新型數(shù)字化故障錄波器方案

　　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(zhǔn)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(hù)是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平均有著重要作用。本文首先介紹了數(shù)字化變電站中符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能電子設(shè)備(IED)的模型建立方法。以某個具有代表性的線路保護(hù)裝置為例，詳細(xì)設(shè)計了該保護(hù)裝置的數(shù)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模基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對錄波器設(shè)計有決定性的作用，需要針對不同規(guī)模變電網(wǎng)絡(luò)的具體情況設(shè)計相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，因此本文針對典型變電站提出合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。最后，提出了數(shù)字化故障錄波器的硬件選型、軟件流程等設(shè)計，并提出目前較為合理的過程層數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)方案。

　　1 總體結(jié)構(gòu)

　　1.1 變電站的結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字化變電站在物理結(jié)構(gòu)上分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;而在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為3個層次，根據(jù)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(nèi)部及各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可以分為：站控層和間隔層之間的間隔層通信網(wǎng)、以及間隔層和過程層之間的過程層通信網(wǎng)。間隔層在站內(nèi)按間隔分布式布置，各間隔設(shè)備之間相對獨立;間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點的單向傳輸光纖以太網(wǎng)，在標(biāo)準(zhǔn)中稱為過程總線。如圖1所示。

　　1.2 故障錄波器系統(tǒng)構(gòu)成

　　數(shù)字化故障錄波器使用分層的系統(tǒng)設(shè)計，包括前端的協(xié)議轉(zhuǎn)換器部分以及后端的故障判斷與錄波設(shè)備兩部分。協(xié)議轉(zhuǎn)換器采用PowerPC8 270處理器結(jié)構(gòu)和VxWorks操作系統(tǒng)，其中包括IEC61850協(xié)議處理模塊、數(shù)據(jù)同步模塊、傳統(tǒng)站數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和時間同步模塊。如圖2所示。

　　IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國際電工委員會(InternatiONal Electro technical Commission)第57技術(shù)委員會于2004年頒布的、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。作為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的變電站唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)吸收了IEC60870系列標(biāo)準(zhǔn)和UCA的經(jīng)驗，同時吸收了很多先進(jìn)的技術(shù)，對保護(hù)和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)(SAS)的設(shè)計產(chǎn)生深刻的影響。它將不僅應(yīng)用在變電站內(nèi)，而且將運(yùn)用于變電站與調(diào)度中心之間以及各級調(diào)度中心之間。國內(nèi)外各大電力公司、研究機(jī)構(gòu)都在積極調(diào)整產(chǎn)品研發(fā)方向，力圖和新的國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，以適應(yīng)未來的發(fā)展方向。

　　2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現(xiàn)

　　VxWorks 是美國 Wind River System 公司( 以下簡稱風(fēng)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(diào)試、仿真環(huán)境和工具。它提供了對其它VxWorks系統(tǒng)和TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的"透明"訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)，SNMP(可選項)，遠(yuǎn)程文件訪問(包括客戶端和服務(wù)端的NFS機(jī)制以及使用RSH,FTP 或 TFTP的非NFS機(jī)制)以及BOOTP 和代理ARP、DHCP、DNS、OSPF、RIP.無論是松耦合的串行線路、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內(nèi)存的背板總線，所有的 VxWorks 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制都遵循標(biāo)準(zhǔn)的 Internet 協(xié)議。

　　2.1 IEC61850 9-1與GOOSE報文的傳輸

　　IEC61850標(biāo)準(zhǔn)針對變電站所有功能定義了比較詳盡的邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)對象，并提供了完整的描述數(shù)據(jù)對象模型的方法和面向?qū)ο蟮姆?wù)，其中的9-1協(xié)議和GOOSE協(xié)議都采用了不經(jīng)TCP/IP協(xié)議，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，即傳輸層和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理流程

　　在VxWorks下處理數(shù)據(jù)鏈路層的報文，需要關(guān)注它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(scalable enhanced network STack,SENS)為可裁減增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。它與傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相比，最大的特點是在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層之間多了MUX層。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動向協(xié)議層發(fā)送數(shù)據(jù)時，驅(qū)動程序會調(diào)用一個MUX層提供的函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)議層。MUX的主要目的是把網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)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(xiàn)對9-1和GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層報文的處理，利用了VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的MUX接口，如圖3所示。

　　當(dāng)網(wǎng)卡收到一個報文時，網(wǎng)卡驅(qū)動中實現(xiàn)的網(wǎng)卡中斷服務(wù)函數(shù)將被調(diào)用。中斷服務(wù)只負(fù)責(zé)最簡單的底層操作，然后中斷調(diào)用netJobAdd()，將接下來的工作排隊加入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)隊列，tNetTask任務(wù)將會從此隊列中讀出，完成任務(wù)級別的網(wǎng)絡(luò)處理工作。其具體的處理方法根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)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。