基于IEC61850的主变铁芯电流远程采集智能终端开发

宋庆林 李辉

摘 要：本装置通过霍尔互感器采集主变铁芯电流，经低通回路、高精度AD采样至DSP数字信号处理器完成信号的濾波及全周傅里叶算法矢量计算，结合基于LINUX系统的ARM处理器平台和数字信号处理器DSP平台（外扩以太网控制芯片W5300）通过光模块SPF分别完成IEC61850通讯规约的MMS、SV。通过高速CPLD、高精度晶振及串口光模块1X9完成IEC103规约通讯，灵活实现了DSP+ARM+CPLD智能测量平台的数字化及常规变电站远程数据采集。

关键词：DSP；ARM；IEC61850；主变铁芯电流；SPF；干式真空有载分接开关；放电烧损；原因分析

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0169-03

0 引言

传统主变铁芯电流监测一直是现场运行人员通过电流卡钳表实际测量得到，并通过人工判断是否越限（越限值50mA）来检测主变运行情况，无法实时全过程的了解电流变化情况并及时告警和分析记录数据。

数字化变电站的IEC61850通信规约的普及，极大的提高了二次设备之间互操作及信息共享、提升了可扩展性，简化了二次电缆回路，它是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准。本设计通过霍尔电流互感器接入就地端子箱内的智能采集终端，通过低通及高精度AD模数变换至高速信号处理器DSP实时采集计算主变铁芯电流的交直流各分量相角、幅值。通过基于LINUX系统的ARM（Cotex-A8）处理器平台、数字信号处理器DSP平台（外扩以太网控制芯片W5300）、高速CPLD、高精晶振、光模块SPF、光模块1X9实现了IEC61850的SV、MMS及IEC103规约通讯，并输出硬接点信号。完成了DSP+ARM+CPLD的智能测量平台的数字化及常规变电站远程数据采集。

1 系统介绍

系统结构如图1所示三种方式灵活实现了数字化及常规变的主变铁芯电流交直流分量数据采集，完善了变压器运行参数全过程监控，极大提高了主变运行的安全可靠性。

第一种方式基于LINUX系统的ARM（Cotex-A8）处理器单元，采用IEC61850制造报文MMS将装置遥信、遥测经光纤接入站控层交换机。

第二种方式基于实时性高的DSP+W5300可选择传送SV采样值接入过程层交换机或其他间隔单元，采用速率为1024dot/s。

第三种方式通过IEC103规约，通过高精度晶振、高速CPLD调制/解调串口光纤信号远程接入主控室规约转换装置，同时输出一路硬节点信号通过电缆接入常规测控单元，从而实现常规变电站后台监控。

2 装置硬件介绍

硬件结构如图2所示，通过霍尔电流互感器采集主变铁芯电流信号经过高精低温漂采样电阻及低通回路滤波送入AD模数变换，DSP数字信号处理器完成采样信号数据读取，并利用数字滤波及傅里叶全周滤波算法计算各分量的幅值、相角。

采样值经第一路以太网芯片W5300，通过IEC61850-9-2LE的SV采样报文上送过程层，第二路基于LINUX系统的ARM（Cotex-A8）处理器，通过IEC61850的MMS制造报文规范上送至后台监控系统，第三路基于高精晶振和高速CPLD提供串口IEC103规约的光信号高频调制编解码及硬节点输出至常规变电站，灵活实现主变铁芯电流实时告警及监控。

3 装置软件介绍

数字化变电站IEC61850规约将变电站信息分为三个层次分别为站控层（后台监控）、间隔层（保护、测控装置）、过程层（电子式电流互感器、断路器、合并单元等），核心是抽象通信服务接口ACSI，通过特定通信服务映射SCSM，映射到具体的通信协议，极大提高了信息系统的开放互联性。同时通过改变具体的SCSM而不需改变IEC61850的模型，即可完成各种通信协议的替换升级，保证了各部分的紧密联系又互不影响。采用面向对象的建模技术，使得信息模型具有继承、复用性的特点和清晰的设备划分结构，为IED间良好的互通、互操作性提供了有力保证。

IEC61850信息建模就是基于实际IED的服务SERVER、逻辑设备Logical Device、逻辑节点Logical Node、数据对象DO、数据属性DA的抽象并遵从XML Schema规范的ICD及SSD、SCD、CID创建并检查，核心是逻辑节点的建模。本装置建模服务器包含两个访问点分别为支持MMS服务的S1、采样值SV的M1。逻辑设备包括访问点S1下的公用逻辑设备LD0、测量逻辑设备MEAS（包含单相MMXN逻辑节点）、录波逻辑设备RCD，访问点M1下的合并逻辑设备MU（包含通用GPIO或者TCTR逻辑节点），所有逻辑设备都必须包含LLN0和LPHD两个逻辑节点，并包含相应的数据集、数据模板、报告及日志控制块等，本次设计不涉及访问点G1（变电站通用事件GOOSE），只完成MMS（遥信遥测）及SV（采样）功能。

其中MMS（制造报文规范）服务采用客户端（智能采集装置）/服务器（后台监控）通信模式，将服务器、逻辑设备、逻辑节点、数据、数据属性等抽象模型，映射到MMS中的虚拟制造设备VMD、域、有名变量等对象，即是镜像虚拟智能采集终端模型，采用ASN.1的BER编解码规则（TLV结构：标记、长度、内容），选择报告服务（上送智能采集装置遥测值）以及相应的通讯过程连接、初始化、数据传送、断开等过程如图3所示。MMS规范位于ISO/OSI的应用层包括协议ISO 8650-1及ISO/IEC 9506，其它层有表示层协议ISO 8823、会话层ISO 8327-1、传输层的ISO 8073通信协议等。

应用层ISO 8650-1及ISO/IEC 9506中应用层规约数据单元包括AARQ（A-ASSOCIATE-REQUEST），AARE（A-ASSOCIATE-RESPONSE），RLRQ（A-RELEASE-REQUEST）， RLRE（A-RELEASE-RESPONSE）等APDU。表示层规约数据单元包括CP（Connect Presentation）、CPA （Connect Presentation Accept）、CPR （Connect Presentation Reject）、RS（Resynchronize）等PPDU，会话层规约数据单元根据类型定义对应相应SI（identifier）、LI（Length indicator）、PI（Parameter identifier）、PGI（Parameter group identifier）、PV（Parameter value） 等SPDU。传输层规约数据单元，包括CR（Connection Request）、CC（Connection Confirm）、DR（Disconnect Request）、DC（Disconnect Confirm）等TPDU，各层根据具体服务功能选择相应规约数据单元完成服务数据映射，协议详细内容参见相应规约标准。

SV（采样值）采用基于IEC61850-9-2LE简化版本或者采样值输入“虚端子”概念完成上送，采样频率为1024点每秒，发布方（智能采集终端）/订阅者（其他间隔）单播或组播传输模式，不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层，减少传输延时保证传输快速性，完成对主变铁芯电流的采样值快速上送。

IEC103规约串口光信号高频调制，采用高精度晶振芯片提供可靠时钟，结合高速CPLD，通过对串口的信号的高频调制，完成满足要求的光纤信号传输，接收侧解调转化为电信号，送至规约转换装置，接入常规站的后台监控系统，或者通过硬节点告警输出接入常规测控装置遥信开入，实现信号监控。

4 改进措施及结论

此项目实现了将开关场主变铁芯电流数据通过光纤远程传送至主控室的后台监控系统，在数字化变电站通过IEC61850的MMS、SV完成了组合输出。常规变电站通过硬接点和串口光纤IEC103规约完成数据传送，灵活实现了各种变电站内的远程信号采集传送。考虑到以后的数字化变电站发展趋势以及IEC61850的协议规模和要求，后续将采用实时性更优的VXWORKS操作系统以及功能更强大的ARM或PowerPC结合DSP的高速数据处理平台，完善变电站的大规模数据采集、控制、GOOSE、精准时钟同步等功能。

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