一種新型數(shù)字化故障錄波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)，自動(dòng)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(dòng)作、提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平均有著重要作用。故障錄波器是提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要自動(dòng)裝置，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或振蕩時(shí)，它能自動(dòng)記錄整個(gè)故障過程中各種電氣量的變化。近幾年，隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高，特別是光電式互感器、智能化開關(guān)等二次設(shè)備的發(fā)展，對發(fā)電機(jī)，電力電纜，斷路器等一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測技術(shù)日趨成熟。結(jié)合當(dāng)前成熟的高速以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，變電站中的數(shù)據(jù)監(jiān)控已可以網(wǎng)絡(luò)化。在IEC61850協(xié)議的框架下，可以通過訂閱的方式實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)對象的自由記錄。數(shù)字化變電站技術(shù)越來越受到人們的重視。

智能電網(wǎng)是大電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分。伴隨著數(shù)字化變電站的大力發(fā)展，需要對傳統(tǒng)故障錄波器進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)數(shù)字化變電站的需要。 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(gè)具有代表性的線路保護(hù)裝置為例，詳細(xì)設(shè)計(jì)了該保護(hù)裝置的數(shù)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)，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(gè)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(gè)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(dú)立；間隔層和過程層之間的網(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(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(jì)，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(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(bào)文規(guī)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(nèi)的智能電子設(shè)備（IED,測控單元和繼電保護(hù)）均采用統(tǒng)一的協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)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(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(tái)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(yàn)，同時(shí)吸收了很多先進(jìn)的技術(shù)，對保護(hù)和控制等自動(dòng)化產(chǎn)品和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SAS）的設(shè)計(jì)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(bào)文的接收實(shí)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(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Tornado 是WRS 公司推出的一套實(shí)時(shí)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(xiàng)），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(bào)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(diǎn)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(bào)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(bào)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(diǎn)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(dòng)向協(xié)議層發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)調(diào)用一個(gè)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(dòng)層和協(xié)議層分開，使得二者彼此保持獨(dú)立。在此，為了實(shí)現(xiàn)對9-1和GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層報(bào)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(gè)報(bào)文時(shí)，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中實(shí)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(duì)加入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)隊(duì)列，tNetTask任務(wù)將會(huì)從此隊(duì)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(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(bào)文類型：同步報(bào)文（Sync）、跟隨報(bào)文（Fellow-up）、延時(shí)要求報(bào)文（Delay-Req）、回應(yīng)報(bào)文（Delay-Resp）。PTP系統(tǒng)中的從時(shí)鐘就是通過與主時(shí)鐘交換上述的4種報(bào)文來同步時(shí)間。

3 硬件設(shè)計(jì)

前端故障錄波器協(xié)議轉(zhuǎn)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(yīng)用中使用了交換芯片進(jìn)行擴(kuò)展。后端的故障判斷與錄波設(shè)備采用IntelCore 2雙核E4300 1.8 GHz.

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)，VxWorks具有良好的可靠性，高性能的內(nèi)核以及很好的實(shí)時(shí)性。

4.1 IEC61850報(bào)文處理模塊

IEC61850 9-1標(biāo)準(zhǔn)與GOOSE為了保證通信的實(shí)時(shí)性，都采用了數(shù)據(jù)鏈路層直接傳輸報(bào)文。在此利用VxWorks的MUX層接口實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)鏈路層將IEC61850協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層程序。由于在IEC61850協(xié)議中規(guī)定幀結(jié)構(gòu)中含有虛擬局域網(wǎng)標(biāo)記TPID和TCI,在幀經(jīng)過交換機(jī)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)議類型處理函數(shù)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(biāo)記（0x8100）都進(jìn)行綁定，并在后續(xù)的處理中對類型為0x8100的報(bào)文特別處理，判斷其真實(shí)的協(xié)議類型，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(yīng)用場景中，由于必須監(jiān)控全站的大量線路，前端需要集中器將9-1數(shù)據(jù)合并，而合并后的數(shù)據(jù)格式目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在此對于9-1協(xié)議解析進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，將報(bào)文的解析獨(dú)立出來，使其很容易增加對其他類型9-1擴(kuò)展協(xié)議的支持。

4.2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文模塊

該應(yīng)用中對于傳統(tǒng)站，將由前方的采集設(shè)備采樣模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)，通過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(shù)據(jù)格式，以便后方設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)判斷與存儲(chǔ)。

4.3 同步模塊

9-1數(shù)據(jù)來自合并單元，而開關(guān)量采樣數(shù)據(jù)來自保護(hù)控制單元，兩者的數(shù)據(jù)源不同，發(fā)送的報(bào)文格式也不同。IEC-61850中定義的GOOSE報(bào)文，每幀報(bào)文中含有詳細(xì)的絕對時(shí)間，但報(bào)文只有在開關(guān)量發(fā)生變位時(shí)才發(fā)送，在開關(guān)量變位后，則建議按指數(shù)遞增的時(shí)間間隔發(fā)送，因而接受到GOOSE報(bào)文的時(shí)刻是不定的。在某些實(shí)際應(yīng)用中，甚至可能發(fā)生保護(hù)裝置未進(jìn)行同步，造成GOOSE報(bào)文中的時(shí)間戳不準(zhǔn)的情況。另一方面，故障錄波需要全站的大量開關(guān)量數(shù)據(jù)，而單一保護(hù)控制單元發(fā)送的GOOSE報(bào)文只包含其中的一部分，需要將不同來源的GOOSE報(bào)文進(jìn)行同步和組合。包含模擬量采樣值的9-1報(bào)文通過合并單元后雖然具有錄波所需要的全部模擬采樣值數(shù)據(jù)，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，而沒有絕對的時(shí)間信息。因此必須要將不同源的開關(guān)量之間、以及開關(guān)量和模擬量之間進(jìn)行同步合并，對數(shù)據(jù)整體加入絕對時(shí)刻。在設(shè)計(jì)同步方案時(shí)，充分考慮到開關(guān)量的數(shù)據(jù)更新頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)量數(shù)據(jù)讀取頻率，即絕大多數(shù)的同步工作都是將保存的開關(guān)量與當(dāng)前收到的模擬量采樣值進(jìn)行合并，只在低頻率的GOOSE報(bào)文來臨時(shí)才需要更新保存的開關(guān)量值。在該設(shè)計(jì)中，高頻率的模擬量數(shù)據(jù)到需要和開關(guān)量合并時(shí)，保存開關(guān)量的堆棧中將只含有最近的一次或之前少數(shù)幾次開關(guān)量狀態(tài)，模擬量數(shù)據(jù)將以極大的概率直接與最近的開關(guān)量時(shí)間匹配，維護(hù)此堆棧的空間開銷和時(shí)間開銷都很小。具體流程圖如圖5所示。

4.4 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)

該模塊將同步好的全站模擬量采樣值與開關(guān)量加入時(shí)間戳，通過TCP連接發(fā)送給啟動(dòng)判斷與存儲(chǔ)設(shè)備，保證數(shù)據(jù)及時(shí)間的正確性并簡化后端的實(shí)現(xiàn)。

4.5 時(shí)間同步模塊

按照IEEE1588的規(guī)定，首先由主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)向從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶主時(shí)鐘時(shí)間戳的同步報(bào)文（Sync），同時(shí)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)記錄下同步報(bào)文實(shí)際發(fā)送的時(shí)間戳，并在隨后的跟進(jìn)報(bào)文（Fellow-up）中傳送該精確時(shí)間戳t0.從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)在收到上述報(bào)文后記下同步報(bào)文的接收時(shí)刻t1.然后從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)向主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)延遲請求報(bào)文（delay-request），同時(shí)記錄下該報(bào)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(bào)文時(shí)也記下接收時(shí)刻的精確時(shí)問戳t3,并將該事件戳在隨后的延遲響應(yīng)報(bào)文。中發(fā)送給從時(shí)鐘節(jié)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(zhuǎn)換器已對數(shù)據(jù)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)性的問題，設(shè)計(jì)時(shí)注重更大的系統(tǒng)容量，因此硬件平臺(tái)選擇Intel CPU,軟件基于Linux操作系統(tǒng)。它通過額外的算法判斷同步的模擬量采樣數(shù)據(jù)與開關(guān)量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值或有效值來判斷當(dāng)前電網(wǎng)中是否發(fā)生故障，需要高速存儲(chǔ)并生成故障報(bào)告。同時(shí)可在正常狀態(tài)下存儲(chǔ)常態(tài)錄波。

5 結(jié)語

新型故障錄波器采用兩層設(shè)計(jì)，對傳統(tǒng)站與數(shù)字站進(jìn)行了統(tǒng)一的封裝，使得單一型號的錄波器產(chǎn)品可以滿足傳統(tǒng)站，數(shù)字站以及傳統(tǒng)數(shù)字混合站的要求，解決了當(dāng)前過渡時(shí)期的多種要求，大大降低了錄波設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)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路開關(guān)量的容量下，對于傳統(tǒng)站可以支持達(dá)到10 kHz的采樣率，對于數(shù)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。