嵌入式以太網(wǎng)的變電站間隔層保護系統(tǒng)研究

摘要：結(jié)合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，針對數(shù)字化變電站過渡方案中的間隔層保護系統(tǒng)進行硬件及軟件設(shè)計。詳細分析了裝置功能的劃分、實時任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計及任務(wù)間通信的實現(xiàn)。實踐表明該設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足間隔層保護裝置的性能要求。
關(guān)鍵詞：IEC61850；間隔層保護；PowerPC 8247；實時任務(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)，變電站自動化系統(tǒng)最主要的功能是實現(xiàn)裝置的自我保護。國內(nèi)探索應(yīng)用IEC 61850時卻并沒有首先從保護裝置入手，主要是考慮到保護功能的復(fù)雜性、多樣性以及配置的靈活性，使得對完全符合IEC 61850的保護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)對保護功能建模的基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)保護裝置發(fā)展和應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出一種適合國內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行方式的數(shù)字化變電站過渡方案，并給出了基于該方案的間隔層保護系統(tǒng)設(shè)計方法。

1 數(shù)字化變電站過渡方案
    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、自動化的運行管理系統(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)。

    鑒于我國對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的研究和實踐還處于探索階段，國內(nèi)電子式互感器技術(shù)的成熟度尚待考核，變電站過程層和間隔層的IEC 61850實現(xiàn)應(yīng)分步驟漸進實施。針對該情況，提出一種現(xiàn)階段的數(shù)字化變電站系統(tǒng)過渡方案，如圖2所示。

    該方案中的過程層一方面采用ECT／EPT和智能開關(guān)，模擬量采集和開關(guān)量控制實現(xiàn)完全數(shù)字化，完成電力運行的實時電氣量檢測、運行設(shè)備狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測與統(tǒng)計、操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動；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時數(shù)據(jù)信息并以多播方式經(jīng)由過程總線傳送間隔層保護裝置，使間隔層實現(xiàn)對一次沒備的保護控制功能，對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出進行優(yōu)先級控制，另外也可在傳統(tǒng)模式下通過采樣板獲得常規(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?？紤]到61850裝置的網(wǎng)絡(luò)接入能力，后臺采用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)上實現(xiàn)了間隔層和變電站層的數(shù)字化。傳統(tǒng)保護裝置中的數(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)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過程層數(shù)字式斷路器的一部分；完成濾波、計算、邏輯和控制功能的主控模塊映射成IEC 61850間隔層的保護控制設(shè)備。
    采取這種映射方式，保護裝置可以在接收通道模擬量的同時直接接收數(shù)字量。也就是說，裝置可以很好地實現(xiàn)IEC 61850系統(tǒng)中過程層和間隔層功能，也可以兼顧現(xiàn)有的系統(tǒng)，從而實現(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渡。
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2 間隔層保護裝置的硬件設(shè)計
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    考慮到以上映射方式，間隔層保護裝置應(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平臺分別和上位機、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，利用其強大的運算處理能力，在VxWorks平臺上實現(xiàn)了配置信息的解析、數(shù)據(jù)映射、平臺保護、數(shù)據(jù)通信等功能。外接SST39VF040的BIOS芯片，用于存儲Bootrom程序。32 MB的Flash／ROM用于存儲Vxworks程序、驅(qū)動程序、配置文件信息、存儲數(shù)據(jù)等。32 MB×4的RAM用于存儲系統(tǒng)及應(yīng)用運行程序，實時涮用配置信息、實時數(shù)據(jù)等。100M全雙工以太網(wǎng)口用于實時通信，RS232用于連接打印機，RS485用于連接液晶顯示板。

3 保護裝置執(zhí)行平臺軟件設(shè)計
    傳統(tǒng)的繼電保護一般采用單片機線性程序，即前后臺系統(tǒng)開發(fā)方式。應(yīng)用程序由后臺運行，一般是一個無限循環(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(稱為后臺行為或任務(wù)級)，用中斷來處理隨機事件(稱為前臺行為或中斷級)。在實際應(yīng)用中，各種前臺行為的執(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)得不到及時執(zhí)行。另外，程序一旦建立，各種前臺行為的執(zhí)行即已固定。如需在運行時動態(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、可讀性以及維護難度。所以在設(shè)計符合IEC 61850的保護軟件時，必須引入嵌入式實時操作系統(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時性而被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。和其他操作系統(tǒng)相比，VxWorks的健壯性、實時性、組件的豐富性無疑十分適合本項目的開發(fā)，應(yīng)用實踐也證明了這一點。本節(jié)介紹基于VxWorks的保護裝置系統(tǒng)平臺設(shè)計。
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)動模塊：實現(xiàn)CAN總線、RS232、以太網(wǎng)的驅(qū)動。接口調(diào)用收發(fā)數(shù)據(jù)。
    設(shè)備自檢模塊：檢測裝置的插入板、開關(guān)量板和模擬量板是否插入，由FPGA檢測后按雙口RAM的第一個字判斷，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分區(qū)：將存儲空間合理分區(qū)，接收和存儲不同的配置信息以及轉(zhuǎn)發(fā)配置信息(界面ARM7)。分配存儲數(shù)據(jù)(定值、事件、錄波)的存儲地址空間(Flash)。
    配置信息的解析模塊：創(chuàng)建所有的配置信息實體，讀取相應(yīng)配置信息(來自配置文件)為應(yīng)用程序提供實時調(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際運行數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，形成完整的數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)，供應(yīng)用程序?qū)崟r調(diào)用。映射存儲數(shù)據(jù)(定值、事件、錄波)的存儲地址(Flash)。數(shù)據(jù)映射模塊中包含了眾多的消息隊列(使用VxWorks管理消息隊列)，從而實現(xiàn)了保護邏輯和其他通信平臺的交互。
    配置信息解析模塊：將所有接收到的配置信息分類存儲，并將需要的配置信息傳送給各個芯片。
    保護邏輯平臺：包括模擬量的采集、保護配置的解析、保護元件的運行、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：運行61850服務(wù)，解析節(jié)點的配置信息，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)動對外連接通信。
    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、保護平臺功能、保護動作功能、錄波功能、調(diào)試功能、人機接口功能、計量功能和自檢功能。
3．2 實時任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計
    根據(jù)裝置功能設(shè)計了系統(tǒng)實時任務(wù)，其中有控制邏輯任務(wù)、保護邏輯任務(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是保護裝置的最終目的，負(fù)責(zé)根據(jù)監(jiān)控結(jié)果作出保護動作。一旦被觸發(fā)，將立即執(zhí)行，直接發(fā)出信號或跳合斷路器。因此給它分配最高應(yīng)用任務(wù)優(yōu)先級100。它有3種觸發(fā)方式：保護邏輯任務(wù)發(fā)出的信號量、通信命令或鍵盤操作。
    保護邏輯任務(wù)tProtectLogic是保護裝置的基本功能，也是控制邏輯的觸發(fā)源之一，占據(jù)第二優(yōu)先級105。它由數(shù)據(jù)采集任務(wù)觸發(fā)，隨后進行一次計算判斷過程，并依據(jù)判斷結(jié)果對開關(guān)量輸出和顯示等其他任務(wù)發(fā)出觸發(fā)信號量。
    通信是微機保護裝置十分重要的任務(wù)，對于無人值守變電站，它是監(jiān)控人員獲取電網(wǎng)運行信息的唯一途徑。根據(jù)其重要性和對實時性的要求，應(yīng)設(shè)為較高優(yōu)先級以保證其響應(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)計了兩個任務(wù)進行通信管理：tServe(優(yōu)先級為110)負(fù)責(zé)偵聽(listen)、接受(accept)、維護socket連接，對通信狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證遠方通信的可靠性；tProcess(優(yōu)先級為111)負(fù)責(zé)接收、解析、處理、回復(fù)報文，根據(jù)命令條目進行相應(yīng)操作，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、定值召喚、故障錄波召喚等功能。
    數(shù)據(jù)采集映射的實時性是保護及時動作的保障，因此也必須具備較高的優(yōu)先級。創(chuàng)建任務(wù)tDataMap(優(yōu)先級為112)從雙口RAM中采集數(shù)據(jù)并結(jié)合配置信息進行數(shù)據(jù)映射，完成數(shù)據(jù)的分類識別、轉(zhuǎn)存、釋放信號量、啟動其他任務(wù)等工作。
    人機交互任務(wù)tHMInteraction的優(yōu)先級次于通信任務(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)保護動作時，由保護任務(wù)觸發(fā)而彈出動作信息；鍵盤操作觸發(fā)，查看和修改裝置參數(shù)；定時觸發(fā)，每隔一個固定時間執(zhí)行一次。
    故障錄波功能要求錄波可靠、不遺漏、不錯錄，對于實時性要求并不高，定義其優(yōu)先級為140，比大部分任務(wù)的優(yōu)先級都低。數(shù)據(jù)采集任務(wù)獲得實時值后將報文轉(zhuǎn)存故障錄波任務(wù)tRccord緩沖區(qū)，同時釋放信號量啟動該任務(wù)，tRcord任務(wù)采用突變量等判據(jù)決定是否啟動錄波。故障錄波任務(wù)初始化時需要建立較大的循環(huán)緩沖區(qū)用于存放實時數(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，空閑時供后臺召取。
    自檢是微機保護裝置的必備功能，CPU空閑時應(yīng)該循環(huán)檢測裝置各部分是否運行正常。實際上，裝置很多功能都需要循環(huán)執(zhí)行，如看門狗維護、電表讀取、裝置對時等。所以創(chuàng)建一個循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，由它發(fā)起自檢任務(wù)，自檢完成后自動結(jié)束。
    打印任務(wù)優(yōu)先級最低，當(dāng)需要打印時由鍵盤觸發(fā)。
    其他部分功能執(zhí)行時間很短，不影響任務(wù)運行，故以函數(shù)調(diào)用形式完成，無需創(chuàng)建任務(wù)執(zhí)行。
3．3 任務(wù)間通信
    各個任務(wù)間的通信主要發(fā)生在保護平臺任務(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)相對于其他任務(wù)獨立，沒有需要交互的數(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個部分。
    保護平臺向采集區(qū)存儲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)獲取其他裝置傳來的數(shù)據(jù)信息。
    GOOSE通信模塊將采集區(qū)的信息通過GOOSE協(xié)議傳送給其他裝置，將接收到的GOOSE數(shù)據(jù)存儲到GOOSE區(qū)。
    61850 9-1通信模塊將采集區(qū)的信息通過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)存儲到61850 9-1區(qū)。
    61850 9-2通信模塊將采集區(qū)的信息通過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)存儲到61850 9-2區(qū)。
3．3．2 消息隊列
    根據(jù)任務(wù)問的通信要求，共定義了4個消息隊列：事件隊列、錄波隊列、操作隊列、打印隊列。事件隊列和錄波隊列是保護平臺向隊列中發(fā)送消息，61850服務(wù)、設(shè)備公司協(xié)議則從此類隊列中獲取消息；控制隊列的數(shù)據(jù)流向則相反，61850服務(wù)、設(shè)備公司協(xié)議向隊列中發(fā)送消息，保護平臺則從隊列中獲取消息；打印隊列是保護平臺和公司協(xié)議向隊列中發(fā)送消息，打印任務(wù)則從隊列中獲取消息。

結(jié)語
    智能電網(wǎng)的提出必然要促進數(shù)字化變電站的快速發(fā)展和實現(xiàn)，在這個過程中，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將在變電站的各個層面逐步全面實現(xiàn)。本文中高可靠、高穩(wěn)定、強實時性的良好的軟件設(shè)計和符合國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀的硬件設(shè)計，為傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站之間的順利過渡，推進產(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)過實際測試，裝置產(chǎn)品滿足運行要求，且在進一步測試和優(yōu)化后記投入市場。