李凌1景冬2
　　
　　（1、清华大学自动化系北京100086）
　　
　　（2、北京鼎汉技术股份有限公司北京100070）
　　
　　摘要：对目前变电站中电力专用UPS电源的使用情况和应用方案进行了分析，并针对智能电网的发展，设计了一种基IEC61850协议的新型数字化电力专用UPS电源。
　　　　
　　0 引言
　　
　　随着我国电网规模不断扩大，运行管理复杂度越来越高，为了保证电网安全可靠运行，则需以信息化推动生产和管理现代化，建立智能化电网势在必行。在电网中，变电站是重要的分支，是主要信息源和执行部件，因此要建立智能电网，则必须先建成智能变电站，也就是要使变电站内部电气控制设备先智能化。电力专用UPS电源是变电站综合自动化系统的重要组成部分，因此急需开发出一种适合于智能变电站的UPS电源系统。
　　
　　1 传统电力专用UPS电源简介
　　
　　传统的电力专用UPS电源内部包含整流器、逆变器、旁路静态开关、直流逆止二极管、输入输出隔离变压器及滤波器等单元（如下图1所示），电源工作过程共有三种状态：
　　
　　（1） 平常工作于市电时的正常
　　
　　（2） 市电故障，UPS工作于直流供电状态
　　
　　（3） 机器过载、过温或逆变器故障时，UPS工作于旁路状态
　　
　　（图一）
　　
　　传统的电力专用UPS能满足变电站综自系统供电基本要求，然而面对日益不断发展的电网，也展现出不足之处，主要如下：
　　
　　(1) 采用RS232或485口传输的自定义的通信协议，没有统一的数据模型，数据维护不方便，常常要进行数据配置管理，实时性不高，通信处理较繁琐；通迅模式简单，只采用问答式。
　　
　　(2) 缺乏统一的监测模块，只能监测单个UPS模块的信息，对于一套UPS电源系统（有多个UPS电源模块组成的并机系统），则无法采集所有需要的信息；同时基本上是独立的系统，开放性不好。
　　
　　2 IEC61850协议
　　
　　在智能变电站中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，就需要一种通用的通信方式来实现。IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。IEC61850将变电站通信体系分为3层:变电站层、间隔层、过程层；同时对变电站所有组件进行统一建模，从而使站内所有电气设备可以无缝连接、数据共享及互为操作.
　　
　　3 基于IEC61850的数字化电力专用UPS
　　
　　数字化电力专用UPS在传统UPS基础上增加了符合IEC61850体系的系统监测模块，从而可以实时采集到UPS电源系统中的各状态信息量，然后调用预先嵌入的IEC61850通讯服务，将这些信息量以IEC61850中所提供的标准数据模型的格式管理起来，同时将这些数据进行打包，以IEC61850规约标准向智能变电站通讯网络中其它用户节点提供数据服务，系统基本结构如下（下图二所示）：
　　
　　（图二）
　　
　　主要特点：
　　
　　（1）提供以太网接口，通信协议符合IEC61850标准，不需要通过规约转换器，就可以直接无缝接入到智能化变电站通讯网络中，完全兼容互操作性要求。
　　
　　（2）可以成为一个开放式系统，方便与智能变电站网络中其它设备实现电源信息共享，有助于维护管理和事故隐患发现，提高变电站运行的可靠性。
　　
　　（3）采用符合61850标准的数据模型，降低了因配置造成的出错率，提高了数据配置管理效率。
　　
　　4 电源监测通讯模块硬件设计
　　
　　监测通讯模块采用主采集显示板+接口板架构设计。主采集显示板采用ARMCPU+FPGA结构实现数据的多路模拟量的同步、高速采集（每通道采样率最高可以达到100KHz），以及人机交互功能，如可以支持灰度屏或TFT真彩屏（分辨率最高支持800*600，推荐640*480）、触摸屏、键盘、串口等。图3为系统框图。
　　
　　其中ARMCPU选用S3C2410，作为主处理器。协处理器FPGA选用EP1C3。
　　
　　接口板主要负责输入信号的调理。

　　
　　（图三）
　　
　　5 IEC61850通讯软件设计
　　
　　电源系统监测通讯模块操作系统采用linux-2.6，FPGA程序采用VHDL语言，实现ADC数据采集，以及与CPU的数据传输。所有UPS电源模块的信息通过双口RAM导入系统中，然后由软件系统中的IEC61850服务程序进行处理，61850通讯设计主要流程如下：
　　
　　1）定义共享内存，提取UPS模块的基础数据，部分程序如下：
　　
　　typedefstruct
　　
　　{
　　
　　 floatinput_vol;    //输入电压
　　
　　 floaterror_vol;    //错误电压
　　
　　 floatoutput_vol;    //输出电压
　　
　　 floatoutput_current;  //输出电流
　　
　　 float input_frequency; //输入频率 
　　
　　 float cell_vol;     //电池电压
　　
　　 float temperature；   //温度
　　
　　 int  device_abnor;   //装置异常，device_abnor<>0
　　
　　 int  low_vol;     //电池低压，low_vol<>0
　　
　　 int  bypass;      //旁路，bypass<>0
　　
　　 int  ups_fail;     //UPS失败，ups_fail<>0
　　
　　 int  ups_type;     //UPS类型，ups_type=0在线式；
　　
　　2）根据IEC61850所定义的数据模型，用专用SCL描述语言对UPS数据进行配置，生成的ICD文件的部份内容如下：
　　
　　<DataSetname="ZAXN1Measure"desc="ZAXN1Measure">
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="ACInVol"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="FllInVol"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="Volt"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="OutLodRat"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="InHz"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="DCInVol"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="Tmp"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="VRtgOut"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="ARtgOut"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="VRtgBat"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　       <FCDAldInst="ZAXN"prefix=""lnInst="1"lnClass="ZAXN"doName="HzRtgOut"daName="instMag"fc="MX"/>
　　
　　      </DataSet>
　　
　　3）定义好数据模型符合IEC61850规范，可以无缝接入到智能变电站监控中心
　　
　　6 数字化电力专用UPS通讯配置
　　
　　基于IEC61850的电力专用UPS系统通过以太网接口无缝直接接入智能变电站网络，所提供的数据包含输入电压/频率值、输出电压/频率值、直流输入电压值、负载使用百分比、电源系统内部温度等等；系统内置配置工具，提供WEB页面访问式配置相关通信参数，同时提供相关的ICD文件，即可轻松建立与上位监控的IEC61850通讯，具体步骤如下：
　　
　　（1）通过任何一台接入变电站网络的计算机，就可以采用浏览器以web页面方式进行IEC61850通讯参数配置，可使用通用的浏览器，如IE或者FIREFOX等。
　　
　　（2）用web页面访问方式配置通迅参数，在地址栏里输入给定的IP地址，即可连接到配置页面，如下图4所示
　　
　　（3）在以上配置页面内读取或设置所需的通迅参数。
　　
　　
　　
　　（图四）
　　
　　7 结束语
　　
　　数字化电力专用UPS电源，通过IEC61850通讯服务模块，可以将UPS电源各状态信息实时地、无缝地接入到智能化变电站网络中去，与网络中其它监控设备进行信息交互，减少了规约转换的环节，提高了设备在变电站中工作的可靠性，符合智能变电站的设计要求。
　　
　　参考文献：
　　
　　【1】国家电网公司.330KV-750KV智能变电站设计技术规定【M】.北京：国家电网公司科技部
　　
　　【2】国家电网公司.智能变电站技术导则【M】.北京：国家电网公司科技部
　　
　　【3】中华人民共和国国家发展和改革委员会.IEC618506、7-1/4、8-1、9-1标准【M】.北京：中国电力出版社
　　
　　【4】中华人民共和国国家发展和改革委员会.电力用直流和交流一体化不间断电源设备【M】.北京：中国电力出版社
　　
　　作者简介：
　　
　　李凌（1980—），男，毕业于清华大学自动化系，硕士研究生，现就职于北京山清水木电气科技有限公司，研究方向为大功率开关电源系统。
　　
　　景冬（1984—），男，现就职于北京鼎汉技术股份有限公司，工程师，主要负责变电站逆变电源研究。
　　
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