基于IEC 61850的智能化電能質量監測裝置的研制

朱何榮 熊慕文 孫園園 程 立 陳桂友

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102；2.南京埃斯頓自動化股份有限公司，南京 211100）

隨著智能電網的飛速發展，以及用戶對電能質量越來越高的要求，網絡化、信息化、標準化[1]以及智能化成為電能質量監測裝置發展的必然趨勢。現有的電能質量監測裝置，一方面，不能實時處理和分析大規模數據，測量設備的通用性差、軟硬件的升級難度大[2]；另一方面，當前電能質量監測裝置生產廠家在實現數據通信的時候，廣泛采用自定義通信規約，導致一個站內不同廠家設備之間互不兼容、資源共享困難、監測平臺運行效率低、系統監測成本較高[3]。即便部分監測裝置采用了 PQDIF規范作為電能質量數據交換格式，解決了不同廠家設備間的兼容性問題。但是PQDIF文件在處理實時數據、暫態數據方面具有不可忽視的局限性[4]。這些局限性使得現有的電能質量監測設備明顯不能滿足未來智能電網發展的需求。因此，對智能化電能質量監測裝置進行深入研究有著非常重要的意義。

基于以上出發點，研制了基于IEC 61850的智能化電能質量監測裝置。該裝置基于IEC 61850標準，以高性能PowerPC及浮點DSP為基礎，可實時處理和分析大規模數據；功能模塊化的設計思想，將應用功能采用模塊化、標準化、可重用化設計；可兼容模擬采樣以及數字采樣；將各類功能分布完成，通過內部高速數據總線進行實時數據交換；這種分布式系統具有良好的通用性和擴展性，軟硬件升級簡單。同時，IEC 61850標準不僅定義了統一的數據格式，而且定義了數據傳輸相關通信接口及其服務模型[5]。將IEC 6185標準引入電能質量監測系統中，能夠解決PQDIF在處理實時數據、SOE事件信號等數據存在的實時性不高等問題；同時從設備層面解決了數據兼容問題，實現了不同廠家監測設備間的信息共享，提高了監測平臺的運行效率、降低了系統監測的成本。

1 系統設計

1.1 硬件架構設計

裝置由管理CPU插件、DSP插件、交流插件以及數字采樣插件四大部分組成。

硬件整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構框架圖

管理 CPU插件采用主頻為 400MHz的高性能PowerPC。主要負責裝置的管理工作。

交流插件負責采集常規模擬量輸入，通過模擬量總線傳輸給其他插件的AD前端。

DSP插件主要負責電能質量指標的計算與分析。采用高性能浮點DSP作為處理器，最高主頻為450MHz，浮點處理能力最高達到 2.7GFLOPS，片內有5Mbit高速SRAM，用來存放指令和部分數據，外部擴展的128MByte高速DDR2用來存放大批量數據。前端采用16位高精度并行AD，保證裝置對采樣的高精度要求。

數字采樣插件支持6個100Mbit/s光纖以太網接口。主要負責接收網絡上IEC 61850-9-2[6]的SV采樣，并進行解碼、同步等預處理，然后發送給DSP/CPU插件計算或錄波。最多可接收 32路數字量輸入，支持采樣值的 IEEE 1588、IRIG-B、PPS脈沖三種同步方式。該插件應用于數字化采樣電能質量監測場合中。常規采樣應用場合可不配置該插件。

裝置最多可配置20塊插件（包括電源板）。除了管理CPU插件和電源插件外，其余插件均可以根據實際應用需要靈活配置。各個板卡各司其職，眾多板卡協同配合完成目標應用功能。

為解決多塊高性能插件間大量數據實時可靠交換，開發了高速數據總線技術，有效解決了裝置內各插件間大容量高速數據的傳輸問題。同時，采用CAN總線用于系統初始化管理報文交互，以及板卡間變量交換。

1.2 系統軟件設計

智能化電能質量監測裝置為了做到分布式、智能化、易擴展，將軟件分為“系統軟件”和“應用軟件”兩大塊。應用軟件基于系統軟件的支持，完成具體目標功能的實現。系統軟件作為應用軟件與硬件之間的聯系橋梁，負責為應用軟件實現 I/O通信，以及完成應用軟件執行的調度和管理。

圖2 系統軟件示意圖

裝置包含多個插件，這些插件必須協調、配合才能一起完成應用任務。因此在裝置的系統軟件中，使用管理程序來負責管理、協調多個插件高效、有序地工作。

圖3 管理程序示意圖

管理CPU插件基于嵌入式Linux操作系統，包含了完成裝置管理任務的管理程序和裝置的各種應用功能模塊，包括SOE事件記錄、錄波、對時、通信、存儲、液晶顯示等功能模塊。

其他各插件的程序由各種應用功能模塊和系統程序模塊組成。系統程序模塊完成硬件驅動、插件管理、以及應用功能模塊的應用任務調度、管理等功能。

2 電能質量監測功能實現

智能化電能質量監測裝置將各項功能在不同的插件上進行了分布式實現，并可根據實際的需要進行擴展。

為了做到裝置的功能易于擴展、軟硬件升級方便。電能質量監測功能的設計應能夠做到模塊化、標準化、可重用。裝置將電能質量監測各項子功能按照功能模塊進行劃分。每個功能模塊獨立完成一個特定的應用功能，有比較明確的輸入輸出以及參數定義，并且基于系統軟件的支持，可以根據實際的應用需求，生成多個功能實例，以實現功能模塊的重用。

將各個功能模塊封裝后生成相應的功能圖符，應用開發人員再根據實際需求，通過客戶端配置工具，對模塊進行實例化以及輸入輸出信號的連接即可簡單、靈活地實現不同功能、不同間隔數量的應用需求。工程人員及客戶也可通過客戶端配置工具根據自己的需求進行相應功能的選擇定制。

2.1 電能質量指標計算功能實現

電能質量指標計算功能由DSP插件完成，每塊DSP插件計算一個間隔三相電壓、三相電流的電能質量指標，所有的采樣和計算模塊均根據標準要求，放在不同時間間隔的定時中斷中進行。DSP插件數量可根據實際計算間隔數量的需要進行擴展。

1）計算指標

裝置的電能質量指標計算功能均在DSP插件上實現。主要的功能指標如下：

（1）實時監測和顯示電壓、電流、頻率。

（2）計算電壓偏差、頻率偏差、1～50次諧波有效值和相位、1～50次間諧波、負序和零序電壓/電流三相不平衡、諧波功率、長/短時電壓閃變。

（3）設置電壓偏差、頻率偏差的偏差允許范圍；總諧波畸變率、奇次諧波畸變率、偶次諧波畸變率、不平衡、閃變的越限門檻，并在指標或偏差越限時給出SOE告警信號。

（4）實時計算過零點起的電壓半波有效值，判斷出電壓暫升、電壓暫降、電壓短時中斷等暫態事件并觸發相應錄波。

2）功能模塊劃分

電能質量指標計算功能模塊的劃分考慮按照兩個原則進行劃分：①按 IEC61850邏輯節點[7-9]功能進行劃分；②模塊便于維護，一個程序模塊完成所有子功能。

基于以上兩個原則，每塊 DSP插件上的應用程序按照功能可以主要劃分為表1中的幾個功能模塊。

表1 電能質量指標計算主要功能模塊

表中各個主要功能模塊之間聯系關系由它們的輸入輸出關系來確定。圖4為表中各個主要功能模塊之間的聯系關系圖。

圖4 主要功能模塊關系圖

3）指標計算流程

根據上面各主要功能模塊之間的聯系關系，指標計算的主要流程如圖5所示。各項指標的具體計算方法可參照相關標準，本文就不再——贅述。

圖5 指標計算主流程圖

4）關鍵算法實現

（1）旋轉向量法頻率測量

為保證裝置可跟蹤基波頻率的變化范圍為 40～60Hz，裝置采用了頻率跟蹤算法。進行頻率跟蹤，首先需要保證頻率測量的精度。裝置通過傅里葉變換將時序變量轉換為旋轉相量；將連續時域信號轉換為離散頻域信號，并針對基波信號根據相量旋轉測量頻率，可靠解決了諧波以及直流拖尾效應對頻率測量的影響，提升了頻率測量的精度，利用該方法，頻率的測量誤差可以達到0.001Hz以內。同時不影響頻率變化情況下采樣動態響應速度。

圖6 頻率跟蹤算法流程圖

（2）FFT優化算法

FFT是電能質量指標計算中應用最廣泛的算法，是諧波等相關指標計算的基礎，也是傳統電能質量監測裝置指標計算中最耗時、耗資源的部分。FFT的計算速度和精度決定了諧波等相關指標測量的性能。裝置采用最高主頻達450MHz的高性能浮點DSP進行FFT的運算，所有數據均為浮點型數據，消除了采用定點DSP使用整型數計算過程中數據移位帶來的誤差。同時，基于DSP硬件加速器的FFT優化算法，可以大大提升FFT的運算速度。具體算法步驟如下。

第一步：將進行FFT的N點數據x(N)分解為K×M的矩陣，其中K為行數，M為列數：

第二步：矩陣在縱向上乘以特定的蝶形旋轉因子[e-2πikm/N]0≤k≤K-1,0≤m≤M-1，對矩陣進行縱向 FFT 運算；

第三步：將第二步的計算結果在橫向上乘以蝶形旋轉因子[e-2πikm/N]0≤k≤K-1,0≤m≤M-1，對矩陣進行橫向FFT運算，得到最終的“N點實部+N點虛部”的FFT計算結果。該結果中實部和虛部后N/2與前N/2呈現對稱關系。前N/2的結果，即為諧波指標計算所需的值。

表2中給出了該計算方法對不同點數數據進行FFT運算的計算周期以及計算時間。其中，時鐘周期數為外圍時鐘周期數，外圍時鐘主頻為225MHz。

表2 FFT計算指標

由表2可以看出，該FFT優化算法，充分利用了DSP的硬件資源，可以將FFT計算時間在諧波指標計算周期（200ms）中所占比例降至可以忽略。保證了裝置在進行大規模數據處理時的實時性。

（3）小波去噪算法

對電能質量指標的計算而言，如何有效去處原始信號中的噪聲干擾、保留有效信號，是一個非常重要的問題。

裝置中將把均值濾波和迭代的方法和基于小波變換域內系數相關性的去噪算法結合起來，考慮了每一點周圍的輔助信息，削弱了小波系數偏移帶來的影響。該算法易于重構，且去噪效果明顯。具體算法步驟如下。

第一步：調用小波分解函數對原始采樣信號進行分解，得到逼近系數和細節系數。

第二步：初始化所有的相關系數和正規化相關系數。

第三步：估計噪聲域值，并對每一層提取邊緣信息

第四步：對一系列高頻細節信號和低頻逼近信號在小波窗口進行均值濾波

第五步：調用小波重構函數對信號進行重構，得到去噪信號。

第六步：進行迭代，重復步驟1—5，得到去噪信號。

2.2 電能質量數據處理功能實現

1）SOE事件記錄功能

該功能采用統一由管理CPU插件的SOE事件記錄模塊來完成的方式。該模塊封裝后，應用開發人員將需要進行事件記錄的變量加入事件記錄模塊的事件引用表中，裝置管理程序將自動形成從各個插件的應用模塊到事件記錄模塊的信號連接關系。系統程序將自動將各個SOE事件記錄的變量通過高速數據總線發送給事件記錄程序。通訊、液晶顯示等程序通過查詢SRAM記錄取得最新的事件并轉發。

2）錄波功能

該功能由管理CPU插件的錄波功能模塊實現。一臺裝置可以同時運行多個錄波模塊，它們能相互獨立的工作。錄波觸發變量可以配置多個變量，只要有一個滿足條件就可以啟動錄波，另外觸發前錄波點數也是可以配置的，最多可以錄觸發前3s的波形，這樣可以將暫態或者瞬態電能質量事件發生前后的波形完整地記錄下來，提供給相關人員進行分析。

3）存儲功能

該功能由管理CPU插件的存儲功能模塊實現。電能質量監測裝置中需要存儲的數據包括：定時記錄數據、SOE事件記錄數據以及波形數據等，不同數據的存儲機制是不同的。

IEC 61850標準提供了報告和日志這兩種機制用于滿足對數據的不同交換格式的要求，兩者均可以實現一定程度的數據存儲。兩者的區別在于：日志相對于報告而言是非易失性的，可保證數據在裝置掉電后不丟失；日志是以主從應答方式將數據送至客戶端，而報告則是主動將數據送至客戶端。

基于兩者的區別，定時記錄數據使用日志來存儲，保證裝置掉電后數據不會丟失。SOE事件記錄數據實時性要求較高，可以先存儲到報告中實現實時上送，再存儲到日志中長期保存。錄波文件以COMTRADE格式保存，一般存儲在本地文件存儲器中的“COMTRADE”文件目錄下，也可直接寫入到網絡硬盤，使得運行人員可以更快的獲得波形數據進行分析。

4）電能質量指標統計功能

該功能由管理 CPU插件的 MSTA功能模塊實現。通過存儲下來的電能質量定時記錄數據，計算某個指標在預定義時間間隔內的合格率、平均值、最大值、最小值以及95%概率大值等。時間間隔等參數可通過定值進行整定，并可根據需要，設定越限門檻，給出相應的告警信號。

2.3 通信功能實現

通信功能由IEC 61850模塊實現。通過對監測數據的建模，在監測裝置和MMS（制造商報文協議）對象之間建立對應關系，從而實現基于 MMS服務的IEC 61850服務，進而實現電能質量監測功能。

IEC 61850協議的服務分為兩類：基于客戶端－服務器模型的服務和主動上送服務。因此，從用戶使用角度來看，IEC 61850標準的實現主要分為客戶端（后臺）、服務器端（裝置）、配置工具三個部分。配置文件是聯系三者的紐帶。

IEC 61850模塊通過解析配置文件建立裝置模型數據結構，并在其中保存監測數據跟模型之間的對應關系，進而在此基礎上實現IEC 61850服務。

3 結論

本文采用了面向對象的設計思想，充分考慮了程序的開放性、通用性以及可重用性，采用模塊化、標準化、分布式設計，開發出基于IEC 61850標準的智能化電能質量監測裝置，該裝置具有良好的通用性和擴展性，簡化了日后的維護升級工作，提高了系統的生命周期。該裝置已在云南、河北等地電網中成功運行。在這兩地電網中，為了與已有智能電網系統的兼容，現場裝置既有數字采樣，也有模擬采樣。通過數字采樣獲取4K/s采樣數據，用于電壓波動與閃變的計算；同時通過模擬采樣獲取25.6K/s采樣數據用于其他電能質量數據的計算與分析，并將計算分析數據通過已有的IEC 61850通信網絡系統上送至調度端。投運一年多以來，獲取的準確而詳細的電能質量運行數據為當地電力部門優化電網電能質量提供了重要依據，得到了用戶的高度評價。實踐證明，該裝置滿足了數字化、智能化電網對電能質量監測裝置的新需求。

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[8]IEC.Communication Networks and Systems in Substations Part 5： Communication Requirements for Functions and Device Models[S].

[9]IEC.Communication Networks and Systems in Substations Power Quality Amendments to IEC 61850-5 and IEC 61850-7-4[S].