嵌入式以太网的变电站间隔层保护系统研究

摘要：结合IEC 61850标准和国内电力系统发展现状，针对数字化变电站过渡方案中的间隔层保护系统进行硬件及软件设计。详细分析了装置功能的划分、实时任务优先级设计及任务间通信的实现。实践表明该设计系统能够满足间隔层保护装置的性能要求。
关键词：IEC61850；间隔层保护；PowerPC 8247；实时任务；任务间通信

引言
    IEC 61850标准为数字化变电站奠定了标准化基础，变电站自动化系统最主要的功能是实现装置的自我保护。国内探索应用IEC 61850时却并没有首先从保护装置入手，主要是考虑到保护功能的复杂性、多样性以及配置的灵活性，使得对完全符合IEC 61850的保护功能的建模具有一定的难度。
    标准的互操作及功能自由分布特性要求变电站自动化系统中的不同智能电子设备(IED)间能更灵活地协同。本文在深入研究IEC 61850标准对保护功能建模的基础上，针对国内保护装置发展和应用的现状，提出一种适合国内电网结构及运行方式的数字化变电站过渡方案，并给出了基于该方案的间隔层保护系统设计方法。

1 数字化变电站过渡方案
    就目前而言，采用智能化的一次设备(如电子式互感器及智能化开关等)、网络化的二次设备，以及符合IEC61850通信规范、自动化的运行管理系统，是数字化变电站主要技术特征。图1为数字化变电站系统结构。

    鉴于我国对IEC 61850标准的研究和实践还处于探索阶段，国内电子式互感器技术的成熟度尚待考核，变电站过程层和间隔层的IEC 61850实现应分步骤渐进实施。针对该情况，提出一种现阶段的数字化变电站系统过渡方案，如图2所示。

    该方案中的过程层一方面采用ECT／EPT和智能开关，模拟量采集和开关量控制实现完全数字化，完成电力运行的实时电气量检测、运行设备状态参数在线监测与统计、操作控制的执行与驱动；另一方面也支持传统一次设备下硬接线模式，采用连接导线接入常规互感器和开关。合并单元汇总本间隔的实时数据信息并以多播方式经由过程总线传送间隔层保护装置，使间隔层实现对一次没备的保护控制功能，对数据采集、统计运算及控制命令的发出进行优先级控制，另外也可在传统模式下通过采样板获得常规互感器和开关的数据。变电站层采用符合IEC61850标准的数字化变电站站控层系统，为分布式系统设计。考虑到61850装置的网络接入能力，后台采用C／S模式，工作站需从主服务器取数据。
    该方案在传统变电站两层结构的基础上实现了间隔层和变电站层的数字化。传统保护装置中的数据采集部分包括模拟量(电流、电压)数据转化，开入量(如断路器位置、隔离刀闸辅助接点)读取等，但要采用数据映射的方式接入：A／D转换模块映射成IEC 61850过程层数字式传感器的一部分；开关量输出模块映射成IEC 61850过程层数字式执行器的一部分；开关量输入模块映射成IEC 61850过程层数字式断路器的一部分；完成滤波、计算、逻辑和控制功能的主控模块映射成IEC 61850间隔层的保护控制设备。
    采取这种映射方式，保护装置可以在接收通道模拟量的同时直接接收数字量。也就是说，装置可以很好地实现IEC 61850系统中过程层和间隔层功能，也可以兼顾现有的系统，从而实现了常规设备和基于IEC 61850的二次设备之间良好的并存和过渡。
[!--empirenews.page--]
2 间隔层保护装置的硬件设计
2．1 硬件结构
    考虑到以上映射方式，间隔层保护装置应由模拟量输入模块、开关量输入模块、开关量输出模块、主控制器、液晶显示、电源模块等多块板卡组成。各个模块以插件的形式安装在主板上，可以根据用户的需求自由增减。其硬件结构示意图如图3所示。

    根据硬件结构图，PowerPC平台分别和上位机、FPGA的双口RAM和ARM7彩色液晶等有通信连接以及数据交互。
2．2 硬件功能
    主控板选用了PowerPC 8247处理器，利用其强大的运算处理能力，在VxWorks平台上实现了配置信息的解析、数据映射、平台保护、数据通信等功能。外接SST39VF040的BIOS芯片，用于存储Bootrom程序。32 MB的Flash／ROM用于存储Vxworks程序、驱动程序、配置文件信息、存储数据等。32 MB×4的RAM用于存储系统及应用运行程序，实时涮用配置信息、实时数据等。100M全双工以太网口用于实时通信，RS232用于连接打印机，RS485用于连接液晶显示板。

3 保护装置执行平台软件设计
    传统的继电保护一般采用单片机线性程序，即前后台系统开发方式。应用程序由后台运行，一般是一个无限循环，循环中调用相应的甬数(或子程序)完成相应的操作(称为后台行为或任务级)，用中断来处理随机事件(称为前台行为或中断级)。在实际应用中，各种前台行为的执行频率是不一致的，如输入采样频率可能要求很高，而键盘扫描则要少得多，在系统复杂的情况下就可能导致某些任务得不到及时执行。另外，程序一旦建立，各种前台行为的执行即已固定。如需在运行时动态地改变执行结构，程序则需要另外添加很多条件判断或分支转移，增加了程序的复杂性、可读性以及维护难度。所以在设计符合IEC 61850的保护软件时，必须引入嵌入式实时操作系统(RTOS)。
    本文采用的RTOS为VxWorks操作系统，它具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，因其良好的可靠性和卓越的实时性而被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。和其他操作系统相比，VxWorks的健壮性、实时性、组件的丰富性无疑十分适合本项目的开发，应用实践也证明了这一点。本节介绍基于VxWorks的保护装置系统平台设计。
3．1 系统模块划分
    PowerPC软件模块结构如图4所示。

[!--empirenews.page--]
    底层驱动模块：实现CAN总线、RS232、以太网的驱动。接口调用收发数据。
    设备自检模块：检测装置的插入板、开关量板和模拟量板是否插入，由FPGA检测后按双口RAM的第一个字判断，低8位表示开关量板，高8位表示模拟量板。
    配置信息下载及存储分区：将存储空间合理分区，接收和存储不同的配置信息以及转发配置信息(界面ARM7)。分配存储数据(定值、事件、录波)的存储地址空间(Flash)。
    配置信息的解析模块：创建所有的配置信息实体，读取相应配置信息(来自配置文件)为应用程序提供实时调用接口。
    数据映射模块：根据数据映射信息将配置信息和实际运行数据联系起来，形成完整的数据信息结构，供应用程序实时调用。映射存储数据(定值、事件、录波)的存储地址(Flash)。数据映射模块中包含了众多的消息队列(使用VxWorks管理消息队列)，从而实现了保护逻辑和其他通信平台的交互。
    配置信息解析模块：将所有接收到的配置信息分类存储，并将需要的配置信息传送给各个芯片。
    保护逻辑平台：包括模拟量的采集、保护配置的解析、保护元件的运行、开关量逻辑、录波模块、事件产生模块等。
    61850和MMS通信模块：运行61850服务，解析节点的配置信息，按映射标准返回映射数据以及配置信息。
    通信协议封装模块：运行通信协议程序(除61850通信之外的协议，如公司协议)，根据不同物理连接和驱动对外连接通信。
    根据系统结构和模块层次，可以看出保护系统具有如下功能：数据采集功能、网络通信功能、保护平台功能、保护动作功能、录波功能、调试功能、人机接口功能、计量功能和自检功能。
3．2 实时任务优先级设计
    根据装置功能设计了系统实时任务，其中有控制逻辑任务、保护逻辑任务、通信任务、数据采集任务、打印任务等。
    控制逻辑任务tControlLogic是保护装置的最终目的，负责根据监控结果作出保护动作。一旦被触发，将立即执行，直接发出信号或跳合断路器。因此给它分配最高应用任务优先级100。它有3种触发方式：保护逻辑任务发出的信号量、通信命令或键盘操作。
    保护逻辑任务tProtectLogic是保护装置的基本功能，也是控制逻辑的触发源之一，占据第二优先级105。它由数据采集任务触发，随后进行一次计算判断过程，并依据判断结果对开关量输出和显示等其他任务发出触发信号量。
    通信是微机保护装置十分重要的任务，对于无人值守变电站，它是监控人员获取电网运行信息的唯一途径。根据其重要性和对实时性的要求，应设为较高优先级以保证其响应速度。VxWorks提供标准网络套接字(socket)接口，网络编程十分方便。在深入理解规约通信流程的基础上，设计了两个任务进行通信管理：tServe(优先级为110)负责侦听(listen)、接受(accept)、维护socket连接，对通信状态进行实时监控，保证远方通信的可靠性；tProcess(优先级为111)负责接收、解析、处理、回复报文，根据命令条目进行相应操作，实现遥测、遥信、遥控、遥调、定值召唤、故障录波召唤等功能。
    数据采集映射的实时性是保护及时动作的保障，因此也必须具备较高的优先级。创建任务tDataMap(优先级为112)从双口RAM中采集数据并结合配置信息进行数据映射，完成数据的分类识别、转存、释放信号量、启动其他任务等工作。
    人机交互任务tHMInteraction的优先级次于通信任务和数据采集映射任务，定为120。它有3种触发源：当保护动作时，由保护任务触发而弹出动作信息；键盘操作触发，查看和修改装置参数；定时触发，每隔一个固定时间执行一次。
    故障录波功能要求录波可靠、不遗漏、不错录，对于实时性要求并不高，定义其优先级为140，比大部分任务的优先级都低。数据采集任务获得实时值后将报文转存故障录波任务tRccord缓冲区，同时释放信号量启动该任务，tRcord任务采用突变量等判据决定是否启动录波。故障录波任务初始化时需要建立较大的循环缓冲区用于存放实时数据。应根据系统内存的使用情况适当配置该缓冲区的大小。波形文件以COMTR ADE格式保存于本地Flash文件系统中，空闲时供后台召取。
    自检是微机保护装置的必备功能，CPU空闲时应该循环检测装置各部分是否运行正常。实际上，装置很多功能都需要循环执行，如看门狗维护、电表读取、装置对时等。所以创建一个循环执行任务，由它发起自检任务，自检完成后自动结束。
    打印任务优先级最低，当需要打印时由键盘触发。
    其他部分功能执行时间很短，不影响任务运行，故以函数调用形式完成，无需创建任务执行。
3．3 任务间通信
    各个任务间的通信主要发生在保护平台任务和61850服务、生产设备公司的协议、打印任务间；配置信息接收任务相对于其他任务独立，没有需要交互的数据。任务间的通信和数据交互有2种途径；共享数据区和消息队列。
3．3．1 共享数据区
    根据不同的数据类型划分各自的共享数据区，例如模拟量数据区、开关量数据区、矢量数据区等。每个共享数据区都分为采集区、GOO SE数据区、61850 9-1数据区、61850 9-2数据区4个部分。
    保护平台向采集区存储该装置采集到的模拟或开关型数据信息。从GOOSE数据区、61850 9-1数据区、61850 9-2数据区获取其他装置传来的数据信息。
    GOOSE通信模块将采集区的信息通过GOOSE协议传送给其他装置，将接收到的GOOSE数据存储到GOOSE区。
    61850 9-1通信模块将采集区的信息通过61850 9-1协议传送给其他装置，将接收到的9-1类型数据存储到61850 9-1区。
    61850 9-2通信模块将采集区的信息通过61850 9-2协议传送给其他网络，将接收到的9-2类型数据存储到61850 9-2区。
3．3．2 消息队列
    根据任务问的通信要求，共定义了4个消息队列：事件队列、录波队列、操作队列、打印队列。事件队列和录波队列是保护平台向队列中发送消息，61850服务、设备公司协议则从此类队列中获取消息；控制队列的数据流向则相反，61850服务、设备公司协议向队列中发送消息，保护平台则从队列中获取消息；打印队列是保护平台和公司协议向队列中发送消息，打印任务则从队列中获取消息。

结语
    智能电网的提出必然要促进数字化变电站的快速发展和实现，在这个过程中，IEC 61850标准将在变电站的各个层面逐步全面实现。本文中高可靠、高稳定、强实时性的良好的软件设计和符合国内发展现状的硬件设计，为传统变电站与数字化变电站之间的顺利过渡，推进产品编程开发手段的灵活性、标准化，以及提高产品互换性提供了一种解决方案。经过实际测试，装置产品满足运行要求，且在进一步测试和优化后记投入市场。