適用于數字化變電站的電能質量監測裝置的開發研究

近幾年來，隨著IEC61850標準的應用和光電互感器的研發及投入使用，數字化變電站概念已在工程實踐中得到應用，基于IEC61850的數字化變電站已經成為建設堅強智能電網的基石，是不可逆轉的發展趨勢。

由于負荷性質的非線性、沖擊性，以及受電網中相互聯系線路發生故障、電能質量惡化等因素的影響，存在諧波超標、閃變越限、三相不平衡、電壓暫態等電能質量問題。

該文也探討了IEC61850標準適用于電能質量監測領域的可行性，從而在推動數字化變電站建設和推行IEC61850標準方面發揮作用。

1系統設計概述

該文介紹的裝置以TI公司的OMAPL138多核處理器為主控制器，實現電能質量綜合監測分析和基于IEC61850的數字通訊等功能，通訊功能符合新一代數字化變電站IEC61850的技術要求，可以與變電站綜合自動化系統的監控主機連接和通信。

圖1數字化變電站的電能質量監測裝置的硬件結構圖

1.1硬件系統設計

該文介紹的適用于數字化變電站的電能質量監測裝置硬件設計采用OMAPL138多核處理器;OMAPL138屬于一款集ARM9+6000系列DSP與一體的高速高性能芯片，其時鐘速度可達300MHz。內部集成兩個CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一個32位的RISC處理器，可以進行基本的處理和系統控制功能，使用DSP6700進行高效的數據處理功能。

1.2電能質量數據處理軟件系統設計

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各種實時操作系統都是以DSP/BIOS作為底層軟件，為嵌入式應用提供基本的運行服務。電能質量監測IED嵌入式軟件總體結構設計如下圖：

系統初始化軟件模塊，主要對硬件進行初始化設置，在系統中形成信息模型實體;軟件通信模塊，主要負責與數據分析處理層進行數據通訊，完成數據存儲管理、文件生成、通訊協議處理等任務;通信軟件模塊內有符合IEC61850標準IED的數據模型;滿足裝置與現有基于IEC61850標準的系統兼容要求;數據分析處理軟件模塊主要負責諧波分析、間諧波分析、系統電壓合格率統計分析、瞬時供電斷電統計分析、瞬時沖擊脈沖事件錄波、電壓驟升驟降事件錄波、電壓波形切痕事件、三相不平衡度統計分析、電壓波動與閃變事件統計分析、RMS值突變事件錄波記錄等功能。

1.3系統管理、通訊嵌入式操作系統的設計

系統通訊、管理等采用Linux系統。Linux操作系統以其開源性、穩定性和免費的特點在嵌入式系統中得到廣泛應用。Linux操作系統的軟件層次主要由用戶程序、操作系統服務、內核和硬件控制4個子系統組成。Linux系統平臺的建立主要包括以下四個步驟：

1.3.1BOOTLOADER的移植

在大多數ARM中使用的BOOTLOADER，主要包含U-BOOT、BOOT和LOADER三部分程序組成，主要是為Linux的引導作準備。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux內核

根據不同嵌入式應用系統的要求，針對專用的硬件進行相關Linux內核的功能配置、裁剪和移植Linux內核。

1.3.3相關驅動程序開發

在電能質量監測IED中主要的驅動開發有：網絡驅動、串口驅動、USB驅動、鍵盤驅動、液晶屏驅動等。

1.3.4文件系統的建立

在嵌入式系統中通常要使用Flash存儲器來保存程序代碼和數據，如果直接對Flash和SDRAM進行操作的話比較困難，所以最好的解決方法是構造文件系統，使其提供方便、可靠的系統應用。

1.4電能質量IED信息模型

IEC61850標準將整個變電站的物理對象(包括若干一次設備和測量、控制、保護等二次設備)以及通信網絡抽象為相應的邏輯系統，每個邏輯系統中包含一個服務器，一個服務器由一個或多個邏輯設備組成;邏輯設備中的功能模塊分為若干個相關子功能，對應為各種邏輯節點;一個邏輯節點又包含一個或多個數據對象，其中數據對象是公共數據類的對象實例;一個數據對象具有多個數據屬性，數據屬性含有各種數據類型、值和功能約束(FunctionConstraint)等。

電能質量IED的信息模型屬性如下圖所示：

1.4.1邏輯節點

電能質量中使用的邏輯節點類包括：三相電流電壓(MMXU類)，三相電流電壓序分量及不平衡度(MSQI類)，諧波數據(MHAI類)，電壓閃變(MFLK類)，計量邏輯節點(MTR類)，高級測量邏輯節點(MADV類)，頻率偏差(QFVR類)，暫態電流(QITR類)，電流不平衡(QIUB類)，暫態電壓(QVTR類)，電壓不平衡(QVUB類)，電壓偏差(QVVR類)，擾動記錄(RDRE類)，擾動記錄模擬通道記錄(RADR類)等。

1.4.2邏輯設備

在IEC61850標準中，并沒有明確規定邏輯設備的模型，因此，在考慮電能質量監測終端的邏輯設備建模時有很強的靈活性。根據我們的電能質量監測裝置的實際情況，可以規定，在電能質量監測終端中，一個監測通道就是一個邏輯設備。假設一臺電能質量監測裝置中有3個監測通道：監測線路1、線路2和線路3，對應的邏輯設備分別為PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所組成的電能質量設備模型結構如下圖所示：

1.4.1服務器

通常一個IED建模為一個SERVER類的實例。電能質量IED中，我們可以以一個電能質量監測物理裝置創建為一個服務器對象。

1.5電能質量IED服務建模