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          基于VxWorks的電力系統(tǒng)故障錄波器設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2014-11-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            電力系統(tǒng)故障是研究現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎(chǔ),也是評價(jià)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(gè)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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/264811.htm

            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)。對于制造公司來說,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,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(gè)層次,根據(jù)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。

            

          故障錄波器在整個(gè)變電站的地位位置

           

            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)和操作系統(tǒng),其中包括協(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。

            

          邏輯結(jié)構(gòu)

           

            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)送的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報(bào)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(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 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 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)動向協(xié)議層發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),驅(qū)動程序會調(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。

            

          VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的MUX接口

           

            當(dāng)網(wǎng)卡收到一個(gè)報(bào)文時(shí),網(wǎng)卡驅(qū)動中實(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。

            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IntelCore 2雙核E4300 1.8 GHz。

            

          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)過交換機(jī)時(shí)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(shí)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(bào)文特別處理,判斷其真實(shí)的協(xié)議類型,以免誤判。

            9-1是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)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(jì),將報(bào)文的解析獨(dú)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。

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