适用于数字化变电站的电能质量监测装置的开发研究

近几年来，随着IEC61850标准的应用和光电互感器的研发及投入使用，数字化变电站概念已在工程实践中得到应用，基于IEC61850的数字化变电站已经成为建设坚强智能电网的基石，是不可逆转的发展趋势。

由于负荷性质的非线性、冲击性，以及受电网中相互联系线路发生故障、电能质量恶化等因素的影响，存在谐波超标、闪变越限、三相不平衡、电压暂态等电能质量问题。

该文也探讨了IEC61850标准适用于电能质量监测领域的可行性，从而在推动数字化变电站建设和推行IEC61850标准方面发挥作用。

1系统设计概述

该文介绍的装置以TI公司的OMAPL138多核处理器为主控制器，实现电能质量综合监测分析和基于IEC61850的数字通讯等功能，通讯功能符合新一代数字化变电站IEC61850的技术要求，可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信。

图1数字化变电站的电能质量监测装置的硬件结构图

1.1硬件系统设计

该文介绍的适用于数字化变电站的电能质量监测装置硬件设计采用OMAPL138多核处理器;OMAPL138属于一款集ARM9+6000系列DSP与一体的高速高性能芯片，其时钟速度可达300MHz。内部集成两个CPU核：ARM9RISC和DSP6700。其中ARM9是一个32位的RISC处理器，可以进行基本的处理和系统控制功能，使用DSP6700进行高效的数据处理功能。

1.2电能质量数据处理软件系统设计

DSP/BIOS支持的TIDSP芯片的各种实时操作系统都是以DSP/BIOS作为底层软件，为嵌入式应用提供基本的运行服务。电能质量监测IED嵌入式软件总体结构设计如下图：

系统初始化软件模块，主要对硬件进行初始化设置，在系统中形成信息模型实体;软件通信模块，主要负责与数据分析处理层进行数据通讯，完成数据存储管理、文件生成、通讯协议处理等任务;通信软件模块内有符合IEC61850标准IED的数据模型;满足装置与现有基于IEC61850标准的系统兼容要求;数据分析处理软件模块主要负责谐波分析、间谐波分析、系统电压合格率统计分析、瞬时供电断电统计分析、瞬时冲击脉冲事件录波、电压骤升骤降事件录波、电压波形切痕事件、三相不平衡度统计分析、电压波动与闪变事件统计分析、RMS值突变事件录波记录等功能。

1.3系统管理、通讯嵌入式操作系统的设计

系统通讯、管理等采用Linux系统。Linux操作系统以其开源性、稳定性和免费的特点在嵌入式系统中得到广泛应用。Linux操作系统的软件层次主要由用户程序、操作系统服务、内核和硬件控制4个子系统组成。Linux系统平台的建立主要包括以下四个步骤：

1.3.1BOOTLOADER的移植

在大多数ARM中使用的BOOTLOADER，主要包含U-BOOT、BOOT和LOADER三部分程序组成，主要是为Linux的引导作准备。

1.3.2配置、裁剪和移植Linux内核

根据不同嵌入式应用系统的要求，针对专用的硬件进行相关Linux内核的功能配置、裁剪和移植Linux内核。

1.3.3相关驱动程序开发

在电能质量监测IED中主要的驱动开发有：网络驱动、串口驱动、USB驱动、键盘驱动、液晶屏驱动等。

1.3.4文件系统的建立

在嵌入式系统中通常要使用Flash存储器来保存程序代码和数据，如果直接对Flash和SDRAM进行操作的话比较困难，所以最好的解决方法是构造文件系统，使其提供方便、可靠的系统应用。

1.4电能质量IED信息模型

IEC61850标准将整个变电站的物理对象(包括若干一次设备和测量、控制、保护等二次设备)以及通信网络抽象为相应的逻辑系统，每个逻辑系统中包含一个服务器，一个服务器由一个或多个逻辑设备组成;逻辑设备中的功能模块分为若干个相关子功能，对应为各种逻辑节点;一个逻辑节点又包含一个或多个数据对象，其中数据对象是公共数据类的对象实例;一个数据对象具有多个数据属性，数据属性含有各种数据类型、值和功能约束(FunctionConstraint)等。

电能质量IED的信息模型属性如下图所示：

1.4.1逻辑节点

电能质量中使用的逻辑节点类包括：三相电流电压(MMXU类)，三相电流电压序分量及不平衡度(MSQI类)，谐波数据(MHAI类)，电压闪变(MFLK类)，计量逻辑节点(MTR类)，高级测量逻辑节点(MADV类)，频率偏差(QFVR类)，暂态电流(QITR类)，电流不平衡(QIUB类)，暂态电压(QVTR类)，电压不平衡(QVUB类)，电压偏差(QVVR类)，扰动记录(RDRE类)，扰动记录模拟通道记录(RADR类)等。

1.4.2逻辑设备

在IEC61850标准中，并没有明确规定逻辑设备的模型，因此，在考虑电能质量监测终端的逻辑设备建模时有很强的灵活性。根据我们的电能质量监测装置的实际情况，可以规定，在电能质量监测终端中，一个监测通道就是一个逻辑设备。假设一台电能质量监测装置中有3个监测通道：监测线路1、线路2和线路3，对应的逻辑设备分别为PQMR1、PQMR2、PQMR3分，所组成的电能质量设备模型结构如下图所示：

1.4.1服务器

通常一个IED建模为一个SERVER类的实例。电能质量IED中，我们可以以一个电能质量监测物理装置创建为一个服务器对象。

1.5电能质量IED服务建模