基于VxWorks的新型數(shù)字化故障錄波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電力系統(tǒng)故障錄波器是研究現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是評價繼電保護(hù)動作行為及分析設(shè)備故障性質(zhì)和原因的重要依據(jù)。在傳統(tǒng)變電站中，錄波所采用的方法是將需要采樣的各個節(jié)點(diǎn)通過硬電纜集中的連接到專用的采集板上，采集板對電流電壓值以及開關(guān)量進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再由后臺的錄波設(shè)備進(jìn)行分析與存儲。近幾年，隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，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。
當(dāng)前，變電站的發(fā)展正處于傳統(tǒng)變電站向數(shù)字化變電站的過渡階段，甚至有的變電站運(yùn)行于傳統(tǒng)站與數(shù)字站的混和狀態(tài)。對于錄波器制造公司來說，由于傳統(tǒng)站和數(shù)字站同時有錄波需求，需要同時有可用于傳統(tǒng)站和數(shù)字站的兩種設(shè)備，如果單獨(dú)設(shè)計(jì)兩種獨(dú)立的錄波器，將大大增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)成本。兼容傳統(tǒng)站與數(shù)字站的錄波器正是為了滿足這一需求而設(shè)計(jì)。

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)通信模塊和時間同步模塊。如圖2所示。
IEC61850模塊負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)；以及接收和解析保護(hù)控制單元發(fā)送的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文，提取開關(guān)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)同步模塊根據(jù)同步采樣合并策略，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量數(shù)據(jù)和采樣值數(shù)據(jù)的同步。數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)與故障判斷與錄波設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。時間同步模塊則負(fù)責(zé)IEEE1588校時協(xié)議的處理和同步本地時鐘。

2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實(shí)現(xiàn)
2．1 IEC61850 9-1與GOOSE報文的傳輸
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，從而保證報文傳輸、處理的快速性。