新型數(shù)字化故障錄波器方案

　　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。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。

　　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。