適用于數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的開發(fā)研究

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

由于負荷性質(zhì)的非線性、沖擊性，以及受電網(wǎng)中相互聯(lián)系線路發(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)量問題。

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

1系統(tǒng)設(shè)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，實現(xiàn)電能質(zhì)量綜合監(jiān)測分析和基于IEC61850的數(shù)字通訊等功能，通訊功能符合新一代數(shù)字化變電站IEC61850的技術(shù)要求，可以與變電站綜合自動化系統(tǒng)的監(jiān)控主機連接和通信。

圖1數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

該文介紹的適用于數(shù)字化變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置硬件設(shè)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，其時鐘速度可達300MHz。內(nèi)部集成兩個CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一個32位的RISC處理器，可以進行基本的處理和系統(tǒng)控制功能，使用DSP6700進行高效的數(shù)據(jù)處理功能。

1.2電能質(zhì)量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)設(shè)計

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各種實時操作系統(tǒng)都是以DSP/BIOS作為底層軟件，為嵌入式應(yīng)用提供基本的運行服務(wù)。電能質(zhì)量監(jiān)測IED嵌入式軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖：

系統(tǒng)初始化軟件模塊，主要對硬件進行初始化設(shè)置，在系統(tǒng)中形成信息模型實體;軟件通信模塊，主要負責與數(shù)據(jù)分析處理層進行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)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(nèi)有符合IEC61850標準IED的數(shù)據(jù)模型;滿足裝置與現(xiàn)有基于IEC61850標準的系統(tǒng)兼容要求;數(shù)據(jù)分析處理軟件模塊主要負責諧波分析、間諧波分析、系統(tǒng)電壓合格率統(tǒng)計分析、瞬時供電斷電統(tǒng)計分析、瞬時沖擊脈沖事件錄波、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(tǒng)計分析、電壓波動與閃變事件統(tǒng)計分析、RMS值突變事件錄波記錄等功能。

1.3系統(tǒng)管理、通訊嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)通訊、管理等采用Linux系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)以其開源性、穩(wěn)定性和免費的特點在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。Linux操作系統(tǒng)的軟件層次主要由用戶程序、操作系統(tǒng)服務(wù)、內(nèi)核和硬件控制4個子系統(tǒng)組成。Linux系統(tǒng)平臺的建立主要包括以下四個步驟：

1.3.1BOOTLOADER的移植

在大多數(shù)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Linux的引導作準備。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux內(nèi)核

根據(jù)不同嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的要求，針對專用的硬件進行相關(guān)Linux內(nèi)核的功能配置、裁剪和移植Linux內(nèi)核。

1.3.3相關(guān)驅(qū)動程序開發(fā)

在電能質(zhì)量監(jiān)測IED中主要的驅(qū)動開發(fā)有：網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動、串口驅(qū)動、USB驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、液晶屏驅(qū)動等。

1.3.4文件系統(tǒng)的建立

在嵌入式系統(tǒng)中通常要使用Flash存儲器來保存程序代碼和數(shù)據(jù)，如果直接對Flash和SDRAM進行操作的話比較困難，所以最好的解決方法是構(gòu)造文件系統(tǒng)，使其提供方便、可靠的系統(tǒng)應(yīng)用。

1.4電能質(zhì)量IED信息模型

IEC61850標準將整個變電站的物理對象(包括若干一次設(shè)備和測量、控制、保護等二次設(shè)備)以及通信網(wǎng)絡(luò)抽象為相應(yīng)的邏輯系統(tǒng)，每個邏輯系統(tǒng)中包含一個服務(wù)器，一個服務(wù)器由一個或多個邏輯設(shè)備組成;邏輯設(shè)備中的功能模塊分為若干個相關(guān)子功能，對應(yīng)為各種邏輯節(jié)點;一個邏輯節(jié)點又包含一個或多個數(shù)據(jù)對象，其中數(shù)據(jù)對象是公共數(shù)據(jù)類的對象實例;一個數(shù)據(jù)對象具有多個數(shù)據(jù)屬性，數(shù)據(jù)屬性含有各種數(shù)據(jù)類型、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(jié)點

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

1.4.2邏輯設(shè)備

在IEC61850標準中，并沒有明確規(guī)定邏輯設(shè)備的模型，因此，在考慮電能質(zhì)量監(jiān)測終端的邏輯設(shè)備建模時有很強的靈活性。根據(jù)我們的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的實際情況，可以規(guī)定，在電能質(zhì)量監(jiān)測終端中，一個監(jiān)測通道就是一個邏輯設(shè)備。假設(shè)一臺電能質(zhì)量監(jiān)測裝置中有3個監(jiān)測通道：監(jiān)測線路1、線路2和線路3，對應(yīng)的邏輯設(shè)備分別為PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所組成的電能質(zhì)量設(shè)備模型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.4.1服務(wù)器

通常一個IED建模為一個SERVER類的實例。電能質(zhì)量IED中，我們可以以一個電能質(zhì)量監(jiān)測物理裝置創(chuàng)建為一個服務(wù)器對象。

1.5電能質(zhì)量IED服務(wù)建模