基于IEC61850标准的嵌入式合并单元开发

引言：为了实现传统电流、电压互感器在符合IEC61850标准的变电站中的应用，提出了一种基于iec61850-9-1嵌入式合并单元的实现方案。然后结合基于IEC61850标准的IED工程开发方法详细介绍了该合并单元的各个功能组件和实现过程，最后用实验证明该合并单元有很强的可靠性和应用性。

随着变电站自动化系统的广泛应用，其暴露的问题也越来越多，特别是大规模电网的建成和用电负荷的激增，对变电站中各智能设备的信息共享，协同操作提出了更高的要求。为此国际电工委员会制订了一套关于变电站通信网络和系统的国际标准IEC61850，在我国等同于DL/T860系列。此标准把变电站自动化系统从逻辑上分为三层――过程层、间隔层、变电站层。

目前，由于电子式互感器在全国各变电站的普及尚需时日，所以本设计以传统的电压、电流互感器为研究对象，通过对这些电压电流信号进行同步采集、A/D转换，然后按IEC61850标准进行数据处理和传输，从而完成传统互感器设备在数字化变电站中的过渡。

一、嵌入式合并单元的提出

IEC60044-7/8标准首次给出了合并单元的概念，它是针对数字化输出的电子式互感器[1]定义的。其主要功能是同步采集12路互感器的电压、电流信号（7路电流、5路电压）并进行模数转换，经处理后按曼特斯彻编码格式发送给二次保护、控制设备[2]。如图1所示：

后来随着IEC61850标准的颁布，其9-1节有对合并单元的概念又做了一定的补充。合并单元发给过程层保护、控制设备的报文除了IEC60044-7/8中规定的电流、电压和标志采样值是否有效的状态信息、同步信息和设备维护信息等外，又增加了反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息等，并且合并单元与过程层保护、控制设备之间采用以太网进行通信[3]。

PC机由于其硬件过于庞大，软件过于复杂，所以在工控领域的作用一直受到限制。而采用嵌入式技术，可删减的硬件构造，高效率的实时操作系统很好的解决了这一问题，所以本文合并单元的构造就是运用了嵌入式技术。

二、嵌入式合并单元的硬件构成

本设计合并单元采用了ARM920T内核的S3C2410A芯片做微处理器，主频可达400MHZ，以太网控制器采用DM9000，可提供10/100BASE-T以太网接口。此外还有两片32M的SDRAM，和一片64M的FLASH。，2个RS232串行接口、I/O扩展电路等。其基本构造如图2所示：

（一）GPS同步模块

通常变电站里只要一台GPS接收机就可以供站内所有设备进行同步。ARM微处理器在正确识别GPS接收机发出的同步信号1后，发出同步信号2，控制数据采集模块对12路传统电压电流互感器信号进行同步采样[4]。

（二）数据采集模块

本论文采用Analog Device公司生产的ADE7759芯片，进行数据采集和A/D转换，然后通过串口传给S3C2410A微处理器。这里要注意的是ADE7759芯片在接受同步信号2启动A/D转换的时候是用的串口中断，在完成A/D转换后，通知ARM微处理器读取数据时，用的是外部中断0。这就要求微处理器的串口中断和外部中断0相互协调，以免硬件冲突。

（三）通信模块

合并单元最重要的功能就是为数字式互感器提供数字接口，但是按IEC60044-7/8规定，合并单元在传输数据时按照FT3格式进行曼彻斯特编码发送，由于传输速率不高，不适宜用于对采样率要求较高的测量和保护场合。而按照IEC61850标准，合并单元采用以太网进行数据传输，物理上遵循IEEE802.3，逻辑上使用TCP/IP协议族，传输速率可达100Mbit/s甚至更高，实验表明，这个速率完全满足变电站中所有设备的传输需求[5]。

三、嵌入式合并单元的软件开发

本设计嵌入式合并单元功能选用的操作系统为Linux2.6。此系统代码完全开放，功能强大，尤其是网络性能更是非常优秀。

（一）构建合并单元的信息模型属性

合并单元是向间隔层测量保护设备提供12路电流、电压信号，其信息模型逻辑节点如图3所示：

其中phsaTCTR代表a相保护用电流互感器逻辑节点；phsaTCTR1代表a相测量用电流互感器逻辑节点；neutTVTR表示中性点电压互感器逻辑节点；bbTCTR表示母线电压互感器逻辑节点；LLN0为逻辑零节点，代表逻辑设备的公共数据，如铭牌，设备运行状态信息等；LPHD为物理设备逻辑节点，代表拥有逻辑节点的物理设备的公共数据，如物理设备的铭牌，运行状态信息等。

以上构造了信息模型的逻辑设备和逻辑节点，要想实现可访问和可操作性，还必须得建立相应的数据对象和数据属性。IEC61850标准提供了约30种公共数据类（CDC），这些公共数据类在具体的逻辑节点中可派生出语义更加明确、完整的数据对象，数据对象同时也继承了公共数据类的服务。数据属性是信息模型中信息的最终承载者，对信息模型的一切操作最终都要落实在对数据属性的读写上。

（二）确定合并单元信息模型的功能服务

IEC61850总结了变电站中14种通信模型，每个模型都由若干个抽象服务组成。依照信息模型中的数据对象和数据属性对这些模型和服务分别引用，就构成了信息模型的功能通信服务。合并单元最主要的功能服务就是采样值传输服务，本文主要研究多路采样值服务（MSV）。

MSV的具体通信过程主要是由者的多路采样值控制模块（MSVCB）来控制的，它总共包含了三个服务：SendMSVMessage，GetMSVCBValues，SetMSVCBValues。第一个服务主要是面向者，可以利用它发送采样合并值数据；后两种服务主要是接受订阅者对MSVCB的读取和设置。在每次发送MSV报文时，都要对MSVCB做相应设置，在这里由于篇幅不再赘述。

（三）合并单元的通信映射

本文是按照IEC61850-9-1标准定义的快速采样值报文的映射方式实现的。其通信网络采用带优先级的以太网，为减少解析协议的开销，提高实时性，服务直接从应用层映射到数据链路层，只在表示层进行特定的编码（BER编码）。在其他方面仍旧沿用IEC60044-7/8，输入通道为12路，采用专用数据集，帧格式固定，采用广播或组播方法，并且只支持“SendMSVMessage”服务等。IEC61850-9-1下采样值传输的以太网帧格式即MSV报文格式如图4所示：

在Linux2.6操作系统中提供了直接从应用层通过数据链路层发送、接受数据包的协议族PF_PACKET。所以通过系统函数packetsocket=socket（PF_PACKET，sockettype，protocol）可以方便的把MSV报文通过以太网发送出去。其中sockettype为套接字类型，这里可以选择SOCK_RAW，protocol为IEEE802.3中定义的物理层通信协议号，这里可以设置为ETH_P_8021Q。

（四）建立合并单元的语义信息模型

IEC61850用面向对象技术建立了较为完备的语义信息模型，其形式化工作由变电站配置语言（SCL）来实现。运用基于XML1.0语法结构的SCL描述装置的配置信息，并生成标准的配置文件，通过配置文件的远程

传输就可以实现装置向系统的无缝接入和装置之间互操作性的事先约定。SCL语言使用了3种对象模型来描述变电站中的配置信息，即变电站模型、IED模型和通信模型。

一个具有互操作性的合并单元必须能识别SCL并生成相应数据，这个功能是靠IED配置器来实现的。考虑到跨平台的兼容性，IED配置器一般使用JAVA语言进行开发，并且要用到Apache的xerces-2_7_1解析器中的文档对象模型（DOM）解析器。在结构化的SCL文档中，信息是按层次化的嵌套结构组织的，所以利用DOM接口加载一个SCL文档就可以在内存中生成一个DOM树。通过操作DOM树就可以在应用程序中实现对文档的读取、添加和删除等操作。

四、结论

IEC61850标准是一个庞大复杂的体系，本文从IEC61850-9-1部分入手，提出了一种嵌入式合并单元的实现方案，解决了传统互感器（电子互感器）在基于IEC61850变电站中数据传输的问题。

参考文献

[1] IEC 60044-7.Instrument Transformers：Part 7 Electronic Voltage Transformers[S].

[2] IEC60044-7/8.Electrical Voltage/Current Transducers[S].

[3] munication Networks and Systems in Substations[S].

[4] 殷志良，刘万顺，杨奇逊，等.一种遵循IEC61850标准的合并单元同步的实现新方法[J].电力系统自动化，2004，28（11）.

[5] 田云杰，程良伦，罗晟.基于IEC61850的嵌入式合并单元的研究[J].继电器，2007，35（10）：52.

[6] 窦晓波，吴在军，胡敏强，等.IEC61850标准下合并单元的信息模型与映射实现[J].电网技术，2006，30（2）.

（作者单位：国网江西省宜春市供电公司）

作者简介：梁建锋，男，40岁，汉族，工程师，主要从事电力系统运行维护的技术工作。