（电工理论与新技术专业论文）基于iec61850标准的变压器微机保护装置的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ra u t o m a t i o ns y s t e m t h et r a d i t i o n a li e d ( i n t e l l i g e n c ee l e c t r o n i cd e v i c e ) o fb a yl e v e lo fs u b s t a i o nc a n ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n t a l r e q u i r e m e n to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e my e t m e a n w h i l et h ei e c 6 18 5 0s t a n d m da n d e t h e m e tt e c h n o l o g y , w h i c hr e p r e s e n tt h en e wt e c h n o l o g y , h a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r e w i d e l yi nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m h o wt od e s i g nat r a n s f o r m e rm i c r o - c o m p u t e r p r o t e c t i o ni e db a s e do n t h ei e c 618 5 0s t a n d a r di sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fi e c 6 18 5 0s t a n d a r d s ，s o m eb a s i cf e a t u r e so f i e dc o n f o r m e dt h es t a n d a r da r ea n a l y z e di nd e t a i li n t h i sp a p e r t h e no nt h eb a s i so ft h e f u n c t i o n so ft h et a n s f o r m e rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c ea n dt h ed e c o m p o s i t i o no f t h e s ef u n c t i o n s ，t h eg e n a r a ld e s i g no ft h i si e di sd e s i g n e d s e c o n d l y , i no r d e rt or e a l i z et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nt h i sd e v i c ea n do t h e r i e d s ，t h ei n f o r m a t i o nm o d e la n ds e r v i c em o d e lo ft h i st r a n s f o r m e rm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o nd e v i c e a r ee s t a b l i s h e db yt h em o d e l i n gm e t h o dd e f i n e di nt h ei e c 618 5 0 s t a n d a r d o nt h i sb a s i s ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i sd e v i c e ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ec i r c u i to ft h em o d u l e so fd e v i c ea n dt h ei n t e m a lp r o t e c t i o na l g o r i t h m ，a r e d i s c u s s e di nt h et h e s i si nd e t a i l t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8l2i sc h o s e nt ob et h ec o n t r o lu n i to ft h i s t r a n s f o r m e rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c ew h i c hh a v ee t h e r n e ti n t e r f a c e t h es i x s a m p l ed a t ai st r a n s f o r m e db yt h ee t h e m e ta n df o l l o w e dt h ep r o t o c o lw h i c hi sd e f i n e di n i e c 6 18 5 0 9 1s t a n d a r d e m b e d d e dw e bs e r v e ri si n t e g r a t e di nt h el e d 。t h e nt h er e a l - t i m e d a t ac a l lb eo b s e r v e da n dt h ec i r c u i tb r e a k e rc a i lb ec o n t r o l e db yt h ei eb r o w s e ro f w i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mo ft h ec o m p u t e ro fs t a t i o n l o n g i t u d i n a ld i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n a n do v e rc u r r e n tp r o t e c t i o na r ec o n t a i n e di nt h i sd e v i c e b e s i d e s ，am e r g eu n i t ，w h i c hi su s e dt o t e s tt h ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c hc o n t a i n st h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em e r g eu n i ta n dt h ep r o t e c t i o nd e v i c ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h er e m o t ep ca n dt h ep r o t e c t i o nd e v i c e ，i sd e s i g n e di nt h ep a p e r f i n a l l y , t h et o p i co f t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e d ，a n dt h en e x tr e s e a r c hi sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：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 c 618 5 0 ，i e d ，e m b e d d e dw e b s e r v e r i l 第1 章绪论 1 1 变电站自动化系统概述 第1 章绪论 国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 定义变电站 自动化系统为：“变电站自动化就是在变电站内提供包括通信基础设施在内的自动化， 变电站自动化系统的功能是指变电站必须完成的任务”。这些功能主要包括7 个功能 组：远动功能、自动控制功能、计量功能、继电保护功能、保护相关功能、接口功能、 系统功能【l 】。微电子技术、计算机技术以及网络通信技术的发展促使变电站自动化系 统的定义不断充实和完善。 1 1 1 变电站自动化系统发展概述 变电站自动化系统的研究与发展主要经历了以下三个阶段： 第一阶段：以集中式远程终端( r e m o t et e r m i n a lu n i t ，r 1 u ) 为中心的集中式变 电站自动化系统。2 0 世纪8 0 年代的变电站自动化系统都是采用此类监控系统，r t u 负责数据的采集( y c 、y x 、y m ) 和开关控制输出( y k ) ，微机在系统中只起到监 控作用，如图1 1 所示。 图1 1 以r t u 为中心的集中式变电站自动化系统 这种结构中r t u 负责的任务过多，导致宕机现象频有发生，另外由于大量的信 息都由二次电缆传输，现场安装工作量大，配置不灵活，成本高。这可以说是国内集 中式变电站自动化技术的第一阶段。 第二阶段：面向功能设计的分布式变电站自动化系统。2 0 世纪9 0 年代开始，单 元式微机保护以及按功能设计的分散式微机测控装置在变电站自动化系统中得以广 泛应用，保护、遥测、遥信和控制装置相对独立，通过通信管理单元可以将各自信息 1 第1 章绪论 送到后台机。这种系统的可靠性有了很大的提高，且局部故障不影响其他模块正常运 行，但设备之间的互联仍然很大程度上依赖电缆，扩展功能性不强。 第三阶段：面向间隔或是面向对象的分层分布式变电站自动化系统。该系统按变 电站的控制层次和对象，设置全站控制( 站控层) 和就地单元控制( 间隔层) 的二层 式分布控制系统。其中站控层主要包括站控系统、站监视系统、站工程师工作台及电 网调度中心的通信系统；间隔层则按站内一次设备面向对象的分布配置，在功能上本 着尽量下放的原则【l j ，如图1 2 所示。 站控层 间隔 上级调度 导譬 路由器l 臣佰日i 乏舟裙l 趣1 爵眼，穷君寻2上作跖 上牦妒 珀猓1 斯血p 力i 笺 主网a 1 l| li l 1il 主| 】c ) 9 b 子网a：予嗍a i 层 子网b ：子网b i l 变压器保护装置综合测控装置 i 线路馈线保护综合测控装置 l f u j 隔l ：j - u j 隔n ji 。j 图1 2 分层分布式变电站综合自动化系统结构示意图 分层分布式变电站综合自动化系统结构采用“面向对象”的设计方法。所谓面向 对象，就是面向电气一次回路设备或电气间隔设备，间隔层中数据、采集、控制和保 护等智能电子设备( i m e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e ，i e d ) 就地分散安装在开关柜上或 其他一次设备附近，相互间通过通信网络通信。通信方式从早期的串口通信( r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 ) ，到近年来的现场总线技术( 如c a n 总线、l o n w o r k s 等) 和以太网通 信技术【2 4 1 。此类结构中系统装置和网络独立性强，主机或某个i e d 设备损坏并不影 响其他i e d 的正常工作，运行可靠性提高；二次设备所需的电缆大大减少，节约投 资并简化了调试维护：可扩展性和丌放性相对较高，利于工程的设计及应用。但由于 不同厂家生产的不同i e d 之间电力通信规约的不兼容，不同通信接口的设备之间需 要进行通信规约转换，如图1 2 中所示主网一般为以太网，但子网却常常是c a n 总 线等现场总线，它们之间需要规约转换器才能正常通信，因而分层分布式结构在通用 性、开放性等方面的性能还有待提高。 2 帛忒 剧 9 第1 章绪论 1 1 2 常规变电站间隔层i 印的不足之处 目前，基于网络通信的分层分布式变电站自动化系统在我国已经得到了非常广泛 的应用，常规变电站间隔层l e d ( 包括控制、保护、测量等功能的i e d ) 的发展也已 经非常成熟。但随着技术的发展和电力系统运行水平的提高，常规间隔层l e d 的一 些不足之处己显得越来越明显，归纳起来主要包含以下几个方面： 1 常规互感器带来的缺陷 变电站间隔层l e d 的信息采集来源于常规的电磁型电流、电压互感器( t a 、t v ) ， t a 、t v 的额定输出信号一般为5 a 和1 0 0 v ，而l e d 内a d 转换需要的是低于3 3 v 或是5 v 的电压信号，这就要求间隔层内所有l e d 内都要具备信号调理电路对输入的 信号进行电平变换，造成了硬件上的复杂性，同时也带来了重复配置的成本浪费。 另一方面，由于保护单元和测控单元在电网运行中所履行的职能的不同，其对于 互感器的要求也是不一样的。保护单元所测的故障电流往往是额定电流的十几倍或数 十倍；而对于测量系统来说，主要反应的是正常运行时的电流信号，一般均在额定电 流之下。而传统t a 受其特性的限制，难以在如此宽泛的工作范围内同时满足保护和 测控单元的精度要求，因此常规t a 分为保护级与计量级等不同等级，测控单元、计 量系统和保护装置分别取之不同特性的互感器。 此外，常规互感器存在潜在危险，例如若电流互感器出现二次开路，会在二次侧 产生高压，从而危及设备和人身的安全。 2 系统可靠性差 二次系统的安全性主要取决于l e d 的耐电磁干扰能力，但在如今的变电站自动 化系统中，电缆却仍是l e d 之间以及l e d 与一次系统设备之间的主要连接方式。实 际运行中由于种种原因，经常发生由于电缆受电磁干扰和一次设备传输过电压，引起 二次设备运行异常，甚至造成保护设备误动作。 3 复杂的一、二次设备接口 数字电子技术的发展，使得间隔层的二次设备实现了数字化，但一次设备的断路 器并没有实现智能化，电压、电流互感器没有实现数字化，二次接线依旧很复杂，信 息的采集和控制仍使用了大量的电缆，使得运行、维护工作量大。 4 1 e d 之间不具备互操作性 计算机技术、微电子技术的飞速发展，使得变电站内的各种类型的l e d 具备了 数字化、低功耗等特点，而数字化通信必然带有一定的标准。虽然i e c 制定和修改了 许多标准，但对于规约的解释往往都是由制造厂商和用户来完成，这就造成了各厂家 对于相同规约的实现存在着一定的差异，产品之间相互无法兼容【l 】。不同厂家的设备 之间互联就必须采用规约转换，大大增加了系统的复杂性、成本以及调试、维护的难 度，不利于变电站自动化系统的长期运行和维护。 3 第1 章绪论 1 1 3 新技术的出现对间隔层l e d 的影响 1 非常规互感器 光电技术和计算机的飞速发展，使得非常规互感器显现出了其在变电站自动化系 统里的强大优势，其具有良好的性能、较强的抗电磁干扰能力、测量频带宽、动态范 围大。非常规互感器有两种基本类型：一种是电子式互感器；一种是电光效应的互感 器。其最大特点就是可以输出低电平模拟量和数字量信号，直接用于微机保护和电子 式计量设备，适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要，同时其动态范围大，能 同时适用于测量与保护两种功能。 2 智能断路器 非常规互感器的出现以及计算机技术的发展，使得对断路器内部信息如电、磁、 温度等的监测已经成为可能，从而可通过收集分析检测数据，实现设备的状态检修， 代替了传统的试验。智能化一次设备采用数字化的监控手段，机械结构简单，体积小， 同时也可提前查看装置状态而安排检修工作。 3 以太网通信技术 光纤通信技术、网络技术的飞速发展使得电力系统的二次系统向着数字化网络通 信技术发展。以太网技术正被广泛引入变电站自动化系统过程层的采集测量单元与间 隔层测控保护单元中，构成了基于网络控制的分层分布式变电站自动化系统，二次设 备不再出现常规功能装置重复的i o 现场接口，通过网络真正实现了数据共享、资源 共享。 4 i e 0 6 1 8 5 0 标准 国际电工委员会第5 7 技术委员会( i e ct c 5 7 ) 制定了变电站通信网络与系统 系列标准，即i e c 6 1 8 5 0 标准，该系列标准共分1 0 个部分，规范了变电站内l e d 之 问的通信行为和相关的系统要求。如今，i e c 6 1 8 5 0 标准已是全世界唯一的变电站网 络通信标准。 非常规互感器的应用、智能化断路器技术的出现、i e c 6 1 8 5 0 标准的颁布以及网 络通信技术尤其是以太网通信技术在电力系统中的应用，对变电站自动化系统的间隔 层l e d 产生了巨大的影响，主要体现在： ( 1 ) 过程层电气量信息实现数字化输出，l e d 不再需要常规信号调理电路； ( 2 ) 为了实现互操作性，l e d 之间对于电力系统的信息实现统一建模： ( 3 ) l e d 之间信息交互以网络通信方式实现，l e d 必须具有以太网接口： ( 4 ) 运行控制操作过程经网络通信方式以信息报文方式实现，而不再是通过继电 器实现。 常规变电站间隔层装置已不能满足数字化变电站的要求，符合i e c 6 1 8 5 0 标准的 l e d 已成为变电站间隔层装置发展的必然趋势。 4 第1 章绪论 1 2le c 6 18 5 0 标准 1 2 1 制定背景 随着变电站自动化技术的发展，尤其是非常规互感器等新技术逐渐在变电站自动 化系统中得到应用，常规变电站自动化系统的不足之处已变的越来越明显，主要表现 在不同厂家采用各自特定的专用通信协议，生产的i e d 之间需要通过协议转换才能 通信。经验表明，已出现了制定新的标准通信协议的强烈需求及其契机，在这样的背 景下，国际电工委员会t c 5 7 工作组制订了变电站通信网络与系统系列标准，即 i e c 6 1 8 5 0 标准。 1 e c 6 1 8 5 0 标准的制定最初是由于变电站内、变电站与调度中心、调度中心之间 各种协议不兼容，需要协议转换才能连接，i e c 委员会t c 5 7 工作组感觉到有必要从 信息源到调度中心采用统一的通信协议，于是在2 0 0 0 年s p a g 会议上决定以 i e c 6 1 8 5 0 标准为基础建立无缝远动通信系统。i e c 6 1 8 5 0 标准发展到如今，已是全世 界唯一的变电站网络通信标准。 1 2 2 主要特点 相比与过去的i e c 6 0 8 7 0 5 等系列标准，i e c 6 1 8 5 0 主要具有以下几个特点。 1 信息分层 i e c 6 1 8 5 0 按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视、保护三大功能，从逻 辑上、物理上以及通信上将变电站自动化系统分为三层，即变电站层( 站控层) 、间 隔层、过程层，并定义了三层之间的接口模型【1 8 】，如图1 3 所示。 变电站层 间隔单元层 。 远方保护 过程层 图1 3 变电站自动化系统接口示意图 5 护 第1 章绪论 2 面向对象的统一建模 i e c 6 1 8 5 0 采用面向对象的建模技术，定义了基于客户端n 务器结构的通信数据 模型，从信息交换的角度将物理设备按功能从逻辑上分为服务器( s e r v e r ) 、逻辑设备 ( l d ) 、逻辑节点( l n ) 、数据对象( d o ) 、数据属性( d a ) 。物理设备内包含服务 器和应用，从建模层次上看，服务器包含一个或多个逻辑设备，逻辑设备又包含一个 或多个逻辑节点，每个逻辑节点都由一个或多个数据对象和数据属性组成，如图1 4 所示。从通信的角度来看，客户可通过抽象通信服务接口访问其他i e d 服务器中任 意可被访问的数据。 图1 4i e c 6 1 8 5 0 中客户端服务器典型数据模型结构 3 数据自描述 数据自描述在i e c 6 1 8 5 0 中定义为：“设备包含它的配置方面的信息，这些信息必 须标准化，并且在标准范围内可以通过通信访问。 变电站内信息采用面向对象自我 描述的方法，所有信息都带说明，这必然造成通信负担的增加，但由于网络技术的发 展，1 0 0 m 甚至千兆网卡在变电站通信系统中的应用，使得自我描述成为现实。 4 互操作性 制定i e c 6 1 8 5 0 标准的主要目的就是实现变电站内各种i e d 之间的互操作性，甚 至互换性。标准中描述互操作性为：“来自同一厂家或不同厂家的智能设备l e 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通信实体的规划【l j 。 变电站自动化系统中的所有功能和数据按i e c 6 1 8 5 0 建模，通过抽象通信服务接 口a c s i 采用映射到制造报文规范m m s 、面向变电站事件的通用对象g o o s e 、采样 值s v 、时间同步s n t p 等通信协议实现各种通信功能。i e d 采用统一的模型和通信 协议，晟终达到实现不同制造厂设备问的互操作的目的。 6 第1 章绪论 1 2 3 符合i e c 6 1 8 5 0 标准的i 印应具备的特征 制定i e c 6 1 8 5 0 标准的主要目的就是实现变电站内各种i e d 之间的互操作性，因 此一个i e d 若要符合i e c 6 1 8 5 0 标准要求，互操作性的实现是必不可少的。标准中针 对互操作性建立了完整的技术支持体系，实现互操作性的要素主要包括如下几个方 面： ( 1 ) 面向对象的结构化信息模型： ( 2 ) 一致的、确定的信息语义及语义约定规则； ( 3 ) 与信息模型进行了面向对象封装的通信服务； ( 4 ) 针对现有通信技术和性能要求的通信协议栈映射。 通过对i e c 6 1 8 5 0 规约的分析以及对实现互操作性的要点的理解，了解到互操作 性的实现需要i e d 全方位的技术支持，下面简单归纳i e d 所必须具备的一些基本特 征【1 3 】。 ( 1 ) 硬件上具有以太网物理通信媒体和接口。在i e c 6 18 5 0 目前版本中所有特定通 信服务映射( s p e c i a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p p i n g ，s c s m ) 使用的通信协议栈均 为以太网，只是将不同的服务映射到了链路层、网络层或制造报文规范应用协议，产 品实现中的物理通信媒体都具有以太媒体，物理层和链路层接口都是以太网接口。 ( 2 ) 具有建立逻辑通信连接的能力。依据i e c 6 1 8 5 0 的规定，同一物理装置中不同 的自动化功能可能采用不同的逻辑通信接口，所以产品必须具有同一物理端口上建立 多个逻辑通信连接的能力。 ( 3 ) 信息模型和通信服务能够采用变电站描述语言( s c l ) 描述和发布。如上所述， 信息模型和通信服务是i e d 之间实现互操作性的关键内容，i e c 6 1 8 5 0 规定上述内容 必须采用s c l 进行描述和发布。 ( 4 ) 具有识别s c l 并进行数据生成的能力，s c l 不仅被用来描述产品信息模型、 通信服务，也是描述自动化系统的连接关系、信息模型与现场数据的对应关系等的惟 一方法，是产品之间建立互操作性的重要手段。对s c l 的解释和识别可以由i e d 直 接完成，也可以由专用的工具软件完成，它们均被视为产品形态的组成部分。 ( 5 ) 通过数字通信与其他产品进行协调配合。目前产品之间的协调配合主要采用 硬接线的方式，如断路器的控制，但对于一个符合i e c 6 1 8 5 0 并实现互操作性的产品 中，这些操作将被通信服务所代替，数字通信成为产品之间进行协调配合的主要形式。 7 第1 章绪论 1 3 本论文研究的重点和所做的主要工作 i e c 6 1 8 5 0 标准自从2 0 0 4 年正式颁布以来，由于其先进的设计思想代表了变电站 自动化发展的方向，受到国内外厂家和用户的一致关注。同时我国也采用了i e c 6 1 8 5 0 标准并将其作为电力行业标准，标准代号为d l t8 6 0 系列。 本文主要就i e c 6 1 8 5 0 标准的内容以及如何设计并实现符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变 压器微机保护i e d 进行了深入的研究，所作的主要工作有： 1 详细阅读i e c 6 1 8 5 0 标准的资料，分析了i e c 6 1 8 5 0 的技术特点和主要目的， 并对满足互操作性的i e d 应具备的特征进行了详细的分析。 2 结合这些特征，对变压器微机保护i e d 进行总体设计。首先分析了i e d 的组 成模块，并确定各个模块的芯片选择，最后介绍了该i e d 的实现步骤。 3 按照步骤首先利用i e c 6 1 8 5 0 标准提供的面向对象的统一建模方法，建立变压 器微机保护i e d 的信息模型和服务模型。首先在逻辑上将该i e d 按功能分解为对应 的逻辑节点，并依次对这些逻辑节点建立数据模型，从而建立i e d 的信息模型：其 次对变压器微机保护i e d 具备的服务以及使用的通信协议栈进行了介绍。 4 建立模型后，论文重点介绍了基于d s p 平台的变压器微机保护i e d 的具体实 现过程。包含i e d 各个组成模块的硬件电路设计和软件设计，以及i e d 内部诸如菜 单、自检以及保护算法方面的介绍。 5 另外本文设计了一个同样基于d s p 的过程层合并单元，主要负责采集数据和 控制断路器的状态。在此基础上，测试了变压器微机保护i e d 与该合并单元之间的 数据通信以及i e d 与站控层计算机之间的网络通信。 6 最后对本课题的工作进行了总结和展望，提出了研究工作中所存在的不足， 并分析了后续的研究工作内容。 1 4 本章小结 本章首先介绍了变电站自动化系统的概念以及发展状况，接着分析了常规变电站 间隔层i e d 的一些不足之处以及非常规互感器、智能化断路器等一些新技术在变电 站自动化系统中的应用，引出并着重介绍了i e c 6 1 8 5 0 标准的特点，最后，就本文所 做的工作进行了概括和说明。 8 第2 章变压器微机保护i e d 的总体设计 第2 章变压器微机保护l 印的总体设计 2 1i 印应具备的功能及功能分解 i e c 6 1 8 5 0 标准是新一代的变电站网络通信体系，适应分层的i e d 和变电站自动 化系统，符合i e c 6 1 8 5 0 标准是变电站间隔层i e d 发展的必然趋势。i e d 若要满足 i e c 6 1 8 5 0 标准，首先在硬件上要具有能实现与i e c 6 1 8 5 0 功能层统一的网络接1 2 1 ，其 次i e d 的信息模型和信息语义必须满足一致性要求，因而就必须利用标准所提供的 面向对象的统一建模方法对装置进行建模。 综上所述，一个符合i e c 6 1 8 5 0 标准的i e d 的设计过程包含以下三个阶段： 1 利用面向对象的统一建模技术对装置及其功能建立模型。 2 硬件上对l e d 各个模块进行设计。 3 软件上利用通信协议栈和支持开放接口的编程语言对i e d 具体实现。 根据上面的步骤，首先应对变压器微机保护i e d 建立模型，而建模的必要条件 就是l e d 的功能已明确。变压器微机保护l e d 一般配备如下功能【1 3 】： 保护功能：定时限过电流保护，变压器纵差动保护。 测量功能：各相序电压、电流、有功、无功以及功率因素。 控制功能：断路器控制。 事故后分析功能：故障录波。 人机接口功能：定值设定、手动操作、数据显示等。 i e c 6 1 8 5 0 标准中规定逻辑节点( l o g i cn o d e ，l n ) 是用来交换数据的功能最小 单元，一个逻辑节点对应物理设备的某个功能，实际设备的每个功能都可定义为相应 的逻辑节点类的一个实例。对上面所分析的功能可以按照i e c 6 1 8 5 0 7 4 中对应的逻 辑节点描述，并按功能分配在数字化变电站的不同层，如图2 1 所示。 变电站层功 逻辑节点 间隔层功能 逻辑节点 过程层映像 逻辑节点 图2 1 变压器微机保护功能分解成在不同层次上交互的逻辑：1 y 点模型 9 第2 章变压器微机保护l e d 的总体设计 图中t c t r 、t v t r 分别表示电流互感器、电压互感器；x c b r 表示断路器：而 变压器保护装置涉及到的主要逻辑节点可见表2 1 。 逻辑节点 6 1 8 5 0 定时限过流保护p t o c 变压器差动保护p t d f 测量m m x u 自动重合闸 开关控制器 l u 也c c s w l 保护跳闸条件p t r c 人机接口 i h m i 表2 1 变压器微机保护逻辑节点列表 2 2 系统总体设计方案 说明和注解 交流定时过流继电器是交流输入超出预定值动作的继电器， 且在其性能范围土要部分，输入电流与动作时间早反比关系 的继电器。 著动继电器是一种保护继电器，该继电器r 作依据两个流或 某些其它电气量的百分比、相角或其它电气量差值。 变压器特殊处是差动保护需考虑浪涌和三次谐波电流。 从t a 和t v 采集电流和电压，计算电流、电压有效值，并 通过所采集电流、电压采样值计算功率。这些值正常用于运 行目的，如功率监视、管理、屏幕显示、状态估计等。 自动重合闸继电器是一种自动合闸并闭锁交流电路断流器的 继电器。假定发生瞬时故障，保护成功跳闸后，自动重合闸 尝试以不同延时，重合已跳开的断路器l 3 次。 开关控制逻辑节点处理所有来自运行人员、自动控制功能的 开关操作命令，检布控制命令权限，监视命令执行，若命令 非正常结束，给出报警。 该逻辑二宵点适合连接一个或多个保护功能的跳闸输出，形成 一个传递给逻辑节点x c b r 的公用“跳闸”信号。或换一种说 法，各保护功能“动作”输出任何组合可组成一个新的 p t r c “动作”输出 1 ) 间隔层前面板操作员接口，用于配置和就地控制； 2 ) 变电站层就地操作员接口，用于变电站操作人员办公地。 到此，符合i e c 6 18 5 0 标准的变压器微机保护l e d 应具备的特征在第一章已详细 介绍，同时上节也分析了变压器微机保护l e d 应具备的功能并对功能进行了分解， 本节将对l e d 的总体方案进行设计。 一个间隔层l e d 若要符合i e c 6 1 8 5 0 标准，以下几个模块必不可少： 1 以太网接口模块，目前i e c 6 1 8 5 0 标准中的特定通信服务映射s c s m 的实现 都是基于以太网通信； 2 人机接口模块，l e d 需要就地处理操作、数据显示以及定值设定等等： 3 时钟模块，变电站自动化系统中时间信息是非常重要的，动作事件以及数据 都带有时标； 4 存储模块，故障数据需要储存，外部的s r a m 以及f l a s h 必不可少。 1 0 第2 章变压器微机保护i e d 的总体设计 与常规的变压器保护装置相比，该i e d 缺少了模拟量输入输出部分和开关量输 入输出部分，这是因为在基于i e c 6 1 8 5 0 的变电站自动化系统中间隔层i e d 不再是从 电压、电流互感器获取模拟信号，而是直接通过以太网获得来自过程层一次设备的数 字信息，同时智能断路器技术在变电站自动化系统中的应用也使得断路器的操作数字 化，断路器的控制不再通过电缆完成，而是通过以太网通信服务来实现。 针对以上分析，提出了两种设计方案，见图2 2 和图2 3 所示。 n 7 - 碧 磬 游 ， 。7 - 碧 嘧 龆 譬 并 盈 盈 鼗 图2 2 双c p u 设计方案 方案l 采用的是双c p u 设计方案，其中主控制器负责数据储存、以太网通信以 及数据计算，从控制器负责时钟模块和人机接口等服务，主从控制器之间通过双口 r a m 或是现场总线( 如c a n 、r s 4 8 5 等) 交换数据。 n 争 7 - 冀 弥 潞 图2 3 单c p u 设计方案 妊 豺 圈 圈 龄 方案2 则采用单c p u 设计，该控制器负责所有任务，包含数据的存储、以太网 1 l 第2 章变压器微机保护l e d 的总体设计 通信、时钟以及人机接口。 两种方案相比较，第一种方案的优点在于将功能分到两个c p u ，对于主控制器 来说其负担减轻，因而对控制器的要求相对来说可以降低一些，同时对于每个c p u 来说软件也相对简单些：而第二种方案只用了一块c p u 完成所有的功能，在资源上 节省了很多，但相对来说c p u 的负担加重，因而对该c p u 的要求很高。 i e c 6 1 8 5 0 系列标准充分吸收了计算机技术中的面向对象建模技术，并通过抽象 通信接口等方法进行层次性设计，希望能够及时容纳不断发展中的通信新技术，这种 设计带来良好通用性的同时也不可避免带来软件上相当大的复杂性。软件的复杂性的 大大增加，使得对c p u 的速度以及内存的需求相对于过去也有了数量级的飞跃，1 0 0 m 的c p u 速度应该是基本配置。 考虑到标准在l e d 中的实现本身就对c p u 的要求很高，所以本l e d 设计中采用 了第二种方案，一方面节省了硬件资源，另一方面硬件上实现的相对来说也要简单些。 选择方案之后下面开始对方案中各个部分一一设计。 2 2 1c p u 模块 目前变电站自动化系统中间隔层l e d 的c p u 大都为3 2 位微处理器，8 位单片机已经 不能满足发展的要求了，如今l e d 的主控制器一般选择a r m 、f p g a 或是d s p 。其中 a r m 的内部具有嵌入式操作系统，从而可以实现多任务并行处理，其功能非常强大 但在数据处理方面相对来说较为薄弱；f p g a 特点在于高速运行和对时序的精确把握， 但其程序的编写和常规c 语言编写有着很大的区别，同时对于复杂系统的实现其必须 依靠内部集成i p 核，复杂的应用对专业性要求较高；d s p 的优势在于数据运算处理速 度，由于其内部采用哈佛结构，相比于冯洛依曼结构，其数据和程序空间都有各自的 数据总线和地址总线，因而取指令和取数据能同时执行，大大加快指令执行速度。 当前数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、自动控制、图像处理、电动机及 远动控制等领域。数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，d s p ) 是嵌入式系统 的核心器件，它的出现为数字信号处理的应用打开了新局面。d s p 可以用来快速处理 数字化的信号，由于它具有高速、低功耗、高性能等特性，所以非常适合那些对数据 处理速度要求较高、数据计算量大的场合。 选择d s p 作为控制器有着其它方案不可比拟的优势，d s p 可以对数字信号流执行 快速的数学运算，其运算能力是普通处理器所无法比拟的。这些数学运算从简单的加 减法和乘法到复杂滤波以及信号分析功能，如快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m s ，f f t ) 。大多数d s p 芯片可以在一个指令周期内( 1 0 n s ) 完成一次乘法 和加法( m a c ) 运算，这是单片机或是a r m 所不能实现的。同时d s p 的软件实现主 要依靠c 语言，相对来说容易掌握，且其足以承担变压器微机保护i e d 的功能要求。 1 2 第2 章变压器微机保护i e d 的总体设计 本设计选择了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 以下简称f 2 8 1 2 ) 型号的d s p 作为变压器 微机保护i e d 的主控制器。图2 4 是f 2 8 1 2 的功能框图。 片上存储器： f l a s h ：1 2 8 k * 1 6 位 s r a m ：1 8 k * 1 6 位 b o o tr o m ：4 k * 1 6 位 o t pr o m ：l k 4 1 6 位 叫 孓 器 片上外设： 1 p w m 输出：1 2 通道 苎 产a q e p 输入：6 路 n r 叫 a d 输入：1 6 通道 一 t t t s c i 串1 ：2 通道 至 s p i 串r ：l 通道 工 m c b s p： l 通道 n 图2 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图 口 勺 缸 游 如图2 4 所示，f 2 8 1 2 的主要特点【6 】如下： ( 1 ) 主频可达1 5 0 m h z ，足以满足1 0 0 m 的c p u 频率的需求； ( 2 ) 内部集成3 2 位的硬件乘法器，可以快速进行乘加操作； ( 3 ) 片内有1 2 8 k 的f l a s h 和1 8 k 的s r a m ，有着4 m 的线性程序地址和4 m 的线性数据地址，足以存放足够的程序和数据； ( 4 ) 1 2 位a d 转换器，1 6 个通道，8 0 n s 的快速转换时间： ( 5 ) 片内强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适合大批量的数据处理的 测控场合： 以上种种特点都表明f 2 8 1 2 足以作为变压器微机保护i e d 的主控制器。 2 2 2 存储模块 变压器微机保护i e d 需要存储故障数据、保护定值、运行参数以及操作信息等 等，以供外部访问。但f 2 8 1 2 内部仅有1 2 8 k 的f l a s h 和1 8 k 的s r a m ，不足以存储 数据和程序，因而需要外扩存储空间。本设计中主要扩展了e e p r o m 、s r a m 和f l a s h ， 其中保护定值存储在e e p r o m 中以确保掉电保存；电力系统运行参数存储在s r a m 中；故障数据、操作信息则存在f l a s h 中。 1 静态随机存取存储器s r a m 为了能够存储更多数据，i e d 外扩了5 1 2 k 大小的s r a m ( f 2 8 1 2 最大能外扩5 1 2 k 1 3 第2 章变乐器微机保护l e d 的总体设计 的r a m ) ，选择的是i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 l 芯片。i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 l 供电电压为3 3 v ，其内部 有5 1 2 k x1 6 位的数据空间，映射到f 2 8 1 2 的z o n e 6 。 2 f l a s h f l a s h 具有掉电保存的特性，可以用来存储故障数据以及对断路器的操作信息， 同时亦可作为程序空间使用，本设计选择了5 1 2 k 1 6 位大小的s s t 3 9 v f 8 0 0 芯片。 如同i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 l 相似，s s t 3 9 v f 8 0 0 映射到了f 2 8 1 2 的z o n e 2 。 3 e e p r o m 由于之前一直使用a t 2 4 c 0 8 芯片，考虑到对于本设计来说其空间已足够使用， 因而本设计同样采用了该芯片；a t 2 4 c 0 8 内部有1 0 2 4 字节的存储空间，其与f 2 8 1 2 依靠i i c 总线通信，具有掉电保存的特性，适合存储定值数据。 2 2 3 以太网接口部分 以太网接口的必要性在之前已详细介绍，这里就不细说，下面就以太网芯片的选 择作个介绍。在i e c 6 1 8 5 0 5 中规定了对功能和设备的通信要求，对各种信息量传输 的时间进行了明确的要求，同时在i e c 6 1 8 5 0 9 1 中也有以太网物理层选择指南，根 据节点类型( 发送还是接收) 以及接收节点所连接的合并单元数目来选择以太网速率， 见表2 2 i7 。 表2 2 以太网物理层选择指南( 接收节点) 采样率 所连接的合并单元( m u ) 数目， 一 1234 5 1 0 f r 1 0 m b p s1 0 m b p si 0 m b p s1 0 m b p s 1 2 宰f r 1 0 m b p s1 0 m b p s 1 0 m b p s1 0 m b p s 1 6 拳f r 1 0 m b p s1 0 m b p s1 0 m b p s1 0 m b p s 2 0 + f r10 m b p s10 m b p s10 m b p s10 m b p s 4 0 奉f r10 m b p s10 m b p s10 m b p s10 0 m b p s 4 8 奉f r 1 0 m b p s1 0 m b p s1 0 m b p s1 0 0 m b p s 8 0 f r 10 m b p s10 0 m b p s10 0 m b p s10 0 m b p s 2 0 0 幸行10 0 m b p s 10 0 m b p s10 0 m b p s10 0 m b p s 注：f r ：额定频率( h z ) 本文中只设计了一个合并单元，同时采样频率设定为每周波6 4 点速率，由表2 2 可知选择1 0 m b p s 的以太网即可，因而本课题选择了r t l 8 0 1 9 a s 芯片。r t l 8 0 1 9 a s 是我国台湾r e a l t e k 公司生产的一种高集成度的以太网控制器，适用于即插即用 n e 2 0 0 0 可兼容适配器，并具有全双工和省电特点。全双工使得r t l 8 0 1 9 a s 可进行 同步收发，从而使信道带宽从1 0 mb i f f s 增加到了2 0 mb