電力系統(tǒng)故障錄波器是研究現(xiàn)代電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是評價繼電保護(hù)動作行為及分析設(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(guān)量進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再由后臺的錄波設(shè)備進(jìn)行分析與存儲。近幾年，隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，特別是光電式互感器、智能化開關(guān)等二次設(shè)備的發(fā)展，對發(fā)電機,電力電纜，斷路器等一次運行設(shè)備在線狀態(tài)檢測技術(shù)日趨成熟。結(jié)合當(dāng)前成熟的高速以太網(wǎng)在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應(yīng)用，變電站中的數(shù)據(jù)監(jiān)控已可以網(wǎng)絡(luò)化。在IEC61850協(xié)議的框架下，可以通過訂閱的方式實現(xiàn)全站數(shù)據(jù)對象的自由記錄。數(shù)字化變電站技術(shù)越來越受到人們的重視。
    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(shè)備，如果單獨設(shè)計兩種獨立的錄波器，將大大增加產(chǎn)品設(shè)計、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。

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)備之間相對獨立；間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)采用單點向多點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，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)送的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文，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。時間同步模塊則負(fù)責(zé)IEEE1588校時協(xié)議的處理和同步本地時鐘。

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(biāo)準(zhǔn)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?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，從而保證報文傳輸、處理的快速性。
2．2 VxWorks下對于網(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)動向協(xié)議層發(fā)送數(shù)據(jù)時，驅(qū)動程序會調(diào)用一個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(luò)協(xié)議棧的MUX接口，如圖3所示。

    當(dāng)網(wǎng)卡收到一個報文時，網(wǎng)卡驅(qū)動中實現(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)最簡單的底層操作，然后中斷調(diào)用netJobAdd()，將接下來的工作排隊加入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)隊列，tNetTask任務(wù)將會從此隊列中讀出，完成任務(wù)級別的網(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接口綁定對新的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)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(shè)計
    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
    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)核以及很好的實時性。
4．1 IEC61850報文處理模塊
    IEC61850 9-1標(biāo)準(zhǔn)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(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)過交換機時可能會被去掉也可能保留。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(biāo)記(0x8100)都進(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。在此對于9-1協(xié)議解析進(jìn)行了模塊化設(shè)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(yīng)用中對于傳統(tǒng)站，將由前方的采集設(shè)備采樣模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)，通過TCP協(xié)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(shù)據(jù)格式，以便后方設(shè)備進(jìn)行啟動判斷與存儲。
4．3 同步模塊
    9-1數(shù)據(jù)來自合并單元，而開關(guān)量采樣數(shù)據(jù)來自保護(hù)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(xì)的絕對時間，但報文只有在開關(guān)量發(fā)生變位時才發(fā)送，在開關(guān)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(yīng)用中，甚至可能發(fā)生保護(hù)裝置未進(jìn)行同步，造成GOOSE報文中的時間戳不準(zhǔn)的情況。另一方面，故障錄波需要全站的大量開關(guān)量數(shù)據(jù)，而單一保護(hù)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(jìn)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(guān)量之間、以及開關(guān)量和模擬量之間進(jìn)行同步合并，對數(shù)據(jù)整體加入絕對時刻。在設(shè)計同步方案時，充分考慮到開關(guān)量的數(shù)據(jù)更新頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)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(guān)量與當(dāng)前收到的模擬量采樣值進(jìn)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(guān)量值。在該設(shè)計中，高頻率的模擬量數(shù)據(jù)到需要和開關(guān)量合并時，保存開關(guān)量的堆棧中將只含有最近的一次或之前少數(shù)幾次開關(guān)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(guān)量時間匹配，維護(hù)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(shè)計
    該模塊將同步好的全站模擬量采樣值與開關(guān)量加入時間戳，通過TCP連接發(fā)送給啟動判斷與存儲設(shè)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(jìn)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(yīng)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(luò)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(zhuǎn)換器已對數(shù)據(jù)加入時間戳并進(jìn)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(shè)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(guān)量數(shù)據(jù)的瞬時值或有效值來判斷當(dāng)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(jié)語
    新型故障錄波器采用兩層設(shè)計，對傳統(tǒng)站與數(shù)字站進(jìn)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(dāng)前過渡時期的多種要求，大大降低了錄波設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)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(guān)量的容量下，對于傳統(tǒng)站可以支持達(dá)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。