0 引 言
随着IEC61850 标准的实施和数字化变电站技术的迅速推广，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。数字化变电站的结构体系、设备间的通信方式和通信内容与常规的综合自动化变电站相比有很大的不同。其继电保护装置所接收信号采用基于IEC61850 标准的数字信号，因此，与之相适应的测试设备数据传输也应当遵循IEC61850 的数据输出规范。与传统的继保设备相比，全数字化继电保护装置的不同点主要体现为三个方面［1］:
( 1) 数字化变电站采用统一的通信规约，装置之间的通信、互操作性需要通过一致性测试来验证。
( 2) 数字化变电站实现了一次设备智能化，其交流量采集、保护开入量控制量的输出等均以光数字方式传输。
( 3) 数字化变电站实现了二次设备网络化，对通信网络装置的功能和性能要求均大大提高，其测试内容不仅包括时延、吞吐量、丢帧等基本性能，还包括优先级处理、端口镜像等功能。
文中介绍了基于IEC61850 标准的数字式继电保护测试仪的功能，并提出了一种基于AＲM Cortex－M3 处理器平台的实现方法。
1 数字继保测试仪的原理和功能
1． 1 测试仪原理
在数字化变电站中，模拟量的采集功能被独立出来，由过程层的电子式互感器(ECT\EVT) 来完成。新的电子式互感器代替了原来的电磁式互感器，并增加了直接输出光数字信号的物理单元，即合并单元。合并单元将接收到的各路信号作汇总和同步处理后，按IEC61850-9 标准的数据格式通过光纤输出至间隔层，供采样和保护装置使用［2］。如图1所示，数字继电保护测试仪类似于一个信号发生器，具有合并单元的功能，按照IEC61850-9 标准输出电压、电流测试信号给被测保护装置，同时接收保护装置发出的开关量信号，从而实现对保护装置全数字化实时的闭环测试［3－4］。
1． 2 测试仪功能模块
保护测试仪是根据电网运行的实际工况，按照一定的实验方式实时地改变其输出电流、电压量的幅值、相位和频率等参数，来模拟系统的各种故障状态。上位机功能由工控机完成，软件系统基于LabVIEW 编写，其模拟故障信号通过网络通讯传输给下位机( 测试仪)。测试仪的功能模块主要由上位机通信模块、信号输出模块和信号输入模块组成［5］。
1． 2． 1 上位机功能
测试系统中的上位机主要负责模拟产生各种故障信号，并将诸如谐波、幅值和相位等故障参数通过以太网电缆下发给测试仪。由测试仪做进一步处理后，传送给测试设备。
1． 2． 2 通信模块该通信模块负责与上位机进行数据交换，其作用是接收上位机下发的故障数据，然后将数据交给相应的程序处理。
1． 2． 3 信号输出模块
信号模块的功能包含信号的发生与接收。系统处理器实时地接收上位机软件下发的实验参数，利用其强大的数据处理能力将测试信号逐点计算并按
IEC61850－9 标准打包，通过光纤以太网接口输出。传送至被测试装置，并通过信号输入模块，记录被测试装置动作时序状态。
1． 2． 4 信号输入模块
为了测试保护装置的动作特性，测试仪的另一个功能是采集被测保护装置发出的跳闸信号，即通过接收保护装置发送的GOOSE 报文，解析GOOSE报文中开关量的信息以及对比GOOSE报文的接收时间和故障时间来实现。
2 硬件设计方案
2． 1 测试仪的硬件构成
数字继电保护测试仪由上位机系统、嵌入式系统和各种外围接口组成。利用AＲM Cortex-M3 微处理器自带的以太网控制器完成与上位机的通信，并按照上位机下发的控制命令，计算离散波形数据，打包发出IEC61850-9-2 报文，处理 GOOSE 报文和 GPS脉冲等。根据IEC61850 所定义的数据帧格式，测试
装置需要接收及输出多路采样信号，需要处理的信息量较大，这对处理器的性能提出了很高的要求。LPC1700 微处理器是基于**代AＲM CortexM3 内核的微控制器，是一款低功耗、高性能的32位微处理器，该处理器具有极高的运算能力和中断响应能力，内置嵌套向量中断控制器，8通道的DMA控制器，集成有带ＲII接口的以太网MAC，多达165 个通用I/O口。其操作频率高达120MHz，采用3 级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的低性能的第三条总线，使得代码执行速度高达1．25MIPS/MHz［6］。因此，采用此芯片可以满足测试系统对信号数据量和实时性的要求。硬件组成示意图如图2所示。
2． 2 功能接口实现
本文以基于AＲM Cortex-M3 构架的微处理器LPC1700 为核心，并对以太网模块、光纤接口模块等做了扩展。扩展后系统由LPC1700 完成对数据的控制和处理。组网方面采用了SV网与GOOSE网独立组网的方法，SV 网用于采样值报文的输出，GOOSE网用于接收来自被测试装置的GOOSE报文，或者发出GOOSE报文。
2． 2． 1 通信模块的实现
上位机和测试仪之间通过以太网，以特定的数据格式传输信息。上位机向测试仪发送实验数据和控制信息以控制实验过程。测试仪向上位机反馈开关量变位信息以及实验过程信息。采用LPC1700芯片自带的10/100M MAC控制器通过ＲMII接口外接PHY 芯片 KSZ8041NL 和网络变压器 HＲ601680，用来完成与上位机的通信。测试仪与上位机的通信采用源代码开放的嵌入式TCP/IP 协议 μIP 来实现。μIP 完全由C语言编写，本身代码量很小，提供了网络通信所必须的协议。
2． 2． 2 信号模块的实现
在IEC61850 标准的早期版本中，SV 报文有IEC61850-9-1 和 IEC61850-9-2 两种格式。目前在工程实践中只采用9-2一种格式，为了能够对早期的继保装置进行测试检验，本设计采用IEC61850-9-1 和IEC61850-9-2 两种格式输出 SV 报文。当处理器获得上位机下发的测试任务后，测试仪会按照测试要求产生相应的波形，按照格式要求发送给保护装置，并接受带有保护动作信息的GOOSE报文。
该模块采用以太网控制器CS8900 来完成数据帧的发送和GOOSE 报文的接收。CS8900 内部集成了介质访问控制块(MAC)、物理层芯片和高能SＲAM，是一款低功耗、性能优越的以太网控制器，能够自动完成帧头的产生和检测，CＲC校验码的生成和验证。
鉴于某些变电站数字化改造的程度不够完善，部分保护装置的保护动作信号还是通过开关量的形式接入到测试仪器。为了兼容现场的传统开关量信号，系统配备了开入量和开出量模块。并对各路输入输出通过光电器件进行了隔离，提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。
3 IEC61850 数据模型的实现
3． 1 采样值模型的实现
IEC61850 采用了应用与具体通信映射分离的方法保证了标准的稳定性和可扩展性。在变电站紧急事件信息传输方面与传统的TCP/IP网络传输协议不同，IEC61850 为了保证报文传输的实时性，避免在通信堆栈中造成延时，应用层的PDU经表示层编码后绕开传输层和网络层直接映射到数据链路层和物理层［7］。非紧急信息的传输，则可映射到上层传输协议，以便能更好的利用现有的网络信息传输技术。
3． 1． 1 应用层
应用层的主要功能是在应用协议数据单元APDU 置入发送缓冲区之前，负责将一个或者多个应用服务数据单元ASDU连接成一个APDU。ASDU为应用服务数据单元，内容包含12路电流、电压信息，其数量随保护装置每周波采样点数不同而不同。而APDU 的长度随ASDU的数目变化的。APDU帧格式如图3所示:
3． 1． 2 表示层
采用ASN．1 的 BEＲ 对采样值缓冲区中的数据进行编码，编码格式为TLV( type，length，value) ，如图4 所示。
其中TAG用于标识标记，将此值设为0x80，表示上下文类。
3． 1． 3 数据链路层
测试仪采用交换式以太网，默认情况下报文地址为广播，为了能够与间隔层不同设备链接，目标地址同时也是可配置的。以太网类型由IEEE著作权机构所注册，类型为0x88BA。
3． 1． 4 物理层
测试仪与被测保护装置之间SV采样值报文以及GOOSE 报文传送，本设计采用以太网控制器( NIC) CS8900 来完成数据交换。CS8900 是一款高集成度的以太网控制芯片，内部集成有符合IEEE802． 3 标准的介质访问控制模块( MAC) ，能够自动完成帧头的产生和检测、CＲC校验码的生成和验证、冲突检测和帧重发功能，给编程带来极大方便。当主机LPC1700 完成上位机所传送试验信息的处理以后，将信息发送到网络控制器CS8900，由其封装数据发向网络接口。然后由光纤传送到被测试继保装置。
3． 2 GOOSE 模型的实现
GOOSE 模型作为通用变电站事件模型的一种类型，主要用于跳闸信号的传输。测试仪设计GOOSE报文接收端口，主要用于接收对数字继保装置所传输信息，以便对其进行闭环测试。通过与测试仪所发送信息比较，可测试数字继保装置所发出动作信息是否正确。与采样值传输模型类似，为了避免通信堆栈的延时，保证数据传输的实时性，应用层专门定义了PDU，经过表示层编码后，不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层。应用层GOOSE报文的PDU 格式采用 ASN．1 规范。表示层采用BEＲ 对应用层的PDU进行编码。数据链路层遵循ISO/IEC8802． 3 协议，提供报文传输的优先级服务，分配特定范围的组播地址。
4 系统软件设计
4． 1 实时操作系统μC/OS-II
测试系统的软件包括部分包括上位机部分和嵌入式部分。上位机软件运行在Windows XP系统下，基于NI公司LabVIEW软件进行开发，包括故障信息产生、用户界面以及与嵌入式部分通讯等几部分功能。。基于LPC1700 的嵌入式测试仪运行在实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ下，其应用程序也基于该操作系统设计。通过对任务优先级的划分，可以很好的完成AＲM上要求的任务。
μC/OS-II 是一个可移植、可固化的、可裁剪的、抢占式多任务实时内核。它包含了任务调度、任务管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。在应用程序设计中，完成各项功能的子程序是以任务的形式来体现的，任务设计是整个应用程序设计的基础。在以μC/OS－II为操作系统的应用软件设计，要合理划分各个子程序任务、分配任务的优先等级。这是使系统能够可靠性、稳定性运行，并满足实时性要求的关键。μC/OS-II 中*多可以支持64 个任务，分别对应优先级0～63，其中0 为*高优先级。63 为*低级，系统保留了4个*高优先级的任务和4个*低优先级的任务，所有用户可以使用的任务数
有56 个［8］。
4． 2 任务设计
测试仪嵌入式部分的各种功能实现都是在μC/OS-II 操作系统的管理下工作的。μC/OS-Ⅱ是通用实时操作系统，在LPC1700 微处理器上运行，需进行移植处理，应用程序设计［9］。为了保证程序运行的高效快捷，还要根据具体工程要完成的任务，对其进行适当的剪裁。去掉不必要的冗余代码，以提高程序的运行效率。该部分工作可借助第三方工具完成，以减少软件设计工作量。
5 结束语
为了解决变电站数字化升级所面临的复杂现状，配合数字化变电站建设及检修中高效、可靠地完成数字化保护装置和智能电气设备的测试工作，本文提出了一种基于IEC61850 标准的数字继电保护测试仪的设计方案。
本设计采用的LPC1700 处理器在工控领域具有广泛的应用，其具有的高运算能力和中断响应能力，能够很好地完成测试系统对实时性和响应速度的要求，有望应用于数字化变电站的工程和教学中。
