1、第27卷第9期2007年9月电力自动化极备Electric Power Automation EquipmentVo1.27 No.9Sept.2007心基于IEC61850的配电线路保护IED设计徐斌，刘子英(华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013)摘要:为实现配电自动化系统(DAS)中的信息共享和智能电子设备(IED)之间的互操作性能，在IEC61850标准的基础上，结合嵌入式技术，设计了新型的馈线自动化终端设备模型，并对其在DAS的应用做了一定的探讨。在对该设备各主要模块功能分析的基础上，将各模块功能分解为多个逻释节.点的组合，实现系统的功能建模和系统建模，搭建了IED的A
2、RM十DSP“双CPU结构硬件平台;在对IEC61850标准的信息分层、面向对象的数据对象统一建模、数据自描述和抽象通信服务接口(ACSI )及特定通信服务映* (SCSM)等概念分析的基础上，提出了基于以太网并井合IEC61850标准的IED通信模型。关键词:配电自动化系统;智能电子设备;IEC61850;互操作性;面向对象中图分类号:TM 773文献标识码:B文章编号:1006-6047 (2007)09- 0103-040引言随着国民经济的发展和现代化水平的提高，用户对电能质量的要求愈来愈高，这就对配电自动化(DA)水平提出了更高的要求。作为配电自动化系统(DAS)的基础，馈线自动化终端
3、(FTU)在配电自动化的实现中起到了关键性的作用。目前，常规的F1U种类繁多，提供的接口和功能各不相同，数据格式也是多种多样，设备间不能共享信息，数据的一致性难以保证，这就是所谓“自动化孤岛”问题。这种现象不仅造成了软、硬件设备的重复投资，还增加了系统的运行维护成本。因此，采用IEC61850标准，设计一种新型的智能电子设备(IED)作为馈线系统的终端设备，可以具有以下优点:不同厂商产品之间可实现互操作性，自动化功能要求与系统规模及运行条件无关;不同厂商的产品功能可以任意配置并具有清晰的配置结构;IEC 61850标准将是电力系统今收稿日期二2007-02-08:修回日期:2007-03-14
4、后很长一段时间内的主流标准，IED产品可在较长时间内适用【。IEC61850标准的核心在于互操作性(即同一厂商或不同厂商的多个IED要具有交换信息并使用这些信息进行协同操作的能力:)，采用IEC61850标准的配电线路保护IED设计具有强大的通信能力和互操作能力，可实现IED设备之间的可靠通信和快速互动，提高配电网的可靠性水平31基于IEC61950的DAS结构4-51IEC61850变电站通信网络和系统标准作为国际电工委员会(IEC)确定的未来统一的电力系统无缝通信协议体系，对解决信息转化和信息瓶颈问题具有无可比拟的优势。DAS主要是借鉴了IEC61850体系中的间隔层和过程层的概念，变电站
5、层即为配电监控总站，间隔层采用FTU作为IED，间隔层与变电站层之间的通信方式将采用标准以太网方式(TCP/IP)6。其结构如图1所示。由图1可看出，间隔层IED(即线路保护与测控IED)需要直接联上以太网，从而避免间隔层IED经Design of video signal acquisition system based on CPLD and SDRAMCAD Xin-li,JIANG Fei,ZHU Ye(1. Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073,China;2. Huazhong University of Science and T
6、echnology, Wuhan 430074,China;3. Wuhan High Voltage Research Institute of SGCC,Wuhan 430074,China)Abstract: A video signal acquisition system is designed for the monitoring of field electrical devices,which is based on 32M embedded processor AT91M40800,with ARM7TDM as its kernel. The controlof SDRAM
7、 is introduced in detail. A general SDRAM controller is designed using CPLD(ComplexProgrammable Logic Device). Applying the design concept of state machine,the time sequence controlprogram is designed with Verilog hardware description language. Simulative waveforms for reading andwriting SDRAM are p
8、resented,with reasonable time sequence and correct logic.Key words: SDRAM controller; state machine; video signal; CPLD万方数据硒电力自动化极备第27卷打印机显示器键盘鼠标变电站层监控主机以太网间隔层线路保护与测控IED线路保护与测控IED过程层T、r、TA状态信号出臼回路隔离开关断路器日隔离开关断路器能，使最大16路的转换在同一转换时期内进行而不会增加CPU的开销，利用其自带ADC模块，不仅可以将图2中的多路转换、AD转换和DSP三者合一，集中到1个DSP芯片中，而且可以提高
9、系统的整体运行速度，利用ADC的自排序功能，可以实现电流量、电压量的任意相位、时序选择;c. S3C2410处理器内部没有集成媒体访问控制器MAC(Media Access Controller)，要通过总线扩展以太网接口，采用台湾Realtek公司生产的10M以太网控制器RTL8019AS扩展出1个IOM的以太网接口用以字Fit网络捅信劝能_图1基于工EC61850的配电自动化系统结构圈Fig. 1 Structure of DAS based on IEC61850过变电站层的数据处理及通信单元的以太网，或者在各配电子站保护单元加装网关设备经协议转换后再上以太网，这就减少了通信处理及转换的
10、中间环节，减少了系统结构的复杂性，增加了系统的可靠性。采用IEC61850体系DAS具有统一的数据报文格式，其数据对象可以自我描述，间隔IED直接联上以太网，可以提高系统的实时性，实现IED的互操作功能。2 FTU(IED)硬件平台设计FTL采用DSP+ARM，的双CPU结构，利用DSP的强大的数据处理能力，可以对采集到的数据进行快速傅里叶运算(FFT)，得到各次谐波的分量;利用ARM 9芯片强大的功能，嵌人Linux操作系统，实现网络通信、人机交互、管理控制等一体化功能。配电线路保护IED的硬件结构原理图如图2所示。图2配电钱路保护IED硬件结构原理图Fig.2 Hardware struc
11、ture of IED fordistribution system line protection在设计方案中:a ARM采用三星电子生产的S3C2410微处理器，它集成了全性能的数据存储管理单元MMU (MemoryManagement Unit)，支持Windows CE,Linux,PalmOSCache等主流嵌人式操作系统，集成了3路通用异步收发器(UART)，可以很方便地与DSP交换信息，存储控制器能够以8,16,32位的外部总线宽度，支持对ROM /SRAM月ash,SDRAM,DRAM及外部的访问;b. DSP用德州仪器(TI)生产的TMS320LF 2407,具有30 MIP
12、S执行速度，片内有高达32K字的Flash程序存储器，其自带高性能的10位模数转换器(ADC)提供高达16路的模拟输人，具有自动排序功3配电线路保护IED主要功能模块与实现配电线路保护IED以线路为对象，应当具有保护、测控、录波、通信等功能。数据采集模块负责对各个通道的模拟量进行模数转换以及扫描遥信状态;通过对采集到的数据进行FIT运算从而得到各路模拟量的基波、高次谐波、功率、相角等，为馈线监测和故障判断模块提供数据。根据一般配电线路的特点，保护IED一般需要配置的功能是:三段式相间距离保护、三段式接地保护、三段式相零序方向电流保护、三相一次重合闸、电压互感器(TV)断线检测、故障录波等功能9
13、。3.1 IED功能模块的实现实现IEC61850的重点主要涉及2个方面:在变电站层的监控主站系统中实现与IEC61850相关的功能;在间隔层IED上实现保护、控制，特别是在间隔层IED的通信模块中实现TCP / IP、制造报文规范(MMS)、可扩展标记语言(XML)等技术。IED软件设计也是按功能划分进行模块化设计，按照功能的划分主要为:数据采集类、数据处理类、故障监测和判断类、各种继电保护类、事件捕获类、人机接口类及通信模块。IEC61850标准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Lei。每个服务器(Server)包含一个或多个逻辑设备LD (LogicDevic
14、e)，每个LD又包含一个或多个逻辑节点LN(Logic Node),LN包含数据对象(Data Object)，数据对象则是数据对象属性(Data Attributes)的集合i9J0IED软件设计除了要实现保护和控制等功能外，还需要考虑和遵循IEC61850所定义的数据模型、设备模型及描述数据对象的方法及面向对象的服务，以实现互操作性与可扩展性。按IEC61850 - 7 - 4定义的逻辑节点模型，采用面向对象分层描述方法描述过电压保护逻辑节点(PTOV)，其方法如图3所示。继电保护(LD).过电压保护哪ov(LN)一EDataAttributes:*.,H #b.定义了抽象通信服务接口(A
15、CSI )，描述了服务器和客户端的通信，描述了服务器和客户端间的通信，包括实时数据交换、设备的自我描述、文件传输等i4;,c.定义了特定通信服务映射(SCSM)，将ACSI映射到特定的网络通信协议(TCP/IP,MMS、各种现场总线、串行线等)，其关系如图4所示(图示为配置文件Part 6) o逻辑节点(LN)数据对象(DO)教据日介数据抽象通信服务接口(ACSI)数据(伽 m特定通信服务映射(SCSM)_MMS,TCP/IP糕th信息模型Part7-3 P7-4信息交换P旧d7_卫映射到具体协议MMS,TCP/IP等图4 IEC61850的分层通信体系Fig.4 Delaminated co
16、mmunication system of IEC61850通过对IED设备的功能分析，可以得到与IEC61850相对应的LN，实现对配电线路保护IED的系统建模和信息建模，通过实例ACSI服务类，并将其通过SCSM映射到具体通信网络中(如MMS,TCP/IP等)，从而实现客户端与服务端的数据交换。IEC61850的核心在于互操作15，不管系统中的ED设备采用何种通信网络介质，只要将信息建模、抽象服务和具体映射三者有机结合，就可以解决数据对象的自我描述问题，简化数据维护，实现IED的互操作功能。5结语IEC6185。是统一的变电站网络通信标准161，也必将成为配电自动化的无缝通信协议标准。在对
17、IEC61850在配电自动化系统中的应用做了一定的可行性研究，并且采用IEC61850的思想设计了配电线路保护IED以取代常规的FTI，对配电线路保护IED进行了系统建模和信息建模，对其通信模块的设计也做了一定的探讨与研究。基于IEC61850标准的配电线路保护IED不仅可以实现真正意义上的信息共享，还可以实现常规FPC很难实现的互操作性能，对于提高配电自动化系统的实时性和可靠性具有较大的帮助。参考文献:川任雁铭操丰梅，秦立军，等一MMS技术及其在电力系统通信协议的应用J.电力系统0动化，2000,24(10);66-69REN Yan-ming,CAO Feng-mei,QIN Li-jun
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20、JEC61850standard applied to substation automation systemJ. Jiangsu Elec-trical Engineering,2(X)1,23(3):8-11.5徐宁朱永利，邸剑，等.基于IEC61850的变电站n动化对象建模J电力自动化设备，2006,26(3):85-89XU Niag,ZHU Yong一Ii,DI Jian,st al. Substation automationobject modeling based on IEC6185017. Electric Power Auto-motion Equipment,2006
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25、-jun,YANG Qi-xua Study on IEC61850communication protocol architectureJ. Automation of ElectricPower Systems,2000,24(4):62-64.13谭文恕.曹冬明，李泽等.DL/T 860.73-2004/IEC61850-7-3:2003变电站通信网络和系统第7一3部分:变电站和馈线设备的基本通信结构公用数据类5.北京:中国电力出版社，2005.14谭文恕，曹冬明，李泽，等. DL / T 860.72一2004 / IEC61850一7-2;2003变电站通信网络和系统第7-2部分:变
26、电站和馈线设备的基本通信结构抽象通信服务接口S.北京:中国电力出版社,2005.15张结，卢德宏.IEC6185。的语义空间研究【J电力系统自动化，2004,28(11);45-48ZHANG Iie,LU De一hong. On the semantic space in IEC61850J. Automation of Electric Power Systems,2004,28,(11):45-48.16任雁铭.基于嵌人式以太网的变电站自动化系统通信网络If.电力系统自动化，2001,25(17):36-38.REN Yan-ming. Computer network based on
27、 embedded Ethernettechnique for subsatian automation systemJ. Automation ofElectric Power Systems,2001,25(17):36-38.I7邓立华，陈星莺.配电系统可靠性分析综述J.电力自动化设备，2004,24(4):74-77.DENG Li-hua,CHEN Xing-ying. Review of distribution sysytemreliability evaluationJ. Electric Power Automation Equipment,2004,24(4):74-77.
28、18余晖，丙志浩，周欢荣，等数字式保护装置的杭干扰设计【1.电力自动化设备，2005,25(10):82-84YU Hui,RUl Zhi-hao;ZHOU Huan-rong,et al. Anti-interferencedesign for digital protection J. Electric Power AutomationEquipment, 2005,25(10):82-84.(资任编辑:汪仪珍)作者简介:徐斌(1978-),男，江苏扬州人硕士，研究方向为远动技术(E-mail; ) ;刘子英(1964-)，女，江西于都人，副教授.研究方向为微机继电保护Design of
29、IED based on LEC61850 standard fordistribution system line protectionXU Bin, LIU Zi一户ng(School of Electrical and Electronic Engineering,East China 7iaotong University, Nanchang 330013,China)Abstract; To realize the information sharing of DAS (Distribution Automation System) and the interope-rability
30、 of its IEDs(Intelligent Electronic Devices),a new model of FTU(Feeder Terminal Unit) isdesigned based on the IEC61850 standard and the embedding technology,with its applications in DASdiscussed. Functions of its main modules are analyzed and separated into multiple logic nodes torealize the functio
31、n modeling and system modeling. A dual一CPU of ARM and DSP is set up. Someconcepts are analyzed,such as information delamination of IEC61850 standard,o场ect一oriented andunified modeling,data abject self-description, abstract communication service interfaces, special com-munication system service mapping and so on,based on which an Ethernet一based communicationmodel conforming to IEC61850 standard is proposed.Key words: DAS; IED; IEC61850; interoperability; object一oriented万方数据
