基于VxWorks的電力系統(tǒng)故障錄波器設(shè)計(jì)

　　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(guò)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(méi)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(lái)，使其很容易增加對(duì)其他類型9-1擴(kuò)展協(xié)議的支持。

　　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(guò)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(lái)自合并單元，而開關(guān)量采樣數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)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(guò)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(méi)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(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(lái)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(yǔ)

　　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(guò)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。