支持IEC61850规约的数据采集设备开发应用

王东升

摘 要：智能电网系统及发电企业数字化系统需要实时监测发电端的设备状态，主要通信规约采用IEC61850，目前国内支持该通信规约的数据采集设备较少，通常采用经IEC61850协议转换模块实现数据上传。为减少发电端设备监测系统的环节、节约成本、提高通信可靠性，开发了支持IEC61850规约的采集设备，并在某水电站温度监测系统中成功应用，取得了良好的效果。成果值得在类似监测系统中推广。

关键词：IEC61850；IED；智能电网；水电站；监测系统；数字化

中图法分类号：TM76；TV736                               文献标志码：A

智能电网及发电企业在数字化过程中经常遇到通信介质、通信规约不统一的问题。“同一个电网、同一个标准”能够确保电力系统中设备监测、控制系统的通信稳定性、安全性和可靠性[1-3]，也为用户、设备供应商、系统集成商提供便利[4-7]。随着IEC61850规约逐渐成为电力系统中标准通信规约，部署在发电、输电、变电、配电设备中的数据采集系统均应支持这一规约[8-11]。针对此需求在嵌入式数据采集系统的基础上开发了支持IEC61850通信规约的功能，节省了协议转换模块，并在某水电站的温度监测系统中成功应用。

1 IEC61850简介

IEC61850通信规约由IEC（International Electrical Commission）编制，分为站控、间隔、过程三个层（见图1）。站控层与间隔层之间通信协议为MMS（Manufacturing Message Specification制造报文规范）规约，间隔层与过程层之间的通信协议采用SV（Sampled Value Transmission采样传输）和GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event通用的面向对象变电站事件）规约，分别完成数据采集和事件报告[12-13]。

该规约满足电力系统数字化的要求，在国际上具有通用性，在智能电网中应用广泛。

2 某水电站测温系统设计

2.1 测温系统需求

某水电站共5台机组，每台机组共336个RTD（Resistance Temperature Detector电阻温度传感器）测点，各测点分布在推力瓦、定子绕组、定子铁心、定子齿压板等部位。要求采集设备分布式布置，以8个采集单元为宜，分布式采集设备支持IEC61850通信协议，通过光纤组网后将数据传送至电厂数据中心。

2.2 测温系统设计

根据水电站测温系统要求，将每台机组的336个RTD测点根据测量设备部位分为8个采集单元，分别为推力瓦采集单元、定子绕组采集单元1、定子绕组采集单元2、定子铁心采集单元、定子齿压板采集单元、油槽采集单元、空冷器采集单元、冷热水采集单元。

每个采集单元通过光纤与光纤交换机连接，再通过光纤与电厂数据中心连接，实现电厂数据中心直接与每个采集单元进行IEC61850通信，拓扑结构如图3所示。

3 RTD模块硬件开发

3.1 硬件架构设计

RTD模块硬件架构采用ZYNQ7000+LTC2984+

W5300的硬件架构。

ZYNQ7000由FPGA模块和ARM模块组成。并行运行的FPGA模块与ADC芯片组成采集单元，ARM运行Linux系统作为系统管理单元。

LTC2984作为ADC芯片，支持热电阻、热电偶传感器，采集分辨率为24位，精度为0.1℃，满足水电站测温系统的要求。

W5300是支持TCP/IP协议的通信芯片，与FPGA直接连接，通过DMA进行数据传输，提高了以太网通信的速率，保证了采集到的的温度数据能够及时发送出去。

3.2 硬件设计及功能扩展

RTD模块提供20个温度采集通道，互相独立，每个通道通过SPI总线与FPGA通信，FPGA通过FSMC总线与STM32通信，如图4所示。

该硬件架构可以满足电厂的分布式就地采集模式，如需要采集振动、摆度、压力、流量等数据，需将MAX31865改为相应的ADC芯片，如HLW3070，提供24位分辨率的数模转换，满足电厂数据采集要求。

4 IEC61850服务端开发

RTD采集单元作为IEC61850服务端，电厂数据中心作为客户端进行C/S通信。IEC61850服务端程序运行在ZYNQ7000的ARM部分，其开发步骤包括开发环境配置、生成模型、创建服务器、函数回调、数据上传控制等。

4.1 开发环境配置

使用Visual Studio2015开发环境需要进行如下步骤的配置：

（1）LibIEC61850库下载，并解压到指定硬盘位置；

（2）安装JRE；

（3）安装CMake。

4.2 生成模型

在LibIEC61850库的基础上进行开发，主要操作步骤如下：

（1）生成项目工程。在解压的LibIEC61850库文件夹中建立build文件夹，打开命令窗口并CD到该文件夹，在CMD中执行如下命令：cmake-G "Visual Studio 14 2015 Win64" ..，在build文件夾中生成项目工程。

（2）编辑ICD文件。根据水电站测温系统需求进行ICD（IED Configured Description，智能电气设备的配置描述）文件的编辑，文件命名为iecserver.icd，结果如图5所示。

（3）生成模型文件。CD到LibIEC61850库文件夹中的tools＼model_generator路径，执行命令：java-jar genmodel.jar iecserver.cid，生成C语言的模型文件：static_model.c、static_model.h，将生成的模型文件复制到项目工程中进行调用。

4.3 创建IEC61850服务器

创建IEC61850服务器过程如下：

（1）声明IED模型

extern IedModel iedModel

（2）定义端口号

int tcpPort = 102

（3）创建服务器配置函数

IedServerConfig iedFiger = IedServerConfig_create（）

（4）生产服务器

IedServer iedServer = IedServer_create（&iedModel）

（5）启动服务器

IedServer_start（iedServer，tcpPort）至此完成一个IEC61850创建、配置和启动。

4.4 配置回调函数

配置回调函数是让IEC61850能够执行客户端发来的指令。

例如，在主函数中配置如下四个回调函数：

（1）IedServer_setControlHandler；

（2）IedServer_setControlHandler；

（3）IedServer_setControlHandler；

（4）IedServer_setControlHandler；

在對应的执行函数里面实现每个回调函数的数据处理和返回。执行函数为：

static ControlHandlerResult controlHandlerForBinaryOutput。

至此配置了四个回调函数，供客户端对服务端进行控制和问答。

4.5 实时数据上传

服务器启动后自动实现数据的上传，实现函数如下：

（1）发送时间戳

IedServer_updateTimestampAttributeValue

updateTimestampAttributeValue为刷新时间戳函数，向客户端发送当前时间。

（2）发送温度实时变量

IedServer_updateFloatAttributeValue

updateFloatAttributeValue为刷新温度值函数，向客户端发送当前该测点温度值。

至此，服务器可以实时向客户端发送AnIn1变量（某个RTD测点）的时间戳和实时值。

5 IED Scout测试

5.1 创建ICD文件

根据系统设计方案，一个机组共有8个分布式采集单元，因此，创建一个包含8个采集单元服务器变量的配置文件，客户端或者IED Scout可以同时读取8个采集单元的数据，如图5所示。

5.2 IED Scout连接服务器

打开IED Scout，选择上一步创建的ICD文件，识别出所有的IED设备，如图6所示。

勾选全部IED后确认，IED Scout开始与服务器连接并读取实时值，选择推力瓦采集单元读取数据，如图7所示。

服务端向客户端发送的数据包含每个RTD测点的实时值、状态及时间戳。

至此已完成IEC61850服务端的开发及IED Scout测点客户端读取数据的测试，实现了RTD分布式采集设备的IEC61850的通信功能。

6 结论

在嵌入式数据采集系统的基础上开发的IEC61850通信功能满足某水电站温度监测系统的通信要求，同时符合智能电网、发电企业的智能化、数字化要求。基于该功能，可以将支持IEC61850规约的嵌入式采集系统推广到水电站的其他数据采集系统及智能电网的监测系统，如动力监测系统、环境监测系统、安全监测系统、设备控制系统等。

在该设备硬件架构下，只需要更改不同的ADC芯片即可实现不同采集变量的分布式以太网采集设备开发，适合水电、火电等分布式就地采集的环境要求。

参考文献：

[1]吕杰辉，夏社幸，张颖基.IEC61850标准在变电站低压电源设备的应用[J].中国新技术新产品，2022（1）：28-30．

[2]李寅，徐万磊，马圣明.基于IEC61850标准的数字化变电站调试系统研究[J].电子设计工程，2019，27（20）：40-44.

[3]蒋渊，杨金，李昆鸿，等.基于IEC61850技术标准的变电站自动化通信网络研究[J].电力设备管理，2019（11）：94-95，101．

[4]松海林，徐彬，张雪祥，等.智能变电站通信网络架构基础和模型研究[J].电力设备管理，2021（1）：190-191.

[5]吴楠.基于IEC61850标准化的数字化变电站系统故障研究[J].电力设备管理，2022（3）：93-95.

[6]王明辉，王勇，邓乐.光伏发电系统IEC 61850的通信安全性研究[J].上海电力大学学报，2022，38（1）：48-55.

[7]冯俊琨，陈荣，卓玉洁，等.基于IEC61850标准的智能温度测控体系架构研究[J].南方农机，2022，53（10）：44-46.

[8]彭桂喜，袁思遥，孙昊，等.继电保护装置检验测试智能体的研究与实现[J].电力系统保护与控制，2022，50（3）：174-179.

[9]龍秀斌，郑祥伟，王立宝.金沙水电站数字化GIS开关站选型设计与应用[J].水利水电快报，2022，43（3）：94-99.

[10]李福阳，李俊娥，刘林彬，等.智能变电站嵌入式终端安全测试方法研究[J].电力建设，2021，42（2）：126-136.

[11]桂远乾，周强，熊曼妮.金沙水电站数字化开关站设计研究及应用[J].人民长江，2020，51（2）：119-124.

[12]林子阳，张彩红.基于IEC 61850的智能水电厂实践分析[J].电工电气，2019（9）：63-67.

[13]李劲松，陆鑫，张金虎，等.基于IEC 61850的智能变电站数据隐私保护方法研究[J].智慧电力，2019，47（7）：69-75.

Development and Application of Data Collection Equipment Supporting IEC61850 Protocol

WANG Dongsheng

（Chengdu Branch，Beijing Aerospace Measurement & Control Technology Co.， Ltd.，Chengdu 610051，China）

Abstract：The intelligent grid system and digital system of power generation enterprises require real-time monitoring of the equipment status at the power generation end. The main communication protocol used is IEC61850. Currently，there are few data acquisition devices in China that support this communication protocol. Typically，an IEC61850 protocol conversion module is used to achieve data uploading. To reduce the links in the power generation equipment monitoring system，save costs，and improve communication reliability，a data acquisition device that support the IEC61850 protocol has been developed and successfully applied in the temperature monitoring system of a hydropower station. The device has achieved good results and is worthy of promotion in similar monitoring systems.

Key words：IEC61850；IED；smart grid；hydropower station；monitoring system；digitization