基于IEC 61850的智能化电能质量监测装置的研制

朱何荣 熊慕文 孙园园 程 立 陈桂友

（1.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102；2.南京埃斯顿自动化股份有限公司，南京 211100）

随着智能电网的飞速发展，以及用户对电能质量越来越高的要求，网络化、信息化、标准化[1]以及智能化成为电能质量监测装置发展的必然趋势。现有的电能质量监测装置，一方面，不能实时处理和分析大规模数据，测量设备的通用性差、软硬件的升级难度大[2]；另一方面，当前电能质量监测装置生产厂家在实现数据通信的时候，广泛采用自定义通信规约，导致一个站内不同厂家设备之间互不兼容、资源共享困难、监测平台运行效率低、系统监测成本较高[3]。即便部分监测装置采用了 PQDIF规范作为电能质量数据交换格式，解决了不同厂家设备间的兼容性问题。但是PQDIF文件在处理实时数据、暂态数据方面具有不可忽视的局限性[4]。这些局限性使得现有的电能质量监测设备明显不能满足未来智能电网发展的需求。因此，对智能化电能质量监测装置进行深入研究有着非常重要的意义。

基于以上出发点，研制了基于IEC 61850的智能化电能质量监测装置。该装置基于IEC 61850标准，以高性能PowerPC及浮点DSP为基础，可实时处理和分析大规模数据；功能模块化的设计思想，将应用功能采用模块化、标准化、可重用化设计；可兼容模拟采样以及数字采样；将各类功能分布完成，通过内部高速数据总线进行实时数据交换；这种分布式系统具有良好的通用性和扩展性，软硬件升级简单。同时，IEC 61850标准不仅定义了统一的数据格式，而且定义了数据传输相关通信接口及其服务模型[5]。将IEC 6185标准引入电能质量监测系统中，能够解决PQDIF在处理实时数据、SOE事件信号等数据存在的实时性不高等问题；同时从设备层面解决了数据兼容问题，实现了不同厂家监测设备间的信息共享，提高了监测平台的运行效率、降低了系统监测的成本。

1 系统设计

1.1 硬件架构设计

装置由管理CPU插件、DSP插件、交流插件以及数字采样插件四大部分组成。

硬件整体结构如图1所示。

图1 系统结构框架图

管理 CPU插件采用主频为 400MHz的高性能PowerPC。主要负责装置的管理工作。

交流插件负责采集常规模拟量输入，通过模拟量总线传输给其他插件的AD前端。

DSP插件主要负责电能质量指标的计算与分析。采用高性能浮点DSP作为处理器，最高主频为450MHz，浮点处理能力最高达到 2.7GFLOPS，片内有5Mbit高速SRAM，用来存放指令和部分数据，外部扩展的128MByte高速DDR2用来存放大批量数据。前端采用16位高精度并行AD，保证装置对采样的高精度要求。

数字采样插件支持6个100Mbit/s光纤以太网接口。主要负责接收网络上IEC 61850-9-2[6]的SV采样，并进行解码、同步等预处理，然后发送给DSP/CPU插件计算或录波。最多可接收 32路数字量输入，支持采样值的 IEEE 1588、IRIG-B、PPS脉冲三种同步方式。该插件应用于数字化采样电能质量监测场合中。常规采样应用场合可不配置该插件。

装置最多可配置20块插件（包括电源板）。除了管理CPU插件和电源插件外，其余插件均可以根据实际应用需要灵活配置。各个板卡各司其职，众多板卡协同配合完成目标应用功能。

为解决多块高性能插件间大量数据实时可靠交换，开发了高速数据总线技术，有效解决了装置内各插件间大容量高速数据的传输问题。同时，采用CAN总线用于系统初始化管理报文交互，以及板卡间变量交换。

1.2 系统软件设计

智能化电能质量监测装置为了做到分布式、智能化、易扩展，将软件分为“系统软件”和“应用软件”两大块。应用软件基于系统软件的支持，完成具体目标功能的实现。系统软件作为应用软件与硬件之间的联系桥梁，负责为应用软件实现 I/O通信，以及完成应用软件执行的调度和管理。

图2 系统软件示意图

装置包含多个插件，这些插件必须协调、配合才能一起完成应用任务。因此在装置的系统软件中，使用管理程序来负责管理、协调多个插件高效、有序地工作。

图3 管理程序示意图

管理CPU插件基于嵌入式Linux操作系统，包含了完成装置管理任务的管理程序和装置的各种应用功能模块，包括SOE事件记录、录波、对时、通信、存储、液晶显示等功能模块。

其他各插件的程序由各种应用功能模块和系统程序模块组成。系统程序模块完成硬件驱动、插件管理、以及应用功能模块的应用任务调度、管理等功能。

2 电能质量监测功能实现

智能化电能质量监测装置将各项功能在不同的插件上进行了分布式实现，并可根据实际的需要进行扩展。

为了做到装置的功能易于扩展、软硬件升级方便。电能质量监测功能的设计应能够做到模块化、标准化、可重用。装置将电能质量监测各项子功能按照功能模块进行划分。每个功能模块独立完成一个特定的应用功能，有比较明确的输入输出以及参数定义，并且基于系统软件的支持，可以根据实际的应用需求，生成多个功能实例，以实现功能模块的重用。

将各个功能模块封装后生成相应的功能图符，应用开发人员再根据实际需求，通过客户端配置工具，对模块进行实例化以及输入输出信号的连接即可简单、灵活地实现不同功能、不同间隔数量的应用需求。工程人员及客户也可通过客户端配置工具根据自己的需求进行相应功能的选择定制。

2.1 电能质量指标计算功能实现

电能质量指标计算功能由DSP插件完成，每块DSP插件计算一个间隔三相电压、三相电流的电能质量指标，所有的采样和计算模块均根据标准要求，放在不同时间间隔的定时中断中进行。DSP插件数量可根据实际计算间隔数量的需要进行扩展。

1）计算指标

装置的电能质量指标计算功能均在DSP插件上实现。主要的功能指标如下：

（1）实时监测和显示电压、电流、频率。

（2）计算电压偏差、频率偏差、1～50次谐波有效值和相位、1～50次间谐波、负序和零序电压/电流三相不平衡、谐波功率、长/短时电压闪变。

（3）设置电压偏差、频率偏差的偏差允许范围；总谐波畸变率、奇次谐波畸变率、偶次谐波畸变率、不平衡、闪变的越限门槛，并在指标或偏差越限时给出SOE告警信号。

（4）实时计算过零点起的电压半波有效值，判断出电压暂升、电压暂降、电压短时中断等暂态事件并触发相应录波。

2）功能模块划分

电能质量指标计算功能模块的划分考虑按照两个原则进行划分：①按 IEC61850逻辑节点[7-9]功能进行划分；②模块便于维护，一个程序模块完成所有子功能。

基于以上两个原则，每块 DSP插件上的应用程序按照功能可以主要划分为表1中的几个功能模块。

表1 电能质量指标计算主要功能模块

表中各个主要功能模块之间联系关系由它们的输入输出关系来确定。图4为表中各个主要功能模块之间的联系关系图。

图4 主要功能模块关系图

3）指标计算流程

根据上面各主要功能模块之间的联系关系，指标计算的主要流程如图5所示。各项指标的具体计算方法可参照相关标准，本文就不再——赘述。

图5 指标计算主流程图

4）关键算法实现

（1）旋转向量法频率测量

为保证装置可跟踪基波频率的变化范围为 40～60Hz，装置采用了频率跟踪算法。进行频率跟踪，首先需要保证频率测量的精度。装置通过傅里叶变换将时序变量转换为旋转相量；将连续时域信号转换为离散频域信号，并针对基波信号根据相量旋转测量频率，可靠解决了谐波以及直流拖尾效应对频率测量的影响，提升了频率测量的精度，利用该方法，频率的测量误差可以达到0.001Hz以内。同时不影响频率变化情况下采样动态响应速度。

图6 频率跟踪算法流程图

（2）FFT优化算法

FFT是电能质量指标计算中应用最广泛的算法，是谐波等相关指标计算的基础，也是传统电能质量监测装置指标计算中最耗时、耗资源的部分。FFT的计算速度和精度决定了谐波等相关指标测量的性能。装置采用最高主频达450MHz的高性能浮点DSP进行FFT的运算，所有数据均为浮点型数据，消除了采用定点DSP使用整型数计算过程中数据移位带来的误差。同时，基于DSP硬件加速器的FFT优化算法，可以大大提升FFT的运算速度。具体算法步骤如下。

第一步：将进行FFT的N点数据x(N)分解为K×M的矩阵，其中K为行数，M为列数：

第二步：矩阵在纵向上乘以特定的蝶形旋转因子[e-2πikm/N]0≤k≤K-1,0≤m≤M-1，对矩阵进行纵向 FFT 运算；

第三步：将第二步的计算结果在横向上乘以蝶形旋转因子[e-2πikm/N]0≤k≤K-1,0≤m≤M-1，对矩阵进行横向FFT运算，得到最终的“N点实部+N点虚部”的FFT计算结果。该结果中实部和虚部后N/2与前N/2呈现对称关系。前N/2的结果，即为谐波指标计算所需的值。

表2中给出了该计算方法对不同点数数据进行FFT运算的计算周期以及计算时间。其中，时钟周期数为外围时钟周期数，外围时钟主频为225MHz。

表2 FFT计算指标

由表2可以看出，该FFT优化算法，充分利用了DSP的硬件资源，可以将FFT计算时间在谐波指标计算周期（200ms）中所占比例降至可以忽略。保证了装置在进行大规模数据处理时的实时性。

（3）小波去噪算法

对电能质量指标的计算而言，如何有效去处原始信号中的噪声干扰、保留有效信号，是一个非常重要的问题。

装置中将把均值滤波和迭代的方法和基于小波变换域内系数相关性的去噪算法结合起来，考虑了每一点周围的辅助信息，削弱了小波系数偏移带来的影响。该算法易于重构，且去噪效果明显。具体算法步骤如下。

第一步：调用小波分解函数对原始采样信号进行分解，得到逼近系数和细节系数。

第二步：初始化所有的相关系数和正规化相关系数。

第三步：估计噪声域值，并对每一层提取边缘信息

第四步：对一系列高频细节信号和低频逼近信号在小波窗口进行均值滤波

第五步：调用小波重构函数对信号进行重构，得到去噪信号。

第六步：进行迭代，重复步骤1—5，得到去噪信号。

2.2 电能质量数据处理功能实现

1）SOE事件记录功能

该功能采用统一由管理CPU插件的SOE事件记录模块来完成的方式。该模块封装后，应用开发人员将需要进行事件记录的变量加入事件记录模块的事件引用表中，装置管理程序将自动形成从各个插件的应用模块到事件记录模块的信号连接关系。系统程序将自动将各个SOE事件记录的变量通过高速数据总线发送给事件记录程序。通讯、液晶显示等程序通过查询SRAM记录取得最新的事件并转发。

2）录波功能

该功能由管理CPU插件的录波功能模块实现。一台装置可以同时运行多个录波模块，它们能相互独立的工作。录波触发变量可以配置多个变量，只要有一个满足条件就可以启动录波，另外触发前录波点数也是可以配置的，最多可以录触发前3s的波形，这样可以将暂态或者瞬态电能质量事件发生前后的波形完整地记录下来，提供给相关人员进行分析。

3）存储功能

该功能由管理CPU插件的存储功能模块实现。电能质量监测装置中需要存储的数据包括：定时记录数据、SOE事件记录数据以及波形数据等，不同数据的存储机制是不同的。

IEC 61850标准提供了报告和日志这两种机制用于满足对数据的不同交换格式的要求，两者均可以实现一定程度的数据存储。两者的区别在于：日志相对于报告而言是非易失性的，可保证数据在装置掉电后不丢失；日志是以主从应答方式将数据送至客户端，而报告则是主动将数据送至客户端。

基于两者的区别，定时记录数据使用日志来存储，保证装置掉电后数据不会丢失。SOE事件记录数据实时性要求较高，可以先存储到报告中实现实时上送，再存储到日志中长期保存。录波文件以COMTRADE格式保存，一般存储在本地文件存储器中的“COMTRADE”文件目录下，也可直接写入到网络硬盘，使得运行人员可以更快的获得波形数据进行分析。

4）电能质量指标统计功能

该功能由管理 CPU插件的 MSTA功能模块实现。通过存储下来的电能质量定时记录数据，计算某个指标在预定义时间间隔内的合格率、平均值、最大值、最小值以及95%概率大值等。时间间隔等参数可通过定值进行整定，并可根据需要，设定越限门槛，给出相应的告警信号。

2.3 通信功能实现

通信功能由IEC 61850模块实现。通过对监测数据的建模，在监测装置和MMS（制造商报文协议）对象之间建立对应关系，从而实现基于 MMS服务的IEC 61850服务，进而实现电能质量监测功能。

IEC 61850协议的服务分为两类：基于客户端－服务器模型的服务和主动上送服务。因此，从用户使用角度来看，IEC 61850标准的实现主要分为客户端（后台）、服务器端（装置）、配置工具三个部分。配置文件是联系三者的纽带。

IEC 61850模块通过解析配置文件建立装置模型数据结构，并在其中保存监测数据跟模型之间的对应关系，进而在此基础上实现IEC 61850服务。

3 结论

本文采用了面向对象的设计思想，充分考虑了程序的开放性、通用性以及可重用性，采用模块化、标准化、分布式设计，开发出基于IEC 61850标准的智能化电能质量监测装置，该装置具有良好的通用性和扩展性，简化了日后的维护升级工作，提高了系统的生命周期。该装置已在云南、河北等地电网中成功运行。在这两地电网中，为了与已有智能电网系统的兼容，现场装置既有数字采样，也有模拟采样。通过数字采样获取4K/s采样数据，用于电压波动与闪变的计算；同时通过模拟采样获取25.6K/s采样数据用于其他电能质量数据的计算与分析，并将计算分析数据通过已有的IEC 61850通信网络系统上送至调度端。投运一年多以来，获取的准确而详细的电能质量运行数据为当地电力部门优化电网电能质量提供了重要依据，得到了用户的高度评价。实践证明，该装置满足了数字化、智能化电网对电能质量监测装置的新需求。

[1]杨进,肖湘宁.电能质量监测技术发展新趋势：网络化、信息化、标准化[J].电力自动化设备, 2004, 24(11)：82-86.

[2]王丽颖,赵春宇.基于DSP和ARM的电能质量监测系统[J].电子测量技术, 2008, 31(10)： 64-67.

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[5]张结.IEC 61850的狭义应用和广义应用[J].电力系统自动化, 2005, 29(10)： 92-96.

[6]IEC.Communication Networks and Systems in Substations Part 9： Specific communication service mapping(SCSM)[S].

[7]IEC.Communication Networks and Systems in Substations Part 7： Basic Communication Structure for Substa-tions and Feeder Equipment[S].

[8]IEC.Communication Networks and Systems in Substations Part 5： Communication Requirements for Functions and Device Models[S].

[9]IEC.Communication Networks and Systems in Substations Power Quality Amendments to IEC 61850-5 and IEC 61850-7-4[S].