一种新型数字化故障录波器设计与实现

电力系统故障录波器是故障录波器用于电力系统，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。故障录波器是提高电力系统安全运行的重要自动装置，当电力系统发生故障或振荡时，它能自动记录整个故障过程中各种电气量的变化。近几年，随着电力系统自动化水平的提高，特别是光电式互感器、智能化开关等二次设备的发展，对发电机，电力电缆，断路器等一次运行设备在线状态检测技术日趋成熟。结合当前成熟的高速以太网在实时系统中的开发应用，变电站中的数据监控已可以网络化。在IEC61850协议的框架下，可以通过订阅的方式实现全站数据对象的自由记录。数字化变电站技术越来越受到人们的重视。

智能电网是大电网发展的必然趋势，数字化变电站是智能电网的重要组成部分。伴随着数字化变电站的大力发展，需要对传统故障录波器进行改进以适应数字化变电站的需要。 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录波器提供建模基础。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，包括前端的协议转换器部分以及后端的故障判断与录波设备两部分。协议转换器采用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。

变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范（MMS）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备（IED,测控单元和继电保护）均采用统一的协议，通过网络进行信息交换。

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