适用于智能电网的雷电流在线监测装置应用研究

2014-10-09中科华核电技术研究院有限公司钟质飞上海电力公司检修公司颜楠楠

电器工业 2014年7期

/中科华核电技术研究院有限公司钟质飞上海电力公司检修公司颜楠楠/

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为适应智能电网的发展，克服现有产品通信协议不公开，不能与监控中心系统兼容的弊端，提出了基于IEC61850标准建立的雷电流在线监测装置。系统阐述了装置组成与工作原理以及雷电流在线监测系统的架构；进而在IEC61850协议规范的基础上研究了装置的通信体系设计，给出了装置的通信流程和实现步骤；并完成了装置的硬件设计与软件开发。最后通过检测与试验，验证所设计的雷电流在线监测装置满足设计要求，具有较小的测量误差，可适应智能电网环境下的应用。

IEC61850 雷电流在线监测 FPGA+MCU嵌入式系统

0 引言

随着继电保护及开关技术的发展，由操作过电压造成的输电线路故障已经越来越少，而自然雷害产生的冲击过电压、过电流则逐渐成为线路故障的主因[1-2]。特别是近年来我国正建设以特高压为主干的新一代坚强智能电网，运行经验和雷击线路基础数据的缺乏将阻碍特高压输电技术的发展。因此有必要开展雷击在线监测技术的研究，从而为含有特高压的智能输电系统的设计、运行及雷电防护提供丰富的现场直接测量数据[3-4]。

现已开发和应用的雷电流在线监测装置[5-8]普遍存在的问题是没有统一的技术标准，通信协议不公开，不能与数字变电站或监控中心原有监测系统兼容。然而随着智能电网的建设，对电网中各种智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）信息集成化的要求越来越高，为使不同厂商的产品具有互操作性，并实现与系统的无缝集成，IEC制定颁布了关于变电站通信网络和系统的国际标准——IEC 61850，我国已将其等同采用为电力行业标准[9]。目前国内的科研机构和主要厂商已在基于IEC61850的输变电设备在线监测关键技术[10]、数字保护装置[11-12]、故障录波装置[13-14]、电子式互感器装置[15]等方面取得了大量的研究成果和建设经验。

本文介绍基于IEC61850标准的雷电流在线监测装置，采用FPGA+MCU中央处理器结构，具有高速采集、无线传输、自备电源等特点，能够满足智能电网在线监测系统对IED装置的新要求，具有较好的工程应用价值。

1 总体结构

1.1 装置组成和工作原理

雷电流在线监测装置的终端结构组成如图1所示，由罗氏测量线圈、雷击电流在线监测装置终端、射频收发天线和太阳能板四个组件构成。其中雷击电流在线监测装置终端包括雷电流通信记录单元和锂电池供电单元两部分，而雷电流通信记录单元是整个装置的核心，采用FPGA+MCU嵌入式系统设计。雷电流通信记录单元分为信号调理模块、AD转换模块、雷电流启动判别记录模块和GPRS无线数据通信模块。

其工作原理是：当雷击输电线路时，雷电流流经杆塔，穿心固定于铁塔上某根特定支撑角钢上的测量线圈将感应出相应的雷电流分量，同时触发雷电流监测装置。所采用的罗氏测量线圈输出信号经过信号调理、AD转换模块送至具有启动、判别及记录等功能的中央处理模块，然后发送给数据通信模块即经GPRS无线网络发出雷击电流的相关报文信息。所发送的报文数据采用IEC61850-8标准，面向非制造报文规范（MMS）协议ISO/IEC 8802-3帧格式映射的采集数据。雷电流报文信息包括雷电流波形、峰值、极性以及预输入的所在铁塔信息。远端服务器通过GPRS接收雷电流报文数据，上传到监控中心并读取数据。

图1 雷击电流在线监测装置终端结构

1.2 系统架构

雷击监测系统的整体结构分为设备层、通信层和系统层，如图2所示。

图2 雷击监测系统结构示意图

设备层主要由作为安装载体的高压设备和雷电流在线监测IED器件组成，完成雷击输电线路电流的测量、采集、发送等功能。通信层建立在IEC61850-8-1标准下，雷电流在线监测装置模型按照MMS协议向通信链路层映射，采用的数据传输物理层为GPRS无线通讯网络与Internet的链接。在系统层中，通信数据接入到主站FTP服务器，服务器按照IEC61850规范集成各种监测装置的自有功能，能够实时进行雷击监测终端的数据召唤、命令下发、数据存储及浏览显示，并且在服务器的上层接入数据库，以便对监测的雷击电流进行全面的诊断分析。同时用户会收到雷击告警短信；通过Internet/Ethernet网络，客户端可以自由访问FTP服务器上的雷电流监测数据，并通过软件分析。

采用IEC61850标准后，监控中心的服务器主站支持终端雷击监测装置的即插即用，监测数据可直接更新到服务器，便于统一管理。

2 基于IEC61850的数据通信设计

2.1 IEC61850通信体系特点

当前电网监控系统主要由自上而下的“烟囱式”子系统构成，各系统采用不同的通信协议，系统之间信息交互繁琐，无法实现实时数据的共享，以致出现“信息孤岛”的现象，所以主站常需设立特殊服务器进行数据交换。为使通信网络成为开放的、无缝的体系，需要各个监控子系统都基于统一的标准建立。IEC61850是一个具有开放性和全球性的先进通信标准，具体表现为[16]：

1）实现互操作性。系统的通信不限于主站对终端进行访问，还需要实现不同设备之间的信息交互，这是向未来开放系统过渡的基础，IEC61850标准的开放性特点符合这一要求，实现IED的互操作。

2）独立于网络技术存在。在应用领域，快速革新的网络技术往往导致系统结构发生一定的变化。IEC61850标准定义易于扩展的信息模型和抽象通信服务接口ASCI，向各种类型的通信网络开放，适应通信网络技术及软、硬件技术的发展。

3）使用面向对象进行自我描述。IEC61850标准应用面向对象技术为IED建立标准模型，模型逻辑结构清晰，易于扩展和描述。

这些特点使得IEC61850通信体系具有适应现代通信技术发展，提高系统开放性以及数据模型一致等优越性。

2.2 通信流程

所设计的雷电流在线监测装置的通信结构采用IEC61850标准，主流程如图3所示。在初始化完成后，连接装置数据库，解析配置文件，创建IEC61850对象空间和服务运行环境。然后初始化IEC61850对象到数据库数据单元或消息类型的映射，在此消息类型包括雷电流采集启动，采集结束，手动采集，异常告警。在收到IEC61850请求后，可访问数据库或发送消息，由装置的通信模块作出应答；相应地在收到装置发送的消息时也可根据映射关系，直接找到对应的IEC61850对象。因此整个IEC61850通信流程就是接收IEC61850请求、数据转换、根据数据映射关系读写数据库或发送消息等。

图3 通信流程图

2.3 实现步骤

（1）雷电流监测装置建模

首先对装置的功能进行定义、分解和分配，完成逻辑节点（Logical Node，LN）建模，由于雷电流在线监测装置所完成的功能就是采集测量，且不需要对逻辑节点进行操作且逻辑节点间无直接进行数据交换，因此数据集的成员仅仅是不同逻辑节点下的数据对象。然后按照IEC61850及实际应用把逻辑节点组合成逻辑设备（Logical Device, LD），这里把雷击在线监测装置看作一个逻辑设备。每个逻辑设备都包含逻辑节点LLN0和LPHD，LLN0描述逻辑设备本身的信息；LPHD描述逻辑设备所表征的物理设备的相关信息。

（2）雷电流监测装置模型向通信协议应用层的映射

在设备应用层，依照抽象通信服务接口（Abstract Communication Service Interface，ACSI），根据信息模型的属性构建出信息模型的服务（Service）。这里涉及到采样值传输的映射，在IEC61850-9中采样值传输是通过缓冲区的更新映射方式完成的。

（3）雷电流监测装置模型向通信链路层的映射

根据IEC61850-8-1，依照特殊通信服务映射（Specific Communication Service Mapping，SCSM）将抽象的通信服务映射到具体的GPRS通信网络和MMS协议上。ASCI类向MMS映射需要将ACSI类的属性结构映射为MMS类的一个或多个字段的值。这类映射可以看作是ACSI类的MMS封装。

图4为基于IEC61850和MMS的通信结构图，其中设备接口模块采用与设备相同的通信协议，实现设备通信，并将收到的点信息存放到一个点信息表结构中，其功能为点信息的采集和发送。

图4 基于IEC61850/MMS的通信结构图

3 硬件和软件的实现

3.1 装置的硬件实现

装置的硬件构成如图1所示，由测量线圈，信号调理，AD转换，雷电流启动判别记录，无线数据传输和供电电源等模块组成，其核心部分是雷电流启动判别记录单元，采用FPGA+MCU嵌入式处理器结构，具有强大的网络通信和数据处理能力，外围设备接口丰富，伸缩性好，使用灵活，担负数据采集、处理及控制其他模块的任务，结构原理如图5所示。

首先在所设计的信号调理单元中，由测量线圈输出的最大峰值为±10V的信号经10倍分压后变为±1V，再经电平移位变成符合AD芯片输入的1.5～3.5V的信号，二次分压器采用阻容方式，保证信号不畸变。后级采用宽带运放，频带达100MHz。AD芯片采用ADS831E，并行8位数据输出，具有低功耗275mW，极小的非线性0.35字，单电源供电超小型封装，适合于工业级别。

FPGA芯片采用ALTERA公司的EP3C10E144C8N，该芯片内部含有PLL及RAM，集成度高，比CPU加硬件逻辑方式减少了芯片间连线，使整个采样部份具有更高的可靠性。闪存及待机管理由ATMEGA16单片机完成，外部50MHz采用有源晶振，时钟精度高，相位抖动小。PLL模块将外部50MHz时钟倍频至80MHz供AD采集及数据存储用。硬件逻辑部份读取控制RAM中的指令启动相应的操作，产生波形数据的存储地址将AD芯片转换后的数据传送至双口RAM中，根据不同的采样速率产生相应的时钟。

图5 FPGA+MCU结构图

表1 冲击电流试验数据

NIOS是ALTERA提供的一个32位CPU软核，NIOS II 系列嵌入式处理器使用32位的指令集结构，采用NIOS II 处理器，不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自定的标准处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口。此外，还可以轻松集成自特有的功能，使设计具有独特的竞争优势。NIOS II 具有完全可定制和重新配置特性，所实现的产品可满足现在和今后的需求。考虑到满足系统性能的前提下将NIOS的时钟设为50MHz的二分频即25MHz，NIOS负责与波形RAM、控制RAM的交互，以及根据上位机的指令将数据送到GPRS模块。

3.2 内核软件的开发

装置的内核软件基于FPGA的嵌入式系统结构，采用C++编程，主要包括一个主程序和各种数据处理，信息发送等子程序。图6为雷电流启动判别记录单元服务流程的主程序，终端装置工作时，主程序在初始化设备后，进行零点校准，判别采集是否被触发，AD输出为0表示没有被触发，返回零点校准，输出为1表示触发采集，此时从单片机中读取采样频率参数，然后开始读取采集数据，采集数据没有结束则指示等常闪，看门狗复位继续采集，采集数据结束则指示灯常亮，看门狗复位，等待下一轮采样触发。

图6 雷电流启动记录单元主程序流程图

4 装置测试

装置实物如图7所示，经测试装置通过各项功能检测。在实验室，对装置的测量精度进行测试，试验布置如图8所示。采用冲击电流发生器分别产生4/10μs和8/20μs两种波形，检验装置的输出，试验数据如表1所示。输入量为冲击电流，输出为装置的测量采样值，在5～20kA的冲击电流作用下，装置的误差均±2%。

图7 雷电流在线监测装置实物图

图8 冲击电流试验布置图

5 结束语

基于IEC61850标准的雷击电流在线监测装置全面支持IEC61850协议，可实现终端数据与主站通信的无缝连接，同时各设备间数据格式透明，方便系统的扩展。此外装置的实现采用FPGA+MCU嵌入式结构可准确完成雷击电流的采集，GPRS无线网络和太阳能自供电的功能也使得装置的安装更加灵活，有利于设备的应用与推广。

[1] 胡毅．输电线路运行故障的分析与防治[J]．高电压技术, 2007, 33(3):1-8．

[2] 易辉,崔江流．我国输电线路运行现状及防雷保护[J]．高电压技术,2001, 27(6): 44-45．

[3] 王晓希．特高压输电线路状态监测技术的应用[J]．电网技术, 2007,31(22): 7-11．

[4] 陈维江,陈家宏,谷山强,等．中国电网雷电监测与防护亟待研究的关键技术[J]．高电压技术, 2008, 34(10): 2009-2015．

[5] 傅正财,吴斌,黄宪东,等．基于GSM网络的输电线路故障在线监测系统[J]．高电压技术, 2007, 33(5): 69-72．

[6] 汪涛,周文俊,易辉,等．架空输电线路雷电流波形实时监测系统[J]．高电压技术, 2008, 34(5): 961-965．

[7] 陆俊杰,王巨丰,彭宇宁,等．架空输电线路雷击监测系统[J]．电力自动化设备, 2010, 30 (1): 132-135．

[8] 李涵,周文俊,周世平,等．电力系统雷击远程在线监测系统[J]．电力自动化设备, 2010, 30(8): 125-127, 133．

[9] DL/Z 860．1-2004,变电站通信网络和系统[S], 2004．

[10] 李晓峰,刘娟,覃绍先,等．基于IEC 61850的输变电设备在线监测中心的关键技术[J]．高电压技术, 2010, 36(12): 3041-3046．

[11] 吴在军,窦晓波,胡敏强．基于IEC61850标准的数字保护装置建模[J]．电网技术, 2005, 29(21): 81-84．

[12] 周晓龙．智能变电站保护测控装置[J]．电力自动化设备, 2010,30(8): 128-133．