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摘 要：为了满足新的IEC 61850规约对微机继电保护的要求，本文在对国际上变电站综合自动化最新标准IEC 61850分析基础上，提出了应用DSP技术和单片机通信技术的新型微机继电保护装置硬件平台的方案和设计。
关键词：IEC 61850；继电保护装置
中图分类号：TM77 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）07-0212-02
一、引言
随着现代计算机技术和网络技术的发展，现代工业通信也开始逐步走向网络化。为了满足电力系统自动化的这种需要，IEC T57制定并于2004年颁布了IEC 61850国际规约，该规约规范了变电站综合自动化网络通信方式，使电力系统二次回路开始向网络化方向发展。微机继电保护作为变电站综合自动化的重要组成部分，也逐步开始向智能化、网络化的方向发展。
二、IEC 61850标准介绍
IEC 61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统新一代国际标准,它是由国际电工委员会第57技术委员会(IEC TC57)的3个工作组10、11和12(WG10/11/12)负责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准,其中主要有:IEC 60870252101远动通信协议标准(简称101规约);IEC 60870252103继电保护信息接口标准;UCA2.0(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系);ISO/IEC 9506制造报文规范MMS(Manufact uring Message Specifica2tion)。
（一）IEC 61850标准的主要特点
1、使用面向对象的UML统一建模技术。
2、采用分布、分层的结构体系。
3、使用抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM技术；抽象建模与具体实现的独立性，服务与通信网络独立，适用于TCP/IP、OSI、MMS等多种传送协议。
4、实现智能电子设备间的互操作性。
5、提供自我描述的数据对象及其服务。
6、具有面向未来的、开放的体系结构，能够定义其它领域的任何新的逻辑节点和公共数据类，例如风力发电站WPP。
（二）IEC 61850标准的一些定义
1、功能（Function）
功能就是变电站自动化执行的任务，如继电保护、监视、控制等。一般的，一个功能由称作逻辑节点的子功能（Sub-Function）组成，它们之间相互交换数据。按照定义，只有逻辑节点之间才交换数据，因此一个功能要同其他功能交换数据必须包含至少一个逻辑节点。
2、逻辑节点LN（Logical Node）
用来交换数据的功能的最小单元，一个LN表示一个物理设备内的某个功能，它执行一些特定的操作，逻辑节点之间通过逻辑连接交换数据。一个LN就是一个用它的数据和方法定义的对象。与主设备相关的逻辑节点不是主设备本身，而是它的智能部分或者是在二次系统中的映射，如本地或远方的I/O、智能传感器和传动装置等。
3、逻辑设备LD（Logical Device）
一种虚拟设备，为了通信目的能够聚集相关的逻辑节点和数据。另外逻辑设备往往包含经常被访问和引用的信息的列表，如数据集（Data Set）。按照IEC 61850定义，一个实际的物理设备可以根据实际应用的需要映射为一个或多个逻辑设备。有关逻辑设备的定义不是标准IEC 61850的范围，在实际应用中可以根据需求定义逻辑设备。
4、服务器（Server）
一个服务器用来表示一个设备外部可见的行为。在通信网络中，一个服务器就是一个功能节点，它能够提供数据，或允许其他功能节点访问它的资源。在软件算法结构中，一个服务器可能是逻辑上的再分，它能够独立控制自己的操作。一个服务器由一个或多个逻辑设备组成；一个逻辑设备由多个逻辑节点组成，如距离保护PDIS、断路器XCBR；一个逻辑节点由多个数据对象组成；一个数据对象由多个数据属性组成，逻辑节点及数据在IEC 61850-7-4中定义。数据属性具有各种数据类型、值和功能约束FC(Function Constraint)。
三、微机继电保护的硬件典型结构
（一）DSP与单片机通信的接口设计
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，电力系统继电保护经过长期发展，已经进入微机继电保护发展时期。一台完整的微机型继电保护装置的构成包含硬件和软件两部分。硬件指模拟和数字电子电路，由它建立起与微机保护外部系统的电气联系和软件运行的平台；软件指计算机程序，由它按照保护原理和功能的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。
1、数字核心部件
微机型保护装置的数字核心部件实质上就是一台特别设计的专用微型计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储器、定时器/计数器及控制电路等部分组成，并通过数据总线、地址总线、控制总线练成一个系统。继电保护程序在数字核心部件内运行指挥各种外围接口部件运转，完成数字信号处理，实现保护原理。
2、模拟量输入接口部件
继电保护判断电力系统是否发生故障或处于不正常运行状态所依据的基本电量是模拟电量。一次系统的模拟电量可分为交流电量（包括交流电压和交流电流）、直流电量（包括直流电压和直流电流）以及各种非电量。微机型保护装置模拟量输入接口部件的作用是将电力传感器输入的模拟电量正确的变换成离散的数字量，提供给数字核心部件进行处理。
3、开关量输入接口部件
开关量是指那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确知开关量的状态才能正确的动作。开关量输入（简称开入）接口部件的作用是，为正确地反映开关量提供输入通道，并在微机型保护内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱点电子电路的安全和减少外部干扰。 4、开关量输出接口部件
微机型保护通过开关量输出（简称开出）的状态来控制执行回路、型号回路，以及其他回路的继电器的动作。开关量输出接口部件的作用是，为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机型保护内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路地安全和减少外部干扰。
5、人机对话接口部件
人机对话接口部件的作用是，建立起微机型保护与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。继电保护的操作主要包括，整定值和控制命令的输入等；而反馈信息主要包括，被保护的一次设备是否发生故障、何种性质的故障、保护装置是否已发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。微机型保护采用智能化人机界面，使人机信息交换功能大为丰富，操作更为方便。
6、外部通信接口部件
外部通信接口部件的作用是提供与计算机局域通信网络以及远程通信网络的信息通道。外部通信接口可分为两大类：一类通信接口为实现特殊保护功能的专用通信接口；另一类通信接口为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以及电力系统计算机远程通信网相连，实现更高一级的管理、控制功能，如数据共享，远方操作及远方维护等。
（二）DSP部分硬件结构设计
保护控制模块部分采用DSP，它具有运算速度快、计算精确等特点。用它来完成保护和控制能满足电力系统继电保护的要求。根据系统系统需求分析，课题选用TI公司开发的新一代32位高性能浮点型DSP TMS320VC33。TMS320VC33是美国TI公司推出的TMS320C3X系列的32位浮点数字信号处理器，它是在TMS320C31浮点DSP的基础上开发的一个价格更低的DSP，该产品具有高速、低功耗、低成本、易于开发等显著优点。TMS320VC33采用内部1.8V，外部3.3V供电，因而它的功耗比原有型号TMS320C31的功耗降低了大约一个整量级，而且能支持高达150M/FLOPS的运行速率。其主要特性如下：
CPU是32bit的高性能CPU，可进行16/32b整数和32/40b的浮点操作，内含8个扩展精度寄存器，有2个地址发生器、8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元（ARAU）。片内存储器为32bit指令字、24bit地址线、34K×32b（1.1Mb）的双静态RAM，外围接口具有启动程序装载功能，内含5倍频的锁相环（PLL）时钟发生器。片内存储器可映射外设，其中包括一个串行口、两个32bit定时器和一个DMA，具有四个内部译码页选，可大大简化TMS320VC33与I/O及存储器的接口。
四、未来发展方向
展望智能变电站应用IEC 61850标准的发展方向,可以从以下三方面综合考虑：
(一)过程层对于一次设备要求比较高,智能设备尚处于开发阶段,特别是在采样速度,传输可靠性等问题上还不成熟,所以目前尚未真正实现61850的三层理论。需要一次设备厂商积极参与配合61850标准的应用。
(二)部分保护还不支持IEC 61850标准,缺乏全站统一规约,没有实现所有保护设备的IEC61850标准接入,特别是站内直流、故障录波、电度表等辅助设备,还未能配置支持IEC 61850标准的接口。全站接入是IEC 61850标准未来应用的关键。
(三)基于可靠性的需要,还未完全实现各个保护单元之间传递重要信息量。如备自投保护所需电压量、开关量等,还需要通过电缆传输。随着网络技术日益成熟,可以考虑在今后的改造中,分批、分层次的传递重要参数,这将大大节省电缆的铺设,提高设备的抗干扰能力,为全站IEC 61850标准的实现做一定尝试。IEC 61850标准在互操作性以及可扩展性方面的优势非常明显,大大简化了工程设计、调试及维护流程,方便了系统的集成与拓展,作为新一代通用标准,未来将得到广泛的应用。
五、结束语
本文介绍了基于IEC61850的微机继电保护装置的建模和实现，在对国际上变电站综合自动化最新标准IEC 61850分析基础上，提出了应用DSP技术和单片机通信技术的新型微机继电保护装置硬件平台的方案和设计。
参考文献：
［1］Z.Yin,W.Liu,Q.Yang,Y.Qin,Research and Implementation of the Communication of Process Bus Based on IEC 61850,Proceedings of the CSEE,vol.25,pp.84-89,2005.
［2］H.Schubert,G.Wong,IEC 61850 cuts out substation confusion,Modern Power Systems,April 2004.
［3］陈德树．计算机保护原理与技术［M］．北京：水利电力出版社，1992.
关键词：IEC 61850；继电保护装置
中图分类号：TM77 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）07-0212-02
一、引言
随着现代计算机技术和网络技术的发展，现代工业通信也开始逐步走向网络化。为了满足电力系统自动化的这种需要，IEC T57制定并于2004年颁布了IEC 61850国际规约，该规约规范了变电站综合自动化网络通信方式，使电力系统二次回路开始向网络化方向发展。微机继电保护作为变电站综合自动化的重要组成部分，也逐步开始向智能化、网络化的方向发展。
二、IEC 61850标准介绍
IEC 61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统新一代国际标准,它是由国际电工委员会第57技术委员会(IEC TC57)的3个工作组10、11和12(WG10/11/12)负责制定的。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准,其中主要有:IEC 60870252101远动通信协议标准(简称101规约);IEC 60870252103继电保护信息接口标准;UCA2.0(由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系);ISO/IEC 9506制造报文规范MMS(Manufact uring Message Specifica2tion)。
（一）IEC 61850标准的主要特点
1、使用面向对象的UML统一建模技术。
2、采用分布、分层的结构体系。
3、使用抽象通信服务接口ACSI和特殊通信服务映射SCSM技术；抽象建模与具体实现的独立性，服务与通信网络独立，适用于TCP/IP、OSI、MMS等多种传送协议。
4、实现智能电子设备间的互操作性。
5、提供自我描述的数据对象及其服务。
6、具有面向未来的、开放的体系结构，能够定义其它领域的任何新的逻辑节点和公共数据类，例如风力发电站WPP。
（二）IEC 61850标准的一些定义
1、功能（Function）
功能就是变电站自动化执行的任务，如继电保护、监视、控制等。一般的，一个功能由称作逻辑节点的子功能（Sub-Function）组成，它们之间相互交换数据。按照定义，只有逻辑节点之间才交换数据，因此一个功能要同其他功能交换数据必须包含至少一个逻辑节点。
2、逻辑节点LN（Logical Node）
用来交换数据的功能的最小单元，一个LN表示一个物理设备内的某个功能，它执行一些特定的操作，逻辑节点之间通过逻辑连接交换数据。一个LN就是一个用它的数据和方法定义的对象。与主设备相关的逻辑节点不是主设备本身，而是它的智能部分或者是在二次系统中的映射，如本地或远方的I/O、智能传感器和传动装置等。
3、逻辑设备LD（Logical Device）
一种虚拟设备，为了通信目的能够聚集相关的逻辑节点和数据。另外逻辑设备往往包含经常被访问和引用的信息的列表，如数据集（Data Set）。按照IEC 61850定义，一个实际的物理设备可以根据实际应用的需要映射为一个或多个逻辑设备。有关逻辑设备的定义不是标准IEC 61850的范围，在实际应用中可以根据需求定义逻辑设备。
4、服务器（Server）
一个服务器用来表示一个设备外部可见的行为。在通信网络中，一个服务器就是一个功能节点，它能够提供数据，或允许其他功能节点访问它的资源。在软件算法结构中，一个服务器可能是逻辑上的再分，它能够独立控制自己的操作。一个服务器由一个或多个逻辑设备组成；一个逻辑设备由多个逻辑节点组成，如距离保护PDIS、断路器XCBR；一个逻辑节点由多个数据对象组成；一个数据对象由多个数据属性组成，逻辑节点及数据在IEC 61850-7-4中定义。数据属性具有各种数据类型、值和功能约束FC(Function Constraint)。
三、微机继电保护的硬件典型结构
（一）DSP与单片机通信的接口设计
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，电力系统继电保护经过长期发展，已经进入微机继电保护发展时期。一台完整的微机型继电保护装置的构成包含硬件和软件两部分。硬件指模拟和数字电子电路，由它建立起与微机保护外部系统的电气联系和软件运行的平台；软件指计算机程序，由它按照保护原理和功能的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。
1、数字核心部件
微机型保护装置的数字核心部件实质上就是一台特别设计的专用微型计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储器、定时器/计数器及控制电路等部分组成，并通过数据总线、地址总线、控制总线练成一个系统。继电保护程序在数字核心部件内运行指挥各种外围接口部件运转，完成数字信号处理，实现保护原理。
2、模拟量输入接口部件
继电保护判断电力系统是否发生故障或处于不正常运行状态所依据的基本电量是模拟电量。一次系统的模拟电量可分为交流电量（包括交流电压和交流电流）、直流电量（包括直流电压和直流电流）以及各种非电量。微机型保护装置模拟量输入接口部件的作用是将电力传感器输入的模拟电量正确的变换成离散的数字量，提供给数字核心部件进行处理。
3、开关量输入接口部件
开关量是指那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确知开关量的状态才能正确的动作。开关量输入（简称开入）接口部件的作用是，为正确地反映开关量提供输入通道，并在微机型保护内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱点电子电路的安全和减少外部干扰。 4、开关量输出接口部件
微机型保护通过开关量输出（简称开出）的状态来控制执行回路、型号回路，以及其他回路的继电器的动作。开关量输出接口部件的作用是，为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机型保护内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路地安全和减少外部干扰。
5、人机对话接口部件
人机对话接口部件的作用是，建立起微机型保护与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。继电保护的操作主要包括，整定值和控制命令的输入等；而反馈信息主要包括，被保护的一次设备是否发生故障、何种性质的故障、保护装置是否已发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。微机型保护采用智能化人机界面，使人机信息交换功能大为丰富，操作更为方便。
6、外部通信接口部件
外部通信接口部件的作用是提供与计算机局域通信网络以及远程通信网络的信息通道。外部通信接口可分为两大类：一类通信接口为实现特殊保护功能的专用通信接口；另一类通信接口为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以及电力系统计算机远程通信网相连，实现更高一级的管理、控制功能，如数据共享，远方操作及远方维护等。
（二）DSP部分硬件结构设计
保护控制模块部分采用DSP，它具有运算速度快、计算精确等特点。用它来完成保护和控制能满足电力系统继电保护的要求。根据系统系统需求分析，课题选用TI公司开发的新一代32位高性能浮点型DSP TMS320VC33。TMS320VC33是美国TI公司推出的TMS320C3X系列的32位浮点数字信号处理器，它是在TMS320C31浮点DSP的基础上开发的一个价格更低的DSP，该产品具有高速、低功耗、低成本、易于开发等显著优点。TMS320VC33采用内部1.8V，外部3.3V供电，因而它的功耗比原有型号TMS320C31的功耗降低了大约一个整量级，而且能支持高达150M/FLOPS的运行速率。其主要特性如下：
CPU是32bit的高性能CPU，可进行16/32b整数和32/40b的浮点操作，内含8个扩展精度寄存器，有2个地址发生器、8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元（ARAU）。片内存储器为32bit指令字、24bit地址线、34K×32b（1.1Mb）的双静态RAM，外围接口具有启动程序装载功能，内含5倍频的锁相环（PLL）时钟发生器。片内存储器可映射外设，其中包括一个串行口、两个32bit定时器和一个DMA，具有四个内部译码页选，可大大简化TMS320VC33与I/O及存储器的接口。
四、未来发展方向
展望智能变电站应用IEC 61850标准的发展方向,可以从以下三方面综合考虑：
(一)过程层对于一次设备要求比较高,智能设备尚处于开发阶段,特别是在采样速度,传输可靠性等问题上还不成熟,所以目前尚未真正实现61850的三层理论。需要一次设备厂商积极参与配合61850标准的应用。
(二)部分保护还不支持IEC 61850标准,缺乏全站统一规约,没有实现所有保护设备的IEC61850标准接入,特别是站内直流、故障录波、电度表等辅助设备,还未能配置支持IEC 61850标准的接口。全站接入是IEC 61850标准未来应用的关键。
(三)基于可靠性的需要,还未完全实现各个保护单元之间传递重要信息量。如备自投保护所需电压量、开关量等,还需要通过电缆传输。随着网络技术日益成熟,可以考虑在今后的改造中,分批、分层次的传递重要参数,这将大大节省电缆的铺设,提高设备的抗干扰能力,为全站IEC 61850标准的实现做一定尝试。IEC 61850标准在互操作性以及可扩展性方面的优势非常明显,大大简化了工程设计、调试及维护流程,方便了系统的集成与拓展,作为新一代通用标准,未来将得到广泛的应用。
五、结束语
本文介绍了基于IEC61850的微机继电保护装置的建模和实现，在对国际上变电站综合自动化最新标准IEC 61850分析基础上，提出了应用DSP技术和单片机通信技术的新型微机继电保护装置硬件平台的方案和设计。
参考文献：
［1］Z.Yin,W.Liu,Q.Yang,Y.Qin,Research and Implementation of the Communication of Process Bus Based on IEC 61850,Proceedings of the CSEE,vol.25,pp.84-89,2005.
［2］H.Schubert,G.Wong,IEC 61850 cuts out substation confusion,Modern Power Systems,April 2004.
［3］陈德树．计算机保护原理与技术［M］．北京：水利电力出版社，1992.