嵌入式以太網(wǎng)的變電站間隔層保護(hù)系統(tǒng)研究

摘要：結(jié)合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)數(shù)字化變電站過(guò)渡方案中的間隔層保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行硬件及軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)分析了裝置功能的劃分、實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)及任務(wù)間通信的實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠滿足間隔層保護(hù)裝置的性能要求。
關(guān)鍵詞：IEC61850；間隔層保護(hù)；PowerPC 8247；實(shí)時(shí)任務(wù)；任務(wù)間通信

引言
    IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字化變電站奠定了標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)最主要的功能是實(shí)現(xiàn)裝置的自我保護(hù)。國(guó)內(nèi)探索應(yīng)用IEC 61850時(shí)卻并沒(méi)有首先從保護(hù)裝置入手，主要是考慮到保護(hù)功能的復(fù)雜性、多樣性以及配置的靈活性，使得對(duì)完全符合IEC 61850的保護(hù)功能的建模具有一定的難度。
    標(biāo)準(zhǔn)的互操作及功能自由分布特性要求變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的不同智能電子設(shè)備(IED)間能更靈活地協(xié)同。本文在深入研究IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)保護(hù)功能建模的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)保護(hù)裝置發(fā)展和應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出一種適合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式的數(shù)字化變電站過(guò)渡方案，并給出了基于該方案的間隔層保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 數(shù)字化變電站過(guò)渡方案
    就目前而言，采用智能化的一次設(shè)備(如電子式互感器及智能化開關(guān)等)、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，以及符合IEC61850通信規(guī)范、自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)，是數(shù)字化變電站主要技術(shù)特征。圖1為數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

    鑒于我國(guó)對(duì)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的研究和實(shí)踐還處于探索階段，國(guó)內(nèi)電子式互感器技術(shù)的成熟度尚待考核，變電站過(guò)程層和間隔層的IEC 61850實(shí)現(xiàn)應(yīng)分步驟漸進(jìn)實(shí)施。針對(duì)該情況，提出一種現(xiàn)階段的數(shù)字化變電站系統(tǒng)過(guò)渡方案，如圖2所示。

    該方案中的過(guò)程層一方面采用ECT／EPT和智能開關(guān)，模擬量采集和開關(guān)量控制實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化，完成電力運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)、運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)、操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)；另一方面也支持傳統(tǒng)一次設(shè)備下硬接線模式，采用連接導(dǎo)線接入常規(guī)互感器和開關(guān)。合并單元匯總本間隔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息并以多播方式經(jīng)由過(guò)程總線傳送間隔層保護(hù)裝置，使間隔層實(shí)現(xiàn)對(duì)一次沒(méi)備的保護(hù)控制功能，對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出進(jìn)行優(yōu)先級(jí)控制，另外也可在傳統(tǒng)模式下通過(guò)采樣板獲得常規(guī)互感器和開關(guān)的數(shù)據(jù)。變電站層采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站站控層系統(tǒng)，為分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。考慮到61850裝置的網(wǎng)絡(luò)接入能力，后臺(tái)采用C／S模式，工作站需從主服務(wù)器取數(shù)據(jù)。
    該方案在傳統(tǒng)變電站兩層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了間隔層和變電站層的數(shù)字化。傳統(tǒng)保護(hù)裝置中的數(shù)據(jù)采集部分包括模擬量(電流、電壓)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，開入量(如斷路器位置、隔離刀閘輔助接點(diǎn))讀取等，但要采用數(shù)據(jù)映射的方式接入：A／D轉(zhuǎn)換模塊映射成IEC 61850過(guò)程層數(shù)字式傳感器的一部分；開關(guān)量輸出模塊映射成IEC 61850過(guò)程層數(shù)字式執(zhí)行器的一部分；開關(guān)量輸入模塊映射成IEC 61850過(guò)程層數(shù)字式斷路器的一部分；完成濾波、計(jì)算、邏輯和控制功能的主控模塊映射成IEC 61850間隔層的保護(hù)控制設(shè)備。
    采取這種映射方式，保護(hù)裝置可以在接收通道模擬量的同時(shí)直接接收數(shù)字量。也就是說(shuō)，裝置可以很好地實(shí)現(xiàn)IEC 61850系統(tǒng)中過(guò)程層和間隔層功能，也可以兼顧現(xiàn)有的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了常規(guī)設(shè)備和基于IEC 61850的二次設(shè)備之間良好的并存和過(guò)渡。
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2 間隔層保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    考慮到以上映射方式，間隔層保護(hù)裝置應(yīng)由模擬量輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、主控制器、液晶顯示、電源模塊等多塊板卡組成。各個(gè)模塊以插件的形式安裝在主板上，可以根據(jù)用戶的需求自由增減。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

    根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)圖，PowerPC平臺(tái)分別和上位機(jī)、FPGA的雙口RAM和ARM7彩色液晶等有通信連接以及數(shù)據(jù)交互。
2．2 硬件功能
    主控板選用了PowerPC 8247處理器，利用其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，在VxWorks平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了配置信息的解析、數(shù)據(jù)映射、平臺(tái)保護(hù)、數(shù)據(jù)通信等功能。外接SST39VF040的BIOS芯片，用于存儲(chǔ)Bootrom程序。32 MB的Flash／ROM用于存儲(chǔ)Vxworks程序、驅(qū)動(dòng)程序、配置文件信息、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。32 MB×4的RAM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)及應(yīng)用運(yùn)行程序，實(shí)時(shí)涮用配置信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。100M全雙工以太網(wǎng)口用于實(shí)時(shí)通信，RS232用于連接打印機(jī)，RS485用于連接液晶顯示板。

3 保護(hù)裝置執(zhí)行平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
    傳統(tǒng)的繼電保護(hù)一般采用單片機(jī)線性程序，即前后臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)方式。應(yīng)用程序由后臺(tái)運(yùn)行，一般是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的甬?dāng)?shù)(或子程序)完成相應(yīng)的操作(稱為后臺(tái)行為或任務(wù)級(jí))，用中斷來(lái)處理隨機(jī)事件(稱為前臺(tái)行為或中斷級(jí))。在實(shí)際應(yīng)用中，各種前臺(tái)行為的執(zhí)行頻率是不一致的，如輸入采樣頻率可能要求很高，而鍵盤掃描則要少得多，在系統(tǒng)復(fù)雜的情況下就可能導(dǎo)致某些任務(wù)得不到及時(shí)執(zhí)行。另外，程序一旦建立，各種前臺(tái)行為的執(zhí)行即已固定。如需在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地改變執(zhí)行結(jié)構(gòu)，程序則需要另外添加很多條件判斷或分支轉(zhuǎn)移，增加了程序的復(fù)雜性、可讀性以及維護(hù)難度。所以在設(shè)計(jì)符合IEC 61850的保護(hù)軟件時(shí)，必須引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。
    本文采用的RTOS為VxWorks操作系統(tǒng)，它具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，因其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性而被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。和其他操作系統(tǒng)相比，VxWorks的健壯性、實(shí)時(shí)性、組件的豐富性無(wú)疑十分適合本項(xiàng)目的開發(fā)，應(yīng)用實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。本節(jié)介紹基于VxWorks的保護(hù)裝置系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)。
3．1 系統(tǒng)模塊劃分
    PowerPC軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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    底層驅(qū)動(dòng)模塊：實(shí)現(xiàn)CAN總線、RS232、以太網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)。接口調(diào)用收發(fā)數(shù)據(jù)。
    設(shè)備自檢模塊：檢測(cè)裝置的插入板、開關(guān)量板和模擬量板是否插入，由FPGA檢測(cè)后按雙口RAM的第一個(gè)字判斷，低8位表示開關(guān)量板，高8位表示模擬量板。
    配置信息下載及存儲(chǔ)分區(qū)：將存儲(chǔ)空間合理分區(qū)，接收和存儲(chǔ)不同的配置信息以及轉(zhuǎn)發(fā)配置信息(界面ARM7)。分配存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(定值、事件、錄波)的存儲(chǔ)地址空間(Flash)。
    配置信息的解析模塊：創(chuàng)建所有的配置信息實(shí)體，讀取相應(yīng)配置信息(來(lái)自配置文件)為應(yīng)用程序提供實(shí)時(shí)調(diào)用接口。
    數(shù)據(jù)映射模塊：根據(jù)數(shù)據(jù)映射信息將配置信息和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，形成完整的數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)，供應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)調(diào)用。映射存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(定值、事件、錄波)的存儲(chǔ)地址(Flash)。數(shù)據(jù)映射模塊中包含了眾多的消息隊(duì)列(使用VxWorks管理消息隊(duì)列)，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)邏輯和其他通信平臺(tái)的交互。
    配置信息解析模塊：將所有接收到的配置信息分類存儲(chǔ)，并將需要的配置信息傳送給各個(gè)芯片。
    保護(hù)邏輯平臺(tái)：包括模擬量的采集、保護(hù)配置的解析、保護(hù)元件的運(yùn)行、開關(guān)量邏輯、錄波模塊、事件產(chǎn)生模塊等。
    61850和MMS通信模塊：運(yùn)行61850服務(wù)，解析節(jié)點(diǎn)的配置信息，按映射標(biāo)準(zhǔn)返回映射數(shù)據(jù)以及配置信息。
    通信協(xié)議封裝模塊：運(yùn)行通信協(xié)議程序(除61850通信之外的協(xié)議，如公司協(xié)議)，根據(jù)不同物理連接和驅(qū)動(dòng)對(duì)外連接通信。
    根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊層次，可以看出保護(hù)系統(tǒng)具有如下功能：數(shù)據(jù)采集功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、保護(hù)平臺(tái)功能、保護(hù)動(dòng)作功能、錄波功能、調(diào)試功能、人機(jī)接口功能、計(jì)量功能和自檢功能。
3．2 實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)
    根據(jù)裝置功能設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)任務(wù)，其中有控制邏輯任務(wù)、保護(hù)邏輯任務(wù)、通信任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、打印任務(wù)等。
    控制邏輯任務(wù)tControlLogic是保護(hù)裝置的最終目的，負(fù)責(zé)根據(jù)監(jiān)控結(jié)果作出保護(hù)動(dòng)作。一旦被觸發(fā)，將立即執(zhí)行，直接發(fā)出信號(hào)或跳合斷路器。因此給它分配最高應(yīng)用任務(wù)優(yōu)先級(jí)100。它有3種觸發(fā)方式：保護(hù)邏輯任務(wù)發(fā)出的信號(hào)量、通信命令或鍵盤操作。
    保護(hù)邏輯任務(wù)tProtectLogic是保護(hù)裝置的基本功能，也是控制邏輯的觸發(fā)源之一，占據(jù)第二優(yōu)先級(jí)105。它由數(shù)據(jù)采集任務(wù)觸發(fā)，隨后進(jìn)行一次計(jì)算判斷過(guò)程，并依據(jù)判斷結(jié)果對(duì)開關(guān)量輸出和顯示等其他任務(wù)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)量。
    通信是微機(jī)保護(hù)裝置十分重要的任務(wù)，對(duì)于無(wú)人值守變電站，它是監(jiān)控人員獲取電網(wǎng)運(yùn)行信息的唯一途徑。根據(jù)其重要性和對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，應(yīng)設(shè)為較高優(yōu)先級(jí)以保證其響應(yīng)速度。VxWorks提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)套接字(socket)接口，網(wǎng)絡(luò)編程十分方便。在深入理解規(guī)約通信流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩個(gè)任務(wù)進(jìn)行通信管理：tServe(優(yōu)先級(jí)為110)負(fù)責(zé)偵聽(listen)、接受(accept)、維護(hù)socket連接，對(duì)通信狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證遠(yuǎn)方通信的可靠性；tProcess(優(yōu)先級(jí)為111)負(fù)責(zé)接收、解析、處理、回復(fù)報(bào)文，根據(jù)命令條目進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)、定值召喚、故障錄波召喚等功能。
    數(shù)據(jù)采集映射的實(shí)時(shí)性是保護(hù)及時(shí)動(dòng)作的保障，因此也必須具備較高的優(yōu)先級(jí)。創(chuàng)建任務(wù)tDataMap(優(yōu)先級(jí)為112)從雙口RAM中采集數(shù)據(jù)并結(jié)合配置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，完成數(shù)據(jù)的分類識(shí)別、轉(zhuǎn)存、釋放信號(hào)量、啟動(dòng)其他任務(wù)等工作。
    人機(jī)交互任務(wù)tHMInteraction的優(yōu)先級(jí)次于通信任務(wù)和數(shù)據(jù)采集映射任務(wù)，定為120。它有3種觸發(fā)源：當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，由保護(hù)任務(wù)觸發(fā)而彈出動(dòng)作信息；鍵盤操作觸發(fā)，查看和修改裝置參數(shù)；定時(shí)觸發(fā)，每隔一個(gè)固定時(shí)間執(zhí)行一次。
    故障錄波功能要求錄波可靠、不遺漏、不錯(cuò)錄，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求并不高，定義其優(yōu)先級(jí)為140，比大部分任務(wù)的優(yōu)先級(jí)都低。數(shù)據(jù)采集任務(wù)獲得實(shí)時(shí)值后將報(bào)文轉(zhuǎn)存故障錄波任務(wù)tRccord緩沖區(qū)，同時(shí)釋放信號(hào)量啟動(dòng)該任務(wù)，tRcord任務(wù)采用突變量等判據(jù)決定是否啟動(dòng)錄波。故障錄波任務(wù)初始化時(shí)需要建立較大的循環(huán)緩沖區(qū)用于存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況適當(dāng)配置該緩沖區(qū)的大小。波形文件以COMTR ADE格式保存于本地Flash文件系統(tǒng)中，空閑時(shí)供后臺(tái)召取。
    自檢是微機(jī)保護(hù)裝置的必備功能，CPU空閑時(shí)應(yīng)該循環(huán)檢測(cè)裝置各部分是否運(yùn)行正常。實(shí)際上，裝置很多功能都需要循環(huán)執(zhí)行，如看門狗維護(hù)、電表讀取、裝置對(duì)時(shí)等。所以創(chuàng)建一個(gè)循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，由它發(fā)起自檢任務(wù)，自檢完成后自動(dòng)結(jié)束。
    打印任務(wù)優(yōu)先級(jí)最低，當(dāng)需要打印時(shí)由鍵盤觸發(fā)。
    其他部分功能執(zhí)行時(shí)間很短，不影響任務(wù)運(yùn)行，故以函數(shù)調(diào)用形式完成，無(wú)需創(chuàng)建任務(wù)執(zhí)行。
3．3 任務(wù)間通信
    各個(gè)任務(wù)間的通信主要發(fā)生在保護(hù)平臺(tái)任務(wù)和61850服務(wù)、生產(chǎn)設(shè)備公司的協(xié)議、打印任務(wù)間；配置信息接收任務(wù)相對(duì)于其他任務(wù)獨(dú)立，沒(méi)有需要交互的數(shù)據(jù)。任務(wù)間的通信和數(shù)據(jù)交互有2種途徑；共享數(shù)據(jù)區(qū)和消息隊(duì)列。
3．3．1 共享數(shù)據(jù)區(qū)
    根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型劃分各自的共享數(shù)據(jù)區(qū)，例如模擬量數(shù)據(jù)區(qū)、開關(guān)量數(shù)據(jù)區(qū)、矢量數(shù)據(jù)區(qū)等。每個(gè)共享數(shù)據(jù)區(qū)都分為采集區(qū)、GOO SE數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9-1數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9-2數(shù)據(jù)區(qū)4個(gè)部分。
    保護(hù)平臺(tái)向采集區(qū)存儲(chǔ)該裝置采集到的模擬或開關(guān)型數(shù)據(jù)信息。從GOOSE數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9-1數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9-2數(shù)據(jù)區(qū)獲取其他裝置傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息。
    GOOSE通信模塊將采集區(qū)的信息通過(guò)GOOSE協(xié)議傳送給其他裝置，將接收到的GOOSE數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到GOOSE區(qū)。
    61850 9-1通信模塊將采集區(qū)的信息通過(guò)61850 9-1協(xié)議傳送給其他裝置，將接收到的9-1類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到61850 9-1區(qū)。
    61850 9-2通信模塊將采集區(qū)的信息通過(guò)61850 9-2協(xié)議傳送給其他網(wǎng)絡(luò)，將接收到的9-2類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到61850 9-2區(qū)。
3．3．2 消息隊(duì)列
    根據(jù)任務(wù)問(wèn)的通信要求，共定義了4個(gè)消息隊(duì)列：事件隊(duì)列、錄波隊(duì)列、操作隊(duì)列、打印隊(duì)列。事件隊(duì)列和錄波隊(duì)列是保護(hù)平臺(tái)向隊(duì)列中發(fā)送消息，61850服務(wù)、設(shè)備公司協(xié)議則從此類隊(duì)列中獲取消息；控制隊(duì)列的數(shù)據(jù)流向則相反，61850服務(wù)、設(shè)備公司協(xié)議向隊(duì)列中發(fā)送消息，保護(hù)平臺(tái)則從隊(duì)列中獲取消息；打印隊(duì)列是保護(hù)平臺(tái)和公司協(xié)議向隊(duì)列中發(fā)送消息，打印任務(wù)則從隊(duì)列中獲取消息。

結(jié)語(yǔ)
    智能電網(wǎng)的提出必然要促進(jìn)數(shù)字化變電站的快速發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將在變電站的各個(gè)層面逐步全面實(shí)現(xiàn)。本文中高可靠、高穩(wěn)定、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的良好的軟件設(shè)計(jì)和符合國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀的硬件設(shè)計(jì)，為傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站之間的順利過(guò)渡，推進(jìn)產(chǎn)品編程開發(fā)手段的靈活性、標(biāo)準(zhǔn)化，以及提高產(chǎn)品互換性提供了一種解決方案。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，裝置產(chǎn)品滿足運(yùn)行要求，且在進(jìn)一步測(cè)試和優(yōu)化后記投入市場(chǎng)。