電力系統(tǒng)故障錄波器是研究現(xiàn)代電網(wǎng)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(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節(jié)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。
當前，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，甚至有的變電站運行于傳統(tǒng)站與數(shù)字站的混和狀態(tài)。對于錄波器制造公司來說，由于傳統(tǒng)站和數(shù)字站同時有錄波需求，需要同時有可用于傳統(tǒng)站和數(shù)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(chǎn)品設計、生產(chǎn)和維護成本。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計。
1 總體結構
1．1 變電站的結構
數(shù)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(wǎng)絡化的二次設備；而在邏輯結構上可分為3個層次，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)。各層內部及各層之間采用高速網(wǎng)絡通信，整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡可以分為：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(wǎng)絡采用單點向多點的單向傳輸光纖以太網(wǎng)，在標準中稱為過程總線。如圖1所示。
1．2 故障錄波器系統(tǒng)構成
數(shù)字化故障錄波器使用分層的系統(tǒng)設計，包括前端的協(xié)議
IEC61850模塊負責接收和解析
2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現(xiàn)
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(jié)點和數(shù)據(jù)對象，并提供了完整的描述數(shù)據(jù)對象模型的方法和面向對象的服務,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。
2．2 VxWorks下對于網(wǎng)絡協(xié)議的處理流程
在VxWorks下處理數(shù)據(jù)鏈路層的報文，需要關注它的網(wǎng)絡協(xié)議棧結構。VxWorks網(wǎng)絡協(xié)議棧(scalable enhanced network stack，SENS)為可裁減增強網(wǎng)絡協(xié)議棧。它與傳統(tǒng)的TCP／IP網(wǎng)絡協(xié)議棧相比，最大的特點是在數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡協(xié)議層之間多了MUX層。當網(wǎng)絡接口驅動向協(xié)議層發(fā)送數(shù)據(jù)時，驅動程序會調用一個MUX層提供的函數(shù)將數(shù)據(jù)轉發(fā)給協(xié)議層。MUX的主要目的是把網(wǎng)絡接口驅動層和協(xié)議層分開，使得二者彼此保持獨立。在此，為了實現(xiàn)對9-1和GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層報文的處理，利用了VxWorks網(wǎng)絡協(xié)議棧的MUX接口，如圖3所示。
當網(wǎng)卡收到一個報文時，網(wǎng)卡驅動中實現(xiàn)的網(wǎng)卡中斷服務函數(shù)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(wǎng)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(wǎng)絡處理工作。其具體的處理方法根據(jù)不同的網(wǎng)絡協(xié)議類型有所不同，開發(fā)人員可以通過MUX接口綁定對新的網(wǎng)絡協(xié)議處理方法。
2．3 IEEE1588精密時鐘同步協(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間，采用IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議(PTP)。它是一種網(wǎng)絡時間同步協(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(tǒng)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。
3 硬件設計
前端故障錄波器協(xié)議
4 軟件設計
軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)，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(shù)據(jù)鏈路層直接傳輸報文。在此利用VxWorks的MUX層接口實現(xiàn)從數(shù)據(jù)鏈路層將IEC61850協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸給應用層程序。由于在IEC61850協(xié)議中規(guī)定幀結構中含有虛擬局域網(wǎng)標記TPID和TCI，在幀經(jīng)過交換機時可能會被去掉也可能保留。因而在MUX層綁定網(wǎng)絡協(xié)議類型處理函數(shù)時需要對9-1協(xié)議(ethertype 0x88b8)，GOOSE協(xié)議(ethertype 0x88ba)，以及虛擬局域網(wǎng)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(xié)議類型，以免誤判。
9-1是一個點對點的協(xié)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(shù)據(jù)合并，而合并后的數(shù)據(jù)格式目前并沒有統(tǒng)一的標準。在此對于9-1協(xié)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(xié)議的支持。
4．2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)報文模塊
該應用中對于傳統(tǒng)站，將由前方的采集設備采樣
4．3 同步模塊
9-1數(shù)據(jù)來自合并單元，而開關量采樣數(shù)據(jù)來自保護控制單元，兩者的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)，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(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，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)更新頻率遠遠小于開關量數(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(shù)據(jù)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(shù)幾次開關量狀態(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)及時間的正確性并簡化后端的實現(xiàn)。
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間戳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(wǎng)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(xié)議轉換器已對數(shù)據(jù)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(tǒng)容量，因此硬件平臺選擇Intel CPU，軟件基于Linux操作系統(tǒng)。它通過額外的算法判斷同步的模擬量采樣數(shù)據(jù)與開關量數(shù)據(jù)的瞬時值或有效值來判斷當前電網(wǎng)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(tǒng)站與數(shù)字站進行了統(tǒng)一的封裝，使得單一型號的錄波器產(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(chǎn)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(tǒng)站可以支持達到10 kHz的采樣率，對于數(shù)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。