新型数字化故障录波器方案

　　电力系统故障录波器是故障录波器用于电力系统，可在系统发生故障时，自动地、准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况，通过这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平均有着重要作用。本文首先介绍了数字化变电站中符合IEC61850标准的智能电子设备(IED)的模型建立方法。以某个具有代表性的线路保护装置为例，详细设计了该保护装置的数字化模型，为其他变电站自动化装置以及本文要分析的故障录波器提供建模基础。数字化变电站网络结构对录波器设计有决定性的作用，需要针对不同规模变电网络的具体情况设计相应的网络，因此本文针对典型变电站提出合理的网络设计方法。最后，提出了数字化故障录波器的硬件选型、软件流程等设计，并提出目前较为合理的过程层数据格式标准方案。

　　1 总体结构

　　1.1 变电站的结构

　　数字化变电站在物理结构上分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备;而在逻辑结构上可分为3个层次，根据IEC61850协议定义，分别为过程层、间隔层、站控层(或变电站层)。各层内部及各层之间采用高速网络通信，整个系统的通信网络可以分为：站控层和间隔层之间的间隔层通信网、以及间隔层和过程层之间的过程层通信网。间隔层在站内按间隔分布式布置，各间隔设备之间相对独立;间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输光纤以太网，在标准中称为过程总线。如图1所示。

　　1.2 故障录波器系统构成

　　数字化故障录波器使用分层的系统设计，包括前端的协议转换器部分以及后端的故障判断与录波设备两部分。协议转换器采用PowerPC8 270处理器结构和VxWorks操作系统，其中包括IEC61850协议处理模块、数据同步模块、传统站数据模块、数据通信模块和时间同步模块。如图2所示。

　　变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(IED,测控单元和继电保护)均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

　　IEC 61850标准是由国际电工委员会(InternatiONal Electro technical Commission)第57技术委员会于2004年颁布的、应用于变电站通信网络和系统的国际标准。作为基于网络通讯平台的变电站唯一的国际标准，IEC61850标准吸收了IEC60870系列标准和UCA的经验，同时吸收了很多先进的技术，对保护和控制等自动化产品和变电站自动化系统(SAS)的设计产生深刻的影响。它将不仅应用在变电站内，而且将运用于变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间。国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向，力图和新的国际标准接轨，以适应未来的发展方向。

　　2 VxWorks下的IEC61850报文的接收实现

　　VxWorks 是美国 Wind River System 公司( 以下简称风河 公司 ,即 WRS 公司)推出的一个实时操作系统。Tornado 是WRS 公司推出的一套实时操作系统开发环境，类似Microsoft Visual C,但是提供了更丰富的调试、仿真环境和工具。它提供了对其它VxWorks系统和TCP/IP 网络系统的"透明"访问，包括与BSD套接字兼容的编程接口，远程过程调用(RPC)，SNMP(可选项)，远程文件访问(包括客户端和服务端的NFS机制以及使用RSH,FTP 或 TFTP的非NFS机制)以及BOOTP 和代理ARP、DHCP、DNS、OSPF、RIP.无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接还是紧耦合的利用共享内存的背板总线，所有的 VxWorks 网络机制都遵循标准的 Internet 协议。

　　2.1 IEC61850 9-1与GOOSE报文的传输

　　IEC61850标准针对变电站所有功能定义了比较详尽的逻辑节点和数据对象，并提供了完整的描述数据对象模型的方法和面向对象的服务，其中的9-1协议和GOOSE协议都采用了不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层，即传输层和网络层均空的方式。以避免通信堆栈造成传输延迟，从而保证报文传输、处理的快速性。

　　2.2 VxWorks下对于网络协议的处理流程

　　在VxWorks下处理数据链路层的报文，需要关注它的网络协议栈结构。VxWorks网络协议栈(scalable enhanced network STack,SENS)为可裁减增强网络协议栈。它与传统的TCP/IP网络协议栈相比，最大的特点是在数据链路层和网络协议层之间多了MUX层。当网络接口驱动向协议层发送数据时，驱动程序会调用一个MUX层提供的函数将数据转发给协议层。MUX的主要目的是把网络接口驱动层和协议层分开，使得二者彼此保持独立。在此，为了实现对9-1和GOOSE协议数据链路层报文的处理，利用了VxWorks网络协议栈的MUX接口，如图3所示。

　　当网卡收到一个报文时，网卡驱动中实现的网卡中断服务函数将被调用。中断服务只负责最简单的底层操作，然后中断调用netJobAdd()，将接下来的工作排队加入网络服务队列，tNetTask任务将会从此队列中读出，完成任务级别的网络处理工作。其具体的处理方法根据不同的网络协议类型有所不同，开发人员可以通过MUX接口绑定对新的网络协议处理方法。

　　2.3 IEEE1588精密时钟同步协议

　　为了在后方的故障录波和常态录波下都能有精确的时间，采用IEEE1588精密时钟同步协议(PTP)。它是一种网络时间同步协议。

　　IEEE1588协议通过硬件和软件配合获得更精确的定时同步。它采用分层的主-从式(master-slave)模式，主要定义了4种时钟报文类型：同步报文(Sync)、跟随报文(Fellow-up)、延时要求报文(Delay-Req)、回应报文(Delay-Resp)。PTP系统中的从时钟就是通过与主时钟交换上述的4种报文来同步时间。