基于IEC61850微继电保护系统副本.docx
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基于IEC61850微继电保护系统副本
目录
摘要1
0前言2
1IEC61850的研究2
1.1IEC61850微继电保护系统的简介2
1.2IEC61850微继电保护系统的特点2
2IEC61850微继电保护系统硬件系统4
2.1硬件总体框架4
2.2ARM部分硬件结构设计4
2.3DSP部分硬件结构设计4
3IEC61850微继电保护软件系统5
3.1ARM软件结构5
3.2DSP软件结构5
4总结6
参考文献8
基于IEC61850微继电保护系统
摘要:
变电站作为电力系统中的重要环节,担负着电能转换、分配和输送任务,对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。
随着IEC61850标准的提出以及其在变电站自动化系统中应用的深入,适用于IEC61850标准的继电保护智能电子设备(IED)已经成为变电站自动化系统中十分重要的设备。
本文主要介绍了IEC61850微继电保护系统的工作原理及特点,介绍该系统的硬件平台以及软件系统
关键词:
微机保护;变电站自动化;IEC61850;IED;实时操作系统
RelayprotectionsystembasedonIEC61850
Abstract:
Thesubstationsareveryimportantpartsintheelectricpowersystem,andtheyhavethemissionforelectricpowerconversionandallotment,whichmakestheminaprominentpositiontosafetyandeconomicoperationoftheelectricalnetwork.WithIEC61850standards’presentingandastoitsdeeperinfluenceinthesubstationautomationsystem,relayprotectionintelligenceelectronicsequipments(IED)areapplicabletoIEC61850,whichhavebeentheimportantdeviceinthesubstationautomationsystem.ThispaperdescribestheworkingprincipleandcharacteristicsoftheIEC61850relayprotectionsystem,thesystem'shardwareplatformandsoftwaresystems.
Keyword:
DigitalProtction;SubstationAutomation;IEC61850;IED;Real-timeOperationSystem
0前言
随着计算机技术、电子技术和通信技术的高速发展,电力系统继电保护装置已从20世纪50年代左右的机电式保护发展到现在的微机继电保护。
自从微机引入继电保护以来,微机保护在利用故障分量方面取得了长足的进步,另一方面,结合了自适应理论的自适应式微机保护也得到较大发展,同时,计算机通信和网络技术的发展及其在系统中的广泛应用,使得变电站和发电厂的集成控制、综合自动化更易实现。
未来几年内,微机保护将朝着高可靠性、简便性、通用性、灵活性和网络化、智能化、模块化等方向发展,并可以与电子式互感器、光学互感器实现连接;同时,充分利用计算机的计算速度、数据处理能力、通信能力和硬件集成度不断提高等各方面的优势,结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波技术等,设计出性能更优良和维护工作量更少的微机保护设备[1]。
1IEC61850的研究
1.1IEC61850微继电保护系统的简介
IEC61850提出了一种公共的通信标准,通过对设备的一系列规范化,使其形成一个规范的输出,实现系统的无缝连接。
IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准,它是由国际电工委员会第57技术委员会(IECTC57)的3个工作组10,11,12(WG10/11/12)负责制定的。
此标准参考和吸收了已有的许多相关标准,其中主要有:
IEC870-5-101远动通信协议标准;IEC870-5-103继电保信息标准;UCA2.0(UtilityCommunicationArchitecture2.0)(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系);ISO/IEC9506制造商信息规范MMS(ManufacturingMessageSpecification)。
变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层:
变电站层、间隔层、过程层。
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造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)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。
变电站内的智能电子设备(IED,测控单元和继电保护)均采用统一的协议,通过网络进行信息交换。
1.2IEC61850微继电保护系统的特点
IEC61850标准是由国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommission)第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。
作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准,IEC61850标准吸收了IEC60870系列标准和UCA的经验,同时吸收了很多先进的技术,对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统(SAS)的设计产生深刻的影响。
它将不仅应用在变电站内,而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。
国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向,力图和新的国际标准接轨,以适应未来的发展方向[2]。
IEC61850系列标准共10大类、14个标准,具体名称不在这里赘述,读者可以很容易在网络上查找到,以下主要介绍一下IEC61850的特点。
(1)定义了变电站的信息分层结构。
变电站通信网络和系统协议IEC61850标准草案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,并且定义了层和层之间的通信接口。
(2)采用了面向对象的数据建模技术。
IEC61850标准采用面向对象的建模技术,定义了基于客户机/服务器结构数据模型。
每个IED包含一个或多个服务器,每个服务器本身又包含一个或多个逻辑设备。
逻辑设备包含逻辑节点,逻辑节点包含数据对象。
数据对象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。
从通信而言,IED同时也扮演客户的角色。
任何一个客户可通过抽象通信服务接口(ACSI)和服务器通信可访问数据对象。
(3)数据自描述:
该标准定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立对象名的命名规则;采用面向对象的方法,定义了对象之间的通信服务,比如,获取和设定对象值的通信服务,取得对象名列表的通信服务,获得数据对象值列表的服务等。
面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述,传输到接收方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、标度转换等工作。
由于数据本身带有说明,所以传输时可以不受预先定义限制,简化了对数据的管理和维护工作。
(4)网络独立性:
IEC61850标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务,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(ASCI)。
在IEC61850-7-2中,建立了标准兼容服务器所必须提供的通信服务的模型,包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、数据模型和数据集模型[3]。
客户通过ACSI,由专用通信服务映射(SCSM)映射到所采用的具体协议栈,例如制造报文规范(MMS)等。
IEC61850标准使用ACSI和SCSM技术,解决了标准的稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾,即当网络技术发展时只要改动SCSM,而不需要修改ACSI。
2IEC61850微继电保护系统硬件系统
2.1硬件总体框架
本装置由CPU板、模拟量输入板、开关量输入板、开关量输出板、电源板等多块板卡组成。
板卡全部采用模块化设计,可根据用户使用需求自由组合。
CPU板主要完成继电保护、数据采集、人机接口及通信等功能。
硬件采用先进的32位ARM嵌入式微控制器AT91RM9200[4]和32位DSP处理器TMS320VC33[5]组成双CPU结构,CPU之间使用双口RAM进行数据交换;ARM主要运行嵌入式操作系统、液晶显示、键盘控制以及与外界进行各种实时通信;DSP主要负责采样滤波、保护的各种计算及保护的逻辑判断等;AD选用16位高精度采样芯片。
ARM9芯片提供丰富的通信接口,例如RS-232、RS-485、CANBUS、以太网、光纤、USB等,不仅为用户提供了符合103规约的通信方式,而且还可实现符合IEC61850规约的通信等。
2.2ARM部分硬件结构设计
本装置CPU板是采用双CPU架构,其中一块CPU采用ATMEL公司的AT91RM9200芯片,此芯片是ATMEL公司针对系统控制以及通信领域推出的基于ARM920T内核的新型微控制器,ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。
其中,MMU可以管理虚拟内存,高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。
ARM920T有两个内部协处理器:
CP14和CP15。
CP14用于调试控制,CP15用于存储系统控制以及测试控制。
AT91RM9200片内集成了USB、以太网、EBI、MCI、SSC和SPI等多种通信接口,200MIPS的处理速度和先进电源管理使这款芯片非常适合于系统控制和通信领域。
2.3DSP部分硬件结构设计
保护控制模块部分采用DSP,它具有运算速度快、计算精确等特点。
用它来完成保护和控制能满足电力系统继电保护的要求。
根据系统系统需求分析,课题选用TI公司开发的新一代32位高性能浮点型DSPTMS320VC33。
TMS320VC33是美国TI公司推出的TMS320C3X系列的32位浮点数字信号处理器,它是在TMS320C31浮点DSP的基础上开发的一个价格更低的DSP,该产品具有高速、低功耗、低成本、易于开发等显著优点。
TMS320VC33采用内部1.8V,外部3.3V供电,因而它的功耗比原有型号TMS320C31的功耗降低了大约一个整量级,而且能支持高达150M/FLOPS的运行速率。
其主要特性如下:
CPU是32bit的高性能CPU,可进行16/32b整数和32/40b的浮点操作,内含8个扩展精度寄存器,有2个地址发生器、8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元(ARAU)。
片内存储器为32bit指令字、24bit地址线、34K×32b(1.1Mb)的双静态RAM,外围接口具有启动程序装载功能,内含5倍频的锁相环(PLL)时钟发生器。
片内存储器可映射外设,其中包括一个串行口、两个32bit定时器和一个DMA,具有四内部译码页选,可大大简化TMS320VC33与I/O及存储器的接口[6]。
3IEC61850微继电保护软件系统
3.1ARM软件结构
ARM软件采用嵌入式Linux操作系统,以太网通信驱动程序及应用程序三部分组成。
应用程序选择制造范文规范(MMS)作为IEC61850通信协议。
所有IED中基于IEC61850建立的对象和服务模型都被映射成MMS中的通信的对象和服务,如数据对象的读,写,定义和创建以及文件操作等[7]。
装置将以太网通信标准和MMS相结合,采用了IEC61850的应用描述,使得变电站自动化系统成为开放式系统,各种硬件之间不再受通信规约限制。
ARM通信协议体系模型如图3-1所示
、
图3-1ARM通信协议体系模型
3.2DSP软件结构
DSP保护程序设计流程图如图3-2所示。
DSP软件主要包括硬件初始化,采样后傅氏计算,评测,谐波分析,保护算法及开关量输出等,需要完成数据采集,保护逻辑判断以及故障数据记录等功能[8]。
TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页,每页128字。
设置一个数据页指针DP(DataPointer),用9-bit指向一个数据页,再加上一个7-bit的页内偏移地址,形成16-bit的数据地址。
这样有利于大大加快寻址速度。
程序启动时应先写入采样时间,以工频50Hz为例为0.02s,然后测频,以实现跟踪频率变化的采样技术。
保护启动原件采用相电流差突变量方式,由连续采样判断可知,必须有连续33点以上判定动作才允许保护输出动作信号[9]。
可由用户根据实际需求所决定,保护具体算法在此不再详细给出。
N
Y
图3-2DSP保护程序设计流程图
4总结
数字化变电站中继电保护装置系统所接收的电气量和发送的跳合闸指令都是在网络上的数字信息,这给传统的模拟式继电保护测试设备和测试系统增加了不小的麻烦。
而数字仿真软件处理的恰恰都是数字信号,因而只需要增加合适的网络通信功能,就可以完成继电保护测试任务。
本文简要介绍了IEC61850变电站自动化标准,在此标准上建构了符合标准的硬件平台,在微机保护中使用嵌入式ARM芯片和强大的数字新号处理芯片DSP,能更好的完成继电保护功能。
此平台可以将目前的保护装置,从103通信规约过渡到最新的IEC61850通信规越。
目前,该装置已通过静模继电保护试验,证实该装置能满足各项技术指标的要求,即投入生产。
参考文献
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北京大学出版社,2006.
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5-6.
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