基于VxWorks的電力系統(tǒng)故障錄波器設(shè)計

電力系統(tǒng)故障錄波器是研究現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是評價繼電保護動作行為及分析設(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節(jié)點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)量進行A／D轉(zhuǎn)換，再由后臺的錄波設(shè)備進行分析與存儲。

　　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，甚至有的變電站運行于傳統(tǒng)站與數(shù)字站的混和狀態(tài)。對于錄波器制造公司來說，由于傳統(tǒng)站和數(shù)字站同時有錄波需求，需要同時有可用于傳統(tǒng)站和數(shù)字站的兩種設(shè)備，如果單獨設(shè)計兩種獨立的錄波器，將大大增加產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和維護成本。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。

　　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)備之間相對獨立；間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點的單向傳輸光纖以太網(wǎng)，在標準中稱為過程總線。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，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)通信模塊和時間同步模塊。如圖2所示。

　　IEC61850模塊負責(zé)接收和解析模擬合并單元發(fā)送的IEC61850 9-1報文，提取模擬采樣值數(shù)據(jù)；以及接收和解析保護控制單元發(fā)送的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文，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)通信模塊負責(zé)與故障判斷與錄波設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。時間同步模塊則負責(zé)IEEE1588校時協(xié)議的處理和同步本地時鐘。

　　2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現(xiàn)

　　2．1 IEC61850 9-1與GOOSE報文的傳輸

　　IEC61850標準針對變電站所有功能定義了比較詳盡的邏輯節(jié)點和數(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，從而保證報文傳輸、處理的快速性。

　　2．2 VxWorks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，驅(qū)動程序會調(diào)用一個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立。在此，為了實現(xiàn)對9-1和GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層報文的處理，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)卡收到一個報文時，網(wǎng)卡驅(qū)動中實現(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加入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)隊列，tNetTask任務(wù)將會從此隊列中讀出，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間，采用IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議(PTP)。它是一種網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議。

　　IEEE1588協(xié)議通過硬件和軟件配合獲得更精確的定時同步。它采用分層的主-從式(master-slave)模式，主要定義了4種時鐘報文類型：同步報文(Sync)、跟隨報文(Fellow-up)、延時要求報文(Delay-Req)、回應(yīng)報文(Delay-Resp)。PTP系統(tǒng)中的從時鐘就是通過與主時鐘交換上述的4種報文來同步時間。

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行擴展。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。