基于VxWorks的新型數字化故障錄波器設計與實現

摘 要: 根據當前傳統變電站與新型數字變電站的需求，設計實現新型故障錄波器。它支持IEC61850 9-1標準的采樣值數據報文，IEC61850 8-1標準的GOOSE報文，傳統的202采樣值報文以及IEEE1588精確時鐘同步協議(PTP)。可將多個來源的采樣值進行同步合并，最終生成故障記錄和分析報告，同時進行基于采樣值的常態錄波。新型故障錄波器采用基于PowerPC8270 的硬件平臺和基于嵌入式實時操作系統VxWorks的軟件平臺。此錄波器在支持新的國家標準同時兼容傳統協議，符合現今傳統站向數字站過渡的趨勢，較好地滿足了當今變電站對錄波的需求。關鍵詞:IEC61850;IEEE1588;數字化故障錄波器; 合并單元; 保護控制單元

中圖分類號:TN911-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0074-04

Design and Implementation of a New Digital Recorder Based on VxWorks

WANG Da-qian， ZHOU Yu， DU Si-dan

(Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract: A new kind of fault recorder is designed and implemented according to the demand of current conventional substation and digital substation. It supports the IEC61850 9-1 standard sample value data packet， the standard IEC61850 8-1 GOOSE message， the traditional 202 sample value data packet and the IEEE1588 precision clock synchronization protocol. It synchronizes and merges sampling value from multiple sources and final generates fault recording and analysis report. The hardware platform of this new kind of fault recorder is based on PowerPC8270 and the software platform is based on embedded real-time operating system VxWorks. This recorder is compatible with the traditional protocol in support of the new national standard， it is in line with the trend of the transition from traditional substation to digital stations. It meets today's demand for substation on the recorder.Keywords: IEC 61850; IEEE1588; digital fault recorder; merge unit; protection control unit

收稿日期:2010-06-18

電力系統故障錄波器是研究現代電網的基礎，也是評價繼電保護動作行為及分析設備故障性質和原因的重要依據。

在傳統變電站中，錄波所采用的方法是將需要采樣的各個節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量進行A/D轉換，再由后臺的錄波設備進行分析與存儲[1]。近幾年，隨著電力系統自動化水平的提高，特別是光電式互感器、智能化開關等二次設備的發展，對發電機，電力電纜，斷路器等一次運行設備在線狀態檢測技術日趨成熟。結合當前成熟的高速以太網在實時系統中的開發應用，變電站中的數據監控已可以網絡化。在IEC61850協議的框架下，可以通過訂閱的方式實現全站數據對象的自由記錄。數字化變電站技術越來越受到人們的重視[2]。

當前，變電站的發展正處于傳統變電站向數字化變電站的過渡階段，甚至有的變電站運行于傳統站與數字站的混和狀態。對于錄波器制造公司來說，由于傳統站和數字站同時有錄波需求，需要同時有可用于傳統站和數字站的兩種設備，如果單獨設計兩種獨立的錄波器，將大大增加產品設計、生產和維護成本。兼容傳統站與數字站的錄波器正是為了滿足這一需求而設計。

1 總體結構

1.1 變電站的結構

數字化變電站在物理結構上分為兩類，即智能化的一次設備和網絡化的二次設備;而在邏輯結構上可分為3個層次，根據IEC61850 協議定義，分別為過程層、間隔層、站控層(或變電站層)[3]。各層內部及各層之間采用高速網絡通信，整個系統的通信網絡可以分為:站控層和間隔層之間的間隔層通信網、以及間隔層和過程層之間的過程層通信網。間隔層在站內按間隔分布式布置，各間隔設備之間相對獨立;間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸光纖以太網，在標準中稱為過程總線。如圖1所示。

1.2 故障錄波器系統構成

數字化故障錄波器使用分層的系統設計，包括前端的協議轉換器部分以及后端的故障判斷與錄波設備兩部分。協議轉換器采用PowerPC8270處理器結構和VxWorks操作系統[4]，其中包括IEC61850 協議處理模塊、數據同步模塊、傳統站數據模塊、數據通信模塊和時間同步模塊。如圖2所示。

圖1 故障錄波器在整個變電站的地位位置

圖2 邏輯結構

IEC61850 模塊負責接收和解析模擬合并單元發送的IEC61850 9-1 報文，提取模擬采樣值數據; 以及接收和解析保護控制單元發送的面向通用對象的變電站事件( GOOSE) 報文，提取開關量數據。數據同步模塊根據同步采樣合并策略，實現開關量數據和采樣值數據的同步。數據通信模塊負責與故障判斷與錄波設備進行數據交互。時間同步模塊則負責IEEE1588校時協議的處理和同步本地時鐘。

2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現

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點和數據對象，并提供了完整的描述數據對象模型的方法和面向對象的服務。其中的9-1協議和GOOSE協議都采用了不經TCP/IP 協議，直接映射到數據鏈路層，即傳輸層和網絡層均空的方式。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[5]。

2.2 VxWorks下對于網絡協議的處理流程

在VxWokrs下處理數據鏈路層的報文，需要關注它的網絡協議棧結構。VxWokrs網絡協議棧(scalable enhanced network stack，SENS)為可裁減增強網絡協議棧。它與傳統的TCP/IP網絡協議棧相比，最大的特點是在數據鏈路層和網絡協議層之間多了MUX層。當網絡接口驅動向協議層發送數據時，驅動程序會調用一個MUX層提供的函數將數據轉發給協議層。MUX的主要目的是把網絡接口驅動層和協議層分開，使得二者彼此保持獨立[6]。

在此，為了實現對9-1和GOOSE協議數據鏈路層報文的處理，利用了VxWorks網絡協議棧的MUX接口，如圖3所示。

圖3 VxWorks MUX接口結構

當網卡收到一個報文時，網卡驅動中實現的網卡中斷服務函數將被調用。中斷服務只負責最簡單的底層操作，然后中斷調用netJobAdd()，將接下來的工作排隊加入網絡服務隊列，tNetTask任務將會從此隊列中讀出，完成任務級別的網絡處理工作。其具體的處理方法根據不同的網絡協議類型有所不同，開發人員可以通過MUX接口綁定對新的網絡協議處理方法。

2.3 IEEE1588精密時鐘同步協議

為了在后方的故障錄波和常態錄波下都能有精確的時間，采用IEEE1588精密時鐘同步協議(PTP)。它是一種網絡時間同步協議。

IEEE1588協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)、回應報文(Delay-Resp)。PTP系統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[7]。

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Intel Core 2雙核E4300 1.8 GHz。

圖4 硬件結構圖

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，由于必須監控全站的大量線路，前端需要集中器將9-1數據合并[8]，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協議發送到錄波器。錄波器將對其解析后封裝為與IEC61850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生變位時才發送，在開關量變位后，則建議按指數遞增的時間間隔發送，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送的GOOSE報文只包含其中的一部分[9]，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，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。

圖5 報文解析與同步的流程圖

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的規定，首先由主時鐘節點向從時鐘節點發送帶主時鐘時間戳的同步報文(Sync)，同時主時鐘節點記錄下同步報文實際發送的時間戳，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。然后從時鐘節點向主時鐘節點發送一個延遲請求報文(delay-request)，同時記錄下該報文的實際發送時間作為精確的發送時間戳t2，而主時鐘接收到該報文時也記下接收時刻的精確時間戳t3，并將該事件戳在隨后的延遲響應報文。中發送給從時鐘節點。如圖6所示。

圖6 IEEE1588報文發送示意圖

圖7 啟動判斷與存儲的流程圖

主、從時鐘偏差(offset)以及網絡延遲(delay)可表示為:

A=t1-t0=delay+offset，

B=t3-t2=delay-offset;

delay=(A+B)/2， offset=(A-B)/2

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生故障，需要高速存儲并生成故障報告[10]。同時可在正常狀態下存儲常態錄波。

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、生產和維護成本。同時，它同時支持大容量，高采樣率的暫態故障錄波需求和常態錄波。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。

參考文獻

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