基于VxWorks的電力系統故障錄波器設計

　　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。

　　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。

　　2.2 VxWorks下對于網絡協議的處理流程

　　在VxWorks下處理數據鏈路層的報文，需要關注它的網絡協議棧結構。VxWorks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。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。

　　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。

　　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IntelCore 2雙核E4300 1.8 GHz。

　　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，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。