作为传感器，在高压侧将模拟量信号转化为数字量，利用光纤将数字量 的采样值从高压侧传输到低压侧，高压传感部分一般需要电源供能。其典型结构框图如 图1 1 所示。 一3 一 基于s o p c 的电子式互感器系统设计 图1 1 混合型电子式互感器结构框图 f i g 1 1 b l o c kd i a g r a mo fah y b r i de l e f 仃o m ct r a n s f o r m c r 待测高电压大电流信号通过电压电流传感元件转换为小电压模拟信号，小电压模 拟信号通过一次信号处理单元的a d 转换元件变换成易于光纤传输的数字信号，通过电 光转换将电信号转换为光信号，通过光纤传输至低压侧，低压侧进行光电变换还原成电 信号后输出给信号处理单元处理，经过处理后输出给测量、保护等设备。 由于高压侧除了传感元件还有一些信号处理单元，信号处理部分都是由电子电路构 成的，因此高压侧需要供电。高压侧供电方案有高压母线取电供能、激光功能、蓄电池 供能、超声电源供能、以及混合供能等多种供能方案 1 3 , 1 4 】。 混合型电子式互感器采样精确度比较高，结构更加简单，比较容易和计算机实现直 接通信。由于采用的传感器技术比较成熟、运行经验多，具有实用化优势。 1 3 3 国内外电子式互感器的研究现状 二十世纪六十年代，人们就开始了对光学电子式互感器的探索，由于当时光导纤维 尚未出现，光通路中的光强波动厉害，测量的稳定性很差。七十年代，随着光导纤维的 出现，光学、光纤传感技术在高压电力系统中的应用研究出现热潮，但由于样机的精度 低、温度稳定性差，都未能挂网运行。八十年代后期以来，光电传感技术在电力系统中 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 的应用研究得到了突破性进展，美国、日本、法国等技术发达国家先后研制出多种光学 互感器样机，并在实际高压电站长时间运行。九十年代，国外知名公司陆续公布了他们 研制的试验样机及其运行数据，并打出了产品广告。如1 9 9 7 年1 月a b b 公司推出了额 定电流2 k a 的1 1 5 k v - - 5 5 0 k v 的光学电压电流互感器的产品介绍。其绝缘支柱采用内 充s f 6 气体的硅橡胶复合绝缘子，测量精度达到i e c l8 6 精度等级0 2 级。整个互感器 重量比较轻，5 5 0 k v 电压等级的产品总重量仅为2 7 6 7 k g 。法国g e ca l s t h o m 公司在 美国b o n n e v i l l e 安装了5 2 5 k v 的光学电压电流互感器，其后，又陆续在荷兰、比利时、 加拿大和法国等国的变电站挂网试运行。1 9 9 7 年，又推出了1 2 3 k v 一7 6 5 l ( v 光学电压 电流互感器的产品广告，互感器可同时输出计量和保护用信号，测量精度可达o 2 。 北美的n x t p h a s e 公司于2 0 0 0 年3 月在s u r r e y ，b r i t i s hc o l u m b i a 的b ch y d r o sh a g l e d o w 变电站，安装了2 3 0 k v 电压等级的光学电压互感器；2 0 0 1 年1 0 月又在m o i l t r e a l 岛的 r o l l sr o y c eg a d t u r b i n 发电站安装了1 3 8 k v 电压等级的三相系统，并计划将电压等级推 广到7 6 5 k v 7 1 。 我国对光学互感器的研究起步较晚，沈阳变压器研究所从1 9 7 0 年开始研究，以后 在清华大学、四平电业局的积极协助下于1 9 7 9 年研制出第一台样机，并先后研制出三 台样机在四平电业局的2 2 0 k v 线路上试运行，后来于1 9 8 4 年退出运行。国家对光学互 感器的研究工作非常重视，将其列为“七五”、“八五 重点研究项目。先后有清华大 学、华中科技大学、哈尔滨工业大学和西安交通大学等多家科研院所相继从事过光学电 子式互感器方面的研究。其中华中科技大学研制的计量用光学电流互感器于1 9 9 3 年在 广东新会11 0 k v 电网试运行，标志着我国的光学互感器研究已向实用化迈进【7 】。 从二十世纪九十年代开始，混合型电子式互感器作为传统互感器的又一类替代产品， 受到人们的广泛关注【7 】。 国外从事混合型电子式互感器研究的有意大利的p o l y t e c h n i co fm i l a n o 大学，英国 的l i v e r p o o l 大学，瑞士的a b b 公司，法国的a l s t o m 公司，美国的p h o t o n i cp o w e r s y s t e m s 公司，德国的s i m e n s 公司，德国的r i t z 公司等。混合型电子式互感器在国外 的发展速度较快，其中在新型中压开关柜和高压g i s 装置中的使用正处于推广阶段。现 在的中压开关柜中开始使用由空心线圈和电阻分压器构成的电子式互感器，这些互感器 配合微机保护和电子仪表的使用，对于减小开关柜体积，提高其性能，起了重要的作用 【7 】 o 我国对混合型电子式互感器的研究开始于九十年代中后期，从事研究的单位有：清 华大学、华中科技大学、大连理工大学、西安交通大学和华北电力大学等。研究涉及了 高压g i s 装置和户外高压互感器等方面的应用，经过近十年的发展，积累了一定的试验 基于s o p c 的电子式互感器系统设计 和现场运行经验。近年来，随着传感器的工业化设计、高压侧电源设计、数据调制传输 方案确定、标准化接口设计、电磁兼容和可靠性设计以及系统误差补偿等问题的提出和 研究的深入，越来越多的混合型电子式互感器样机已进入或准备进入挂网试运行阶段， 这标志着我国的电子式互感器的研究正逐步进入实用化【5 】。 1 4 论文主要内容及章节安排 随着超高压电力系统以及数字化变电站技术的发展，电子式互感器必将取代传统互 感器而得到广泛的应用。本文以一种基于s o p c 技术的电子式互感器系统设计为核心， 从电子电路层次对电子式互感器系统进行研究和设计，围绕电子式互感器合并单元、高 低压侧数据通信、g p s 时钟同步、嵌入式以太网实现数字接口等问题进行了分析和讨论。 全文的主要内容和章节安排如下： 第一章介绍电子式互感器，并对目前国内外电子式互感器的发展历史和研究现状进 行概述。 第二章在介绍变电站通信协议i e c6 1 8 5 0 的基础上，研究了变电站采样值传输模型， 对基于i e c6 1 8 5 0 9 1 通信协议的电子式互感器的数字接口进行分析，分析了数字接口 的特性以及功能需求。 第三章在介绍基于n i o si i 软核的s o p c 技术的基础上，给出了电子式互感器电子 电路层次的系统级设计方案。 第四章利用模块化的设计思想，从硬件和软件设计两方面详细描述了系统的实现方 法，设计了基于s o p c 技术的电子式互感器系统样机。 第五章对系统进行相关的仿真和测试。 最后一部分为结论以及下一步研究展望。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2基于i e c6 1 8 5 0 通信协议的电子式互感器数字接口 电子式互感器的输出分为数字和模拟两种。模拟接口是为了利用变电站已有模拟接 n - - 次设备的一种过渡措施，数字接口是变电站通讯对电子式互感器的最终要求【l5 1 。 目前变电站自动化系统中使用的传输规约种类较多，各个公司的产品使用的标准尚 不统一，系统互联和互操作性差，新的国际标准i e c6 1 8 5 0 颁布实施之后，变电站自动 化系统从过程层到控制中心将使用统一的通信协议。因此，电子式互感器的数字通信接 口应当符合i e c6 1 8 5 0 标准。 2 1ie c6 18 5 0 协议简介 2 1 1ie c6 18 5 0 的制订背景 早在2 0 世纪9 0 年代初，i e c 意识到不同厂家的保护设备需要一个统一的信息接口， 实现设备的互操作。为此，i e ct c 5 7 和i e ct c 9 5 成立了一个联合工作组，制订了“继 电保护设备信息接口标准 即i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 标准。与此同时美国的电力科学研究院 在1 9 9 0 年开始了公共通信体系u c a ( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ) 标准制订工 作，其目的在于提供一个具有广泛适用性的、功能强大的通信协议，使各种i e d 能够通 过使用该协议实现互操作【1 6 】。 为避免出现两个可能冲突的标准( u c a2 0 和i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 ) ，1 9 9 4 年由德国 国家委员会提出制定通用的变电站自动化标准建议；1 9 9 5 年i e ct c 5 7 为此成立了三个 工作组( w g l o l1 1 2 ) 负责制订i e c6 1 8 5 0 标准，其中w g l 0 负责变电站数据通信协议 的整体描述和总体功能要求，w g l l 负责定义变电站层数据通信总线，w g l 2 负责定义 过程层数据通信协议【l6 1 。 1 9 9 8 年，i e c 、e p r i 和美国电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 达成协议，由i e c 牵头，以美国u c a2 0 为基础，开始制 订i e c6 1 8 5 0 标准。1 9 9 9 年3 月，这3 个工作组提交了i e c6 1 8 5 0 的委员会草案；而后 又相继提交了c d v 和f d i s 。2 0 0 0 年6 月的s p a g 会议上，i e ct c 5 7 决定将i e c6 1 8 5 0 作为变电站通信网络与系统的国际标准和电力系统无缝通信体系的基础。2 0 0 3 年5 月到 2 0 0 5 年6 月，标准的各个部分陆续颁布并成为国际标准【l6 1 。 当前，i e ct c 5 7 正致力于将i e c6 1 8 5 0 与i e c6 1 9 7 0 ( 变电站与控制中心之间的通 信标准) 进行整合，即i e c6 1 8 5 0 + ，这样变电站的过程层到间隔层、间隔层到变电站层、 变电站层到控制中心都将采用i e c6 1 8 5 0 。作为电力系统无缝通信体系的基础，未来i e c 6 1 8 5 0 将广泛应用于s a s 、配电自动化系统、电能计量系统、分布式能源以及火电水电 基于s o p c 的电子式互感器系统设计 风力发电厂自动化系统等，而成为电力系统中最完备、最重要的通信标准( i e c 决定不 再发展其它已颁布的s a s 通信标准) 【1 6 1 。 2 1 2ie c6 18 5 0 内容概述 i e c6 1 8 5 0 是一个庞大的协议体系，采用自顶向下的方式对变电站自动化系统进行 系统分层、功能定义和对象建模，并对一致性测试作了详细的定义。i e c6 1 8 5 0 包括面 向对象的标准、通信网络性能要求、接口和映射、系统和项目管理、一致性测试等多方 面详细内容。主要包括的系列文档如图2 1 所示。从内容上可以分为4 大部分【幡3 0 】： ( 1 ) 系统部分 主要包括i e c6 1 8 5 0 1 、i e c6 1 8 5 0 2 、i e c6 1 8 5 0 3 、i e c6 1 8 5 0 - 4 和i e c6 1 8 5 0 5 五 个标准。在这几个部分中介绍了i e c6 1 8 5 0 标准制订的出发点，其内容不光从通信技术 本身进行描述，还从系统工程管理、质量保证、系统模型等方面进行叙述，使i e c6 1 8 5 0 标准能够更好地应用于电力系统。 ( 2 ) 配置部分 i e c6 1 8 5 0 6 定义了变电站系统和设备配置、功能信息及相对关系的变电站配置描 述语言。 ( 3 ) 数据模型、通信服务和映射部分 作为i e c6 1 8 5 0 最核心的技术部分，包括了i e c6 1 8 5 0 7 系列、i e c6 1 8 5 0 8 系列和 i e c6 1 8 5 0 9 系列等一共7 个标准。 这个部分从技术实现的角度描述了i e c6 1 8 5 0 的信息模型、通信服务接口模型以及 信息模型与实际通信网络的映射方法，从而实现了系统信息模型的统一、通信服务的统 一和传输过程的一致。 ( 4 ) 测试部分 为验证系统和设备的互操作性，i e c6 1 8 5 0 1 0 定义了一致性测试的方法、等级、环 境和设备要求等规定。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 基本原则 p a r tl p a r t 2 二二二j 堕 二二p a r t 3 二二二壅亟亘二二p a r t 4 兰竺竺兰兰竺竺竺兰竺竺兰 p a r t5 p a r t 6 二二二至垂匠二二p a r t 7 i ：耐崩。= 筵i 圆圆 ；熙霉：乐习9 圆圆 二二二二受 二二p a r t 。 图2 1i e c6 1 8 5 0 标准包括的的系列文档 f i g 。2 1 i e c6 1 8 5 0d o c u m e n tp a r t s 2 1 3 i e c6 1 8 5 0 的内涵及特征 ( 1 ) l i c6 1 8 5 0 的目标内涵【1 6 , 3 1 - 3 2 i e c6 1 8 5 0 的主要目标是实现变电站内l e d 之间的互操作，与此同时也重视了通信 标准的各种适应性，使得目标内涵更为丰富。 互操作性 在l i c6 1 8 5 0 中互操作性被描述为：“来自同一厂家或者不同厂家的l i d 之间交换 信息和正确使用信息协同操作的能力 。其中信息交换需要通信协议栈的支持；信息的 正确使用依赖于信息的相互理解，需要信息语义的支持；而协同操作与变电站自动化系 统的功能分布相关，依赖于过程数据的共享和对信息实体的规划。 功能自由分布 功能自由分布在l i c6 1 8 5 0 中虽然没有规范的定义，但是往往与互操作性的描述相 继出现，从通信标准的角度来看，自动化功能在l i d 和控制层次中的分布不可能唯一固 定，它依赖于可用性要求、性能要求、成本限制、技术状况、应用策略等，因此标准应 适应各种功能分布情况。l i c6 1 8 5 0 关于功能自由分布的这种表述事实上强调了变电站 自动化分布式实现中的自动化功能( 或子功能) 的可分布性，而不仅仅是自动化装置的 一9 一 基于s o p c 的电子式互感器系统设计 分布。跨越自动化装置边界的自动化功能( 或子功能) 之间的协调配合代表了变电站自 动化的未来发展趋势，因此对功能自由分布的支持是i e c6 1 8 5 0 针对自动化逻辑适应性 的体现。 可扩充性 i e c6 1 8 5 0 面向变电站自动化的所有应用，全面地支持信息扩充是标准应用适应性 的重要体现。 长期稳定性 为了适应历史的、目前的和未来的通信技术，i e c6 1 8 5 0 对通信服务采用了抽象定 义的方法，即a c s i ( 抽象通信服务接口) ，而将具体的通信协议栈应用以s c s m ( 特 定通信服务映射) 加以规定，适应了通信技术的发展和变化。这是i e c6 1 8 5 0 优于传统 通信协议的主要特征之一。 可以看出i e c6 1 8 5 0 除了通信标准所强调的互操作性目标外，同时兼顾了其他适应 性目标，由于各目标内涵的出发点不同、所采用的技术不同，从一般意义上看它们之间 的冲突是在所难免的，所以i e 6 1 8 5 0 标准中的互操作性并不是一个孤立的目标。其他目 标与它的平衡结果事实上形成了对互操作性的一种注释，也在一定程度上反映了系统应 用c6 1 8 5 0 的必要性。 ( 2 ) i e c6 18 5 0 标准的特征1 6 ，3 2 3 5 1 i e c6 1 8 5 0 是迄今为止最为完善的变电站通信网络与系统的标准，与以往的变电站 通信标准相比，它具有如下突出的技术特征： 信息分层的变电站结构 变电站通信网络和系统协议i e c6 1 8 5 0 提出了变电站内信息分层的概念，将变电站 的通信体系分为3 个层次，即变电站层、间隔层和过程层。 面向对象的数据对象统一建模 i e c6 1 8 5 0 采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机服务器结构的数据模型。 信息模型不是数据集合，而是数据与功能服务的聚合，是一个面向对象的模型，模型中 的数据和功能服务相互对应，数据的交换必须通过对应的功能服务来实现。数据与功能 服务的紧密结合使模型具备了良好的稳定性、可重构性和易维护性。 采用与网络独立的a c s i i e c6 1 8 5 0 总结了变电站内信息传输所必须的通信服务，设计了独立于所采用网络 和应用层协议的抽象通信服务接口a c s i 。由于网络技术的迅猛发展，更加符合电力系 统生产特点的网络将会出现。另外，由于电力系统生产的复杂性，信息传输的响应时间 大连理工大学硕士学位论文 要求不同，在变电站内需要采用不同的网络应用层协议和通信栈。采用i e c6 1 8 5 0 只需 要改动相应的s c s m ，而不需要修改a c s i 。 a c s i 具 体 协 议 栈 i e c 6 1 8 5 0 标准 一v i 一 s c s m-， 特定应用层协议 ( m m s ) 面向连接的表示层 面向连接的会话层 t c p i p 或i s ot 协议栈 特定应用层协议 ( n e w ) 面向连接的表示层 面向连接的会话层 t c p ，i p 或l s ot 协议栈 图2 2a c s i 到s c s m 映射示意图 f i g 2 2 a c s im a p p i n gt os c s m 面向对象、面向应用开放的数据自我描述 以往的通信标准采用面向点的数据描述，即在信息传输时数据收发双方必须事先对 数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反映现场设备的状态。协议一旦确定以后， 如果要增加或删除某些信息，就必须对协议进行修改，这是一项耗费资金和时间的工作。 随着技术发展、电力市场的建立和变电站自动化水平的提高，变电站内需要传输的新信 息不断增加，这种数据描述方法已不大适应，因而使新功能的应用受到限制。c6 1 8 5 0 采用面向对象的数据自描述，即在数据源就对数据本身进行自我描述，接收方收到的数 据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应或进行标度转换等工作。面向 对象的自描述数据可不受预先定义的限制进行传输，是实现互操作的一个必要条件，同 时也极大的简化了数据的管理和维护工作。 2 2电子式互感器数字接口的通信模型 2 2 1电子式互感器数字接口的定义和数学描述 国际电工委员会制定的电子式电压互感器标准i e c 6 0 0 4 4 - 7 和电子式电流互感器标 准i e c 6 0 0 4 4 - 8 3 6 3 7 ，给出了电子式互感器输出接口的基本规范。单相电子式互感器通 用结构如图2 3 所示。 基于s o p c 的电子式互感器系统设计 图2 3 单相电子式互感器通用框图 f i g 2 3 g e n e r a lb l o c kd i a g r a mo fas i n g l e - p h a s ee l e c t r o n i ct r a n s d u c e r 电子式互感器定义了一个新的物理单元啥并单元( m e r g i n gu n i t ，简称m u ) 【8 】， 用于对来自二次转换器的电流或电压数据做时间相干的组合。m u 可以是现场变换器中 的一个部件，或是独立的单元。合并单元接收到的二次端信号，一般为7 个电流互感器 和5 个电压互感器的信号，经过综合和同期化处理，按照标准中的测量帧和保护帧的格 式把数据分别发送给各个测量仪器、仪表和保护或控制装置。数字输出型电子式互感器 的通用框图如图2 4 所示。用一台合并单元汇集多达1 2 个二次转换器数据通道。一个数 据通道承载一台电子式电流互感器或电压互感器采样测量值的单一数据流。在多相或组 合单元时，多个数据通道可以通过一个实体接口从二次转换器传输到合并单元。合并单 元对二次设备提供一组时间相干的电流和电压样本。二次转换器也可以从常规电压或