新型數字化故障錄波器方案

　　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。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。

　　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。