電力系統(tǒng)故障錄波器是故障錄波器用于電力系統(tǒng)，可在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動地、準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況，通過這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平均有著重要作用。本文首先介紹了數(shù)字化變電站中符合IEC61850標準的智能電子設備(IED)的模型建立方法。以某個具有代表性的線路保護裝置為例，詳細設計了該保護裝置的數(shù)字化模型，為其他變電站自動化裝置以及本文要分析的故障錄波器提供建?；A。數(shù)字化變電站網(wǎng)絡結構對錄波器設計有決定性的作用，需要針對不同規(guī)模變電網(wǎng)絡的具體情況設計相應的網(wǎng)絡，因此本文針對典型變電站提出合理的網(wǎng)絡設計方法。最后，提出了數(shù)字化故障錄波器的硬件選型、軟件流程等設計，并提出目前較為合理的過程層數(shù)據(jù)格式標準方案。

　　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(nèi)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(nèi)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)議轉換器部分以及后端的故障判斷與錄波設備兩部分。協(xié)議轉換器采用PowerPC8 270處理器結構和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。

　　IEC 61850標準是由國際電工委員會(InternatiONal Electro technical Commission)第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網(wǎng)絡通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準吸收了IEC60870系列標準和UCA的經(jīng)驗，同時吸收了很多先進的技術，對保護和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)(SAS)的設計產(chǎn)生深刻的影響。它將不僅應用在變電站內(nèi)，而且將運用于變電站與調度中心之間以及各級調度中心之間。國內(nèi)外各大電力公司、研究機構都在積極調整產(chǎn)品研發(fā)方向，力圖和新的國際標準接軌，以適應未來的發(fā)展方向。

　　2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現(xiàn)

　　VxWorks 是美國 Wind River System 公司( 以下簡稱風河 公司 ,即 WRS 公司)推出的一個實時操作系統(tǒng)。Tornado 是WRS 公司推出的一套實時操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，類似Microsoft Visual C,但是提供了更豐富的調試、仿真環(huán)境和工具。它提供了對其它VxWorks系統(tǒng)和TCP/IP 網(wǎng)絡系統(tǒng)的"透明"訪問，包括與BSD套接字兼容的編程接口，遠程過程調用(RPC)，SNMP(可選項)，遠程文件訪問(包括客戶端和服務端的NFS機制以及使用RSH,FTP 或 TFTP的非NFS機制)以及BOOTP 和代理ARP、DHCP、DNS、OSPF、RIP.無論是松耦合的串行線路、標準的以太網(wǎng)連接還是緊耦合的利用共享內(nèi)存的背板總線，所有的 VxWorks 網(wǎng)絡機制都遵循標準的 Internet 協(xié)議。

　　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。