美蘭尼爾電子-基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)數(shù)字變電站可編程的IED

當(dāng)前位置：電氣頻道首頁(yè)>>工程案例>>基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)數(shù)字變電站可編程的IED2008-12-2615:00:17

作者：北京美蘭尼爾電子技術(shù)有限公司王海吉李春久劉海波魏樹立

來源：賽爾電力自動(dòng)化總第71期

【文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處】DSI-5000系列微機(jī)保護(hù)裝置是為滿足數(shù)字化變電站的整體要求而策劃設(shè)計(jì)的，采用通用的軟硬件平臺(tái)。本文主要介紹了平臺(tái)的軟硬件特點(diǎn)，比較了采用單CPU和多CPU方案實(shí)現(xiàn)IEC6180通訊協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了可編程模塊的建模實(shí)例和實(shí)現(xiàn)方法。闡述了在VxWorks操作系統(tǒng)下任務(wù)優(yōu)先級(jí)、中斷優(yōu)先級(jí)的分配方法以及任務(wù)調(diào)度機(jī)制。介紹了IEC61850通訊規(guī)約的實(shí)現(xiàn)過程。1引言IEC制定的變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)體系IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能和要求，為不同廠商的智能設(shè)備IED實(shí)現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效的途徑。它采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得數(shù)據(jù)對(duì)象能夠自描述。目前基于IEC61850通訊協(xié)議建設(shè)數(shù)字化變電站的技術(shù)研究正在逐步深入，也上馬了許多試點(diǎn)工程，各家的實(shí)現(xiàn)方法和特點(diǎn)各異。IEC61850通訊協(xié)議硬件是基于工業(yè)以太網(wǎng)，軟件是基于TCP/IP的MMS（制造報(bào)文規(guī)范）協(xié)議集的通訊協(xié)議。硬件上要求CPU的處理速度更高、存儲(chǔ)器容量更大，軟件平臺(tái)也要有操作系統(tǒng)的支持。多數(shù)廠家的IED采用2至3個(gè)CPU結(jié)構(gòu)，一個(gè)CPU用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和保護(hù)功能，一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)IEC61850的通訊功能，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是功能獨(dú)立，通訊不影響保護(hù)，提高了保護(hù)的可靠性。在邏輯上相當(dāng)于在傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)裝置上增加了一個(gè)規(guī)約轉(zhuǎn)換板，這樣做能夠加快廠家推出基于IEC61850通訊規(guī)約的保護(hù)裝置的速度，迅速在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。IEC61850除了通訊上能夠互聯(lián)實(shí)現(xiàn)互操作之外，更核心的思想是面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，并給出了各種常用保護(hù)和控制功能邏輯節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)建模模型（IEC61850-7-4）。所以實(shí)現(xiàn)61850通訊互聯(lián)只是第一步，只有保護(hù)和控制的各個(gè)功能模塊也是按照邏輯節(jié)點(diǎn)模型建立起來的才是真正的完全基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)保護(hù)裝置。如果采用多CPU方案，即使保護(hù)和控制功能是按邏輯節(jié)點(diǎn)建模實(shí)現(xiàn)的，在通訊CPU上也必需存在一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)的映象模型，并要通過兩個(gè)CPU之間的數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，多采用雙端口RAM或串行總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這必然影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?，同時(shí)增加了軟硬件的復(fù)雜性。GOOSE數(shù)據(jù)傳輸要求在事件發(fā)生后4ms的時(shí)間內(nèi)發(fā)送出去，可見對(duì)通訊快速性的要求是相當(dāng)高的。采用單個(gè)CPU結(jié)構(gòu)，避免了多CPU之間的通訊帶來的軟硬件開銷，降低了裝置成本，使得事件響應(yīng)的時(shí)間縮短了，提高了通訊響應(yīng)的快速性和可靠性。但所面臨的問題就是“保護(hù)的可靠性是否會(huì)受到通訊模塊的影響”、“CPU的負(fù)荷率是不是太高”等疑問。要想克服上述問題的困擾，需要相對(duì)較快的CPU、穩(wěn)定可靠的操作系統(tǒng)、合理的分配保護(hù)和通訊任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、有效的內(nèi)存管理機(jī)制做保證。經(jīng)過對(duì)多款CPU的評(píng)估之后，選用了飛思卡爾MCF5275單片機(jī)。該芯片采用第二代ColdFire?V2內(nèi)核，可在166MHz的時(shí)鐘頻率下提供高達(dá)159MHz的處理能力（Dhrystone2。1），且低功耗。MCF5275較先前的器件增添了一些模塊：包括第二個(gè)10/100M以太網(wǎng)通訊控制模塊和硬件加密模塊，一個(gè)增強(qiáng)型乘加運(yùn)算單元（eMAC），再加上64KB片內(nèi)靜態(tài)存儲(chǔ)器和用戶可定義的16KB片內(nèi)高速緩存，這些可以使系統(tǒng)性能大幅度提高而成本全面降低。MCF527x系列單片機(jī)在工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)安全加密設(shè)備、Internet網(wǎng)絡(luò)通話等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在決定采用VxWorks操作系統(tǒng)之前，做了廣泛的調(diào)研。和其他操作系統(tǒng)相比，VxWorks的健壯性、實(shí)時(shí)性、組件的豐富性無疑是最適合本項(xiàng)目的開發(fā)了，應(yīng)用實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。DSI-5000系列采用通用軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，是為了適應(yīng)半導(dǎo)體制造業(yè)和通訊技術(shù)的日益快速發(fā)展需要。使用VxWorks操作系統(tǒng)，基于柔性設(shè)計(jì)思想開發(fā)硬件、可編程組態(tài)程序模塊、通訊協(xié)議程序模塊，很好地協(xié)調(diào)了產(chǎn)品的高質(zhì)量、高靈活性、低成本之間的矛盾，易于實(shí)現(xiàn)向新平臺(tái)系統(tǒng)的移植和升級(jí)。基于IEC61850GOOSE協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)的IED之間的快速數(shù)據(jù)交換，使得全站的防誤操作、備用電源自投、失靈保護(hù)等功能可以采用分布方式實(shí)現(xiàn)。2DSI5000系列通用軟硬件平臺(tái)的特點(diǎn)2。1硬件特點(diǎn)?CPU采用MCF5275，150MHz主頻，片上具有16K數(shù)據(jù)/指令cache、64Ksram，雙以太網(wǎng)、i2c、qspi、3×uart、USB2。0FULL-SPEEDDEVICE等通訊接口；?核心CPU板6層PCB布線，外擴(kuò)16MFLASH、32MDDR、2Mnvram、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等；?16ch、14BIT、250KSPSA/D轉(zhuǎn)換器；?14路開關(guān)量輸出；?16路開關(guān)量輸入；?兩路100/100M以太網(wǎng)通訊接口，RJ45或FX100光纖接口可選；?兩路RS485通訊接口；?320×240高清晰度大屏幕藍(lán)屏液晶顯示器；?18路可編程顯示LED指示器；?6U1/319英寸前插式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，交流插件也可后插。2。2軟件特點(diǎn)?采用C++和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了IEC61131標(biāo)準(zhǔn)中所有基本PLC可編程模塊、保護(hù)可編程模塊和自動(dòng)化控制功能模塊以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展邏輯節(jié)點(diǎn)類的設(shè)計(jì)；?保護(hù)和自動(dòng)化功能模塊在開發(fā)和工程兩個(gè)級(jí)別上實(shí)現(xiàn)了可編程配置，開發(fā)和工程人員只需根據(jù)用戶的功能要求將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊輸入輸出連接起來，新的裝置即可設(shè)計(jì)完成了；?COMTRADE錄波格式，錄波長(zhǎng)度、內(nèi)容、啟動(dòng)方式可配置；?采用VXWORKS操作系統(tǒng)；?全面實(shí)現(xiàn)IEC61850通訊協(xié)議。3可編程組態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)方法和模塊建模采用可編程的方法實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，是保護(hù)軟件編程的最新技術(shù)，被ABB、西門子等廠家廣泛采用。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，將每一個(gè)模塊對(duì)象獨(dú)立封裝起來，易于實(shí)現(xiàn)軟件的維護(hù)、調(diào)試和封裝，提高了編程的可靠性。同時(shí)使得保護(hù)裝置的功能實(shí)現(xiàn)變成了在圖形組態(tài)輔助工具軟件上模塊之間的簡(jiǎn)單連線。圖形組態(tài)工具軟件將設(shè)計(jì)員完成的連線圖，經(jīng)過編譯之后生成配置文件（M15xxx_dev。cfg），下載到裝置上。裝置上電時(shí)，解釋該配置文件，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建各個(gè)功能模塊并實(shí)現(xiàn)輸入輸出連接。根據(jù)執(zhí)行速度要求，操作系統(tǒng)分時(shí)掃描調(diào)用各模塊的執(zhí)行函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了裝置的各種功能。圖1配置接線圖（2。jpg）3。1可編程模塊和邏輯節(jié)點(diǎn)類的建模方法可編程模塊實(shí)現(xiàn)了IEC61131所定義的所有標(biāo)準(zhǔn)PLC可編程模塊。定義了標(biāo)準(zhǔn)基類CPlcBase，所有模塊是由CPlcBase基類繼承而來，如邏輯門元件、算術(shù)運(yùn)算元件等。所有實(shí)現(xiàn)保護(hù)和自動(dòng)化功能的邏輯節(jié)點(diǎn)模塊盡量在IEC61850中找到匹配的邏輯節(jié)點(diǎn)模型，并在類定義中擴(kuò)充有組態(tài)特點(diǎn)的屬性和行為，將IEC61850的邏輯節(jié)點(diǎn)通訊建模、保護(hù)功能、組態(tài)功能有機(jī)的結(jié)合成一個(gè)模塊類整體，使得模塊具有面向不同功能的輸入輸出端口，這類模塊的繼承基類是CLNodeBase。在CLNodeBase基類中實(shí)現(xiàn)了IEC61850邏輯節(jié)點(diǎn)的定值管理、控制服務(wù)等虛函數(shù)。同時(shí)還針對(duì)61850的通用屬性項(xiàng)定義了大量的宏函數(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用。每一個(gè)模塊有一個(gè)屬性項(xiàng)Id（標(biāo)識(shí)號(hào)碼），模塊組態(tài)時(shí)由設(shè)計(jì)員分配給其一個(gè)在整個(gè)裝置中唯一的標(biāo)號(hào)，LNRef屬性則在邏輯節(jié)點(diǎn)的服務(wù)函數(shù)中用到。3。2可編程模塊建模實(shí)例：邏輯門（LogicGate）邏輯門模塊可以完成與、或、非、與非、或非、異或及同或的邏輯運(yùn)算，非門僅支持一個(gè)輸入，其它運(yùn)算最多允許12個(gè)輸入。表1邏輯門可編程模型Logic-Gate屬性名

類型

說明

M/O基類CPlcBase繼承屬性Id

INT32U

標(biāo)識(shí)號(hào)碼

Name[]

INT8

名稱

特有基本屬性Type

INT8U

邏輯類型AND、OR、NOT、NAND、NOR、XNOR、XOR

InputNum

INT8U

輸入量數(shù)量

M輸入信號(hào)InputA[]

INT32U

模擬量輸入

輸出信號(hào)m_Result

BOOLEAN

邏輯輸出

3。3邏輯節(jié)點(diǎn)建模實(shí)例：延時(shí)過流保護(hù)（PTOC）使能輸入端主要用于軟壓板、電壓閉鎖，分相閉鎖信號(hào)可用于方向閉鎖等。動(dòng)作曲線枚舉類型定義與IEC61850的相關(guān)規(guī)定保持一致，包括定時(shí)限、反時(shí)限及特定曲線模式。時(shí)間定值在定時(shí)限中為延時(shí)定值，在反時(shí)限中為時(shí)間常數(shù)，特殊動(dòng)作曲線中此定值無特定意義。表2PTOC可編程接口模型PTOC類屬性名

類型

說明

M/O基類CLNodeBase繼承屬性Id

INT32U

標(biāo)識(shí)號(hào)碼

Name[]

INT8

名稱

LNRef[]

INT8

描述

特有基本屬性InputNum

INT8U

輸入量數(shù)量

輸入信號(hào)InputA[]

INT32U

模擬量輸入

MBlock[]

BOOLEAN

分項(xiàng)閉鎖信號(hào)輸入

OEnable

BOOLEAN

使能輸入

M輸出信號(hào)Str

BOOLEAN

元件總啟動(dòng)

Op

BOOLEAN

延時(shí)元件總動(dòng)作

OpPh[]

BOOLEAN

元件動(dòng)作

表3PTOC的通訊模型PTOC類屬性名

屬性

說明

TLNRef

邏輯節(jié)點(diǎn)名

數(shù)據(jù)公用邏輯節(jié)點(diǎn)信息（基類CLNodeBase成員）Mod

INC

模式

Beh

INS

性能

Health

INS

健康

NamPlt

LPL

銘牌

狀態(tài)信息Str

ACD

啟動(dòng)

Op

ACT

動(dòng)作

T定值TmACrv

CURVE

動(dòng)作曲線類型

StrVal

ASG

啟動(dòng)值

OpDlTmms

ING

動(dòng)作延時(shí)時(shí)間

數(shù)據(jù)集Op

ST

保護(hù)動(dòng)作數(shù)據(jù)集成員

緩存報(bào)告控制塊BRCBOp

ST

動(dòng)作

日志報(bào)告控制塊LCBOp

ST

日志數(shù)據(jù)集成員

定制控制塊SGCBTmACrv

SGSE

SGCB數(shù)據(jù)集成員

StrVal

SGSE

SGCB數(shù)據(jù)集成員

OpDlTmms

SGSE

SGCB數(shù)據(jù)集成員

服務(wù)GetLNDirectory

讀目錄

GetAllDataValues

讀數(shù)據(jù)

4中斷、任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配為了保證繼電保護(hù)動(dòng)作的快速性和可靠性，同時(shí)兼顧通訊響應(yīng)的快速性，必須合理的安排中斷優(yōu)先級(jí)以及任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和任務(wù)調(diào)度周期。4。1中斷優(yōu)先級(jí)分配在系統(tǒng)中中斷優(yōu)先級(jí)的次序依次是：?定時(shí)采樣啟動(dòng)中斷；?測(cè)頻中斷定時(shí)采樣啟動(dòng)中斷；?VxWorks系統(tǒng)時(shí)鐘中斷；?16通道AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷；?VxWorks系統(tǒng)輔助時(shí)鐘中斷；?以太網(wǎng)中斷；?串行通訊中斷。4。2任務(wù)優(yōu)先級(jí)和任務(wù)分時(shí)調(diào)度機(jī)制任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配：VxWorks內(nèi)核有256個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，0最高，255最低。VxWorks內(nèi)核的任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配是：系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)0、調(diào)試任務(wù)3、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)50～60、USB和圖形60～80、shell100，用戶的任務(wù)安排在100～255之間。VxWorks同一任務(wù)優(yōu)先級(jí)可以安排多個(gè)任務(wù)，所以并不是說內(nèi)核占用了用戶就不能用了。但是如果用戶任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置高于內(nèi)核任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，要注意任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不能過長(zhǎng)，否則可能造成任務(wù)隊(duì)列阻塞溢出等異常情況發(fā)生，使得系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。DSI5000系統(tǒng)軟件任務(wù)根據(jù)功能分類分為：保護(hù)任務(wù)、人機(jī)接口任務(wù)、通訊任務(wù)。根據(jù)響應(yīng)速度保護(hù)任務(wù)分為：快速任務(wù)、中速任務(wù)、慢速任務(wù)三個(gè)級(jí)別?？焖佟⒅兴?、快速任務(wù)的調(diào)度周期依次是2ms、6ms、100ms。任務(wù)調(diào)度采用信號(hào)量（semaphore）機(jī)制，在采樣定時(shí)中斷中定時(shí)發(fā)放信號(hào)量，以保證任務(wù)響應(yīng)的快速性?？焖偃蝿?wù)：（優(yōu)先級(jí)120）主要完成傅立葉計(jì)算、啟動(dòng)條件及閉鎖條件計(jì)算、瞬時(shí)過流（PIOC）、距離保護(hù)速斷（PDIS）、差動(dòng)保護(hù)（PDIF）、故障錄波（RADR．、RBDR、RDRE）、TV/TA斷線判據(jù)、保護(hù)跳閘條件判據(jù)（PTRC）等模塊的執(zhí)行。中速任務(wù)：（優(yōu)先級(jí)121）主要完成延時(shí)保護(hù)及部分輔助功能。如：過流保護(hù)（PTOC，含定時(shí)限、反時(shí)限過流、過負(fù)荷保護(hù)），定時(shí)限距離保護(hù)（PDIS）以及重合閘（RREC）等。慢速任務(wù)：（優(yōu)先級(jí)160）主要完成過負(fù)荷、熱保護(hù)等延時(shí)較長(zhǎng)的保護(hù)任務(wù)。人機(jī)接口任務(wù)：（優(yōu)先級(jí)140）主要完成液晶顯示控制及鍵盤處理等，具有較低的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，采用定時(shí)及信號(hào)量觸發(fā)的綜合執(zhí)行方式。通訊任務(wù)：（優(yōu)先級(jí)130）完成通訊請(qǐng)求服務(wù)及主動(dòng)事件的發(fā)送等，采用定時(shí)及信號(hào)量觸發(fā)的綜合執(zhí)行方式。4。3各任務(wù)的CPU實(shí)測(cè)負(fù)荷率應(yīng)用VxWorks的系統(tǒng)負(fù)荷分析工具SpyChart可以測(cè)定系統(tǒng)的CPU使用狀況，測(cè)試結(jié)果表明正常運(yùn)行并觸發(fā)事件的情況下，系統(tǒng)綜合負(fù)荷率<50％。任務(wù)或中斷

負(fù)荷率系統(tǒng)綜合中斷INTERRUPT

10％VxWorks內(nèi)核及系統(tǒng)任務(wù)KERNEL

6％快速保護(hù)任務(wù)

12％中速保護(hù)任務(wù)

4％慢速保護(hù)任務(wù)

0。5％人機(jī)接口任務(wù)

2％通訊服務(wù)任務(wù)

8％空閑任務(wù)IDLE

57。5％測(cè)試方法：在線路保護(hù)裝置正常運(yùn)行和通訊的情況下，在1分鐘的時(shí)間內(nèi)模擬系統(tǒng)的瞬時(shí)性故障，裝置速斷及距離I段動(dòng)作后重合等。5IEC61850Server通訊規(guī)約實(shí)現(xiàn)5。1IEC61850通訊協(xié)議棧初始化裝置啟動(dòng)時(shí)讀取裝置配置文件（ICD）M15xxx_icd。xml，然后完成VMD的創(chuàng)建，包括邏輯節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集、日志、緩存報(bào)告控制塊、GOOSE控制塊、定值控制塊等功能塊的創(chuàng)建。同時(shí)把VMD中的數(shù)據(jù)區(qū)與實(shí)際邏輯節(jié)點(diǎn)中的通訊數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行映射。利用邏輯節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)接口函數(shù)，如數(shù)據(jù)的讀寫操作來實(shí)現(xiàn)與VMD中的信息同步。這樣在使用MMS與VMD進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，實(shí)際完成的是與保護(hù)裝置的信息交換。5。2IEC61850通訊服務(wù)線程IEC61850的通訊功能的實(shí)現(xiàn)是由ML850_Comm_Server()線程完成的。通訊服務(wù)有定時(shí)和事件觸發(fā)兩種執(zhí)行機(jī)制，定時(shí)時(shí)間是1秒，事件觸發(fā)方式是當(dāng)監(jiān)視量狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)會(huì)發(fā)出信號(hào)量從而觸發(fā)通訊服務(wù)。事件觸發(fā)方式對(duì)于Goose報(bào)文的快速發(fā)送是非常必要的。5。3控制（遙控）、報(bào)告控制塊、定值控制塊、GOOSE控制塊的實(shí)現(xiàn)方法不同的應(yīng)用要求使用不同的遙控模型，共有四種：常規(guī)安全的直接控制、常規(guī)安全的操作前選擇控制、增強(qiáng)安全的直接控制、增強(qiáng)安全的操作前選擇控制。每種遙控模型使用其特定的狀態(tài)機(jī)，在設(shè)計(jì)裝置時(shí)已經(jīng)對(duì)要使用的遙控模型進(jìn)行了定義，遙控操作方式必須和遙控類型相符合。遙控操作都映射到了MMS服務(wù)的讀寫操作中，因此IED在收到讀寫命令時(shí)要對(duì)讀寫操作的名稱進(jìn)行區(qū)分，來對(duì)這種特殊類型的“讀寫”操作進(jìn)行區(qū)別處理，遙控控制塊在收到遙控命令時(shí)只需要看當(dāng)前狀態(tài)來決定下一步的操作。通訊配置文件里對(duì)報(bào)告控制塊要使用