基于VxWorks的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研究現代電網(wǎng)的基礎，也是評價(jià)繼電保護動(dòng)作行為及分析設備故障性質(zhì)和原因的重要依據。在傳統變電站中，錄波所采用的方法是將需要采樣的各個(gè)節點(diǎn)通過(guò)硬電纜集中的連接到專(zhuān)用的采集板上，采集板對電流電壓值以及開(kāi)關(guān)量進(jìn)行A／D轉換，再由后臺的錄波設備進(jìn)行分析與存儲。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。
當前，變電站的發(fā)展正處于傳統變電站向數字化變電站的過(guò)渡階段，甚至有的變電站運行于傳統站與數字站的混和狀態(tài)。對于錄波器制造公司來(lái)說(shuō)，由于傳統站和數字站同時(shí)有錄波需求，需要同時(shí)有可用于傳統站和數字站的兩種設備，如果單獨設計兩種獨立的錄波器，將大大增加產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和維護成本。兼容傳統站與數字站的錄波器正是為了滿(mǎn)足這一需求而設計。

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。
IEC61850模塊負責接收和解析模擬合并單元發(fā)送的IEC61850 9-1報文，提取模擬采樣值數據；以及接收和解析保護控制單元發(fā)送的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文，提取開(kāi)關(guān)量數據。數據同步模塊根據同步采樣合并策略，實(shí)現開(kāi)關(guān)量數據和采樣值數據的同步。數據通信模塊負責與故障判斷與錄波設備進(jìn)行數據交互。時(shí)間同步模塊則負責IEEE1588校時(shí)協(xié)議的處理和同步本地時(shí)鐘。

2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實(shí)現
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。