一種新型數字化故障錄波器設計與實現

電力系統(tǒng)故障錄波器是故障錄波器用于電力系統(tǒng)，可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動地、準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況，通過這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平均有著重要作用。故障錄波器是提高電力系統(tǒng)安全運行的重要自動裝置，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時，它能自動記錄整個故障過程中各種電氣量的變化。近幾年，隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，特別是光電式互感器、智能化開關等二次設備的發(fā)展，對發(fā)電機，電力電纜，斷路器等一次運行設備在線狀態(tài)檢測技術日趨成熟。結合當前成熟的高速以太網在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應用，變電站中的數據監(jiān)控已可以網絡化。在IEC61850協(xié)議的框架下，可以通過訂閱的方式實現全站數據對象的自由記錄。數字化變電站技術越來越受到人們的重視。

智能電網是大電網發(fā)展的必然趨勢，數字化變電站是智能電網的重要組成部分。伴隨著數字化變電站的大力發(fā)展，需要對傳統(tǒng)故障錄波器進行改進以適應數字化變電站的需要。 本文首先介紹了數字化變電站中符合IEC61850標準的智能電子設備（IED）的模型建立方法。以某個具有代表性的線路保護裝置為例，詳細設計了該保護裝置的數字化模型，為其他變電站自動化裝置以及本文要分析的故障錄波器提供建?；A。數字化變電站網絡結構對錄波器設計有決定性的作用，需要針對不同規(guī)模變電網絡的具體情況設計相應的網絡，因此本文針對典型變電站提出合理的網絡設計方法。最后，提出了數字化故障錄波器的硬件選型、軟件流程等設計，并提出目前較為合理的過程層數據格式標準方案。

1 總體結構

1.1 變電站的結構

數字化變電站在物理結構上分為兩類，即智能化的一次設備和網絡化的二次設備；而在邏輯結構上可分為3個層次，根據IEC61850協(xié)議定義，分別為過程層、間隔層、站控層（或變電站層）。各層內部及各層之間采用高速網絡通信，整個系統(tǒng)的通信網絡可以分為：站控層和間隔層之間的間隔層通信網、以及間隔層和過程層之間的過程層通信網。間隔層在站內按間隔分布式布置，各間隔設備之間相對獨立；間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸光纖以太網，在標準中稱為過程總線。如圖1所示。

1.2 故障錄波器系統(tǒng)構成

數字化故障錄波器使用分層的系統(tǒng)設計，包括前端的協(xié)議轉換器部分以及后端的故障判斷與錄波設備兩部分。協(xié)議轉換器采用PowerPC8 270處理器結構和VxWorks操作系統(tǒng)，其中包括IEC61850協(xié)議處理模塊、數據同步模塊、傳統(tǒng)站數據模塊、數據通信模塊和時間同步模塊。如圖2所示。

變電站通信體系IEC61850將變電站通信體系分為3層：變電站層、間隔層、過程層。在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規(guī)范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網際協(xié)議（TCP/IP）以太網或光纖網。在間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸以太網。變電站內的智能電子設備（IED,測控單元和繼電保護）均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網絡進行信息交換。

IEC 61850標準是由國際電工委員會（InternatiONal Electro technical Commission）第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網絡和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網絡通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準吸收了IEC60870系列標準和UCA的經驗，同時吸收了很多先進的技術，對保護和控制等自動化產品和變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設計產生深刻的影響。它將不僅應用在變電站內，而且將運用于變電站與調度中心之間以及各級調度中心之間。國內外各大電力公司、研究機構都在積極調整產品研發(fā)方向，力圖和新的國際標準接軌，以適應未來的發(fā)展方向。

2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現

VxWorks 是美國 Wind River System 公司（ 以下簡稱風河 公司 ,即 WRS 公司）推出的一個實時操作系統(tǒng)。Tornado 是WRS 公司推出的一套實時操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，類似Microsoft Visual C,但是提供了更豐富的調試、仿真環(huán)境和工具。它提供了對其它VxWorks系統(tǒng)和TCP/IP 網絡系統(tǒng)的透明訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調用（RPC），SNMP（可選項），遠程文件訪問（包括客戶端和服務端的NFS機制以及使用RSH,FTP 或 TFTP的非NFS機制）以及BOOTP 和代理ARP、DHCP、DNS、OSPF、RIP.無論是松耦合的串行線路、標準的以太網連接還是緊耦合的利用共享內存的背板總線，所有的 VxWorks 網絡機制都遵循標準的 Internet 協(xié)議。

2.1 IEC61850 9-1與GOOSE報文的傳輸

IEC61850標準針對變電站所有功能定義了比較詳盡的邏輯節(jié)點和數據對象，并提供了完整的描述數據對象模型的方法和面向對象的服務，其中的9-1協(xié)議和GOOSE協(xié)議都采用了不經TCP/IP協(xié)議，直接映射到數據鏈路層，即傳輸層和網絡層均空的方式。以避免通信堆棧造成傳輸延遲，從而保證報文傳輸、處理的快速性。

2.2 VxWorks下對于網絡協(xié)議的處理流程

在VxWorks下處理數據鏈路層的報文，需要關注它的網絡協(xié)議棧結構。VxWorks網絡協(xié)議棧（scalable enhanced network STack,SENS）為可裁減增強網絡協(xié)議棧。它與傳統(tǒng)的TCP/IP網絡協(xié)議棧相比，最大的特點是在數據鏈路層和網絡協(xié)議層之間多了MUX層。當網絡接口驅動向協(xié)議層發(fā)送數據時，驅動程序會調用一個MUX層提供的函數將數據轉發(fā)給協(xié)議層。MUX的主要目的是把網絡接口驅動層和協(xié)議層分開，使得二者彼此保持獨立。在此，為了實現對9-1和GOOSE協(xié)議數據鏈路層報文的處理，利用了VxWorks網絡協(xié)議棧的MUX接口，如圖3所示。

當網卡收到一個報文時，網卡驅動中實現的網卡中斷服務函數將被調用。中斷服務只負責最簡單的底層操作，然后中斷調用netJobAdd（），將接下來的工作排隊加入網絡服務隊列，tNetTask任務將會從此隊列中讀出，完成任務級別的網絡處理工作。其具體的處理方法根據不同的網絡協(xié)議類型有所不同，開發(fā)人員可以通過MUX接口綁定對新的網絡協(xié)議處理方法。

2.3 IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議

為了在后方的故障錄波和常態(tài)錄波下都能有精確的時間，采用IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議（PTP）。它是一種網絡時間同步協(xié)議。

IEEE1588協(xié)議通過硬件和軟件配合獲得更精確的定時同步。它采用分層的主-從式（master-slave）模式，主要定義了4種時鐘報文類型：同步報文（Sync）、跟隨報文（Fellow-up）、延時要求報文（Delay-Req）、回應報文（Delay-Resp）。PTP系統(tǒng)中的從時鐘就是通過與主時鐘交換上述的4種報文來同步時間。

3 硬件設計

前端故障錄波器協(xié)議轉換器部分的硬件選擇Freescale MPC8270處理器，其CPU主頻為450 MHz,通信處理器（CPM）主頻300 MHz,并且其自身具有3個快速以太網控制器（FCC）。在該本應用中使用了交換芯片進行擴展。后端的故障判斷與錄波設備采用IntelCore 2雙核E4300 1.8 GHz.

4 軟件設計

軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)，VxWorks具有良好的可靠性，高性能的內核以及很好的實時性。

4.1 IEC61850報文處理模塊

IEC61850 9-1標準與GOOSE為了保證通信的實時性，都采用了數據鏈路層直接傳輸報文。在此利用VxWorks的MUX層接口實現從數據鏈路層將IEC61850協(xié)議數據傳輸給應用層程序。由于在IEC61850協(xié)議中規(guī)定幀結構中含有虛擬局域網標記TPID和TCI,在幀經過交換機時可能會被去掉也可能保留。因而在MUX層綁定網絡協(xié)議類型處理函數時需要對9-1協(xié)議（ethertype 0x88b8），GOOSE協(xié)議（ethertype 0x88ba），以及虛擬局域網標記（0x8100）都進行綁定，并在后續(xù)的處理中對類型為0x8100的報文特別處理，判斷其真實的協(xié)議類型，以免誤判。

9-1是一個點對點的協(xié)議。在故障錄波器的應用場景中，由于必須監(jiān)控全站的大量線路，前端需要集中器將9-1數據合并，而合并后的數據格式目前并沒有統(tǒng)一的標準。在此對于9-1協(xié)議解析進行了模塊化設計，將報文的解析獨立出來，使其很容易增加對其他類型9-1擴展協(xié)議的支持。

4.2 傳統(tǒng)數據報文模塊

該應用中對于傳統(tǒng)站，將由前方的采集設備采樣模擬量和開關量數據，通過TCP協(xié)議發(fā)送到錄波器。錄波器將對其解析后封裝為與IEC61 850相兼容的數據格式，以便后方設備進行啟動判斷與存儲。

4.3 同步模塊

9-1數據來自合并單元，而開關量采樣數據來自保護控制單元，兩者的數據源不同，發(fā)送的報文格式也不同。IEC-61850中定義的GOOSE報文，每幀報文中含有詳細的絕對時間，但報文只有在開關量發(fā)生變位時才發(fā)送，在開關量變位后，則建議按指數遞增的時間間隔發(fā)送，因而接受到GOOSE報文的時刻是不定的。在某些實際應用中，甚至可能發(fā)生保護裝置未進行同步，造成GOOSE報文中的時間戳不準的情況。另一方面，故障錄波需要全站的大量開關量數據，而單一保護控制單元發(fā)送的GOOSE報文只包含其中的一部分，需要將不同來源的GOOSE報文進行同步和組合。包含模擬量采樣值的9-1報文通過合并單元后雖然具有錄波所需要的全部模擬采樣值數據，也按照固定的采樣頻率均勻發(fā)送，但其中僅含有秒的等分序號，而沒有絕對的時間信息。因此必須要將不同源的開關量之間、以及開關量和模擬量之間進行同步合并，對數據整體加入絕對時刻。在設計同步方案時，充分考慮到開關量的數據更新頻率遠遠小于開關量數據讀取頻率，即絕大多數的同步工作都是將保存的開關量與當前收到的模擬量采樣值進行合并，只在低頻率的GOOSE報文來臨時才需要更新保存的開關量值。在該設計中，高頻率的模擬量數據到需要和開關量合并時，保存開關量的堆棧中將只含有最近的一次或之前少數幾次開關量狀態(tài)，模擬量數據將以極大的概率直接與最近的開關量時間匹配，維護此堆棧的空間開銷和時間開銷都很小。具體流程圖如圖5所示。

4.4 數據通信模塊設計

該模塊將同步好的全站模擬量采樣值與開關量加入時間戳，通過TCP連接發(fā)送給啟動判斷與存儲設備，保證數據及時間的正確性并簡化后端的實現。

4.5 時間同步模塊

按照IEEE1588的規(guī)定，首先由主時鐘節(jié)點向從時鐘節(jié)點發(fā)送帶主時鐘時間戳的同步報文（Sync），同時主時鐘節(jié)點記錄下同步報文實際發(fā)送的時間戳，并在隨后的跟進報文（Fellow-up）中傳送該精確時間戳t0.從時鐘節(jié)點在收到上述報文后記下同步報文的接收時刻t1.然后從時鐘節(jié)點向主時鐘節(jié)點發(fā)送一個延遲請求報文（delay-request），同時記錄下該報文的實際發(fā)送時間作為精確的發(fā)送時間戳t2,而主時鐘接收到該報文時也記下接收時刻的精確時問戳t3,并將該事件戳在隨后的延遲響應報文。中發(fā)送給從時鐘節(jié)點。如圖6所示。

主、從時鐘偏差（offset）以及網絡延遲（delay）可表示為：

4.6 故障錄波啟動判斷及記錄模塊

因協(xié)議轉換器已對數據加入時間戳并進行合并，故障錄波啟動判斷及記錄模塊存在實時性的問題，設計時注重更大的系統(tǒng)容量，因此硬件平臺選擇Intel CPU,軟件基于Linux操作系統(tǒng)。它通過額外的算法判斷同步的模擬量采樣數據與開關量數據的瞬時值或有效值來判斷當前電網中是否發(fā)生故障，需要高速存儲并生成故障報告。同時可在正常狀態(tài)下存儲常態(tài)錄波。

5 結語

新型故障錄波器采用兩層設計，對傳統(tǒng)站與數字站進行了統(tǒng)一的封裝，使得單一型號的錄波器產品可以滿足傳統(tǒng)站，數字站以及傳統(tǒng)數字混合站的要求，解決了當前過渡時期的多種要求，大大降低了錄波設備的開發(fā)、生產和維護成本。同時，它同時支持大容量，高采樣率的暫態(tài)故障錄波需求和常態(tài)錄波。在96路模擬量，192路開關量的容量下，對于傳統(tǒng)站可以支持達到10 kHz的采樣率，對于數字站可以支持4.8 kHz的采樣率。它是一種高性能，實用性良好的新型故障錄波器。