劉世明，呼文強(qiáng)，王敬華，許志成，李森林，閆磊

（1.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東科匯電力自動化有限公司）

引 言

智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是智能變電站的3大核心特征[1]。在智能變電站中，一、二次設(shè)備之間的連接方式已經(jīng)由傳統(tǒng)變電站的電纜連接轉(zhuǎn)變?yōu)樽裱璉EC 61850－9－1、IEC 61850－9－2的采樣值報(bào)文和GOOSE報(bào)文的以太網(wǎng)傳輸方式，而且，模擬量和開關(guān)量的采集功能會下放到過程層實(shí)現(xiàn)[2－3]。其中，開關(guān)量的采集應(yīng)該由智能一次設(shè)備來完成，但是鑒于目前一體化智能一次設(shè)備技術(shù)尚未成熟，在工程應(yīng)用實(shí)踐中通常采用智能終端代替實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能[4]。

根據(jù)《Q＿GDW 428－2010智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，智能終端不僅應(yīng)具有跳合閘功能、開關(guān)量采集功能，以及GOOSE報(bào)文的上傳和接收功能，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測等高級應(yīng)用[5－6]。針對開關(guān)量采集功能，該標(biāo)準(zhǔn)還要求其輸入點(diǎn)數(shù)可以靈活配置。

傳統(tǒng)的開關(guān)量處理通常在定時掃描中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。這種方法在采集開關(guān)量數(shù)量大、多開關(guān)量短時間內(nèi)同時發(fā)生變位的情況下會對智能終端的實(shí)時性、多任務(wù)響應(yīng)產(chǎn)生影響。針對上述問題，本文在對開關(guān)量處理的各個步驟（如采集、去抖動、SOE等）的實(shí)時性要求細(xì)化分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC／OS－II的實(shí)現(xiàn)方案。該方案大大簡化了采集中斷的任務(wù)量，即只進(jìn)行開關(guān)量的采集和變位識別，而去抖動、SOE等實(shí)時性要求相對較低的步驟則放到優(yōu)先級較低的操作系統(tǒng)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)，從而提高了對開關(guān)量采集中斷的響應(yīng)速度，保證了整個系統(tǒng)的實(shí)時性能。

1 開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)視功能分析

開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視主要有兩個目的：一是記錄當(dāng)前的狀態(tài)，如開關(guān)位置；二是記錄所發(fā)生的事件，供事后的事故分析。對于后者，常規(guī)變電站綜合自動化系統(tǒng)要求時間標(biāo)記的分辨度是1ms。這個時標(biāo)是否精確主要依賴于以下兩個方面：設(shè)備內(nèi)部的時間精度和不同設(shè)備間時間同步的精度[7]。對于智能變電站，根據(jù)IEC 61850－5：2003標(biāo)準(zhǔn)，狀態(tài)量瞬時變化的檢測時間要求≤1ms[8]。

開關(guān)量信號的采集通常取自于觸點(diǎn)，而觸點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生抖動，短時間的機(jī)械振動也會引起觸點(diǎn)的抖動。因此，開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視功能還需要在不影響時標(biāo)精度的前提下進(jìn)行抖動處理。開關(guān)量抖動的處理方法主要有硬件去抖動和軟件去抖動兩種方式。

硬件去抖動是通過硬件電路完成開關(guān)量信號的去抖動，但這種方法無法記錄SOE時標(biāo)。軟件去抖動主要是以第一次發(fā)生變位的時間為時標(biāo)，在狀態(tài)穩(wěn)定并延時一段時間后觀察是否在變位狀態(tài)。如果在變位的狀態(tài)，則認(rèn)為發(fā)生真正變位，記錄該時標(biāo)和新狀態(tài)用于SOE記錄等功能；否則認(rèn)為發(fā)生抖動[9]，軟件去抖動原理圖如圖1所示。

圖1 軟件去抖動原理圖

在工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)的處理方案是采用定時中斷或原理與之類似的定時任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[10]提出了一種在定時掃描中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)開關(guān)量去抖動的方案。參考文獻(xiàn)[11]提出了一種在定時器中斷中使用保存的開關(guān)量狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷的軟件去抖方案。由于開關(guān)量的響應(yīng)時間要求不大于1ms，因此中斷或任務(wù)的間隔也應(yīng)不大于1ms。

上述方案在智能終端中的實(shí)現(xiàn)主要存在如下問題：在相對較短的時間間隔內(nèi)，如果監(jiān)視的開關(guān)量數(shù)目較多，且短時間內(nèi)發(fā)生變位的開關(guān)量也較多的情況下，裝置中斷的處理量會大大增加，從而占用較多的系統(tǒng)資源，以致影響對其他實(shí)時性要求更高的功能響應(yīng)。解決這個問題的思路主要有：通過提高硬件運(yùn)算速度來縮短中斷的執(zhí)行時間；縮減中斷服務(wù)程序的處理內(nèi)容。雖然前者可以解決問題，但是如果被監(jiān)視開關(guān)量也要增加，裝置硬件可能因吞吐能力不足而被迫升級，從而增加了成本，浪費(fèi)了資源。

通過對開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)視的整個過程：采集、變位識別、去抖動、SOE記錄等的實(shí)時性分析可以發(fā)現(xiàn)，整個處理過程中只是采集和變位識別的實(shí)時性要求較高，其他步驟的要求相對較弱。因此，可以在開關(guān)量采集中斷服務(wù)程序中只實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的采集與變位識別，其他步驟則在優(yōu)先響應(yīng)其他較高實(shí)時性的任務(wù)后，利用系統(tǒng)空閑資源進(jìn)行。這樣既實(shí)現(xiàn)了整個功能，又能保證整個系統(tǒng)的實(shí)時性。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視功能的應(yīng)用環(huán)境是一個多任務(wù)多功能的環(huán)境，且系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先響應(yīng)實(shí)時性要求較高的功能或任務(wù)。對開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視功能而言，根據(jù)實(shí)時性要求的高低，應(yīng)該優(yōu)先響應(yīng)開關(guān)量的采集與變位識別，其他步驟則在優(yōu)先級較低的任務(wù)中進(jìn)行。因此，需要尋找一種機(jī)制實(shí)現(xiàn)多任務(wù)之間的調(diào)度，嵌入式操作系統(tǒng)可以提供較為理想的多任務(wù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)方案。

其中，μC／OS－II是一個搶占式的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有簡單、高效、開源、易移植、可裁減性好等特點(diǎn)[12]?；谠摬僮飨到y(tǒng)的開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視實(shí)現(xiàn)方案主要包含兩個部分：開關(guān)量接收中斷、開關(guān)量處理任務(wù)。中斷與任務(wù)之間的通信采用μC／OS－II的消息隊(duì)列功能。

（1）開關(guān)量接收中斷

該中斷接收新的開關(guān)量狀態(tài)數(shù)據(jù)并檢測，找出發(fā)生變位的開關(guān)量。這樣的設(shè)計(jì)大大減輕了中斷的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，增大了吞吐量，減少了中斷的處理時間，符合集中式保護(hù)的要求。

（2）開關(guān)量處理任務(wù)

開關(guān)量處理任務(wù)可以設(shè)計(jì)為定間隔任務(wù)。但是變電站在正常運(yùn)行時開關(guān)量的變位并不經(jīng)常發(fā)生，定間隔任務(wù)會對系統(tǒng)資源造成浪費(fèi)。而μC／OS－II的任務(wù)支持消息驅(qū)動，因此將任務(wù)設(shè)計(jì)為接收到新消息后啟動可節(jié)省系統(tǒng)資源。

任務(wù)從消息中獲取發(fā)生變位的開關(guān)量狀態(tài)信息并立即啟動去抖延時。延時過程中，任務(wù)掛起而不占用系統(tǒng)資源。延時結(jié)束后，根據(jù)抖動判斷是否真正變位，并由此決定是否啟動SOE等相關(guān)功能。如果同一開關(guān)量在去抖延時期間接收到變位消息，則重新開始延時并重復(fù)上述處理步驟。

針對短時間內(nèi)多個開關(guān)量可能同時發(fā)生變位，且各個開關(guān)量的延時時間可以被用戶自定義的情況，本方案采用一個帶頭節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)雙向鏈表來管理發(fā)生變位的開關(guān)量。這種鏈表避免了通過遍歷全部開關(guān)量狀態(tài)信息查找最短延時，而是只遍歷發(fā)生變位的開關(guān)量，從而減輕了程序運(yùn)算量，提高了效率。同時，這種鏈表的管理操作也比較簡單。

2.2 開關(guān)量接收中斷設(shè)計(jì)

在開關(guān)量接收中斷中，由于開關(guān)量狀態(tài)信息以字為單位接收，每一個開關(guān)量的狀態(tài)占一個比特位，通過判斷每一個字前后是否一致即可檢測出是否有變位發(fā)生。如果不一致，則說明存在發(fā)生變位的開關(guān)量，此時需要記錄下該字的當(dāng)前值及對應(yīng)的時標(biāo)等信息，然后將該信息以消息的形式發(fā)送給開關(guān)量處理任務(wù)，開關(guān)量采集中斷處理流程如圖2所示。

2.3 開關(guān)量處理任務(wù)設(shè)計(jì)

μC／OS－II提供的消息隊(duì)列功能函數(shù)中的等待消息函數(shù)OSQPend（）可以限時或無限時地等待消息，在消息隊(duì)列為空時將任務(wù)掛起，直到有新消息或等待超時恢復(fù)任務(wù)運(yùn)行。因此，利用這個函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的新消息啟動和去抖動延時。不僅充分利用了操作系統(tǒng)的功能，而且延時的過程中還能始終保持對新消息的響應(yīng)，保證了延時的有效性。

圖2 開關(guān)量采集中斷處理流程

圖3為開關(guān)量處理任務(wù)流程。在消息隊(duì)列中有新消息情況下，應(yīng)逐一處理全部消息，找出發(fā)生變位的開關(guān)量，更新相應(yīng)狀態(tài)信息中的內(nèi)容，如上一次的抖動時標(biāo)、上一次值、當(dāng)前值等。特別的，如果是初次變位，還應(yīng)該記錄初次變位時標(biāo)、初始值等。然后，將該狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)體添加到負(fù)責(zé)管理變位開關(guān)量的雙向鏈表中。最后，遍歷鏈表查找需要延時的開關(guān)量中的最短延時，以便下一次循環(huán)調(diào)用OSQPend（）時啟動去抖延時。如果正在延時而被新消息打斷，在遍歷鏈表時就必須先重新計(jì)算雙向鏈表中所有等待延時的剩余時間，從而保證去抖延時的準(zhǔn)確性。另外，對于遍歷鏈表時發(fā)現(xiàn)延時已完成的情況也應(yīng)處理，從而使邏輯更加準(zhǔn)確。

圖3 開關(guān)量處理任務(wù)流程

在等待超時即去抖延時完成情況下，應(yīng)遍歷雙向鏈表，找到延時已完成的開關(guān)量，并判斷該開關(guān)量是否發(fā)生真正變位。如果真正變位，則記錄開關(guān)量編號、初始變位時標(biāo)等信息，以用于事件順序記錄或其他相關(guān)功能。最后，將該延時完成開關(guān)量狀態(tài)信息結(jié)構(gòu)體從雙向鏈表中刪除。另外，查找延時已完成開關(guān)量的同時，也應(yīng)該找出延時未完成開關(guān)量中的最短延時以啟動下一次循環(huán)的去抖延時。

如果遍歷鏈表時進(jìn)行了刪除操作，則在遍歷鏈表后應(yīng)判斷鏈表是否為空。如果為空，則將OSQPend（）的延時參數(shù)置0，即在下一次循環(huán)時進(jìn)入到無限時的等待消息模式。

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 狀態(tài)信息記錄結(jié)構(gòu)體

本方案為每個被監(jiān)視開關(guān)量建立一個狀態(tài)信息記錄結(jié)構(gòu)體，保存當(dāng)前值、前一次值、變位前值、當(dāng)前狀態(tài)、初始變位時標(biāo)、上一次變位時標(biāo)等信息。

2.4.2 帶頭節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)雙向鏈表

在狀態(tài)信息記錄結(jié)構(gòu)體基礎(chǔ)上，每個結(jié)構(gòu)體增加兩個指針并增加一個只帶雙向指針的空結(jié)構(gòu)體作為頭節(jié)點(diǎn)就可以構(gòu)建這種鏈表。鏈表的管理操作，如向頭部增加節(jié)點(diǎn)、刪除節(jié)點(diǎn)、遍歷鏈表等如圖4所示。鏈表的主要操作有向頭部增加節(jié)點(diǎn)k、刪除節(jié)點(diǎn)j，以及遍歷鏈表等，只需對節(jié)點(diǎn)的雙向指針操作即可編程實(shí)現(xiàn)。

圖4 雙向鏈表操作示意圖

3 性能測試與分析

開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)視功能的性能主要體現(xiàn)在去抖動可靠性和響應(yīng)時間兩方面。因此對本設(shè)計(jì)方案的性能進(jìn)行了如下測試。

（1）去抖動性能測試

通過模擬開關(guān)發(fā)生抖動或變位時的采樣波形，測試本方案對抖動尤其是多次反復(fù)抖動的識別能力。表1給出了測試采用的開關(guān)量的采樣波形及測試結(jié)果?？梢钥闯觯痉桨缚梢詼?zhǔn)確地識別開關(guān)的抖動，尤其是初次變位發(fā)生后，在小于去抖延時時間Td內(nèi)，再次發(fā)生變位的多次反復(fù)抖動情況。結(jié)果證明去抖動可靠性良好。

（2）響應(yīng)時間測試

為了測試本方案的時間響應(yīng)性能，測試模擬了對256（16×16）路開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視情況。所有開關(guān)量的去抖延時均定義為20ms。大量開關(guān)量同時發(fā)生變位時本方案的平均最大響應(yīng)時間如表2所列。可以看出：隨著發(fā)生變位的開關(guān)量數(shù)目的增多，平均最大響應(yīng)時間逐漸增大。但是相較傳統(tǒng)方案而言，本方案的響應(yīng)時間大大縮短。

表1 去抖動性能測試結(jié)果

表2 響應(yīng)時間測試結(jié)果

結(jié) 語

本方案已在一個具有開關(guān)量狀態(tài)監(jiān)視功能需求的智能變電站IED裝置研發(fā)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。通過應(yīng)用本方案，該裝置可以實(shí)現(xiàn)對全站開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視，且SOE準(zhǔn)確可靠。

本方案可以實(shí)現(xiàn)對變電站全部或部分開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視。當(dāng)故障發(fā)生時可以記錄開關(guān)狀態(tài)的變化及精確時標(biāo)。通過與故障錄波、相量測量等的配合，可以為故障信息綜合分析決策提供更多分析依據(jù)。

通過對開關(guān)量的狀態(tài)監(jiān)視，可以獲取所有開關(guān)的抖動數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)開關(guān)的抖動頻率、抖動持續(xù)的時間等數(shù)據(jù)，為工作人員及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)潛在的電磁故障、機(jī)械故障或回路故障等問題提供了重要參考數(shù)據(jù)。同時，通過可方便獲得的開關(guān)分閘的持續(xù)時間和電弧電流數(shù)據(jù)可以計(jì)算出開關(guān)的切斷電流容量，從而為開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)評估提供重要參考依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)智能變電站設(shè)備狀態(tài)的可視化、狀態(tài)檢修，以及今后要實(shí)現(xiàn)的變電站全周期管理提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

[13]提出了一種采用A／D轉(zhuǎn)換獲取開關(guān)觸點(diǎn)回路的直流電壓，從而快速、可靠地識別觸點(diǎn)抖動、開關(guān)切換感應(yīng)瞬態(tài)、觸點(diǎn)氧化程度，以及直流電源的接地故障等算法。對比參考文獻(xiàn)[13]，本方案不僅處理速度和可靠性可以進(jìn)一步改善，而且功能可以擴(kuò)展的更豐富，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的可視化及故障檢測等應(yīng)用提供更多技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 羅理鑒，黃少鋒，江清楷.智能變電站智能一次設(shè)備框架設(shè)計(jì)[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（11）：120－124.

[3] 周曉龍.智能變電站保護(hù)測控裝置[J].電力自動化設(shè)備，2010，30（8）：128－133.

[4] 馬輝.數(shù)字化變電站技術(shù)叢書設(shè)計(jì)分冊[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5] 國家電網(wǎng)公司.Q／GDW428－2010智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2009.

[6] 馬力，林瑞，王建勛.常規(guī)變電站數(shù)字化改造的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（9）：104－107.

[7] Klaus Brand，Volker Lohmann，Wolfgang Wimmer，等.變電站自動化[M].景雷，等譯.北京：中國電力出版社，2009.

[8] IEC.IEC61850－5—2003Communication networks and systems in substations－part 5：communication requirements for functions and device models[S].

[9] 郭建，魯國剛，王顯芹.變電站自動化系統(tǒng)遙信去抖方法分析[J].繼電器，2007，35（1）：47－50.

[10] 黃國兵，馮龍喜，王軍平，等.基于ARM的開關(guān)量信號采集模板的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2009，46（3）：13－16.

[11] 何春華，鄢仁成.開關(guān)量的實(shí)用軟件處理方法[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2005，13（4）：339－400.

[12] Jean J Labrosse.嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－II[M].邵貝貝，等譯.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[13] Bogdan Kasztenny，Vijayasarathi Muthukrishnan，Tarlochan Singh Sidhu.Enhanced Numerical Breaker Failure Protection[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY，2008，23（4）：1838－1845.