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新型数字化故障录波器方案

作者:时间:2012-01-30来源:网络收藏

  电力系统故障是故障用于电力系统,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,包括前端的部分以及后端的故障判断与录波设备两部分。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。

  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。


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