基于VxWorks的電力系統(tǒng)故障錄波器設(shè)計(jì)

 電力系統(tǒng)故障錄波器是研究現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是評(píng)價(jià)繼電保護(hù)動(dòng)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(duì)電流電壓值以及開關(guān)量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由后臺(tái)的錄波設(shè)備進(jìn)行分析與存儲(chǔ)。

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(duì)于錄波器制造公司來說，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)立的錄波器，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)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(duì)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。

IEC61850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(duì)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 VxWorks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(duì)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(duì)象，并提供了完整的描述數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jí)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(duì)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。

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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)點(diǎn)的協(xié)議。在故障錄波器的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(duì)其他類型9-1擴(kuò)展協(xié)議的支持。[!--empirenews.page--]

4.2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)文模塊

該應(yīng)用中對(duì)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(duì)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(dòng)判斷與存儲(chǔ)。

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(bào)文格式也不同。IEC-61850中定義的GOOSE報(bào)文，每幀報(bào)文中含有詳細(xì)的絕對(duì)時(shí)間，但報(bào)文只有在開關(guān)量發(fā)生變位時(shí)才發(fā)送，在開關(guān)量變位后，則建議按指數(shù)遞增的時(shí)間間隔發(fā)送，因而接受到GOOSE報(bào)文的時(shí)刻是不定的。在某些實(shí)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(bào)文中的時(shí)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(bào)文只包含其中的一部分，需要將不同來源的GOOSE報(bào)文進(jìn)行同步和組合。包含模擬量采樣值的9-1報(bào)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(hào)，而沒有絕對(duì)的時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)整體加入絕對(duì)時(shí)刻。在設(shè)計(jì)同步方案時(shí)，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(bào)文來臨時(shí)才需要更新保存的開關(guān)量值。在該設(shè)計(jì)中，高頻率的模擬量數(shù)據(jù)到需要和開關(guān)量合并時(shí)，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(shí)間匹配，維護(hù)此堆棧的空間開銷和時(shí)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(jì)

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

4.5 時(shí)間同步模塊

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

主、從時(shí)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(dòng)判斷及記錄模塊

因協(xié)議轉(zhuǎn)換器已對(duì)數(shù)據(jù)加入時(shí)間戳并進(jìn)行合并，故障錄波啟動(dòng)判斷及記錄模塊存在實(shí)時(shí)性的問題，設(shè)計(jì)時(shí)注重更大的系統(tǒng)容量，因此硬件平臺(tái)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(shí)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(chǔ)并生成故障報(bào)告。同時(shí)可在正常狀態(tài)下存儲(chǔ)常態(tài)錄波。

5 結(jié)語

新型故障錄波器采用兩層設(shè)計(jì)，對(duì)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(hào)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(shí)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(shí)，它同時(shí)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(duì)于傳統(tǒng)站可以支持達(dá)到10 kHz的采樣率，對(duì)于數(shù)字站可以支持4.8 kHz的采樣率。它是一種高性能，實(shí)用性良好的新型故障錄波器。