基于IEC61850标准电量变送器的设计思路
笔者在"基于IEC61850标准的变电站综合自动化系统"一文中,曾经提到IEC61850标准将对电量变送器的设计带来根本的变革. 本文从IEC61850标准的角度,谈谈新一代电量变送器的设计思路,这些设计要求和思路是常规变送器中没有的.
电量变送器厂家,除了要关注IEC61850标准之外,还要关注IEC60044(关于电压互感器和电流互感器部分),IEC60874(关于光纤和电缆接口标准),以及ISO/IEEE802.3以太网标准. 由于过去电量变送器从不包括网络接口,这对于电量变送器厂家来说,是个挑战.
常规电量变送器只是把电压互感器和电压互感器的信号转换成直流信号输出,通常只采集来自测量电流互感器上的电流.这主要由于保护和测量要分开, 前文我提到保护和监控在新一代数字变电站综合自动化系统中,将会走向联合,而数字采集部分将会下放到电量变送器.这对电量变送器提出了新的要求.
1. 电量变送器要采集的量(以一条馈线为例):
来自测量CT的三相电流;
来自保护CT的三相电流;
来自中性线的电流;
三相电压;
中性线电压;
母线电压.
2. 采样频率
基于故障录波器将被取消,而且数字保护也要从变送器上读取数据,所以对变送器的采样速度提出了很高的要求. 根据采样原理,每个周期至少要采12个点,我们取每周期20点.要分析故障,我们一般要能获取20次到30次谐波, 以30次谐波为例,采样频率可估算如下:
30*50*20*12=360KHZ
上面的估算以一个A/D转换器为基础,为保险起见,我建议留出20%的额度,同时应考虑欧美市场60Hz的基波频率,顺便提一下, IEC61850以60Hz为基础. 这样我们大体可以选择相应的A/D转换器芯片. IEC61850建议模拟量使用两个字节,所以可以选用12位或16位A/D转换芯片.
3. 网络支持
新一代电量变送器要引入以太网,网络接口可选择光纤接口或电缆接口. 光接口抗电干扰能力强,但如电量变送器厂家并不生产上位产品( 如保护,监控单元), 建议两种都要支持. 再一个就是网络的速度,可选10MB/S或多或100MB/S. IEC61850给出了根据报文帧长来估算网络速度的方法.
开发电量变送器的另一个挑战是,我们必须要自己开发数据链路层和应用层(见ISO开放式系统互连标准中的7层模型,一般TCP/IP技术文档中都会提到). IEC61850规定在数据链路层上支持IEC8802-3和IEEE802.1Q(支持优先标记),在应用层上支持IEC61850的SCSM( Specific Communication Service Mapping).
由于成本的要求,我在此并不建议使用实时操作系统,所以要从底层开发.
4. 网络报文的帧格式.
网络报文的帧格式如下:
preamble, start of frame, Header Mac, Priority Tagged, Ether Type PDU, APDU, Frame Check Sequence.
Header Mac(12字节) 包括目的地和源地址(物理地址), IEC61850建议目的地址采用广播地址,这样不需对变送器进行配置.
Priority Tagged 为4字节,以0x8100为标识.
Ether Type PDU 为10字节(包括,EtherType, APPID,length, 及两个保留字).
APDU由若干个ASDU组成,ASDU则是映射IEC61850-7-2的重点.
小结
本文提出了开发新一代基于61850标准的电量变送器极其实现的方法. 我不建议把故障录波的功能放在这一级,但建议同时提供测量和保护所需要的所有数据. 还有一种基于双端口RAM( Dual Port RAM)的实现方法,但这业也超过了本文所要讨论的范围.
2007年5月6日 Calgary
