摘 要: 根據(jù)當(dāng)前傳統(tǒng)變電站與新型數(shù)字變電站的需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)新型故障錄波器。它支持IEC61850 9-1標(biāo)準(zhǔn)的采樣值數(shù)據(jù)報(bào)文，IEC61850 8-1標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE報(bào)文，傳統(tǒng)的202采樣值報(bào)文以及IEEE1588精確時(shí)鐘同步協(xié)議(PTP)?？蓪ⅹ┒鄠€(gè)來(lái)源的采樣值進(jìn)行同步合并，最終生成故障記錄和分析報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行基于采樣值的常態(tài)錄波。新型故障錄波器采用基于PowerPC8270 的硬件平臺(tái)和基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的軟件平臺(tái)。此錄波器在支持新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)兼容傳統(tǒng)協(xié)議，符合現(xiàn)今傳統(tǒng)站向數(shù)字站過(guò)渡的趨勢(shì)，較好地滿(mǎn)足了當(dāng)今變電站對(duì)錄波的需求。關(guān)鍵詞:IEC61850;IEEE1588;數(shù)字化故障錄波器; 合并單元; 保護(hù)控制單元

中圖分類(lèi)號(hào):TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)22-0074-04

Design and Implementation of a New Digital Recorder Based on VxWorks

WANG Da-qian， ZHOU Yu， DU Si-dan

(Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract: A new kind of fault recorder is designed and implemented according to the demand of current conventional substation and digital substation. It supports the IEC61850 9-1 standard sample value data packet， the standard IEC61850 8-1 GOOSE message， the traditional 202 sample value data packet and the IEEE1588 precision clock synchronization protocol. It synchronizes and merges sampling value from multiple sources and final generates fault recording and analysis report. The hardware platform of this new kind of fault recorder is based on PowerPC8270 and the software platform is based on embedded real-time operating system VxWorks. This recorder is compatible with the traditional protocol in support of the new national standard， it is in line with the trend of the transition from traditional substation to digital stations. It meets today's demand for substation on the recorder.Keywords: IEC 61850; IEEE1588; digital fault recorder; merge unit; protection control unit

收稿日期:2010-06-18

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(píng)價(jià)繼電保護(hù)動(dòng)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(gè)節(jié)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(duì)電流電壓值以及開(kāi)關(guān)量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由后臺(tái)的錄波設(shè)備進(jìn)行分析與存儲(chǔ)[1]。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(kāi)關(guān)等二次設(shè)備的發(fā)展，對(duì)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(cè)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(kāi)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(guò)訂閱的方式實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)對(duì)象的自由記錄。數(shù)字化變電站技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視[2]。

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(guò)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(duì)于錄波器制造公司來(lái)說(shuō)，由于傳統(tǒng)站和數(shù)字站同時(shí)有錄波需求，需要同時(shí)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(mǎn)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(lèi)，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(guò)程層、間隔層、站控層(或變電站層)[3]。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(guò)程層之間的過(guò)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(duì)獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)為過(guò)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PowerPC8270處理器結(jié)構(gòu)和VxWorks操作系統(tǒng)[4]，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。

圖1 故障錄波器在整個(gè)變電站的地位位置

圖2 邏輯結(jié)構(gòu)

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(bào)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(duì)象的變電站事件( GOOSE) 報(bào)文，提取開(kāi)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(kāi)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(shí)間同步模塊則負(fù)責(zé)IEEE1588校時(shí)協(xié)議的處理和同步本地時(shí)鐘。

2 VxWorks下的IEC61850報(bào)文的接收實(shí)現(xiàn)

2.1 IEC61850 9-1與GOOSE報(bào)文的傳輸

IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)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(duì)象，并提供了完整的描述數(shù)據(jù)對(duì)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[5]。

2.2 VxWorks下對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理流程

在VxWokrs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)。VxWokrs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(kāi)，使得二者彼此保持獨(dú)立[6]。

在此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

圖3 VxWorks MUX接口結(jié)構(gòu)

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(jiǎn)單的底層操作，然后中斷調(diào)用netJobAdd()，將接下來(lái)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(jí)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(lèi)型有所不同，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)MUX接口綁定對(duì)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(bào)文類(lèi)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(guò)與主時(shí)鐘交換上述的4種報(bào)文來(lái)同步時(shí)間[7]。

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Intel Core 2雙核E4300 1.8 GHz。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)圖

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(guò)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(lèi)型處理函數(shù)時(shí)需要對(duì)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(duì)類(lèi)型為0x8100的報(bào)文特別處理，判斷其真實(shí)的協(xié)議類(lèi)型，以免誤判。

9-1是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的協(xié)議。在故障錄波器的應(yīng)用場(chǎng)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[8]，而合并后的數(shù)據(jù)格式目前并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在此對(duì)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(lái)，使其很容易增加對(duì)其他類(lèi)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(duì)于傳統(tǒng)站，將由前方的采集設(shè)備采樣模擬量和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送到錄波器。錄波器將對(duì)其解析后封裝為與IEC61850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(lái)自合并單元，而開(kāi)關(guān)量采樣數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)時(shí)間，但報(bào)文只有在開(kāi)關(guān)量發(fā)生變位時(shí)才發(fā)送，在開(kāi)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(kāi)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[9]，需要將不同來(lái)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(guò)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(hào)，而沒(méi)有絕對(duì)的時(shí)間信息。因此必須要將不同源的開(kāi)關(guān)量之間、以及開(kāi)關(guān)量和模擬量之間進(jìn)行同步合并，對(duì)數(shù)據(jù)整體加入絕對(duì)時(shí)刻。

在設(shè)計(jì)同步方案時(shí)，充分考慮到開(kāi)關(guān)量的數(shù)據(jù)更新頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開(kāi)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(kāi)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(lái)臨時(shí)才需要更新保存的開(kāi)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(kāi)關(guān)量合并時(shí)，保存開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)量時(shí)間匹配，維護(hù)此堆棧的空間開(kāi)銷(xiāo)和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)都很小。具體流程圖如圖5所示。

圖5 報(bào)文解析與同步的流程圖

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(kāi)關(guān)量加入時(shí)間戳，通過(guò)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(jiǎn)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(qǐng)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)間戳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。

圖6 IEEE1588報(bào)文發(fā)送示意圖

圖7 啟動(dòng)判斷與存儲(chǔ)的流程圖

主、從時(shí)鐘偏差(offset)以及網(wǎng)絡(luò)延遲(delay)可表示為:

A=t1-t0=delay+offset，

B=t3-t2=delay-offset;

delay=(A+B)/2， offset=(A-B)/2

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(duì)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(wèn)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(guò)額外的算法判斷同步的模擬量采樣數(shù)據(jù)與開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)值或有效值來(lái)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[10]。同時(shí)可在正常狀態(tài)下存儲(chǔ)常態(tài)錄波。

5 結(jié) 語(yǔ)

新型故障錄波器采用兩層設(shè)計(jì)，對(duì)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(hào)的錄波器產(chǎn)品可以滿(mǎn)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(guò)渡時(shí)期的多種要求，大大降低了錄波設(shè)備的開(kāi)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(kāi)關(guān)量的容量下，對(duì)于傳統(tǒng)站可以支持達(dá)到10 kHz的采樣率，對(duì)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。

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