新型數(shù)字化故障錄波器方案

　　3 硬件設(shè)計

　　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

　　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)核以及很好的實時性。

　　4.1 IEC61850報文處理模塊

　　IEC61850 9-1標(biāo)準(zhǔn)與GOOSE為了保證通信的實時性，都采用了數(shù)據(jù)鏈路層直接傳輸報文。在此利用VxWorks的MUX層接口實現(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)時可能會被去掉也可能保留。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的報文特別處理，判斷其真實的協(xié)議類型，以免誤判。

　　9-1是一個點對點的協(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，將報文的解析獨立出來，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)行啟動判斷與存儲。

　　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)送的報文格式也不同。IEC-61850中定義的GOOSE報文，每幀報文中含有詳細(xì)的絕對時間，但報文只有在開關(guān)量發(fā)生變位時才發(fā)送，在開關(guān)量變位后，則建議按指數(shù)遞增的時間間隔發(fā)送，因而接受到GOOSE報文的時刻是不定的。在某些實際應(yīng)用中，甚至可能發(fā)生保護(hù)裝置未進(jìn)行同步，造成GOOSE報文中的時間戳不準(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報文只包含其中的一部分，需要將不同來源的GOOSE報文進(jìn)行同步和組合。包含模擬量采樣值的9-1報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)整體加入絕對時刻。在設(shè)計同步方案時，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報文來臨時才需要更新保存的開關(guān)量值。在該設(shè)計中，高頻率的模擬量數(shù)據(jù)到需要和開關(guān)量合并時，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)量時間匹配，維護(hù)此堆棧的空間開銷和時間開銷都很小。具體流程圖如圖5所示。

　　4.4 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

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

　　4.5 時間同步模塊

　　按照IEEE1588的規(guī)定，首先由主時鐘節(jié)點向從時鐘節(jié)點發(fā)送帶主時鐘時間戳的同步報文(Sync)，同時主時鐘節(jié)點記錄下同步報文實際發(fā)送的時間戳，并在隨后的跟進(jìn)報文(Fellow-up)中傳送該精確時間戳t0.從時鐘節(jié)點在收到上述報文后記下同步報文的接收時刻t1.然后從時鐘節(jié)點向主時鐘節(jié)點發(fā)送一個延遲請求報文(delay-request)，同時記錄下該報文的實際發(fā)送時間作為精確的發(fā)送時間戳t2,而主時鐘接收到該報文時也記下接收時刻的精確時問戳t3,并將該事件戳在隨后的延遲響應(yīng)報文。中發(fā)送給從時鐘節(jié)點。如圖6所示。

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

　　4.6 故障錄波啟動判斷及記錄模塊

　　因協(xié)議轉(zhuǎn)換器已對數(shù)據(jù)加入時間戳并進(jìn)行合并，故障錄波啟動判斷及記錄模塊存在實時性的問題，設(shè)計時注重更大的系統(tǒng)容量，因此硬件平臺選擇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，需要高速存儲并生成故障報告。同時可在正常狀態(tài)下存儲常態(tài)錄波。

　　5 結(jié)語

　　新型故障錄波器采用兩層設(shè)計，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，它同時支持大容量，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，實用性良好的新型故障錄波器。