基于IEC 61850标准的过程层测控终端的设计

余长庚，赖丽萍

（1.2.贺州学院机械与电子工程学院，广西贺州542800）

基于IEC 61850标准的过程层测控终端的设计

余长庚1，赖丽萍2

（1.2.贺州学院机械与电子工程学院，广西贺州542800）

由于数字化变电站系统设计是基于IEC 61850标准，即系统具有较好的开放性、互操作性和扩展性特征，表明变电站系统向自动化的方向发展。该文对数字化变电站IEC 61850进行了详细介绍和分析。针对目前变电站的数字化改造的实际需要，提出了过程层测控终端的软硬件具体设计方案，该方案对于未改造的变电站进行数字化改造来说，在理论和经济方面具有重要的指导意义。

数字化变电站；过程层测控终端；IEC 61850

数字化变电站是指一次设备的智能化和二次设备网络化组建方式，通过IEC 61850标准的通信规范，实现变电站的设备信息之间共享、设备与设备之间互操作性的数字化变电站。变电站对信息的采集方法、信号的传输、信号的测量等采用数字化的方法，从而使变电站具有智能化、统一化、自动化等特征。随着变电站数字化技术的发展，新标准IEC 61850的使用，数字化变电站中主要设备与设备间的互换性、互操作性问题能够得到很好解决。采用数字化技术对传统的变电站进行自动化二次设备的组态模式改造，运用智能设备或智能终端、光电（电子）电流电压互感器、一次设备在线检测及自诊断等技术，满足数字化变电站建设的技术条件。

1 IEC 61850的基本内容结构

《IEC 61850变电站通信网络和系统标准》[1]是由国际电工委员会（IEC）制定，目前在变电站自动化领域得到广泛应用[2-3]。IEC 61850将变电站的通信体系划分为过程层、间隔层和变电站层3个层次，并定义了3层间的九种逻辑接口。基于IEC 61850标准的变电站自动化系统接口模型如图1所示，各层内部及各层之间都采用高速网络通信。整个系统的通讯网络可分为两个：变电所层通讯网和过程层通讯网，分别为变电所层、间隔层和过程层的层与层之间的通信网络。IEC 61850变电站通信网络和系统标准是国际标准。基于网络通信平台的变电站标准方面是唯一的标准。该标准不仅对保护、测控装置的模型和通信接口进行了规范，还对电子式互感器、智能式开关等一次设备的模型和通信接口进行定义。过程层主要任务是完成开关量I/O开关信号采样、对模拟量的数字采样和一次设备相关的控制命令的发送等功能；过程层是将一次设备与二次设备进行联合，也是智能一次设备的智能化部分。过程层通过逻辑接口④和接口⑤与间隔层通信，是较为重要的一层。

图1 变电站自动化系统接口模型

2 过程层测控终端的设计要求

面向传统变电站的数字化改造需求，为过程层测控终端设计的系统结构如下页图2所示，集中式数字化变电站系统由过程层所有的测控终端装置与间隔层集中处理装置组成，包括GPS时钟部分。该系统结构适用于110kV及以下等级变电站、配电所、开闭所等场所提供了最有效的数字化改造方案。其中的过程层设计采用分布式结构，过程层测控终端实现前端数据采集和控制信号输出的作用。装置设计满足采用电磁式互感器的传统变电站的数字化改造，可以充分实现变电站IED设备对过程层的信息共享，是传统变电站数字化技术改造的关键设计。

图2 系统结构

2.1 过程层测控终端的功能

过程层主要设备包括光电互感器、合并单元和智能终端等。将合并器与互感器的输出连接在一起能较好地完成与某个间隔跨度合并器进行的传输数据。过程层在变电站改造中主要作用是电力运行过程中实时的电气参量检测、设备的运行状态参数检测、对操作机构进行控制执行与驱动。合并器作用是采集多路电子式互感器的采样信号，将采集信号收集后按照IEC 61850协议方式，对外提供采集数据以光信号形式提供；针对高压户外支柱式互感器，以光能量形式为电子式互感器采集器提供所需的工作电源；HGIS（Hybrid Gas Insulated Switchgear）互感器按照方式采用外置方式，可采用站内的直流电源供电；同步光信号是来自继电保护装置或站级的接收信号，实现采集器间的同步采样功能；可以对传统变电站互感器的模拟信号接收，然后完成模拟/数字信号转换，最后将信号完成合并的功能。

间隔层的设备电气信息由智能终端通过过程总线接口提供，且智能终端接受间隔层设备的控制命令如跳、合闸等；将开关位置状态、低气压状态、刀闸位置状态等输入量到每个断路器的智能终端，输出跳合闸命令；智能终端输入的非电量、中性点刀闸位置、档位等信号，输出档位控制、中性点刀闸控制和风扇控制等接点。

2.2 性能要求

作为集中式数字化变电站的过程层设备，测控终端需要面向传统变电站的电磁式互感器和高压断路器、隔离开关等一次设备。测控终端的基本性能要求为交流输入量、直流输入量、状态输入量、控制输出量、采样频率、通信指标、可靠性指标、装置的耐湿热性能、机械性能及运行环境条件等相关的国家标准要求。

3 过程层测量终端的硬件设计方案

由于过程层测控终端各功能模块的功能要求、处理速度、机械结构和电磁兼容性要求不同，装置采用背插式活动插板结构。根据测控终端的功能和性能要求，装置由1块插件板、4块活动插板（含一块子板）和机箱组成。具体过程层测控终端插板结构图如下页图3所示。

图3 过程层测控终端插板结构图

过程层测控终端采用4U高机箱，宽度可根据插板配置选择。机箱应尽量避免或减小端子或线缆出入的开缝，在开缝处用螺丝接合件、接地衬垫或导电圈使开缝有可靠的电接触，提高机箱的电磁屏蔽作用。机箱外壳有铭牌标志及端子号，有独立的接地端子，接地端子的截面不小于16mm2，并有明显的接地符号。

装置内部为插件板和各部分功能插板，各功能插板通过插件板连接。功能插板的结构包括插件板连接器、功能电路、后面板功能端口3部分。各功能插板采用后插后出线方式，前面板可根据需要扩展液晶显示和键盘接口。功能插板可根据具体情况进行相应的配置。根据过程层测控终端各逻辑单元的分解及其内部连接关系，对过程层测控终端内部插板作相应的划分。

3.1 主控插板设计方案

主控插板分为两部分，CPU主板和功能扩展板。CPU主板通过功能扩展板上的FPGA完成数据采集通道、控制输出通道和通信接口的功能[4]。CPU主板为ADSP-BF536最小系统，主要包括存储器、实时时钟、通信接口、人机接口等几个模块。功能扩展板主要完成各种接口的保护电路、转换电路及过程层测控终端相关的功能。

3.2 互感器插板

互感器插板主要用于转换和调理来自传统变电站的电磁式互感器的电压、电流信号。互感器插板放置5个电压互感器和7个电流互感器，电压互感器和电流互感器主要用于适应来自外部的不同信号电平。要求互感器具有良好的频率响应和动态范围，能够准确分析谐波和故障。

3.3 I/O扩展插板

状态量输入和控制输出组成I/O扩展插板的两部分。状态量输入是外部状态量的采集并传输给主控插板，同时进行电气隔离作用。采用I2C器件的控制输出部分，完成对继电器控制输出的功能操作。

3.4电源插板

外部直流电源、交流电源的电能输入到电源插板，将通过DC/DC或者AC/DC转换作用，提供给过程层测控终端所需要的电压。同时向其他插板提供±24v、±15v和5v的电压，为了防止外部电源的干扰，电源插板通过电磁兼容措施来防止。

4 过程层测控终端的软件设计方案

4.1 软件系统结构

过程层测控终端软件结构，采用实时多任务操作系统作为软件开发平台，软件设计考虑的问题是利用实时多任务特性的操作系统，并将应用程序分成多个任务来设计。过程层测控终端的软件系统结构如图4所示。

图4 软件系统结构图

从软件系统结构图看，把整个软件系统分为用户层和内核层两部分。用户层运行应用程序，一般通过内核层提供的系统调用来访问内核空间，这样就能保证在某个任务出现问题时，不会破坏内核，对其他任务的稳定运行没有影响。但是为了满足系统实时性要求，一般嵌入式系统允许应用程序对驱动程序和底层的硬件直接进行访问。实际开发软件系统时，设计系统服务函数库可以把对硬件和驱动的直接调用直接进行封装，系统服务可以由用户应用程序直接访问。若硬件需要变更时，只要直接修改系统服务，但不需要对应用程序进行修改。

4.2 操作系统

过程层测控终端对操作系统要求为：①具有较强的多任务处理能力；②较高的实时响应能力；③较少的系统资源占用；④进程间完善的通信方式；⑤高度的稳定性和可靠性。根据操作系统的要求，对选择和移植操作系统直接关系到软件设计的工作。在嵌入式应用中，常用的操作系统主要有μC/OS-II、μClinux、VxWorks以及其他特殊处理器专用的操作系统，如ADI公司的VDK操作系统[5]。μC/O-SII是具有可剥夺实时内核的实时操作系统，源代码不仅免费公开并且结构小巧。操作系统的内核具体包括任务调度与管理功能、任务间同步与通信功能、内存管理功能、时间管理和中断服务功能等。由于实时操作系统μC/OS-II采用的实时多任务内核是可剥夺型，该内核在任何时候都响应在准备好的最高优先级任务阶段。μC/OS-II最多响应的任务数为64个，从优先级从高到低分别对应0～63级。μC/OS-II中的堆栈空间为独立的任务设置，其中有一个数据结构为任务控制块TCB（Tast Control Block），其堆栈空间的首个成员变量就是需要保持为任务堆栈指针。uC/OS-II内核具有扩展性能良好，针对实时系统的要求来设计实现的，从而满足较高的实时性的要求。但uC/OS-II存在的主要缺点是对文件系统和TCP/IP协议的支持能力不足。过程层测控终端采用μC/OS-II作为主板BF536处理器的操作系统。

4.3 应用程序设计

根据过程层测控终端的功能要求，应用程序分为管理任务、数据采集任务、数据处理任务、建模映射任务、网络通信任务和控制输出任务等9个任务。每个具体任务描述如下。

4.3.1.管理任务：负责系统初始化，读取并设置运行参数，分配共享内存，创建各个子进程并对系统和各任务进行管理。任务启动后，采样任务循环采样，发送采样数据。如果收到遥控命令，则根据命令控制输出。

dSPACE仿真是仿真技术中置信水平的一种仿真方法：通过在快速控制原型中直接的修改编程代码进行测试，在硬件在回路仿真中避免部分用数学模型困难而无法仿真的情况。使最终设计出产品的功能与性能上更直接有效，从而成为系统研制工作强有力的手段，具有提高研发系统的质量，缩短研制周期和节省研制费用。对于教学的实际情况，快速控制原理这一部分内容涉及到建模、设计、仿真、测试、检测等方面，加深理解了理论知识、弥补了教学手段单一、教学内容枯燥等教学模式。随着dSPACE仿真技术的发展,必将在多个领域发挥更大的作用。

4.3.2.数据采集任务：负责初始化FPGA的控制寄存器，控制数据采集以及与数据采集相关的功能，如采样方式、采样率和频率跟踪等控制。负责设置DMA参数，当DMA传送数据计数到设定值后再中断服务中接收数据。

4.3.3.数据处理任务：完成采样数据的校正计算，数据表更新等功能。

4.3.4.建模与映射任务：实现符合IEC 61850标准的逻辑设备、逻辑节点和数据的建模，对数据的参数、服务和其他属性的封装，实现通信服务向相关协议栈的映射。

4.3.5.网络通信任务：通过以太网接口实现与间隔层IED的通信服务。

4.3.6.控制输出任务：通过I2C总线，实现DO、SBO的控制输出。DO和SBO为单个通道的状态，每个通道可独立操作，互不影响。

4.3.7.时钟同步任务：负责系统时钟的控制，初始化FPGA时基控制等寄存器。完成GPS时钟同步、数据时标处理等功能。

4.3.8.维护任务：通过RS232接口完成系统的维护与配置工作。

4.3.9.人机接口任务：扩展液晶与键盘的人机接口任务。

4.4维护与配置设计

过程层测控终端的主板DSP在第一次写程序时，通过JTAG口将程序写到片外Flash中。系统硬件复位后，DSP按照设计的引导模式自动将程序引导到片内或片外RAM中。在引导完成后自动运行。如果在系统运行时需要对程序进行维护、更新，可以通过BF536的异步串行接口接收来自维护工作站的应用程序，并写入外接Flash中。用BF536的定时器捕获功能，可以自动监测来自串口的程序数据的传输速度，自动设置DSP的波特率，完成程序下载。

过程层测控终端的维护工具是该系统面向对象设计的外在体现，是系统可扩展性、可维护性的集中体现。该工具采用VC6.0设计，可以运行在Windows Xp、Window7等操作系统上。维护工具的功能包括：①下载装置的应用程序；②上载和下载系统参数；③上载和下载用户参数；④参数的离线修改/保存；⑤实时数据的监视和操作目标的控制。

过程层测控终端可以通过网络由间隔层IED进行参数设置，设计时保留了维护口参数的配置功能。通过维护工具可以对装置的状态量类型（开关信号/保护信号）、接点类型（常开/常闭），去抖时间；模拟量通道的CT/PT变比、线路定义；控制输出的闭锁条件等参数进行详细的配置。通过维护工具还可以实时监视过程层测控终端的模拟量和状态量输入数据，进行SBO和DO等控制输出操作。

5 结论

基于IEC 61850标准的技术和方法，对过程层测控终端进行系统结构设计，针对传统变电站数字化改造的需要，给出了详细的过程层测控终端的硬件、软件设计方案。硬件方案设计主要体现为装置的功能和性能要求、装置的插板式结构和各插板的功能和接口设计等；软件方案设计包括操作系统选取与移植、应用程序的框架设计等。将IEC 61850标准应用到过程层测控终端，目前仍处于探索和实验阶段，设计方案及方法还需要不断完善。

[1]IEC.IEC 61850Communication networksand Systems in Substations[S].Geneva,Switzerland:IEC,2003.

[2]孙一民，陈运生.母线保护装置的IEC 61850信息模型[J].电力系统自动化,2007,21(2):51-54.

[3]徐宁,朱永利,邸剑,等.基于IEC61850的变电站自动化对象建模[J].电力自动化设备，2006,26(3):85-89.

[4]孙瑞正.电力系统监控通用硬件平台的研制[D].西安:西安交通大学,2006.

[5]杨建平.新型变压器监控器设计及应用[D].合肥:合肥工业大学,2006.

The Design of Process M onitoring Term inal Unit Based on IEC61850

Yu Changgeng1，Lai Liping2
（1.2.Hezhou University，Hezhou 542800，China）

IEC61850 based digital substation system（DSS）is highly open,interoperable and extensible,which is the direction of substation automation system（SAS）.The introduction of the professional standards-IEC61850 relation to digital substation technology are discussed.For the traditional substation digital reconstruction,the software and hardware detailed design of processmonitoring terminal unit（PMTU）are proposed.The proposed method has important theory significance and engineering value to the conventional digitization transformation.

Digital Substation；Process Monitoring Terminal Unit；IEC 61850

TM711；TM76

A

1673-8535(2013)03-0001-07

余长庚（1974-），男，安徽安庆人，贺州学院机械与电子工程学院讲师，博士研究生，主要研究方向：现代检测技术。

赖丽萍（1976-），女，江西赣州人，贺州学院机械与电子工程学院中级调试员，研究方向：计算机测试技术。

（责任编辑：覃华巧）

2013-04-06

贺州学院院级项目（2010ZRKY06，2012PYZK06）阶段性成果