基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器的研究.pdf

1、广东工业大学硕士学位论文基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器的研究姓名：田云杰申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：程良伦20080501摘要摘要近年，变电站向自动化、数字化方向发展。通信技术和微电子技术的快速发展给变电站综合自动化系统带来巨大的变革，现行的变电站一次设备与二次保护、测控设备的通信难以满足发展的需要。随着IEC61850标准的提出，变电站许多的功能下放到过程层来实现，则一次设备与二次设备的通信接口成为需要重点研究和解决的问题，而合并单元就是实现此通信接口的关键设备。本文提出了遵循IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器的研究和设计，旨在研究和设计出一种

2、满足变电站过程层通信的电力系统信息采集控制器。该控制器遵循IEC61850标准，采用嵌入式技术，使用高性能的工业级ARM架构微处理器S3C241 0X和嵌入式Linux，能够对互感器采集信息和状态信息进行汇集并以以太网方式输出。本文首先概述了遵循IEC61850标准的合并单元控制器的研究意义和目的，分析了国内外相关产品的研究现状；其次介绍了IEC61850标准和变电站自动化系统与合并单元的相关联内容，分析了嵌入式合并单元控制器的硬件结构和功能模块的组成，描述了嵌入式操作系统的移植技术和开发环境的建立；接着分析和仿真了FPGA对采集数据的解码和校验，对合并单元装置同步信号的识别和采集装置同步信号

3、的产生做了分析，并对采样值传输模型进行了分析；然后对基于IEC61850标准的过程层以太网通信技术进行研究，并针对通用数据集和状态数据集的网络通信实现做了详细的分析，介绍了嵌入式网络控制器的实现方案，开发了通道监控界面；最后提出了过渡方案的实现，并进行了一系列的相关测试。本文研究的基于IEC61 850标准的嵌入式合并单元控制器符合IEC61 850标准的变电站过程层自动化和数字化的要求，所取得的成果为这一前沿技术的进一步研究提供了参考价值，并具有一定的工程应用价值。关键词：IEC61850；嵌入式系统；合并单元；FPGA；电子互感器广东T业火学工学硕上学位论文ABST RACTIn rece

4、nt years，substation technology having evolution towards automation anddigitizationWitll the fast development of communication technology andmicroelectronics technique，automation system of substation has caused the greatlyrenewal，SO the current communication mode of the primary equipment and secondar

5、yequipment in substation has not met the needWith the presentation of IEC6 1 850standard，many functions of substation ale transferred to process layer to accomplishHowever,the communication interface between primary equipment and secondaryequipment is the problem that need deeply research and design

6、，and the merging unitis the key realization equipmentThe thesis which propose to study and design the embedded merging unitcontroller based on IEC6 1 850 standard，is for the purpose research and design onekind of power system information acquisition equipment which met the need ofsubstation process

7、layerThe equipment based on IEC6 1 850 standard and embeddedtechnology,based on high-performance，industrial-grade ARM microprocessor-S3 C241 0X，used embedded Linux as OSController can merge transducerssampling dataand status data,which were put out by Ethemet networkThis paper firstly summarizes the

8、 background and meaning of the research，analyzes the present research status of the interrelated products in the domestic andforeignSecondly,it narrates the merging unit based on IEC6 1 850 and substationautomation system，analyzes the hardware structure of the embedded merging unitcontroller and the

9、 function modules，introduces the transplantation technology ofembedded OS and the establishment of the development platformThirdly,it analyzesand simulates the Manchester decoding and CRC by using FPGA，analyzes theidentifying method of merging unitS synchronization signal and the producing plan ofsa

10、mpling equipmentS synchronization signal，and analyzes the event model ofsampling datas transmissionThen it introduces the research and design of Ethemettechnology based on IEC6 1 850 standard，analyzes the network communication ofIIABSTRACTuniversal data set and status data set in detail，introduces t

11、he scheme of embeddednetwork controller and develops the interface of system monitorAt last the articleputs forward a transition scheme which realizes the function of merging unit and teststhe performance of merging unitEmbedded merging unit controller based on IEC6 1 850 standard is available forau

12、tomation and digitization of substation process layerThe returns of this paperestablish the reference value for the future research of technique in leading edge，andhave worth in projectKey Words： IEC6 1 850；Embedded System；Merging Unit；FPGA；ElectronicIIl独创r丰声明独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师

13、的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人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任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。指导老师嫁私凰山论文作者签字：、I勺诜互M客年月乡日第一章绪论第一章绪论IEC61850标准强调未来变电站自动化系统SAS fSubstation AutomationSystem)的开放性、互操

14、作性和可扩展性，强调设备数据模型标准、完整、规范，能够实现间隔层设备与站控层设备对过程层设备的信息共享，而过程层的关键设备合并单元则是实现基于IEC61 850标准的数字化变电站自动化系统的基础。本章主要分析本课题的研究背景及意义，分析国内外对IEC61850标准与合并单元控制器的研究现状，然后提出本论文主要所做的工作。11本论文的研究背景及意义111研究背景随着电网结构日趋复杂，电网容量不断增加，实时信息传送量几何增长，调度自动化系统和厂站自动化系统对数据通信提出了更高的要求。为适应变电站自动化技术的迅速发展，国际电工委员会IEC(International Electrotechnical

15、Commission)第57技术委员会于1995年成立了3个工作组WGl01112，负责制定IEC61850标准。1999年3月，3个工作组提出了IEC61850标准草案版本。中国从2002年开始对IEC61850系列标准进行转换，等同采用并作为电力行业标准，标准代号为DLT 860系列，于2007年4月26日审查并通过IEC618506最后一部分。至此，IEC61850标准已全部等同成为国家标准，开始贯彻执行。IEC61850标准将变电站通信体系分为3层(如图11所示)：变电站层(站控层)、间隔层、过程层，并且定义了各层之间的通讯接口。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制

16、造报文规范(MMS)、传输控制协议网际协议(TCPIP)以太网或光纤网；在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。过程层的主要设备有远方IO、智能传感器和执行器，完成开关量和模拟量的采集以及控制命令的发送等功能。近几年，由于一次设备中新技术的引用，如广东工业人学T学硕十学位论文电子式互感器、开关设备状态智能检测传感器等，间隔层的许多功能下放到过程层实现。交互式工业以太网成为过程层与间隔层的串行通信网络，按照IEC61850标准，这种通信方式称为过程总线(Process Bus)通信n。过程层设备按照其功能主要可分为三类：(1)电气运行的实时电气量检测，即对电流、电压、相位及谐波

17、分量等进行检测。(2)运行设备的状态参数在线检测和统计。对变压器、断路器、母线等设备的温度、压力、密度、绝缘、机械性以及工作状态的检测。(3)操作控制执行与驱动，包括开关跳合闸驱动等执行机构。变电站层设备由社犀5层 间隔控制 测量 间隔保护呈层 传感器 开关 变压器变电站总线过程总线图卜1变电站体系结构Fig11 Structure of Substation SystemIEC61850标准对变电站过程层的访问和操作有数字化的要求，而在过程层“总线化的过程中，合并单元为变电站过程层的信息数字化、共享化提供了解决方案。合并单元主要用来实现一次设备电压、电流和开关信号的数据同步采集、传输及控制命

18、令的执行，包括光电压互感器(OPT)光电流互感器(OCT)输出的代表电流电压的光信号，以及常规电压电流互感器输出的模拟信号、相应间隔及其关联部分的状态信号采集、智能电子设备IED(Intelligent Electric Device)数据通信等，并实现输出信号(包括跳合闸输出继电器信号)的控制“1。因此，作为变电站过程层数字化的一种实现方式，IEC61850标准中对合并单元进行了规范。嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统m1。它不仅是计算机领域的研究热点，而且在电子、工业控制、航空航天等领域都有很广泛的应用。

19、嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能181，在后PC时代，嵌入式技术已经渗透到各个领域。嵌入式系统还有如下特点：(1)通常是面向特定应用的；(2)嵌入式系统结构必须特别的紧凑，从而达到小体积，2第一审绪论高性能，低成本，低功耗；(3)具有实时操作系统的支持，具有高的执行速度和强的可靠性。综上所述，如果能够将IEC61850标准、合并单元装置以及嵌入式技术结合起来，设计出基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器，将会具有很大的科研意义和工程应用价值，能够进一步推动数字化变电站的进程。112研究意

20、义变电站是电力系统的重要组成部分。发展至今，分层分布式的系统结构和面向间隔设计已成为主题。变电站自动化系统在实现控制、监视和保护功能的同时，为了实现不同厂家的设备达到信息共享，成为开放系统，还应具备互操作性。随着电网结构日趋复杂，实时信息传送量成倍增多，对调度自动化系统的数据通信提出了更高的要求。变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标准化，是实现可靠快速通信的保障。实现过程层的关键设备电子式互感器的数字接口，目前采用的是遵循IEC 6004478和IEC61 8509两种方案，两个标准都规范了电子式互感器数字化输出接口的重要组成部分合并单元(Merging Unit)。传统的合并单元大多采用

21、FPGA或DSP或多单片机系统作为核心控制器件。目前，随着嵌入式技术在工业控制中的应用推广，其优越性更加明显，为满足IEC61850标准对变电站自动化系统及智能设备提出的互操作性、实时性和稳定性要求，将32位处理器ARM(Advanced RISC Machine)与嵌入式操作系统Linux引入到合并单元中。以ARM为核心的嵌入式系统硬件，可保证合并单元的稳定性、实时性和可扩展性。合并单元采用IEC61850标准和嵌入式技术，具有一系列的优点，主要包括：1、装置的控制精度高，系统运行稳定可靠。本论文所研究的基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器采用三星公司的工业级处理器$3C2410X

22、，它是基于ARM920T内核的1632位RISC嵌入式微处理器，采用0189m工艺CMOS标准单元结构，最大工作频率能达到203MHz，它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。2、装置的设计成本低，便于错误诊断和维护。整个控制器采用模块化的设计思想，硬件部分主要用到ARM9芯片、I0扩展模块、串口和网络通信接口以广东T业大学工学硕J?学位论文及其他的一些外围电路，软件设计也不很复杂，所以整个系统的开发费用较低。同时，采用嵌入式模块化结构，易于错误诊断和维护。3、装置互操作性好。IEC61850标准是今后电力系统无缝通信体系的基础，并将扩展到整个基于网络的工业信息控制

23、领域。本论文所研究的合并单元采用的是IEC61850标准，该标准被制定的一个最主要的目的就是实现不同厂家制造的IED之间的互操作。合并单元是电子式互感器的数字接口，采用IEC61850标准是实现数字化变电站的基础，从而体现的“一个世界，种技术，一个标准”的思想”4，。目前，我国变电站多是采用传统装置的变电站，各个公司的产品广泛应用，难以与信息层融合，而采用协议转换花费大量的人力和物力。我们所研究的基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器打破传统的通信方式，在控制器中移植嵌入式操作系统，使用嵌入式网络控制系统可实现控制信息的网络化传输，实现现场设备与企业信息系统及Intemet的无缝连接。

24、该控制器能够满足变电站过程层数据采集的实时性、可靠性等方面的高要求，将该研究成果转化为产品，投入市场，必然带来可观的经济效益。12国内外研究现状IEC61850标准从一开始制定就受到各国电力设备商、电厂、电力运营商等机构的广泛关注，在制定IEC61850标准的过程中，美国、德国和荷兰等国都有示范工程，用于验证和进一步完善标准。SIEMENS、ABB、SCHNEIDER等国外公司针对IEC61850标准曾作过一系列的测试；在国内，南瑞、许继、四方等大公司也都在开始针对IEC61850标准进行相关电力装备的研发，而对于基于IEC61850合并单元控制器及过程层通信的研究也在紧锣密鼓的进行中。自20

25、世纪60年代以来，电子式互感器经历了原理研究、试验样机和现场挂网运行等阶段。目前，电子式互感器正处于实用化、产品化的推广应用阶段睁”，而合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而定义的。对于国外的研究情况，以欧洲、北美最为突出，其次是日本。美国有许多大电气公司都已介入，各自在1982年左右成立了专题研究组，并研制成功了161KV独立式OCT(19861988)，161KV组合式光纤电流互感器光学电压互感器。1991年6月ABB电力T&D有4第一章绪论限公司公布了用于计量和继电保护用的345KV电站的OCT系统，并在多个地区挂网运行。1996年3M公司开发用于138KV电压等级的全光纤电流测量模块

26、，据称也可用于500KV电压等级。此外，日本、英国、德国、法国等国也在电子互感器的研究上取得了较大的进展。为了规范各组织在变电站自动化系统领域内的研究，IEC制定了变电站内通信网络和系统标准体系IEC61850标准，目前已经发布了最新的IEC61850标准(2004版)。其中IEC61850一9对电子互感器的输出接口定义又做了新的补充。2000年CIGRE会议上ABB和SIEMENS公司宣布共同支持IEC618509，并于2001年11月在KEMA通过了一致性测试，2002年1月在美国进行采样值的网络传输测试。中国有关电子式互感器及合并单元的研究也在进行，目前主要的研究单位有电子部26所和34

27、所、清华大学、华中科技大学、电力科学研究院等。这几年，电子式互感器及合并单元控制器在变电站自动化系统中的应用正成为研究重点。2002年出台的电子式电流互感器标准IEC 600448Electronic CurrentTransformer)-首次提出了电子式互感器数字输出的概念，电力互感器为了与符合IEC61 850标准的二次设备相连接实现互操作必须有一座桥梁，那就是合并单元，现今曾有研究机构提出一种基于现场合并单元可编程阵列(FPGA)技术和DSP技术实现合并单元，完成数据的接收，处理以及同步功能以及数据的发送。对于基于IEC61850标准的合并单元的研究目前提出的方案多为基于FPGACPL

28、D和DSP相结合的方案，采用多单片机系统去实现但难整合，对于结合嵌入式技术来实现尚只有少许研究，因此本课题采用IEC61850标准和嵌入式技术来实现合并单元的功能。综上所述，基于IEC61 850标准的合并单元控制器的研究在国内尚处于起步阶段，而开发嵌入式合并单元控制器符合行业的发展需要，具有速度块、稳定性高、易扩展、便于升级更新等优点。13课题来源及主要研究内容本课题来源于广东省教育厅科技计划项目(项目编号20070431)。由于本课题涉及面较广，交叉计算机技术、自动化技术、网络通信技术、电广东T业大学T学硕士学位论文力系统，本人只负责以下主要研究工作：1、与合并单元相关标准的研究和语意分析

29、；2、基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器的实现方案；3、嵌入式控制器开发环境的搭建和系统的移植；4、数据接收和数据还原模块的研究；5、IEC61850标准合并单元控制器通信功能的实现；6、IEC61850合并单元控制器相关的测试试验。本论文共分为五个章：第一章：绪论部分，介绍本课题的研究背景及研究意义，列出合并单元相关部分的国内外研究现状，并讲述本论文的主要研究内容。第二章：解析IEC61850标准及变电站自动化系统，介绍合并单元控制器的基本硬件结构及其功能，搭建嵌入式系统的开发平台。第三章：介绍基于IEC61 850标准的合并单元的数据还原模块和采样值传输模型的研究，介绍数据的还

30、原、处理以及对同步信号的研究。第四章：介绍控制器通信部分的研究，研究以太网多端口通信以及与合并单元信息有关的串口部分，最后给出监控界面设计说明。第五章：根据IEC61850标准，对合并单元相关的测试进行研究以及对相关测试数据进行分析。结论：对论文取得的成果进行总结，讨论有待进一步解决的问题。6第二章嵌入式IEC61850合并单元拧制器的设计第二章嵌入式I E061 850合并单元控制器的设计嵌入式系统的构架一般可以分为四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件。为了适应数字化变电站的需求，我们设计的嵌入式合并单元控制器强化了数据通讯和数据处理功能，在系统软件的实现上遵循变电站IEC61850标准

31、。21 l EC61 850标准与变电站自动化系统目前，我国变电站自动化系统存在多种通信协议，如CDT、Modbus、IEC608705系列、DNP V30等。一个变电站使用的产品可能来自南瑞、许继、四方、ABB、SIEMENS等大公司，也可能来自其他小公司，不同公司的设备间互操作性(Interoperability)很差。为了实现信息共享或自由交互，IEC61850标准的应用刻不容缓。211 l EC61 850标准的发展与技术特点最初，变电站自动化无统一的通信协议，电厂、变电站与调度中心只是根据简单的约定来通讯，且内容和要求也无统一的规定。使得不同制造商的IED之间交换信息必须通过协议转换

32、完成，为了设备间的互操作性，必须花费大量的人力和物力做通信协议转换装置，这样一方面难以无缝集成和降低了可靠性，另一方面增加了系统成本和维护的复杂性。自由访问和自由数据交换要求一个新的国际通信标准n41出现迫在眉睫。1995年，IEC TC57成立了三个新的工作小组WGl0、WGll、WGl2负责制定IEC61850标准，WGl0负责变电站数据通信体系的整体描述和总体功能要求；WGll负责站级数据通信总线的定义；WGl2负责过程级数据通信协议的定义。同时，美国电力科学研究院(EPRI)也在进行公共设施通信体系UCA20标准的制定，并计划由IEEE出版。为了避免同时出现两个标准，1998年IEC和

33、IEEE达成共识：UCA20提交给IEC，由IEC牵头继续负责制定IEC61850标准7广东T业大学工学硕上学位论文且作为世界上唯一标准。1999年IEC TC57京都会议和2000年SPAG会议上提出将IEC61850作为无缝通信标准。2002年正式通过将IEC61850标准作为变电站通信网络和系统的国际标准。经过几年讨论，2005年正式颁布IEC61850标准。我国于2007年4月26日审查通过IEC618506最后一部分，至此IEC61850标准已全部等同成为我国的电力行业标准，标准代号为DLT860系列。IEC61850标准制定将满足IED和用户自由开放信息，且能够支持未来技术的发展。

34、IEC61850标准共包括10部分，所包含的系列文档如图21所示。系统部分Part 1：介绍和概述Part2：术语Part 3：总体要求Part 4：系统和丁程管理Part 5：功能和设备模型的通信要求Part 6：lED的通信配置描述语言Part 7：变电站和馈线设备的基本通信设备Part 8：特定通信服务映射Part 9：采样测量值Part 10：一致性测试图2一l IEC61850标准各类文档Fig2-1 Document of IEC61850 StandardIEC61 850标准的主要技术特点为：(1)采用分层、分布的体系结构，增强了对过程总线的支持。(2)使用面向对象的UML(U

35、nified Modeling Language)统一建模技术。IEC61850标准为面向对象的通信协议，它为变电站、通信体系及服务建立了基于对象的数据模型。IEC6185073中定义了29种公共数据类，并利用对象的继承性和多态性将其实例化为500多种数据对象，由这些对象及其属性构成逻辑节点。(3)使用抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM技术。IEC61850归纳出电力系统所需的信息传输的网络服务和对象集，设计出抽象通信服务接El ACSI，它独立于具体的网络应用协议，与采用的网络无关。目前ACSI的映射由特使通信服务映射SCSM完成“”。(4)实现智能电子设备间的互操作性。8第

36、二二章嵌入式IEC61850合并单元控制器的设计(5)提供自我描述的数据对象及其服务。在IEC618506中定义了变电站描述语言SCL(Substation Configuration description Language)，该语言用于描述lED的配置和通信系统，使得通信系统配置数据可在不同制造商提供的lED和系统配置工具之间相互交换。(6)具有面向未来、开放的体系结构。开放式系统延长了系统的使用寿命、扩大了变电站系统的功能、增强了其兼容其他产品的能力。212基于I EC 61 50标准的变电站自动化系统“变电站自动化系统”于1997年首次提出，IEC对SAS解释为“The SASprov

37、ides automation in a substation including the communication infrastructure”，实际上，SAS是将计算机技术、自动化技术和网络通信技术等在变电站领域内综合应用。目前，变电站正朝着无人值班的趋势发展，提出了数字化变电站的概念，就是由电子式互感器、智能一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信标准的基础上分层构建，能够实现lED间信息共享和互操作的现代化变电站n7，。传统CTPT、光CTPT、一次设备图2-2基于IEC61850标准的变电站自动化系统的分层结构Fig2-2 Structure of Substation A

38、utomation System based on IEC61850SAS从逻辑上分为三层，分别为站控层、间隔层、过程层。由GPS统一给变电站各层进行同步。过程层主要完成开关量IO、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能；间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次9广东T业大学工学硕L学位论文设备产生作用；变电站层一方面利用各个间隔或全站的信息对一次设备发生作用，另一方面与远方控制空心、工程师站及人机界面通信。2004年11月，SIEMENS公司在瑞士承建了世界上第一个运用IEC61850标准的变电站自动化系统。2006年10月，国内第一个由国电南瑞研制的应用IEC61850标准的

39、北京顺义500KV变电站自动化系统通过出厂验收。虽然目前市场上并没有出现完全符合IEC61850标准的SAS，但许多电力自动化设备厂商都在加紧步伐对IEC61850标准相关产品进行研发。213合并单元通信映射与信息模型构建合并单元在IEC 600448中首次提出，针对电子式互感器的数字化输出而定义的，如图23所示。通常为7个电流互感器和5个电压互感器传输的信号经过一定的处理，然后按照曼彻斯特格式将信息组帧发送给二次设备坩，。IEC618509中重新对合并单元进行了规范。并提出以太网接入方式，按照ISOIEC8023协议规定的帧格式封装，通过TCPIP协议实现数据的传输。图2-3合并单元的定义1

40、0出第二章嵌入式IEC61850合并单元控制器的设计IEC61 850标准对过程层和间隔层的采样值传输定义了两种方式：一种是采用串行多路点对点传输，另一种是采用串行总线的传输方式陋。IEC618509-1部分定义了前者的链接映射，过程层和间隔层通过以太网技术将合并单元中数据单向发送给间隔层的保护控制设备，这种方式通信较为容易实现。IEC6185092中采用了过程总线的方式，采样值传输基于ISOIEC 88023以太网，分为客户端服务器和采样值服务两种类型。前者属于ACSI映射，通过SCSM映射到应用层的MMS的TCPflP以太网；后者实现分组广播和单播，将ASDU直接映射到以太网链路层，采用C

41、SMACD方式，但是由于访问的冲突性，对网络的性能要求较为严格。通过分析可知，对于采用IEC6185091标准的通信，方式简单容易实现，且由于数据是单向传输有强的可靠性；对于采用IEC6185092是基于过程总线的方式，使用网络方式于变电站自动化系统过程层和间隔层串行通信会更彻底，但是目前要实现IEC6185092部分会面临许多问题，主要是现阶段对网络性能的要求。冒 亩匿盈图24 IEC61 850信息模型建立方法示例Fig2-4 Example of Building Information Mode based on IEC61850变电站自动化系统的信息交换机制主要依赖于良好的信息模型定

42、义。模型以一种抽象的方式描述了面向通信的实际功能或装置。根据IEC61850标准，每个IED由软件、硬件和服务器组成，每个服务器包含一个或多个逻辑设备LD(Logical Device)，每个LD包含一个或多个逻辑节点LN(Logical Node)，每个LN广东T业大学T学硕-L学位论义包含一个或多个数据对象及相对应的数据属性。IEC61850标准根据电力系统应用的需要定义了92个逻辑节点，用于存储数据。如图24所示幢“，变电站中的断路器，通过虚拟(Virtualization)建模，采用IEC6185074在抽象模型中对应一个逻辑节点XCBRl，XCBRl中表示断路器开关位置的POS为数据

43、，这些数据有自己的属性和数据服务。通过这些数据属性表达了系统的主要信息，从而通过标准定义的专有服务进行交换。最后服务被定义为抽象通信服务，通过抽象服务映射到具体的通信协议栈中。遵循IEC61 850的合并单元，逻辑设备一般至少包含一个物理设备辑节点、一个逻辑节点零和一个或多个特定应用逻辑节点。如图25所示，逻辑设备MergingUnitl由LPHD、LLN0、phsaTCTR、phsbTCTR、phscTCTR等逻辑节点组成。其中LPHD为物理设备逻辑节点，它包括铭牌信息、设备健康状态的公共信息；LLN0为逻辑零节点，它代表逻辑设备的公共信息，物理设备逻辑节点和逻辑零节点是合并单元中必不可少的

44、节点。合并单元所采集的12路电压、电流信息可以作为12个特定的应用逻辑节点，例如phsaTCTR等节点。逻辑节点由数据对象组成，如A相电流互感器(保护)的逻辑节点phsaTCTR由Amp(表示采样值电流信息)和ARtg(表示额定相电流信息)组成。而数据对象又由数据属性组成，例如对于对象Amp由instMag(模拟量数值)和q(模拟量状态正确与否状态)等组成”。Merging UnitlLPHDLLN0phsaTCTRAmpinstMagqARtgBbTVTR图2-5基于IEC61850-9的合并单元的信息模型构建Fig2-5 Structure of Merging-Uni t Informa

45、tion Mode based on IEC618509IEC6185091中对象索引的格式为：；LNName的构成，例如phsa TCTR 1；而电子互感器的DataName和LNClassName在IEC618507己经有定义。LNClassName为TCTR12第二章嵌入式IEC61850合并甲元控制器的设计和TVTR，DataName为amps和volts。22控制器系统需求及硬件总体设计方案合并单元是电子互感器与二次保护控制设备接口的重要组成部分，目前国内一些研究单位采用基于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理(DSP)技术的合并单元实现方案“3“。本论文采用嵌入式技术来完成合

46、并单元的同步，多路数据接收和处理以及以太网通讯功能，满足电子互感器数字接口高速、可靠的要求。221合并单元的系统需求合并单元控制器与一次设备相连的同时，又和二次设备制造商生产的设备相连，在整个通信网络中起到联系一次设备和二次设备桥梁的关系。合并单元与二次设备的接口具有完备的标准，例如采用以太网映射；但是电子式互感器的输出格式并没有具体到每个比特位，所以在实际生产中每个厂家都有自己的格式规范。其传输的数据一般为A相保护电流、B相保护电流、C相保护电流、中性点电流、A相测量电流、B相测量电流、C相测量电流、A相电压、B相电压、C相电压、中性点电压、母线电压共7路电流和5路电压信号。!匝亘巫卜姆Il

47、电流互感器卜_叫采样器卜_I_I-oo_-_o_L一L，一i；匝匣受卜畦霉GPS I接收机l彳错h丽嵌入式合并单元控制器io设备锱图2-6遵循IEC61850标准的合并单元合并单元最早的提出是针对电子互感器的数字输出而定义的，随着广东T业大学-T学硕jj学位论文IEC61850的制定，将一些间隔层的任务下放到过程层来实现，但其重要功能还是对数据的采样值传输。作为一个数字接口，合并单元控制器首先要有数据源，数据源可分为两种情况，一是通过电子式互感器来实现，电子式互感器的光或电信号传输给合并单元作为合并单元的数据源：另一种是对数据的采集由合并单元自身来实现。由于电子式互感器材料和技术的发展，前者更

48、有着广阔的前景，而后者可以作为现阶段实现的一种过渡类型。遵循IEC61 850标准的合并单元控制器的功能框图如图2-6所示。本论文要研究和设计的嵌入式合并单元控制器需满足以下几个方面的技术要求：1、控制器应具有12路采集(7I+5U)功能。交流采样输入相电压1003 V，线路抽取电压100V或loo43 V，交流电流输入为5A，电压和电流的交流采样精度为05级。或是采集数据源为电子式互感器采集器；2、控制器应具有数字量IO读写功能。可同时具备多路遥信输入接口和多路遥控输出接口，状态量电平为24V；3、控制器具有对GPS接收1PPS合并单元同步识别和采样器采样同步信号产生的功能。即1路同步信号输

49、入和2路同步信号输出接口；4、控制器应具有良好的网络通信功能。具有2路RJ45接口，同时或可转接为2路光通信接口，数据时延(采样、数据处理和网络传输延迟)小于10ms。5、数据的传输遵循IEC61850标准。222合并单元的硬件平台总体设计方案嵌入式技术是近几年发展起来的新型技术，它可以解决电子系统小型化和低功耗、高可靠性等问题。本文所述的基于IEC61850标准的嵌入式合并单元控制器基于三星$3C2410X处理器，系统时钟使用外部12MHz晶振，由内部PLL倍频至200MHz+。利用$3C2410X处理器出色的内核功能和外部接口构造了一个嵌入式系统平台，其硬件框图如图27所示，实物图见附录一。由于嵌入式技术设计时可采用模块化设计的思想，所以经常在嵌入式设计时一般将系统分为几个子模块，各个子模块可以并行执行，按照IEC618509所规范的合并单元，采用嵌入式技术的硬件由两部分组成：一块是核心板，另外一14第二章嵌入式IEC6