0 引 言
隨著IEC61850 標準的實施和數(shù)字化變電站技術的迅速推廣，變電站自動化技術進入了數(shù)字化的新階段。數(shù)字化變電站的結構體系、設備間的通信方式和通信內(nèi)容與常規(guī)的綜合自動化變電站相比有很大的不同。其繼電保護裝置所接收信號采用基于IEC61850 標準的數(shù)字信號，因此，與之相適應的測試設備數(shù)據(jù)傳輸也應當遵循IEC61850 的數(shù)據(jù)輸出規(guī)范。與傳統(tǒng)的繼保設備相比，全數(shù)字化繼電保護裝置的不同點主要體現(xiàn)為三個方面［1］:
( 1) 數(shù)字化變電站采用統(tǒng)一的通信規(guī)約，裝置之間的通信、互操作性需要通過一致性測試來驗證。
( 2) 數(shù)字化變電站實現(xiàn)了一次設備智能化，其交流量采集、保護開入量控制量的輸出等均以光數(shù)字方式傳輸。
( 3) 數(shù)字化變電站實現(xiàn)了二次設備網(wǎng)絡化，對通信網(wǎng)絡裝置的功能和性能要求均大大提高，其測試內(nèi)容不僅包括時延、吞吐量、丟幀等基本性能，還包括優(yōu)先級處理、端口鏡像等功能。
文中介紹了基于IEC61850 標準的數(shù)字式繼電保護測試儀的功能，并提出了一種基于AＲM Cortex－M3 處理器平臺的實現(xiàn)方法。
1 數(shù)字繼保測試儀的原理和功能
1． 1 測試儀原理
在數(shù)字化變電站中，模擬量的采集功能被獨立出來，由過程層的電子式互感器(ECT\EVT) 來完成。新的電子式互感器代替了原來的電磁式互感器，并增加了直接輸出光數(shù)字信號的物理單元，即合并單元。合并單元將接收到的各路信號作匯總和同步處理后，按IEC61850-9 標準的數(shù)據(jù)格式通過光纖輸出至間隔層，供采樣和保護裝置使用［2］。如圖1所示，數(shù)字繼電保護測試儀類似于一個信號發(fā)生器，具有合并單元的功能，按照IEC61850-9 標準輸出電壓、電流測試信號給被測保護裝置，同時接收保護裝置發(fā)出的開關量信號，從而實現(xiàn)對保護裝置全數(shù)字化實時的閉環(huán)測試［3－4］。
1． 2 測試儀功能模塊
保護測試儀是根據(jù)電網(wǎng)運行的實際工況，按照一定的實驗方式實時地改變其輸出電流、電壓量的幅值、相位和頻率等參數(shù)，來模擬系統(tǒng)的各種故障狀態(tài)。上位機功能由工控機完成，軟件系統(tǒng)基于LabVIEW 編寫，其模擬故障信號通過網(wǎng)絡通訊傳輸給下位機( 測試儀)。測試儀的功能模塊主要由上位機通信模塊、信號輸出模塊和信號輸入模塊組成［5］。
1． 2． 1 上位機功能
測試系統(tǒng)中的上位機主要負責模擬產(chǎn)生各種故障信號，并將諸如諧波、幅值和相位等故障參數(shù)通過以太網(wǎng)電纜下發(fā)給測試儀。由測試儀做進一步處理后，傳送給測試設備。
1． 2． 2 通信模塊該通信模塊負責與上位機進行數(shù)據(jù)交換，其作用是接收上位機下發(fā)的故障數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)交給相應的程序處理。
1． 2． 3 信號輸出模塊
信號模塊的功能包含信號的發(fā)生與接收。系統(tǒng)處理器實時地接收上位機軟件下發(fā)的實驗參數(shù)，利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力將測試信號逐點計算并按
IEC61850－9 標準打包，通過光纖以太網(wǎng)接口輸出。傳送至被測試裝置，并通過信號輸入模塊，記錄被測試裝置動作時序狀態(tài)。
1． 2． 4 信號輸入模塊
為了測試保護裝置的動作特性，測試儀的另一個功能是采集被測保護裝置發(fā)出的跳閘信號，即通過接收保護裝置發(fā)送的GOOSE 報文，解析GOOSE報文中開關量的信息以及對比GOOSE報文的接收時間和故障時間來實現(xiàn)。
2 硬件設計方案
2． 1 測試儀的硬件構成
數(shù)字繼電保護測試儀由上位機系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和各種外圍接口組成。利用AＲM Cortex-M3 微處理器自帶的以太網(wǎng)控制器完成與上位機的通信，并按照上位機下發(fā)的控制命令，計算離散波形數(shù)據(jù)，打包發(fā)出IEC61850-9-2 報文，處理 GOOSE 報文和 GPS脈沖等。根據(jù)IEC61850 所定義的數(shù)據(jù)幀格式，測試
裝置需要接收及輸出多路采樣信號，需要處理的信息量較大，這對處理器的性能提出了很高的要求。LPC1700 微處理器是基于**代AＲM CortexM3 內(nèi)核的微控制器，是一款低功耗、高性能的32位微處理器，該處理器具有極高的運算能力和中斷響應能力，內(nèi)置嵌套向量中斷控制器，8通道的DMA控制器，集成有帶ＲII接口的以太網(wǎng)MAC，多達165 個通用I/O口。其操作頻率高達120MHz，采用3 級流水線和哈佛結構，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設的低性能的第三條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達1．25MIPS/MHz［6］。因此，采用此芯片可以滿足測試系統(tǒng)對信號數(shù)據(jù)量和實時性的要求。硬件組成示意圖如圖2所示。
2． 2 功能接口實現(xiàn)
本文以基于AＲM Cortex-M3 構架的微處理器LPC1700 為核心，并對以太網(wǎng)模塊、光纖接口模塊等做了擴展。擴展后系統(tǒng)由LPC1700 完成對數(shù)據(jù)的控制和處理。組網(wǎng)方面采用了SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)獨立組網(wǎng)的方法，SV 網(wǎng)用于采樣值報文的輸出，GOOSE網(wǎng)用于接收來自被測試裝置的GOOSE報文，或者發(fā)出GOOSE報文。
2． 2． 1 通信模塊的實現(xiàn)
上位機和測試儀之間通過以太網(wǎng)，以特定的數(shù)據(jù)格式傳輸信息。上位機向測試儀發(fā)送實驗數(shù)據(jù)和控制信息以控制實驗過程。測試儀向上位機反饋開關量變位信息以及實驗過程信息。采用LPC1700芯片自帶的10/100M MAC控制器通過ＲMII接口外接PHY 芯片 KSZ8041NL 和網(wǎng)絡變壓器 HＲ601680，用來完成與上位機的通信。測試儀與上位機的通信采用源代碼開放的嵌入式TCP/IP 協(xié)議 μIP 來實現(xiàn)。μIP 完全由C語言編寫，本身代碼量很小，提供了網(wǎng)絡通信所必須的協(xié)議。
2． 2． 2 信號模塊的實現(xiàn)
在IEC61850 標準的早期版本中，SV 報文有IEC61850-9-1 和 IEC61850-9-2 兩種格式。目前在工程實踐中只采用9-2一種格式，為了能夠對早期的繼保裝置進行測試檢驗，本設計采用IEC61850-9-1 和IEC61850-9-2 兩種格式輸出 SV 報文。當處理器獲得上位機下發(fā)的測試任務后，測試儀會按照測試要求產(chǎn)生相應的波形，按照格式要求發(fā)送給保護裝置，并接受帶有保護動作信息的GOOSE報文。
該模塊采用以太網(wǎng)控制器CS8900 來完成數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和GOOSE 報文的接收。CS8900 內(nèi)部集成了介質訪問控制塊(MAC)、物理層芯片和高能SＲAM，是一款低功耗、性能優(yōu)越的以太網(wǎng)控制器，能夠自動完成幀頭的產(chǎn)生和檢測，CＲC校驗碼的生成和驗證。
鑒于某些變電站數(shù)字化改造的程度不夠完善，部分保護裝置的保護動作信號還是通過開關量的形式接入到測試儀器。為了兼容現(xiàn)場的傳統(tǒng)開關量信號，系統(tǒng)配備了開入量和開出量模塊。并對各路輸入輸出通過光電器件進行了隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。
3 IEC61850 數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)
3． 1 采樣值模型的實現(xiàn)
IEC61850 采用了應用與具體通信映射分離的方法保證了標準的穩(wěn)定性和可擴展性。在變電站緊急事件信息傳輸方面與傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議不同，IEC61850 為了保證報文傳輸?shù)膶崟r性，避免在通信堆棧中造成延時，應用層的PDU經(jīng)表示層編碼后繞開傳輸層和網(wǎng)絡層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層［7］。非緊急信息的傳輸，則可映射到上層傳輸協(xié)議，以便能更好的利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡信息傳輸技術。
3． 1． 1 應用層
應用層的主要功能是在應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU 置入發(fā)送緩沖區(qū)之前，負責將一個或者多個應用服務數(shù)據(jù)單元ASDU連接成一個APDU。ASDU為應用服務數(shù)據(jù)單元，內(nèi)容包含12路電流、電壓信息，其數(shù)量隨保護裝置每周波采樣點數(shù)不同而不同。而APDU 的長度隨ASDU的數(shù)目變化的。APDU幀格式如圖3所示:
3． 1． 2 表示層
采用ASN．1 的 BEＲ 對采樣值緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行編碼，編碼格式為TLV( type，length，value) ，如圖4 所示。
其中TAG用于標識標記，將此值設為0x80，表示上下文類。
3． 1． 3 數(shù)據(jù)鏈路層
測試儀采用交換式以太網(wǎng)，默認情況下報文地址為廣播，為了能夠與間隔層不同設備鏈接，目標地址同時也是可配置的。以太網(wǎng)類型由IEEE著作權機構所注冊，類型為0x88BA。
3． 1． 4 物理層
測試儀與被測保護裝置之間SV采樣值報文以及GOOSE 報文傳送，本設計采用以太網(wǎng)控制器( NIC) CS8900 來完成數(shù)據(jù)交換。CS8900 是一款高集成度的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成有符合IEEE802． 3 標準的介質訪問控制模塊( MAC) ，能夠自動完成幀頭的產(chǎn)生和檢測、CＲC校驗碼的生成和驗證、沖突檢測和幀重發(fā)功能，給編程帶來極大方便。當主機LPC1700 完成上位機所傳送試驗信息的處理以后，將信息發(fā)送到網(wǎng)絡控制器CS8900，由其封裝數(shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)絡接口。然后由光纖傳送到被測試繼保裝置。
3． 2 GOOSE 模型的實現(xiàn)
GOOSE 模型作為通用變電站事件模型的一種類型，主要用于跳閘信號的傳輸。測試儀設計GOOSE報文接收端口，主要用于接收對數(shù)字繼保裝置所傳輸信息，以便對其進行閉環(huán)測試。通過與測試儀所發(fā)送信息比較，可測試數(shù)字繼保裝置所發(fā)出動作信息是否正確。與采樣值傳輸模型類似，為了避免通信堆棧的延時，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，應用層專門定義了PDU，經(jīng)過表示層編碼后，不經(jīng)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應用層GOOSE報文的PDU 格式采用 ASN．1 規(guī)范。表示層采用BEＲ 對應用層的PDU進行編碼。數(shù)據(jù)鏈路層遵循ISO/IEC8802． 3 協(xié)議，提供報文傳輸?shù)膬?yōu)先級服務，分配特定范圍的組播地址。
4 系統(tǒng)軟件設計
4． 1 實時操作系統(tǒng)μC/OS-II
測試系統(tǒng)的軟件包括部分包括上位機部分和嵌入式部分。上位機軟件運行在Windows XP系統(tǒng)下，基于NI公司LabVIEW軟件進行開發(fā)，包括故障信息產(chǎn)生、用戶界面以及與嵌入式部分通訊等幾部分功能。?；贚PC1700 的嵌入式測試儀運行在實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ下，其應用程序也基于該操作系統(tǒng)設計。通過對任務優(yōu)先級的劃分，可以很好的完成AＲM上要求的任務。
μC/OS-II 是一個可移植、可固化的、可裁剪的、搶占式多任務實時內(nèi)核。它包含了任務調(diào)度、任務管理、內(nèi)存管理和任務間的通信和同步等基本功能。在應用程序設計中，完成各項功能的子程序是以任務的形式來體現(xiàn)的，任務設計是整個應用程序設計的基礎。在以μC/OS－II為操作系統(tǒng)的應用軟件設計，要合理劃分各個子程序任務、分配任務的優(yōu)先等級。這是使系統(tǒng)能夠可靠性、穩(wěn)定性運行，并滿足實時性要求的關鍵。μC/OS-II 中*多可以支持64 個任務，分別對應優(yōu)先級0～63，其中0 為*高優(yōu)先級。63 為*低級，系統(tǒng)保留了4個*高優(yōu)先級的任務和4個*低優(yōu)先級的任務，所有用戶可以使用的任務數(shù)
有56 個［8］。
4． 2 任務設計
測試儀嵌入式部分的各種功能實現(xiàn)都是在μC/OS-II 操作系統(tǒng)的管理下工作的。μC/OS-Ⅱ是通用實時操作系統(tǒng)，在LPC1700 微處理器上運行，需進行移植處理，應用程序設計［9］。為了保證程序運行的高效快捷，還要根據(jù)具體工程要完成的任務，對其進行適當?shù)募舨谩Ｈサ舨槐匾娜哂啻a，以提高程序的運行效率。該部分工作可借助第三方工具完成，以減少軟件設計工作量。
5 結束語
為了解決變電站數(shù)字化升級所面臨的復雜現(xiàn)狀，配合數(shù)字化變電站建設及檢修中高效、可靠地完成數(shù)字化保護裝置和智能電氣設備的測試工作，本文提出了一種基于IEC61850 標準的數(shù)字繼電保護測試儀的設計方案。
本設計采用的LPC1700 處理器在工控領域具有廣泛的應用，其具有的高運算能力和中斷響應能力，能夠很好地完成測試系統(tǒng)對實時性和響應速度的要求，有望應用于數(shù)字化變電站的工程和教學中。
