基于嵌入式以太网的变电站间隔层保护系统设计浅析.doc
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1、基于嵌入式以太网的变电站间隔层保护系统设计浅析IEC 61850标准为数字化变电站奠定了标准化基础,变电站自动化系统最主要的功能是实现装置的自我保护。国内探索应用IEC 61850时却并没有首先从保护装置入手,主要是考虑到保护功能的复杂性、多样性以及配置的灵活性,使得对完全符合IEC 61850的保护功能的建模具有一定的难度。标准的互操作及功能自由分布特性要求变电站自动化系统中的不同智能电子设备(IED)间能更灵活地协同。本文在深入研究IEC 61850标准对保护功能建模的基础上,针对国内保护装置发展和应用的现状,提出一种适合国内电网结构及运行方式的数字化变电站过渡方案,并给出了基于该方案的间
2、隔层保护系统设计方法。1数字化变电站过渡方案就目前而言,采用智能化的一次设备(如电子式互感器及智能化开关等)、网络化的二次设备,以及符合IEC 61850通信规范、自动化的运行管理系统,是数字化变电站主要技术特征。图1为数字化变电站系统结构。鉴于我国对IEC 61850标准的研究和实践还处于探索阶段,国内电子式互感器技术的成熟度尚待考核,变电站过程层和间隔层的IEC61850实现应分步骤渐进实施。针对该情况,提出一种现阶段的数字化变电站系统过渡方案,如图2所示。该方案中的过程层一方面采用ECT/EPT和智能开关,模拟量采集和开关量控制实现完全数字化,完成电力运行的实时电气量检测、运行设备状态参
3、数在线监测与统计、操作控制的执行与驱动;另一方面也支持传统一次设备下硬接线模式,采用连接导线接入常规互感器和开关。合并单元汇总本间隔的实时数据信息并以多播方式经由过程总线传送间隔层保护装置,使间隔层实现对一次设备的保护控制功能,对数据采集、统计运算及控制命令的发出进行优先级控制,另外也可在传统模式下通过采样板获得常规互感器和开关的数据。变电站层采用符合IEC 61850标准的数字化变电站站控层系统,为分布式系统设计。考虑到61850装置的网络接入能力,后台采用C/S模式,工作站需从主服务器取数据。该方案在传统变电站两层结构的基础上实现了间隔层和变电站层的数字化。传统保护装置中的数据采集部分包括
4、模拟量(电流、电压)数据转化,开入量(如断路器位置、隔离刀闸辅助接点)读取等,但要采用数据映射的方式接入:A/D转换模块映射成IEC 61850过程层数字式传感器的一部分;开关量输出模块映射成IEC 61850过程层数字式执行器的一部分;开关量输入模块映射成IEC 61850过程层数字式断路器的一部分;完成滤波、计算、逻辑和控制功能的主控模块映射成IEC 61850间隔层的保护控制设备。采取这种映射方式,保护装置可以在接收通道模拟量的同时直接接收数字量。也就是说,装置可以很好地实现IEC 61850系统中过程层和间隔层功能,也可以兼顾现有的系统,从而实现了常规设备和基于IEC 61850的二次
5、设备之间良好的并存和过渡。2间隔层保护装置的硬件设计2.1硬件结构考虑到以上映射方式,间隔层保护装置应由模拟量输入模块、开关量输入模块、开关量输出模块、主控制器、液晶显示、电源模块等多块板卡组成。各个模块以插件的形式安装在主板上,可以根据用户的需求自由增减。其硬件结构示意图如图3所示。根据硬件结构图,PowerPC平台分别和上位机、FPGA的双口RAM和ARM7彩色液晶等有通信连接以及数据交互。2.2硬件功能主控板选用了PowerPC 8247处理器,利用其强大的运算处理能力,在VxWorks平台上实现了配置信息的解析、数据映射、平台保护、数据通信等功能。外接SST39VF040的BIOS芯片
6、,用于存储Bootrom程序。32 MB的Flash/ROM用于存储Vxworks程序、驱动程序、配置文件信息、存储数据等。32 MB4的RAM用于存储系统及应用运行程序,实时调用配置信息、实时数据等。100M全双工以太网口用于实时通信,RS232用于连接打印机,RS485用于连接液晶显示板。传统的继电保护一般采用单片机线性程序,即前后台系统开发方式。应用程序由后台运行,一般是一个无限循环,循环中调用相应的函数 (或子程序)完成相应的操作(称为后台行为或任务级),用中断来处理随机事件 (称为前台行为或中断级)。在实际应用中,各种前台行为的执行频率是不一致的,如输入采样频率可能要求很高,而键盘扫
7、描则要少得多,在系统复杂的情况下就可能导致某些任务得不到及时执行。另外,程序一旦建立,各种前台行为的执行即已固定。如需在运行时动态地改变执行结构,程序则需要另外添加很多条件判断或分支转移,增加了程序的复杂性、可读性以及维护难度。所以在设计符合IEC 61850的保护软件时,必须引入嵌入式实时操作系统(RTOS)。本文采用的RTOS为VxWorks操作系统,它具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境,因其良好的可靠性和卓越的实时性而被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。和其他操作系统相比,VxWorks的健壮性、实时性、组件的丰富性无疑十分适
8、合本项目的开发,应用实践也证明了这一点。本节介绍基于VxWorks的保护装置系统平台设计。3.1系统模块划分PowerPC软件模块结构如图4所示。底层驱动模块:实现CAN总线、RS232、以太网的驱动。接口调用收发数据。设备自检模块:检测装置的插入板、开关量板和模拟量板是否插入,由FPGA检测后按双口RAM的第一个字判断,低8位表示开关量板,高8位表示模拟量板。配置信息下载及存储分区:将存储空间合理分区,接收和存储不同的配置信息以及转发配置信息(界面ARM7)。分配存储数据(定值、事件、录波)的存储地址空间(Flash)。配置信息的解析模块:创建所有的配置信息实体,读取相应配置信息(来自配置文
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