新型數字化故障錄波器方案

　　3 硬件設計

　　前端故障錄波器協議轉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個快速以太網控制器(FCC)。在該本應用中使用了交換芯片進行擴展。后端的故障判斷與錄波設備采用IntelCore 2雙核E4300 1.8 GHz.

　　4 軟件設計

　　軟件基于VxWorks操作系統，VxWorks具有良好的可靠性，高性能的內核以及很好的實時性。

　　4.1 IEC61850報文處理模塊

　　IEC61850 9-1標準與GOOSE為了保證通信的實時性，都采用了數據鏈路層直接傳輸報文。在此利用VxWorks的MUX層接口實現從數據鏈路層將IEC61850協議數據傳輸給應用層程序。由于在IEC61850協議中規(guī)定幀結構中含有虛擬局域網標記TPID和TCI,在幀經過交換機時可能會被去掉也可能保留。因而在MUX層綁定網絡協議類型處理函數時需要對9-1協議(ethertype 0x88b8)，GOOSE協議(ethertype 0x88ba)，以及虛擬局域網標記(0x8100)都進行綁定，并在后續(xù)的處理中對類型為0x8100的報文特別處理，判斷其真實的協議類型，以免誤判。

　　9-1是一個點對點的協議。在故障錄波器的應用場景中，由于必須監(jiān)控全站的大量線路，前端需要集中器將9-1數據合并，而合并后的數據格式目前并沒有統一的標準。在此對于9-1協議解析進行了模塊化設計，將報文的解析獨立出來，使其很容易增加對其他類型9-1擴展協議的支持。

　　4.2 傳統數據報文模塊

　　該應用中對于傳統站，將由前方的采集設備采樣模擬量和開關量數據，通過TCP協議發(fā)送到錄波器。錄波器將對其解析后封裝為與IEC61 850相兼容的數據格式，以便后方設備進行啟動判斷與存儲。

　　4.3 同步模塊

　　9-1數據來自合并單元，而開關量采樣數據來自保護控制單元，兩者的數據源不同，發(fā)送的報文格式也不同。IEC-61850中定義的GOOSE報文，每幀報文中含有詳細的絕對時間，但報文只有在開關量發(fā)生變位時才發(fā)送，在開關量變位后，則建議按指數遞增的時間間隔發(fā)送，因而接受到GOOSE報文的時刻是不定的。在某些實際應用中，甚至可能發(fā)生保護裝置未進行同步，造成GOOSE報文中的時間戳不準的情況。另一方面，故障錄波需要全站的大量開關量數據，而單一保護控制單元發(fā)送的GOOSE報文只包含其中的一部分，需要將不同來源的GOOSE報文進行同步和組合。包含模擬量采樣值的9-1報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據，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，而沒有絕對的時間信息。因此必須要將不同源的開關量之間、以及開關量和模擬量之間進行同步合并，對數據整體加入絕對時刻。在設計同步方案時，充分考慮到開關量的數據更新頻率遠遠小于開關量數據讀取頻率，即絕大多數的同步工作都是將保存的開關量與當前收到的模擬量采樣值進行合并，只在低頻率的GOOSE報文來臨時才需要更新保存的開關量值。在該設計中，高頻率的模擬量數據到需要和開關量合并時，保存開關量的堆棧中將只含有最近的一次或之前少數幾次開關量狀態(tài)，模擬量數據將以極大的概率直接與最近的開關量時間匹配，維護此堆棧的空間開銷和時間開銷都很小。具體流程圖如圖5所示。

　　4.4 數據通信模塊設計

　　該模塊將同步好的全站模擬量采樣值與開關量加入時間戳，通過TCP連接發(fā)送給啟動判斷與存儲設備，保證數據及時間的正確性并簡化后端的實現。

　　4.5 時間同步模塊

　　按照IEEE1588的規(guī)定，首先由主時鐘節(jié)點向從時鐘節(jié)點發(fā)送帶主時鐘時間戳的同步報文(Sync)，同時主時鐘節(jié)點記錄下同步報文實際發(fā)送的時間戳，并在隨后的跟進報文(Fellow-up)中傳送該精確時間戳t0.從時鐘節(jié)點在收到上述報文后記下同步報文的接收時刻t1.然后從時鐘節(jié)點向主時鐘節(jié)點發(fā)送一個延遲請求報文(delay-request)，同時記錄下該報文的實際發(fā)送時間作為精確的發(fā)送時間戳t2,而主時鐘接收到該報文時也記下接收時刻的精確時問戳t3,并將該事件戳在隨后的延遲響應報文。中發(fā)送給從時鐘節(jié)點。如圖6所示。

　　主、從時鐘偏差(offset)以及網絡延遲(delay)可表示為：

　　4.6 故障錄波啟動判斷及記錄模塊

　　因協議轉換器已對數據加入時間戳并進行合并，故障錄波啟動判斷及記錄模塊存在實時性的問題，設計時注重更大的系統容量，因此硬件平臺選擇Intel CPU,軟件基于Linux操作系統。它通過額外的算法判斷同步的模擬量采樣數據與開關量數據的瞬時值或有效值來判斷當前電網中是否發(fā)生故障，需要高速存儲并生成故障報告。同時可在正常狀態(tài)下存儲常態(tài)錄波。

　　5 結語

　　新型故障錄波器采用兩層設計，對傳統站與數字站進行了統一的封裝，使得單一型號的錄波器產品可以滿足傳統站，數字站以及傳統數字混合站的要求，解決了當前過渡時期的多種要求，大大降低了錄波設備的開發(fā)、生產和維護成本。同時，它同時支持大容量，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路開關量的容量下，對于傳統站可以支持達到10 kHz的采樣率，對于數字站可以支持4.8 kHz的采樣率。它是一種高性能，實用性良好的新型故障錄波器。