嵌入式以太網(wǎng)的變電站間隔層保護系統(tǒng)研究

王颋，崔芳，劉遲，梁麗瑛，張東亮

（重慶郵電大學 網(wǎng)絡控制技術與智能儀器儀表重點實驗室，重慶 400065）

引 言

IEC 61850標準為數(shù)字化變電站奠定了標準化基礎，變電站自動化系統(tǒng)最主要的功能是實現(xiàn)裝置的自我保護。國內(nèi)探索應用IEC 61850時卻并沒有首先從保護裝置入手，主要是考慮到保護功能的復雜性、多樣性以及配置的靈活性，使得對完全符合IEC 61850的保護功能的建模具有一定的難度［1］。

標準的互操作及功能自由分布特性要求變電站自動化系統(tǒng)中的不同智能電子設備（IED）間能更靈活地協(xié)同。本文在深入研究IEC 61850標準對保護功能建模的基礎上，針對國內(nèi)保護裝置發(fā)展和應用的現(xiàn)狀，提出一種適合國內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構及運行方式的數(shù)字化變電站過渡方案，并給出了基于該方案的間隔層保護系統(tǒng)設計方法。

1 數(shù)字化變電站過渡方案

就目前而言，采用智能化的一次設備（如電子式互感器及智能化開關等）、網(wǎng)絡化的二次設備，以及符合IEC 61850通信規(guī)范、自動化的運行管理系統(tǒng)，是數(shù)字化變電站主要技術特征。圖1為數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構。

圖1 數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構

鑒于我國對IEC 61850標準的研究和實踐還處于探索階段，國內(nèi)電子式互感器技術的成熟度尚待考核［2］，變電站過程層和間隔層的IEC 61850實現(xiàn)應分步驟漸進實施。針對該情況，提出一種現(xiàn)階段的數(shù)字化變電站系統(tǒng)過渡方案［3］，如圖2所示。

圖2 數(shù)字化變電站系統(tǒng)過渡方案

該方案中的過程層一方面采用ECT／EPT和智能開關，模擬量采集和開關量控制實現(xiàn)完全數(shù)字化，完成電力運行的實時電氣量檢測、運行設備狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測與統(tǒng)計、操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動；另一方面也支持傳統(tǒng)一次設備下硬接線模式，采用連接導線接入常規(guī)互感器和開關。合并單元匯總本間隔的實時數(shù)據(jù)信息并以多播方式經(jīng)由過程總線傳送間隔層保護裝置，使間隔層實現(xiàn)對一次設備的保護控制功能，對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出進行優(yōu)先級控制，另外也可在傳統(tǒng)模式下通過采樣板獲得常規(guī)互感器和開關的數(shù)據(jù)。變電站層采用符合IEC 61850標準的數(shù)字化變電站站控層系統(tǒng)，為分布式系統(tǒng)設計。考慮到61850裝置的網(wǎng)絡接入能力，后臺采用C／S模式，工作站需從主服務器取數(shù)據(jù)。

該方案在傳統(tǒng)變電站兩層結(jié)構的基礎上實現(xiàn)了間隔層和變電站層的數(shù)字化。傳統(tǒng)保護裝置中的數(shù)據(jù)采集部分包括模擬量（電流、電壓）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，開入量（如斷路器位置、隔離刀閘輔助接點）讀取等，但要采用數(shù)據(jù)映射的方式接入：A／D轉(zhuǎn)換模塊映射成IEC 61850過程層數(shù)字式傳感器的一部分；開關量輸出模塊映射成IEC 61850過程層數(shù)字式執(zhí)行器的一部分；開關量輸入模塊映射成IEC 61850過程層數(shù)字式斷路器的一部分；完成濾波、計算、邏輯和控制功能的主控模塊映射成IEC 61850間隔層的保護控制設備［4］。

采取這種映射方式，保護裝置可以在接收通道模擬量的同時直接接收數(shù)字量。也就是說，裝置可以很好地實現(xiàn)IEC 61850系統(tǒng)中過程層和間隔層功能，也可以兼顧現(xiàn)有的系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了常規(guī)設備和基于IEC 61850的二次設備之間良好的并存和過渡。

2 間隔層保護裝置的硬件設計

2.1 硬件結(jié)構

考慮到以上映射方式，間隔層保護裝置應由模擬量輸入模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、主控制器、液晶顯示、電源模塊等多塊板卡組成。各個模塊以插件的形式安裝在主板上，可以根據(jù)用戶的需求自由增減。其硬件結(jié)構示意圖如圖3所示。

根據(jù)硬件結(jié)構圖，PowerPC平臺分別和上位機、FPGA的雙口RAM和ARM7彩色液晶等有通信連接以及數(shù)據(jù)交互。

2.2 硬件功能

主控板選用了PowerPC 8247處理器，利用其強大的運算處理能力，在VxWorks平臺上實現(xiàn)了配置信息的解析、數(shù)據(jù)映射、平臺保護、數(shù)據(jù)通信等功能。外接SST39VF040的BIOS芯片，用于存儲Bootrom程序。32MB的Flash／ROM用于存儲Vxworks程序、驅(qū)動程序、配置文件信息、存儲數(shù)據(jù)等。32MB×4的RAM用于存儲系統(tǒng)及應用運行程序，實時調(diào)用配置信息、實時數(shù)據(jù)等。100M全雙工以太網(wǎng)口用于實時通信，RS232用于連接打印機，RS485用于連接液晶顯示板。

3 保護裝置執(zhí)行平臺軟件設計

傳統(tǒng)的繼電保護一般采用單片機線性程序，即前后臺系統(tǒng)開發(fā)方式。應用程序由后臺運行，一般是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應的函數(shù) （或子程序）完成相應的操作（稱為后臺行為或任務級［5］），用中斷來處理隨機事件 （稱為前臺行為或中斷級）。在實際應用中，各種前臺行為的執(zhí)行頻率是不一致的，如輸入采樣頻率可能要求很高，而鍵盤掃描則要少得多，在系統(tǒng)復雜的情況下就可能導致某些任務得不到及時執(zhí)行。另外，程序一旦建立，各種前臺行為的執(zhí)行即已固定。如需在運行時動態(tài)地改變執(zhí)行結(jié)構，程序則需要另外添加很多條件判斷或分支轉(zhuǎn)移，增加了程序的復雜性、可讀性以及維護難度。所以在設計符合IEC 61850的保護軟件時，必須引入嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）。

圖3 間隔層保護裝置硬件結(jié)構示意圖

本文采用的RTOS為VxWorks操作系統(tǒng)，它具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，因其良好的可靠性和卓越的實時性而被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。和其他操作系統(tǒng)相比，VxWorks的健壯性、實時性、組件的豐富性無疑十分適合本項目的開發(fā)，應用實踐也證明了這一點。本節(jié)介紹基于VxWorks的保護裝置系統(tǒng)平臺設計。

3.1 系統(tǒng)模塊劃分

PowerPC軟件模塊結(jié)構如圖4所示。

圖4 PowerPC軟件模塊結(jié)構

底層驅(qū)動模塊：實現(xiàn)CAN總線、RS232、以太網(wǎng)的驅(qū)動。接口調(diào)用收發(fā)數(shù)據(jù)。

設備自檢模塊：檢測裝置的插入板、開關量板和模擬量板是否插入，由FPGA檢測后按雙口RAM的第一個字判斷，低8位表示開關量板，高8位表示模擬量板。

配置信息下載及存儲分區(qū)：將存儲空間合理分區(qū)，接收和存儲不同的配置信息以及轉(zhuǎn)發(fā)配置信息（界面ARM7）。分配存儲數(shù)據(jù)（定值、事件、錄波）的存儲地址空間（Flash）。

配置信息的解析模塊：創(chuàng)建所有的配置信息實體，讀取相應配置信息（來自配置文件）為應用程序提供實時調(diào)用接口。

數(shù)據(jù)映射模塊：根據(jù)數(shù)據(jù)映射信息將配置信息和實際運行數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，形成完整的數(shù)據(jù)信息結(jié)構，供應用程序?qū)崟r調(diào)用。映射存儲數(shù)據(jù)（定值、事件、錄波）的存儲地址（Flash）。數(shù)據(jù)映射模塊中包含了眾多的消息隊列（使用VxWorks管理消息隊列），從而實現(xiàn)了保護邏輯和其他通信平臺的交互。

配置信息解析模塊：將所有接收到的配置信息分類存儲，并將需要的配置信息傳送給各個芯片。

保護邏輯平臺：包括模擬量的采集、保護配置的解析、保護元件的運行、開關量邏輯、錄波模塊、事件產(chǎn)生模塊等。

61850和MMS通信模塊：運行61850服務，解析節(jié)點的配置信息，按映射標準返回映射數(shù)據(jù)以及配置信息。

通信協(xié)議封裝模塊：運行通信協(xié)議程序（除61850通信之外的協(xié)議，如公司協(xié)議），根據(jù)不同物理連接和驅(qū)動對外連接通信。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構和模塊層次，可以看出保護系統(tǒng)具有如下功能：數(shù)據(jù)采集功能、網(wǎng)絡通信功能、保護平臺功能、保護動作功能、錄波功能、調(diào)試功能、人機接口功能、計量功能和自檢功能。

3.2 實時任務優(yōu)先級設計

根據(jù)裝置功能設計了系統(tǒng)實時任務，其中有控制邏輯任務、保護邏輯任務、通信任務、數(shù)據(jù)采集任務、打印任務等。

控制邏輯任務tControlLogic是保護裝置的最終目的，負責根據(jù)監(jiān)控結(jié)果作出保護動作。一旦被觸發(fā)，將立即執(zhí)行，直接發(fā)出信號或跳合斷路器。因此給它分配最高應用任務優(yōu)先級100。它有3種觸發(fā)方式：保護邏輯任務發(fā)出的信號量、通信命令或鍵盤操作。

保護邏輯任務tProtectLogic是保護裝置的基本功能，也是控制邏輯的觸發(fā)源之一，占據(jù)第二優(yōu)先級105。它由數(shù)據(jù)采集任務觸發(fā)，隨后進行一次計算判斷過程，并依據(jù)判斷結(jié)果對開關量輸出和顯示等其他任務發(fā)出觸發(fā)信號量。

通信是微機保護裝置十分重要的任務，對于無人值守變電站，它是監(jiān)控人員獲取電網(wǎng)運行信息的唯一途徑。根據(jù)其重要性和對實時性的要求，應設為較高優(yōu)先級以保證其響應速度。VxWorks提供標準網(wǎng)絡套接字（socket）接口，網(wǎng)絡編程十分方便。在深入理解規(guī)約通信流程的基礎上，設計了兩個任務進行通信管理：tServe（優(yōu)先級為110）負責偵聽（1isten）、接受（accept）、維護socket連接，對通信狀態(tài)進行實時監(jiān)控，保證遠方通信的可靠性；tProcess（優(yōu)先級為111）負責接收、解析、處理、回復報文，根據(jù)命令條目進行相應操作，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、定值召喚、故障錄波召喚等功能。

數(shù)據(jù)采集映射的實時性是保護及時動作的保障，因此也必須具備較高的優(yōu)先級。創(chuàng)建任務tDataMap（優(yōu)先級為112）從雙口RAM中采集數(shù)據(jù)并結(jié)合配置信息進行數(shù)據(jù)映射，完成數(shù)據(jù)的分類識別、轉(zhuǎn)存、釋放信號量、啟動其他任務等工作。

人機交互任務tHMInteraction的優(yōu)先級次于通信任務和數(shù)據(jù)采集映射任務，定為120。它有3種觸發(fā)源：當保護動作時，由保護任務觸發(fā)而彈出動作信息；鍵盤操作觸發(fā)，查看和修改裝置參數(shù)；定時觸發(fā)，每隔一個固定時間執(zhí)行一次。

故障錄波功能要求錄波可靠、不遺漏、不錯錄，對于實時性要求并不高，定義其優(yōu)先級為140，比大部分任務的優(yōu)先級都低。數(shù)據(jù)采集任務獲得實時值后將報文轉(zhuǎn)存故障錄波任務tRecord緩沖區(qū)，同時釋放信號量啟動該任務，tRcord任務采用突變量等判據(jù)決定是否啟動錄波。故障錄波任務初始化時需要建立較大的循環(huán)緩沖區(qū)用于存放實時數(shù)據(jù)。應根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況適當配置該緩沖區(qū)的大小。波形文件以COMTRADE格式保存于本地Flash文件系統(tǒng)中，空閑時供后臺召取。

自檢是微機保護裝置的必備功能，CPU空閑時應該循環(huán)檢測裝置各部分是否運行正常。實際上，裝置很多功能都需要循環(huán)執(zhí)行，如看門狗維護、電表讀取、裝置對時等。所以創(chuàng)建一個循環(huán)執(zhí)行任務，由它發(fā)起自檢任務，自檢完成后自動結(jié)束。

打印任務優(yōu)先級最低，當需要打印時由鍵盤觸發(fā)。

其他部分功能執(zhí)行時間很短，不影響任務運行，故以函數(shù)調(diào)用形式完成，無需創(chuàng)建任務執(zhí)行。

3.3 任務間通信

各個任務間的通信主要發(fā)生在保護平臺任務和61850服務、生產(chǎn)設備公司的協(xié)議、打印任務間；配置信息接收任務相對于其他任務獨立，沒有需要交互的數(shù)據(jù)。任務間的通信和數(shù)據(jù)交互有2種途徑：共享數(shù)據(jù)區(qū)和消息隊列。

3.3.1 共享數(shù)據(jù)區(qū)

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型劃分各自的共享數(shù)據(jù)區(qū)，例如模擬量數(shù)據(jù)區(qū)、開關量數(shù)據(jù)區(qū)、矢量數(shù)據(jù)區(qū)等。每個共享數(shù)據(jù)區(qū)都分為采集區(qū)、GOOSE數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9－1數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9－2數(shù)據(jù)區(qū)4個部分。

保護平臺向采集區(qū)存儲該裝置采集到的模擬或開關型數(shù)據(jù)信息。從GOOSE數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9－1數(shù)據(jù)區(qū)、61850 9－2數(shù)據(jù)區(qū)獲取其他裝置傳來的數(shù)據(jù)信息。

GOOSE通信模塊將采集區(qū)的信息通過GOOSE協(xié)議傳送給其他裝置，將接收到的GOOSE數(shù)據(jù)存儲到GOOSE區(qū)。

61850 9－1通信模塊將采集區(qū)的信息通過61850 9－1協(xié)議傳送給其他裝置，將接收到的9－1類型數(shù)據(jù)存儲到61850 9－1區(qū)。

61850 9－2通信模塊將采集區(qū)的信息通過61850 9－2協(xié)議傳送給其他網(wǎng)絡，將接收到的9－2類型數(shù)據(jù)存儲到61850 9－2區(qū)。

3.3.2 消息隊列

根據(jù)任務間的通信要求，共定義了4個消息隊列：事件隊列、錄波隊列、操作隊列、打印隊列。事件隊列和錄波隊列是保護平臺向隊列中發(fā)送消息，61850服務、設備公司協(xié)議則從此類隊列中獲取消息；控制隊列的數(shù)據(jù)流向則相反，61850服務、設備公司協(xié)議向隊列中發(fā)送消息，保護平臺則從隊列中獲取消息；打印隊列是保護平臺和公司協(xié)議向隊列中發(fā)送消息，打印任務則從隊列中獲取消息。

結(jié) 語

智能電網(wǎng)的提出必然要促進數(shù)字化變電站的快速發(fā)展和實現(xiàn)，在這個過程中，IEC 61850標準將在變電站的各個層面逐步全面實現(xiàn)。本文中高可靠、高穩(wěn)定、強實時性的良好的軟件設計和符合國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀的硬件設計，為傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站之間的順利過渡，推進產(chǎn)品編程開發(fā)手段的靈活性、標準化，以及提高產(chǎn)品互換性提供了一種解決方案。經(jīng)過實際測試，裝置產(chǎn)品滿足運行要求，且在進一步測試和優(yōu)化后記投入市場。

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