支持IEC61850規約的數據采集設備開發應用

王東升

摘 要：智能電網系統及發電企業數字化系統需要實時監測發電端的設備狀態，主要通信規約采用IEC61850，目前國內支持該通信規約的數據采集設備較少，通常采用經IEC61850協議轉換模塊實現數據上傳。為減少發電端設備監測系統的環節、節約成本、提高通信可靠性，開發了支持IEC61850規約的采集設備，并在某水電站溫度監測系統中成功應用，取得了良好的效果。成果值得在類似監測系統中推廣。

關鍵詞：IEC61850；IED；智能電網；水電站；監測系統；數字化

中圖法分類號：TM76；TV736 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

智能電網及發電企業在數字化過程中經常遇到通信介質、通信規約不統一的問題。“同一個電網、同一個標準”能夠確保電力系統中設備監測、控制系統的通信穩定性、安全性和可靠性[1-3]，也為用戶、設備供應商、系統集成商提供便利[4-7]。隨著IEC61850規約逐漸成為電力系統中標準通信規約，部署在發電、輸電、變電、配電設備中的數據采集系統均應支持這一規約[8-11]。針對此需求在嵌入式數據采集系統的基礎上開發了支持IEC61850通信規約的功能，節省了協議轉換模塊，并在某水電站的溫度監測系統中成功應用。

1 IEC61850簡介

IEC61850通信規約由IEC（International Electrical Commission）編制，分為站控、間隔、過程三個層（見圖1）。站控層與間隔層之間通信協議為MMS（Manufacturing Message Specification制造報文規范）規約，間隔層與過程層之間的通信協議采用SV（Sampled Value Transmission采樣傳輸）和GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event通用的面向對象變電站事件）規約，分別完成數據采集和事件報告[12-13]。

該規約滿足電力系統數字化的要求，在國際上具有通用性，在智能電網中應用廣泛。

2 某水電站測溫系統設計

2.1 測溫系統需求

某水電站共5臺機組，每臺機組共336個RTD（Resistance Temperature Detector電阻溫度傳感器）測點，各測點分布在推力瓦、定子繞組、定子鐵心、定子齒壓板等部位。要求采集設備分布式布置，以8個采集單元為宜，分布式采集設備支持IEC61850通信協議，通過光纖組網后將數據傳送至電廠數據中心。

2.2 測溫系統設計

根據水電站測溫系統要求，將每臺機組的336個RTD測點根據測量設備部位分為8個采集單元，分別為推力瓦采集單元、定子繞組采集單元1、定子繞組采集單元2、定子鐵心采集單元、定子齒壓板采集單元、油槽采集單元、空冷器采集單元、冷熱水采集單元。

每個采集單元通過光纖與光纖交換機連接，再通過光纖與電廠數據中心連接，實現電廠數據中心直接與每個采集單元進行IEC61850通信，拓撲結構如圖3所示。

3 RTD模塊硬件開發

3.1 硬件架構設計

RTD模塊硬件架構采用ZYNQ7000+LTC2984+

W5300的硬件架構。

ZYNQ7000由FPGA模塊和ARM模塊組成。并行運行的FPGA模塊與ADC芯片組成采集單元，ARM運行Linux系統作為系統管理單元。

LTC2984作為ADC芯片，支持熱電阻、熱電偶傳感器，采集分辨率為24位，精度為0.1℃，滿足水電站測溫系統的要求。

W5300是支持TCP/IP協議的通信芯片，與FPGA直接連接，通過DMA進行數據傳輸，提高了以太網通信的速率，保證了采集到的的溫度數據能夠及時發送出去。

3.2 硬件設計及功能擴展

RTD模塊提供20個溫度采集通道，互相獨立，每個通道通過SPI總線與FPGA通信，FPGA通過FSMC總線與STM32通信，如圖4所示。

該硬件架構可以滿足電廠的分布式就地采集模式，如需要采集振動、擺度、壓力、流量等數據，需將MAX31865改為相應的ADC芯片，如HLW3070，提供24位分辨率的數模轉換，滿足電廠數據采集要求。

4 IEC61850服務端開發

RTD采集單元作為IEC61850服務端，電廠數據中心作為客戶端進行C/S通信。IEC61850服務端程序運行在ZYNQ7000的ARM部分，其開發步驟包括開發環境配置、生成模型、創建服務器、函數回調、數據上傳控制等。

4.1 開發環境配置

使用Visual Studio2015開發環境需要進行如下步驟的配置：

（1）LibIEC61850庫下載，并解壓到指定硬盤位置；

（2）安裝JRE；

（3）安裝CMake。

4.2 生成模型

在LibIEC61850庫的基礎上進行開發，主要操作步驟如下：

（1）生成項目工程。在解壓的LibIEC61850庫文件夾中建立build文件夾，打開命令窗口并CD到該文件夾，在CMD中執行如下命令：cmake-G "Visual Studio 14 2015 Win64" ..，在build文件夾中生成項目工程。

（2）編輯ICD文件。根據水電站測溫系統需求進行ICD（IED Configured Description，智能電氣設備的配置描述）文件的編輯，文件命名為iecserver.icd，結果如圖5所示。

（3）生成模型文件。CD到LibIEC61850庫文件夾中的tools＼model_generator路徑，執行命令：java-jar genmodel.jar iecserver.cid，生成C語言的模型文件：static_model.c、static_model.h，將生成的模型文件復制到項目工程中進行調用。

4.3 創建IEC61850服務器

創建IEC61850服務器過程如下：

（1）聲明IED模型

extern IedModel iedModel

（2）定義端口號

int tcpPort = 102

（3）創建服務器配置函數

IedServerConfig iedFiger = IedServerConfig_create（）

（4）生產服務器

IedServer iedServer = IedServer_create（&iedModel）

（5）啟動服務器

IedServer_start（iedServer，tcpPort）至此完成一個IEC61850創建、配置和啟動。

4.4 配置回調函數

配置回調函數是讓IEC61850能夠執行客戶端發來的指令。

例如，在主函數中配置如下四個回調函數：

（1）IedServer_setControlHandler；

（2）IedServer_setControlHandler；

（3）IedServer_setControlHandler；

（4）IedServer_setControlHandler；

在對應的執行函數里面實現每個回調函數的數據處理和返回。執行函數為：

static ControlHandlerResult controlHandlerForBinaryOutput。

至此配置了四個回調函數，供客戶端對服務端進行控制和問答。

4.5 實時數據上傳

服務器啟動后自動實現數據的上傳，實現函數如下：

（1）發送時間戳

IedServer_updateTimestampAttributeValue

updateTimestampAttributeValue為刷新時間戳函數，向客戶端發送當前時間。

（2）發送溫度實時變量

IedServer_updateFloatAttributeValue

updateFloatAttributeValue為刷新溫度值函數，向客戶端發送當前該測點溫度值。

至此，服務器可以實時向客戶端發送AnIn1變量（某個RTD測點）的時間戳和實時值。

5 IED Scout測試

5.1 創建ICD文件

根據系統設計方案，一個機組共有8個分布式采集單元，因此，創建一個包含8個采集單元服務器變量的配置文件，客戶端或者IED Scout可以同時讀取8個采集單元的數據，如圖5所示。

5.2 IED Scout連接服務器

打開IED Scout，選擇上一步創建的ICD文件，識別出所有的IED設備，如圖6所示。

勾選全部IED后確認，IED Scout開始與服務器連接并讀取實時值，選擇推力瓦采集單元讀取數據，如圖7所示。

服務端向客戶端發送的數據包含每個RTD測點的實時值、狀態及時間戳。

至此已完成IEC61850服務端的開發及IED Scout測點客戶端讀取數據的測試，實現了RTD分布式采集設備的IEC61850的通信功能。

6 結論

在嵌入式數據采集系統的基礎上開發的IEC61850通信功能滿足某水電站溫度監測系統的通信要求，同時符合智能電網、發電企業的智能化、數字化要求。基于該功能，可以將支持IEC61850規約的嵌入式采集系統推廣到水電站的其他數據采集系統及智能電網的監測系統，如動力監測系統、環境監測系統、安全監測系統、設備控制系統等。

在該設備硬件架構下，只需要更改不同的ADC芯片即可實現不同采集變量的分布式以太網采集設備開發，適合水電、火電等分布式就地采集的環境要求。

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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