基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计.pdf

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基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计1 基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计2 基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计3 基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计4 基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计5
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第40卷第20期2012年10月16曰电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVb1.40No.200ct.16.2012基于IEC61850和PODIF的电能质量监测装置研究与设计党三磊1,肖勇,杨劲锋,刘铁军(1.广东电网公司电力科学研究院,广东广州510080;2.长沙威胜能源产业技术有限公司,湖南长沙410013)摘要:电能质量监测装置是智能化变电站的必要设备之一,其数据传输与储存是相关技术研究中的重要方面。结合IEC61850与PQDIF的特点,构建了电能质量监测装置IEC61850IED设备信息模型,利用IEC61850数据及数据集服务实现实时数据通信;采用XML文件方式,实现了历史统计数据与事件的PQDIF数据格式映射,通过IEC61850文件服务和PQDIF数据格式实现统计数据的上传。基于以上技术研究,形成了全新软硬件设计方案,设计并试制的电能质量监测装置通过第三方机构和专业软件检测,验证了方案与模型的正确性以及该电能质量装置的实用性。关键词:电能质量监测装置;IEC6185O;PQDIF;XML;删sStudyanddesignofpowerqualitymonitoringdevicesbasedonIEC61850andPQDIF‘DANGSan-lei,XIAOY_0ngt,YANGJing-feng,LIUTie-jun(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCorporation,Guangzhou510080,China;2.ChangshaWeishengEnergyIndustrialTechnologyCo.,Ltd,Changsha410013,China)Abstract:Powerqualitymonitoringdeviceisoneofthenecessaryequipmentsinintelligentsubstations,anditsdatatransferandstoragetechnologyisanimportantresearchfield.BasedonthecharacteristicsofIEC61850andPQDIF,thispaperbuildsan—IEC61850lEDdeviceinformationmodelforpowerqualitymonitoringdevices,andrealizesrealtimedatacommunicationusingIEC61850dataanddatasetservice.PQDIFdataformatmappingbetweenthehistoricalstatisticaldataandeventdataisrealizedusingXMLfiles,thenstatisticaldatacouldbeuploadedbyIEC61850fileservicesandPQDIFdataformat.Basedontheaboveresearch,anewhardwareandsoftwaredesignschemeisproposed.ThedesignandtrialproductionofpowerqualitymonitoringdevicehaspassedathirdpartyprofessionalandprofessionalSO ̄vvaretesting.Itverifiesthecorrectnessofprogramsandmodelofthepowerquality,aswellastheusefulnessofthedevice.Keywords:powerqualitymonitoringdevices;IEC61850;PQDIF;XML;MMS中图分类号:TM935文献标识码:A—文章编号:1674-3415(2012)20.0135050引言随着智能电网概念的提出,智能化变电站建设也快速发展,电网公司对电能质量监测也越来越重视,目前国内新上大中型变电站均要求安装电能质量监测装置。然而电能质量监测装置在通信方面没有统一的通信规约,导致各厂家装置与系统的兼容性和开放性存在着严重的问题。随着国内对于IEC61850标准研究的深入,IEC61850已经成功应用到保护设备和电力仪表[1-4]。电能质量监测装置需要存储大量的历史数据、事件录波数据,该类数据可利用IEC61850文件服务功能进行上传。同时,电力公司也倾向于将PQDIF作为电能质量监测装置数据标准格式,其基本思路是实时通信与事件报警通过IEC61850MMS服务中建立相关逻辑节点实现L5】,而对于历史数据可以存储为PQDIF格式通过文件服务方式进行共享,而对于暂态事件与录波数据,即可以采用COMMTRADE格式也可以采用PQDIF格式通过文件服务实现。本文根据以上思想研制了一款可以应用于智能化变电站的全新电能质量监测装置,该装置能向站控层提供多种IEC61850MMS服务,同时能将电能质量数据以PQDIF格式存储或传输。1IEC61850信息模型构建IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变一136一电力系统保护与控制电站自动化系统唯一国际标准。国家电网公司电能质量监测终端技术规范中,根据电能质量监测装置的实际情况和IEC61850.7.4规定,对电能质量监测装置信息建模进行了规范,认为电能质量监测终端应建模为一个IED设备。IEC61850的IED设备信息模型属性包含逻辑设备(LogicDevice,LD)、逻辑节点(LogicNode,LN)、数据(Data)、数据属性(DataAttribute)四个层次。电能质量监测装置对应的逻辑设备中应至少包含如下逻辑节点:1)系统逻辑节点L:LLN0、LPHD;2)通用功能逻辑节点G:GGIO;3)计量和测量逻辑节点M:MFLK、MHAI、MMXU、MSQI;4)扰动记录逻辑节点R:RDRE,RADR;5)电能质量事件Q:QVVR、QFVR、QVUB、QIUB、QVTR。本文研发的装置为多回路监测装置,一台物理监测设备最多包含三个监测点,应按回路(即监测点)进行逻辑设备(LD)的划分,即一个回路(包括三相电压和三相电流)建模为一个逻辑设备(LD),也即三个逻辑设备。图1为电能质量监测设备的功能构成及信息模型。广.RDRE( ̄记录逻辑节点)—rLRADR(扰动记录模拟通道逻辑节点)COMMTRADE.电能质量监测设备功能电能质量事件检测逻辑节点l・MMXU(¥ ̄I量逻辑节点)I厂QVVR(电压有效值变化)・MSQI(相序不平衡)斗_QFVR(频率变化)-MttAI(i[ ̄波与问谐波)卜MVUB(电压不平衡变化)-MFLK(闪变逻辑节点)QIUB(电流不平衡变化)LQVTR(电压暂态变化)图1电能质量监测设备的功能构成及对应信息模型Fig.1Functionsandinformationmodelofpowerqualitymonitoringequipment电能质量监测IED信息模型的构建除了完成信息建模的工作,还应完成通信服务建模的任务。其中,站级计算机通过应用关联服务与电能质量监测IED建立应用关联;通过目录服务获得电能质量监测IED的信息模型;通过数据服务和数据集服务读取和设置与电能质量相关的信息数据;通过报告和日志服务,将检测到的电能质量事件自动上传;通过文件传输服务上传电能质量监测的波形记录和扰动记录文件及PQDIF文件。2电能质量数据PQDIF逻辑层映射PQD1F(电能质量数据交换格式)数据由一组逻辑相关的高层记录组成,主要包括容器记录(Container)、数据源记录(DataSource)、监测设置记录(MonitorSeRing)、观测记录(Observation)组成。PQDIF具有两层结构:物理结构和逻辑结构。物理结构用于描述PQDIF文件二进制流的存储方式,与存储的内容无关。逻辑结构用于标定PQDIF文件中各项目的层次关系,并根据该层次关系决定物理结构的存储顺序。本节主要讨论在电能质量装置中如何实现电能质量数据映射到PQDIF的逻辑层。由于本文具体数据映射实现采用XML文件进行描述,为了减少XML文件的软件解析难度,本文采用开源mxml来描述逻辑层记录模型。下面分别对容器记录、数据源记录、监测设置记录以及观测记录进行描述。一个PQDIF文件只允许一个容器记录,容器记录主要包含PQDIF的版本信息、语言、压缩算法信息。部分容器记录的XML文件内容如下:<tagContainer>””<tagContainerltemtypeinteger>8</tagContainerltem>””<tagCompressionStylelDtypeinteger>2</tagCompressionStylelD>””<tagCompressionAlgorithmlDtype=integer>l</tagCompressiortAlgorithrnlD></tagContainer>以上XML文件标签中除tagContainerltem是自定义标签外,他均为PQDIF标签,部分参数可以通过人机界面进行设置,另外一些参数通过软件动态生成。数据源记录主要定义历史数据通道以及通道实例,以下是数据源记录XML文件的一部分,共建立’了45个通道,每个通道4.5个序列:<tagRecDataSource><tagChannelDefns><tagChanne1Numt””ype=integer>45</tagChannelNum><!一PAHSEAV0TAGE1一><tagOneChannelDefn>””<tagoneChannelDefnltemtype=integer>5</tagoneChannelDefnItem>党三磊,等基于IEC61850和PQDIF的电能质量监测装置研究与设计-137一””<tagCharmelNametype=opaque>PhaseAvoltage</tagChannelName>””<tagQuantityTypelDtypeopaque>ID—QT一、/ALUELOG</tagQuantityTypeID><tagSeriesDefn>””<tagSeriesNumtype=integer>5</tagSeriesNum><!一timesl一><tagOneSeriesDefn>’’”<tagOneSeriesDefnltemtype=integer>4</tagOneSeriesDefnltem>””<tagValueTypelDtypeopaque>IDSERjESVALUETYPETIME</tagValueTypelD></tagOneSeriesDefn></tagSeriesDefn></tag0neChannelDefn></tagChannelDefns></tagRecDataSource>“””其中tagChannelNum,tagoneChannelDefnltem、“”“”tagOneSeriesDefnltem、tagSeriesNum为自定义标签,分另0表示数据源记录通道定义数、通道定义中PQDIF标签项数、序列定义PQDIF标签项数以及序列数。其他PQDIF标签可以类似定义,不再赘述。监测设置记录主要用于对数据源通道参数进行描述,比如通道是否校准、互感器一二次侧等。一个PQDIF文件允许有多个观测记录,观测记录主要包含对应于数据源记录的通道实例和序列实例。其数据序列的存储方法由数据源中tagStorageMethodlD标签指定。本文设计装置具有两个观测记录XML文件,~个是PQDIF趋势记录的XML文件,一个是PQDIF暂态事件记录XML:文件。这里需要指出的是,观测记录由于与仪器测量数据对应,因此需要存储到PQDIF的数据在XML文件中采用自定义的数据标识进行识别。本装置数据标识由下列宏定义生成。#defineD久一TYPE(DT,PASHE,Qr,SD100000+PASHE10000+QT*10+ST。其中:DT为数据类型,主要有整型或实型两种;PHASE为相别;Q为参量类型如电压、电流、暂降等;为统计类型,如最大值、最小值、平均值等。3电能质量监测装置设计3.1装置硬件设计方案由于电能质量分析功能计算量非常大,硬件设计时需将数据分析处理与数据管理分开。同时,考虑到变电站一般需要监测多条线路,因此硬件设计上考虑采用多回路结构。多回路结构还有一个优点就是可以实现所有的通道同步采样和计算,有利于多回路测量数据的综合分析。本电能质量监测装置其整机硬件原理框图如图2所示,采用高速16位A/D转换器和DSP高速数字信号对各相电流、电压进行高速实时采集,由各测量单元分别完成多个监测点基本电参量、谐波、闪变等参数的测量与分析工作。测量单元计算结果通过高速HPI通信接口和管理层进行数据交换。管理单元由先进的嵌入式PC104工控机和稳定的LINUX嵌入式操作系统组成,主要完成显示、数据统计、存储、通信以及板间软硬件同步等工作。图2电能质量监测装置硬件工作原理框图Fig.2Hardwarestmcmreofpowerqualitymonitoringdevices本电能质量监测装置可最多接入3块测量单元板,所有测量单元板上的ADC转换启动信号均由逻辑单元板统一提供,以此保证各测量单元板在同一个时间点上进行同步采样。3.2装置软件设计方案本文在进行软件设计采用效率最高的共享内存及管理作为各个模块通信的公共接口,以满足装置大量数据处理分析的需求。本电能质量装置软件在实现电能质量监测功能基础上进行设计,其关键部分的软件设计方案如图3所示。主要包括电能质量监测功能模块、文件系统、公共接口、MMS.EASYLite四个部分。电能质量监测功能部分主要完成测量单元计算结果的获取,处理、统计、显示等基本-138・电力系统保护与控制功能,相当于传统的电能质量监测装置的功能。I鬻800摄薯Ij艚文件解析I骼件II一公兆接}兰苎兰兰竺I=====l图3基于IEC61850与PQDIF软件设计方案Fig.3SoftwaredesignbasedonIEC61850andPQDIF—MMSEASYLite是专门为lED等嵌入式应用进行优化的MMS协议源代码软件包,能够极大地降低MMS服务实现的难度,缩短开发周期。本装置通过MMS.EASYLite实现IEC61850服务,首先需要解析IEC61850配置文件,建立IEC61850系统对象空间及日志和文件支撑系统。完成一次服务请求过程则由服务器端根据MMSRequestPDU信息和参数调用用户反馈函数和服务端应答处理函数,从对象空间中获取相关数据并组织MMSResponsePDU下发请求应答。公共接口部分主要包括共享内存及管理、配置文件读写、PQDIF文件存储。电能质量监测功能模块一方面对共享内存数据更新,同时其显示模块、通信模块、告警模块等实时从共享内存中获取数据。PQDIF存储模块通过解析XML文件的PQDIF配置,从共享内存中获取相关历史统计数据、事件数据和波形数据,并将其转换为PQDIF文件存储到文件系统。配置文件读写模块在装置启动时解析装置配置文件,并写入共享内存,供电能质量监测功能模块使用。装置的文件系统中主要存储装置配置文件、XML配置文件、PQDIF趋势文件、PQDIF事件文件以及其他数据文件。PQDIF趋势文件每天每个监测点产生一个,PQDIF事件文件在暂态事件发生时生成。为了便于进行事件查看和共享,每一个暂态录波事件生成一个PQDIF文件,PQDIF趋势文件和事件文件可采用固定的命名规则以便区分和储存。本装置PQDIF趋势文件命名规则为:监测点名称一时间跨度:其中时间跨度包括:年(四位)月(两位)日(两位)。PQDIF事件文件命名规则为:监测点名称一故障号一故障时间;其中故障号两位,故障时间格式为:年(四位)月(两位)日(两位)一时(两位)分(两位)秒(两位)一毫秒(三位)。4实现与验证按本文研究内容研制的电能质量监测装置已经成功并通过中国电力科学研究院IEC61850规约一致性测试,具体包括文件和版本控制、配置文件、特定服务映射、数据模型支持、应用关联、数据集模型、报告模型、文件传输模型和组合等一致性测试,测试具体内容如表1所示。表1一致性测试内容Table1Conformancetestingcontent图4为采用装置生成的PQDIF趋势文件采用PQDIF开放套件中提供PQDIFUtility软件打开后的截图,显示了容器记录与一个通道实例。图5为采用TOP软件打开PQDIF数据文件时的截图,其显示的是装置一天电压有效值的平均值趋势图。图4PQDIF趋势文件逻辑结构图Fig.4LogicalstructureofPQDIFtrendfile党三磊,等基于IEC61850和PQDIF的电能质量监测装置研究与设计.139一[3][43图5PQDIF数据文件TOP软件显示图[5]Fig.5TOPsoftwaredisplayofaPQDIFdatafile5总结本文在对IEC61850标准以及PQDIF相关标准研究的基础上,建立了电能质量监测装置的IEC61850信息模型。同时采用XML文件方式,将电能质量历史统计数据和事件数据映射 ̄IJPQDIF文件格式逻辑层上。通过对装置软硬件进行讨论,解决了利用IEC61850数据及数据集服务实现实时数据通信,同时通过IEC61850文件服务和PQDIF数据格式实现了统计数据的上传。最后通过专业机构和专业软件测试验证了该装置设计的正确性和实用性。参考文献[1]韩法玲,黄润长,张华,等.基于IEC61850标准的IED建模分析[JJ.电力系统保护与控制,2010,38(19):219.222.—HANFa-ling,HUANGRunchang,ZHANGHua,eta1.IEDmodelinganalysisbasedonIEC61850standard[J[.PowerSystemProtectionandControl,2010,38(19):2l9.222.[2]李友军,徐广辉,王文龙,等.WebService和MMS技术在IEC61850标准体系中的应用分析[J].电力系统保护与控制,2009,37(14):101104.——LIYou ̄un,XUGuanghui,WANGWenlong,eta1.ComparisonbetweentheapplicationofWebServiceand[6]MMSinIEC61850[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(14):101-104.—王舒憬,叶申锐,张乐.IEC61850模型的MMSEASELite实现分析[J].仪表技术,2009(6):50.53.WANGShuqing,YEShen-rui,ZHANGLe.Analysisof—implementingtheIEC61850modelwithMMSEASE—Lite[J].InstrumentationTechnology,2009(6):5053.董科,关彬,王巍.IEC61850与MMS的映射的研究[J].—电力系统保护与控制,2010,38(10):9295.DONGKe,GUANBin.WANGWei.ResearchonmappingbetweenIEC61850andMMS[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(10):92-95.张志生,孔德红.PQDIF规范在电能质量监测中的应用[J].南方电网技术,2009(3):178.180.—ZHANGZhisheng.KONGDe.hong.ApplicationofPqdifspecificationonpowerqu 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̄erScontrolstrategyindistributedpowersystem[D[.HangzhouZh ̄iangUniversity,2006.收稿日期:201卜11-21:作者简介:白建成(1988-),男,能源方向的研究;E.mail:荆龙(1977-),男,能源方向的研究;修回日期:2012-05-12硕士研究生,从事电力电子与新ieekoor@126.eom博士,讲师,从事电力电子与新童亦斌(1969一),男,副教授,从事电力电子与新能源方向的研究。
周大爷
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