一種新型數字化故障錄波器設計與實(shí)現

電力系統故障錄波器是故障錄波器用于電力系統，可在系統發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)地、準確地記錄故障前、后過(guò)程的各種電氣量的變化情況，通過(guò)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(dòng)作、提高電力系統安全運行水平均有著(zhù)重要作用。故障錄波器是提高電力系統安全運行的重要自動(dòng)裝置，當電力系統發(fā)生故障或振蕩時(shí)，它能自動(dòng)記錄整個(gè)故障過(guò)程中各種電氣量的變化。近幾年，隨著(zhù)電力系統自動(dòng)化水平的提高，特別是光電式互感器、智能化開(kāi)關(guān)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(xiàn)狀態(tài)檢測技術(shù)日趨成熟。結合當前成熟的高速以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)系統中的開(kāi)發(fā)應用，變電站中的數據監控已可以網(wǎng)絡(luò )化。在IEC61850協(xié)議的框架下，可以通過(guò)訂閱的方式實(shí)現全站數據對象的自由記錄。數字化變電站技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。

智能電網(wǎng)是大電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，數字化變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分。伴隨著(zhù)數字化變電站的大力發(fā)展，需要對傳統故障錄波器進(jìn)行改進(jìn)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(gè)具有代表性的線(xiàn)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(dòng)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(wǎng)絡(luò )結構對錄波器設計有決定性的作用，需要針對不同規模變電網(wǎng)絡(luò )的具體情況設計相應的網(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(guò)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(lèi)，即智能化的一次設備和網(wǎng)絡(luò )化的二次設備；而在邏輯結構上可分為3個(gè)層次，根據IEC61850協(xié)議定義，分別為過(guò)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(wǎng)絡(luò )通信，整個(gè)系統的通信網(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(guò)程層之間的過(guò)程層通信網(wǎng)。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(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò )采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸光纖以太網(wǎng)，在標準中稱(chēng)為過(guò)程總線(xiàn)。如圖1所示。

1.2 故障錄波器系統構成

數字化故障錄波器使用分層的系統設計，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，其中包括IEC61850協(xié)議處理模塊、數據同步模塊、傳統站數據模塊、數據通信模塊和時(shí)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(guò)程層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò )采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規范（MMS）、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò )采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內的智能電子設備（IED,測控單元和繼電保護）均采用統一的協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交換。

IEC 61850標準是由國際電工委員會(huì )（InternatiONal Electro technical Commission）第57技術(shù)委員會(huì )于2004年頒布的、應用于變電站通信網(wǎng)絡(luò )和系統的國際標準。作為基于網(wǎng)絡(luò )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(jīng)驗，同時(shí)吸收了很多先進(jìn)的技術(shù)，對保護和控制等自動(dòng)化產(chǎn)品和變電站自動(dòng)化系統（SAS）的設計產(chǎn)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(chǎn)品研發(fā)方向，力圖和新的國際標準接軌，以適應未來(lái)的發(fā)展方向。

2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實(shí)現

VxWorks 是美國 Wind River System 公司（ 以下簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)河 公司 ,即 WRS 公司）推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統。Tornado 是WRS 公司推出的一套實(shí)時(shí)操作系統開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)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系統和TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )系統的透明訪(fǎng)問(wèn)，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過(guò)程調用（RPC），SNMP（可選項），遠程文件訪(fǎng)問(wèn)（包括客戶(hù)端和服務(wù)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(wú)論是松耦合的串行線(xiàn)路、標準的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內存的背板總線(xiàn)，所有的 VxWorks 網(wǎng)絡(luò )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點(diǎn)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(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，直接映射到數據鏈路層，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下處理數據鏈路層的報文，需要關(guān)注它的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧結構。VxWorks網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧（scalable enhanced network STack,SENS）為可裁減增強網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。它與傳統的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧相比，最大的特點(diǎn)是在數據鏈路層和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層之間多了MUX層。當網(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)向協(xié)議層發(fā)送數據時(shí)，驅動(dòng)程序會(huì )調用一個(gè)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(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)層和協(xié)議層分開(kāi)，使得二者彼此保持獨立。在此，為了實(shí)現對9-1和GOOSE協(xié)議數據鏈路層報文的處理，利用了VxWorks網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的MUX接口，如圖3所示。

當網(wǎng)卡收到一個(gè)報文時(shí)，網(wǎng)卡驅動(dòng)中實(shí)現的網(wǎng)卡中斷服務(wù)函數將被調用。中斷服務(wù)只負責最簡(jiǎn)單的底層操作，然后中斷調用netJobAdd（），將接下來(lái)的工作排隊加入網(wǎng)絡(luò )服務(wù)隊列，tNetTask任務(wù)將會(huì )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不同的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議類(lèi)型有所不同，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)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(shí)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(shí)間，采用IEEE1588精密時(shí)鐘同步協(xié)議（PTP）。它是一種網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步協(xié)議。

IEEE1588協(xié)議通過(guò)硬件和軟件配合獲得更精確的定時(shí)同步。它采用分層的主-從式（master-slave）模式，主要定義了4種時(shí)鐘報文類(lèi)型：同步報文（Sync）、跟隨報文（Fellow-up）、延時(shí)要求報文（Delay-Req）、回應報文（Delay-Resp）。PTP系統中的從時(shí)鐘就是通過(guò)與主時(shí)鐘交換上述的4種報文來(lái)同步時(shí)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(gè)快速以太網(wǎng)控制器（FCC）。在該本應用中使用了交換芯片進(jìn)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，VxWorks具有良好的可靠性，高性能的內核以及很好的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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)議中規定幀結構中含有虛擬局域網(wǎng)標記TPID和TCI,在幀經(jīng)過(guò)交換機時(shí)可能會(huì )被去掉也可能保留。因而在MUX層綁定網(wǎng)絡(luò )協(xié)議類(lèi)型處理函數時(shí)需要對9-1協(xié)議（ethertype 0x88b8），GOOSE協(xié)議（ethertype 0x88ba），以及虛擬局域網(wǎng)標記（0x8100）都進(jìn)行綁定，并在后續的處理中對類(lèi)型為0x8100的報文特別處理，判斷其真實(shí)的協(xié)議類(lèi)型，以免誤判。

9-1是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)議。在故障錄波器的應用場(chǎng)景中，由于必須監控全站的大量線(xiàn)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(méi)有統一的標準。在此對于9-1協(xié)議解析進(jìn)行了模塊化設計，將報文的解析獨立出來(lái)，使其很容易增加對其他類(lèi)型9-1擴展協(xié)議的支持。

4.2 傳統數據報文模塊

該應用中對于傳統站，將由前方的采集設備采樣模擬量和開(kāi)關(guān)量數據，通過(guò)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(jìn)行啟動(dòng)判斷與存儲。

4.3 同步模塊

9-1數據來(lái)自合并單元，而開(kāi)關(guān)量采樣數據來(lái)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(shí)間，但報文只有在開(kāi)關(guān)量發(fā)生變位時(shí)才發(fā)送，在開(kāi)關(guān)量變位后，則建議按指數遞增的時(shí)間間隔發(fā)送，因而接受到GOOSE報文的時(shí)刻是不定的。在某些實(shí)際應用中，甚至可能發(fā)生保護裝置未進(jìn)行同步，造成GOOSE報文中的時(shí)間戳不準的情況。另一方面，故障錄波需要全站的大量開(kāi)關(guān)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(lái)源的GOOSE報文進(jìn)行同步和組合。包含模擬量采樣值的9-1報文通過(guò)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(méi)有絕對的時(shí)間信息。因此必須要將不同源的開(kāi)關(guān)量之間、以及開(kāi)關(guān)量和模擬量之間進(jìn)行同步合并，對數據整體加入絕對時(shí)刻。在設計同步方案時(shí)，充分考慮到開(kāi)關(guān)量的數據更新頻率遠遠小于開(kāi)關(guān)量數據讀取頻率，即絕大多數的同步工作都是將保存的開(kāi)關(guān)量與當前收到的模擬量采樣值進(jìn)行合并，只在低頻率的GOOSE報文來(lái)臨時(shí)才需要更新保存的開(kāi)關(guān)量值。在該設計中，高頻率的模擬量數據到需要和開(kāi)關(guān)量合并時(shí)，保存開(kāi)關(guān)量的堆棧中將只含有最近的一次或之前少數幾次開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，模擬量數據將以極大的概率直接與最近的開(kāi)關(guān)量時(shí)間匹配，維護此堆棧的空間開(kāi)銷(xiāo)和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)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(kāi)關(guān)量加入時(shí)間戳，通過(guò)TCP連接發(fā)送給啟動(dòng)判斷與存儲設備，保證數據及時(shí)間的正確性并簡(jiǎn)化后端的實(shí)現。

4.5 時(shí)間同步模塊

按照IEEE1588的規定，首先由主時(shí)鐘節點(diǎn)向從時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)送帶主時(shí)鐘時(shí)間戳的同步報文（Sync），同時(shí)主時(shí)鐘節點(diǎn)記錄下同步報文實(shí)際發(fā)送的時(shí)間戳，并在隨后的跟進(jìn)報文（Fellow-up）中傳送該精確時(shí)間戳t0.從時(shí)鐘節點(diǎn)在收到上述報文后記下同步報文的接收時(shí)刻t1.然后從時(shí)鐘節點(diǎn)向主時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)延遲請求報文（delay-request），同時(shí)記錄下該報文的實(shí)際發(fā)送時(shí)間作為精確的發(fā)送時(shí)間戳t2,而主時(shí)鐘接收到該報文時(shí)也記下接收時(shí)刻的精確時(shí)問(wèn)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(shí)鐘節點(diǎn)。如圖6所示。

主、從時(shí)鐘偏差（offset）以及網(wǎng)絡(luò )延遲（delay）可表示為：

4.6 故障錄波啟動(dòng)判斷及記錄模塊

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

5 結語(yǔ)

新型故障錄波器采用兩層設計，對傳統站與數字站進(jìn)行了統一的封裝，使得單一型號的錄波器產(chǎn)品可以滿(mǎn)足傳統站，數字站以及傳統數字混合站的要求，解決了當前過(guò)渡時(shí)期的多種要求，大大降低了錄波設備的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和維護成本。同時(shí)，它同時(shí)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(kāi)關(guān)量的容量下，對于傳統站可以支持達到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(shí)用性良好的新型故障錄波器。