以VxWorks為基礎的電力系統故障錄波器設計

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。

　　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。

　　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。