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。