基于VxWorks的新型數字化故障錄波器設計與實現

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。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。
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)。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PowerPC8 270處理器結構和VxWorks操作系統，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。
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。