0 引 言
隨著IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和數(shù)字化變電站技術(shù)的迅速推廣，變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化的新階段。數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)備間的通信方式和通信內(nèi)容與常規(guī)的綜合自動(dòng)化變電站相比有很大的不同。其繼電保護(hù)裝置所接收信號(hào)采用基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，因此，與之相適應(yīng)的測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸也應(yīng)當(dāng)遵循IEC61850 的數(shù)據(jù)輸出規(guī)范。與傳統(tǒng)的繼保設(shè)備相比，全數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)為三個(gè)方面［1］:
( 1) 數(shù)字化變電站采用統(tǒng)一的通信規(guī)約，裝置之間的通信、互操作性需要通過(guò)一致性測(cè)試來(lái)驗(yàn)證。
( 2) 數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)了一次設(shè)備智能化，其交流量采集、保護(hù)開入量控制量的輸出等均以光數(shù)字方式傳輸。
( 3) 數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)裝置的功能和性能要求均大大提高，其測(cè)試內(nèi)容不僅包括時(shí)延、吞吐量、丟幀等基本性能，還包括優(yōu)先級(jí)處理、端口鏡像等功能。
文中介紹了基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式繼電保護(hù)測(cè)試儀的功能，并提出了一種基于AＲM Cortex－M3 處理器平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法。
1 數(shù)字繼保測(cè)試儀的原理和功能
1． 1 測(cè)試儀原理
在數(shù)字化變電站中，模擬量的采集功能被獨(dú)立出來(lái)，由過(guò)程層的電子式互感器(ECT\EVT) 來(lái)完成。新的電子式互感器代替了原來(lái)的電磁式互感器，并增加了直接輸出光數(shù)字信號(hào)的物理單元，即合并單元。合并單元將接收到的各路信號(hào)作匯總和同步處理后，按IEC61850-9 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式通過(guò)光纖輸出至間隔層，供采樣和保護(hù)裝置使用［2］。如圖1所示，數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀類似于一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，具有合并單元的功能，按照IEC61850-9 標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓、電流測(cè)試信號(hào)給被測(cè)保護(hù)裝置，同時(shí)接收保護(hù)裝置發(fā)出的開關(guān)量信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置全數(shù)字化實(shí)時(shí)的閉環(huán)測(cè)試［3－4］。
1． 2 測(cè)試儀功能模塊
保護(hù)測(cè)試儀是根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際工況，按照一定的實(shí)驗(yàn)方式實(shí)時(shí)地改變其輸出電流、電壓量的幅值、相位和頻率等參數(shù)，來(lái)模擬系統(tǒng)的各種故障狀態(tài)。上位機(jī)功能由工控機(jī)完成，軟件系統(tǒng)基于LabVIEW 編寫，其模擬故障信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸給下位機(jī)( 測(cè)試儀)。測(cè)試儀的功能模塊主要由上位機(jī)通信模塊、信號(hào)輸出模塊和信號(hào)輸入模塊組成［5］。
1． 2． 1 上位機(jī)功能
測(cè)試系統(tǒng)中的上位機(jī)主要負(fù)責(zé)模擬產(chǎn)生各種故障信號(hào)，并將諸如諧波、幅值和相位等故障參數(shù)通過(guò)以太網(wǎng)電纜下發(fā)給測(cè)試儀。由測(cè)試儀做進(jìn)一步處理后，傳送給測(cè)試設(shè)備。
1． 2． 2 通信模塊該通信模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其作用是接收上位機(jī)下發(fā)的故障數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)交給相應(yīng)的程序處理。
1． 2． 3 信號(hào)輸出模塊
信號(hào)模塊的功能包含信號(hào)的發(fā)生與接收。系統(tǒng)處理器實(shí)時(shí)地接收上位機(jī)軟件下發(fā)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力將測(cè)試信號(hào)逐點(diǎn)計(jì)算并按
IEC61850－9 標(biāo)準(zhǔn)打包，通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口輸出。傳送至被測(cè)試裝置，并通過(guò)信號(hào)輸入模塊，記錄被測(cè)試裝置動(dòng)作時(shí)序狀態(tài)。
1． 2． 4 信號(hào)輸入模塊
為了測(cè)試保護(hù)裝置的動(dòng)作特性，測(cè)試儀的另一個(gè)功能是采集被測(cè)保護(hù)裝置發(fā)出的跳閘信號(hào)，即通過(guò)接收保護(hù)裝置發(fā)送的GOOSE 報(bào)文，解析GOOSE報(bào)文中開關(guān)量的信息以及對(duì)比GOOSE報(bào)文的接收時(shí)間和故障時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2 硬件設(shè)計(jì)方案
2． 1 測(cè)試儀的硬件構(gòu)成
數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀由上位機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和各種外圍接口組成。利用AＲM Cortex-M3 微處理器自帶的以太網(wǎng)控制器完成與上位機(jī)的通信，并按照上位機(jī)下發(fā)的控制命令，計(jì)算離散波形數(shù)據(jù)，打包發(fā)出IEC61850-9-2 報(bào)文，處理 GOOSE 報(bào)文和 GPS脈沖等。根據(jù)IEC61850 所定義的數(shù)據(jù)幀格式，測(cè)試
裝置需要接收及輸出多路采樣信號(hào)，需要處理的信息量較大，這對(duì)處理器的性能提出了很高的要求。LPC1700 微處理器是基于**代AＲM CortexM3 內(nèi)核的微控制器，是一款低功耗、高性能的32位微處理器，該處理器具有極高的運(yùn)算能力和中斷響應(yīng)能力，內(nèi)置嵌套向量中斷控制器，8通道的DMA控制器，集成有帶ＲII接口的以太網(wǎng)MAC，多達(dá)165 個(gè)通用I/O口。其操作頻率高達(dá)120MHz，采用3 級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的低性能的第三條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1．25MIPS/MHz［6］。因此，采用此芯片可以滿足測(cè)試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)性的要求。硬件組成示意圖如圖2所示。
2． 2 功能接口實(shí)現(xiàn)
本文以基于AＲM Cortex-M3 構(gòu)架的微處理器LPC1700 為核心，并對(duì)以太網(wǎng)模塊、光纖接口模塊等做了擴(kuò)展。擴(kuò)展后系統(tǒng)由LPC1700 完成對(duì)數(shù)據(jù)的控制和處理。組網(wǎng)方面采用了SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)獨(dú)立組網(wǎng)的方法，SV 網(wǎng)用于采樣值報(bào)文的輸出，GOOSE網(wǎng)用于接收來(lái)自被測(cè)試裝置的GOOSE報(bào)文，或者發(fā)出GOOSE報(bào)文。
2． 2． 1 通信模塊的實(shí)現(xiàn)
上位機(jī)和測(cè)試儀之間通過(guò)以太網(wǎng)，以特定的數(shù)據(jù)格式傳輸信息。上位機(jī)向測(cè)試儀發(fā)送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制信息以控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程。測(cè)試儀向上位機(jī)反饋開關(guān)量變位信息以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程信息。采用LPC1700芯片自帶的10/100M MAC控制器通過(guò)ＲMII接口外接PHY 芯片 KSZ8041NL 和網(wǎng)絡(luò)變壓器 HＲ601680，用來(lái)完成與上位機(jī)的通信。測(cè)試儀與上位機(jī)的通信采用源代碼開放的嵌入式TCP/IP 協(xié)議 μIP 來(lái)實(shí)現(xiàn)。μIP 完全由C語(yǔ)言編寫，本身代碼量很小，提供了網(wǎng)絡(luò)通信所必須的協(xié)議。
2． 2． 2 信號(hào)模塊的實(shí)現(xiàn)
在IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的早期版本中，SV 報(bào)文有IEC61850-9-1 和 IEC61850-9-2 兩種格式。目前在工程實(shí)踐中只采用9-2一種格式，為了能夠?qū)υ缙诘睦^保裝置進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，本設(shè)計(jì)采用IEC61850-9-1 和IEC61850-9-2 兩種格式輸出 SV 報(bào)文。當(dāng)處理器獲得上位機(jī)下發(fā)的測(cè)試任務(wù)后，測(cè)試儀會(huì)按照測(cè)試要求產(chǎn)生相應(yīng)的波形，按照格式要求發(fā)送給保護(hù)裝置，并接受帶有保護(hù)動(dòng)作信息的GOOSE報(bào)文。
該模塊采用以太網(wǎng)控制器CS8900 來(lái)完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和GOOSE 報(bào)文的接收。CS8900 內(nèi)部集成了介質(zhì)訪問(wèn)控制塊(MAC)、物理層芯片和高能SＲAM，是一款低功耗、性能優(yōu)越的以太網(wǎng)控制器，能夠自動(dòng)完成幀頭的產(chǎn)生和檢測(cè)，CＲC校驗(yàn)碼的生成和驗(yàn)證。
鑒于某些變電站數(shù)字化改造的程度不夠完善，部分保護(hù)裝置的保護(hù)動(dòng)作信號(hào)還是通過(guò)開關(guān)量的形式接入到測(cè)試儀器。為了兼容現(xiàn)場(chǎng)的傳統(tǒng)開關(guān)量信號(hào)，系統(tǒng)配備了開入量和開出量模塊。并對(duì)各路輸入輸出通過(guò)光電器件進(jìn)行了隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
3 IEC61850 數(shù)據(jù)模型的實(shí)現(xiàn)
3． 1 采樣值模型的實(shí)現(xiàn)
IEC61850 采用了應(yīng)用與具體通信映射分離的方法保證了標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。在變電站緊急事件信息傳輸方面與傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議不同，IEC61850 為了保證報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，避免在通信堆棧中造成延時(shí)，應(yīng)用層的PDU經(jīng)表示層編碼后繞開傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層［7］。非緊急信息的傳輸，則可映射到上層傳輸協(xié)議，以便能更好的利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸技術(shù)。
3． 1． 1 應(yīng)用層
應(yīng)用層的主要功能是在應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU 置入發(fā)送緩沖區(qū)之前，負(fù)責(zé)將一個(gè)或者多個(gè)應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU連接成一個(gè)APDU。ASDU為應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元，內(nèi)容包含12路電流、電壓信息，其數(shù)量隨保護(hù)裝置每周波采樣點(diǎn)數(shù)不同而不同。而APDU 的長(zhǎng)度隨ASDU的數(shù)目變化的。APDU幀格式如圖3所示:
3． 1． 2 表示層
采用ASN．1 的 BEＲ 對(duì)采樣值緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼格式為TLV( type，length，value) ，如圖4 所示。
其中TAG用于標(biāo)識(shí)標(biāo)記，將此值設(shè)為0x80，表示上下文類。
3． 1． 3 數(shù)據(jù)鏈路層
測(cè)試儀采用交換式以太網(wǎng)，默認(rèn)情況下報(bào)文地址為廣播，為了能夠與間隔層不同設(shè)備鏈接，目標(biāo)地址同時(shí)也是可配置的。以太網(wǎng)類型由IEEE著作權(quán)機(jī)構(gòu)所注冊(cè)，類型為0x88BA。
3． 1． 4 物理層
測(cè)試儀與被測(cè)保護(hù)裝置之間SV采樣值報(bào)文以及GOOSE 報(bào)文傳送，本設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)控制器( NIC) CS8900 來(lái)完成數(shù)據(jù)交換。CS8900 是一款高集成度的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成有符合IEEE802． 3 標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問(wèn)控制模塊( MAC) ，能夠自動(dòng)完成幀頭的產(chǎn)生和檢測(cè)、CＲC校驗(yàn)碼的生成和驗(yàn)證、沖突檢測(cè)和幀重發(fā)功能，給編程帶來(lái)極大方便。當(dāng)主機(jī)LPC1700 完成上位機(jī)所傳送試驗(yàn)信息的處理以后，將信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)控制器CS8900，由其封裝數(shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)絡(luò)接口。然后由光纖傳送到被測(cè)試?yán)^保裝置。
3． 2 GOOSE 模型的實(shí)現(xiàn)
GOOSE 模型作為通用變電站事件模型的一種類型，主要用于跳閘信號(hào)的傳輸。測(cè)試儀設(shè)計(jì)GOOSE報(bào)文接收端口，主要用于接收對(duì)數(shù)字繼保裝置所傳輸信息，以便對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試。通過(guò)與測(cè)試儀所發(fā)送信息比較，可測(cè)試數(shù)字繼保裝置所發(fā)出動(dòng)作信息是否正確。與采樣值傳輸模型類似，為了避免通信堆棧的延時(shí)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，應(yīng)用層專門定義了PDU，經(jīng)過(guò)表示層編碼后，不經(jīng)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層GOOSE報(bào)文的PDU 格式采用 ASN．1 規(guī)范。表示層采用BEＲ 對(duì)應(yīng)用層的PDU進(jìn)行編碼。數(shù)據(jù)鏈路層遵循ISO/IEC8802． 3 協(xié)議，提供報(bào)文傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)服務(wù)，分配特定范圍的組播地址。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4． 1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II
測(cè)試系統(tǒng)的軟件包括部分包括上位機(jī)部分和嵌入式部分。上位機(jī)軟件運(yùn)行在Windows XP系統(tǒng)下，基于NI公司LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，包括故障信息產(chǎn)生、用戶界面以及與嵌入式部分通訊等幾部分功能。。基于LPC1700 的嵌入式測(cè)試儀運(yùn)行在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ下，其應(yīng)用程序也基于該操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的劃分，可以很好的完成AＲM上要求的任務(wù)。
μC/OS-II 是一個(gè)可移植、可固化的、可裁剪的、搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，完成各項(xiàng)功能的子程序是以任務(wù)的形式來(lái)體現(xiàn)的，任務(wù)設(shè)計(jì)是整個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在以μC/OS－II為操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，要合理劃分各個(gè)子程序任務(wù)、分配任務(wù)的優(yōu)先等級(jí)。這是使系統(tǒng)能夠可靠性、穩(wěn)定性運(yùn)行，并滿足實(shí)時(shí)性要求的關(guān)鍵。μC/OS-II 中*多可以支持64 個(gè)任務(wù)，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)0～63，其中0 為*高優(yōu)先級(jí)。63 為*低級(jí)，系統(tǒng)保留了4個(gè)*高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)和4個(gè)*低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，所有用戶可以使用的任務(wù)數(shù)
有56 個(gè)［8］。
4． 2 任務(wù)設(shè)計(jì)
測(cè)試儀嵌入式部分的各種功能實(shí)現(xiàn)都是在μC/OS-II 操作系統(tǒng)的管理下工作的。μC/OS-Ⅱ是通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在LPC1700 微處理器上運(yùn)行，需進(jìn)行移植處理，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［9］。為了保證程序運(yùn)行的高效快捷，還要根據(jù)具體工程要完成的任務(wù)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨?。去掉不必要的冗余代碼，以提高程序的運(yùn)行效率。該部分工作可借助第三方工具完成，以減少軟件設(shè)計(jì)工作量。
5 結(jié)束語(yǔ)
為了解決變電站數(shù)字化升級(jí)所面臨的復(fù)雜現(xiàn)狀，配合數(shù)字化變電站建設(shè)及檢修中高效、可靠地完成數(shù)字化保護(hù)裝置和智能電氣設(shè)備的測(cè)試工作，本文提出了一種基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字繼電保護(hù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案。
本設(shè)計(jì)采用的LPC1700 處理器在工控領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，其具有的高運(yùn)算能力和中斷響應(yīng)能力，能夠很好地完成測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度的要求，有望應(yīng)用于數(shù)字化變電站的工程和教學(xué)中。
