摘要：結合IEC 61850標準和國內電力系統(tǒng)發(fā)展現狀，針對數字化變電站過渡方案中的間隔層保護系統(tǒng)進行硬件及軟件設計。詳細分析了裝置功能的劃分、實時任務優(yōu)先級設計及任務間通信的實現。實踐表明該設計系統(tǒng)能夠滿足間隔層保護裝置的性能要求。
關鍵詞：IEC61850；間隔層保護；PowerPC 8247；實時任務；任務間通信

引言
    IEC 61850標準為數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裝置的自我保護。國內探索應用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。
    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，針對國內保護裝置發(fā)展和應用的現狀，提出一種適合國內電網結構及運行方式的數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)、網絡化的二次設備，以及符合IEC61850通信規(guī)范、自動化的運行管理系統(tǒng)，是數字化變電站主要技術特征。圖1為數字化變電站系統(tǒng)結構。

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

    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完全數字化，完成電力運行的實時電氣量檢測、運行設備狀態(tài)參數在線監(jiān)測與統(tǒng)計、操作控制的執(zhí)行與驅動；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據信息并以多播方式經由過程總線傳送間隔層保護裝置，使間隔層實現對一次沒備的保護控制功能，對數據采集、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)互感器和開關的數據。變電站層采用符合IEC61850標準的數字化變電站站控層系統(tǒng)，為分布式系統(tǒng)設計?？紤]到61850裝置的網絡接入能力，后臺采用C／S模式，工作站需從主服務器取數據。
    該方案在傳統(tǒng)變電站兩層結構的基礎上實現了間隔層和變電站層的數字化。傳統(tǒng)保護裝置中的數據采集部分包括模擬量(電流、電壓)數據轉化，開入量(如斷路器位置、隔離刀閘輔助接點)讀取等，但要采用數據映射的方式接入：A／D轉換模塊映射成IEC 61850過程層數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。
    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字量。也就是說，裝置可以很好地實現IEC 61850系統(tǒng)中過程層和間隔層功能，也可以兼顧現有的系統(tǒng)，從而實現了常規(guī)設備和基于IEC 61850的二次設備之間良好的并存和過渡。
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2 間隔層保護裝置的硬件設計
2．1 硬件結構
    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，可以根據用戶的需求自由增減。其硬件結構示意圖如圖3所示。

    根據硬件結構圖，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據交互。
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平臺上實現了配置信息的解析、數據映射、平臺保護、數據通信等功能。外接SST39VF040的BIOS芯片，用于存儲Bootrom程序。32 MB的Flash／ROM用于存儲Vxworks程序、驅動程序、配置文件信息、存儲數據等。32 MB×4的RAM用于存儲系統(tǒng)及應用運行程序，實時涮用配置信息、實時數據等。100M全雙工以太網口用于實時通信，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)中調用相應的甬數(或子程序)完成相應的操作(稱為后臺行為或任務級)，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)行結構，程序則需要另外添加很多條件判斷或分支轉移，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)。
    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軟件模塊結構如圖4所示。

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    底層驅動模塊：實現CAN總線、RS232、以太網的驅動。接口調用收發(fā)數據。
    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發(fā)配置信息(界面ARM7)。分配存儲數據(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用接口。
    數據映射模塊：根據數據映射信息將配置信息和實際運行數據聯系起來，形成完整的數據信息結構，供應用程序實時調用。映射存儲數據(定值、事件、錄波)的存儲地址(Flash)。數據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據以及配置信息。
    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)，根據不同物理連接和驅動對外連接通信。
    根據系統(tǒng)結構和模塊層次，可以看出保護系統(tǒng)具有如下功能：數據采集功能、網絡通信功能、保護平臺功能、保護動作功能、錄波功能、調試功能、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、數據采集任務、打印任務等。
    控制邏輯任務tControlLogic是保護裝置的最終目的，負責根據監(jiān)控結果作出保護動作。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，占據第二優(yōu)先級105。它由數據采集任務觸發(fā)，隨后進行一次計算判斷過程，并依據判斷結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)控人員獲取電網運行信息的唯一途徑。根據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提供標準網絡套接字(socket)接口，網絡編程十分方便。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(listen)、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，根據命令條目進行相應操作，實現遙測、遙信、遙控、遙調、定值召喚、故障錄波召喚等功能。
    數據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中采集數據并結合配置信息進行數據映射，完成數據的分類識別、轉存、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據采集映射任務，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；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。數據采集任務獲得實時值后將報文轉存故障錄波任務tRccord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)用于存放實時數據。應根據系統(tǒng)內存的使用情況適當配置該緩沖區(qū)的大小。波形文件以COMTR ADE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，故以函數調用形式完成，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，沒有需要交互的數據。任務間的通信和數據交互有2種途徑；共享數據區(qū)和消息隊列。
3．3．1 共享數據區(qū)
    根據不同的數據類型劃分各自的共享數據區(qū)，例如模擬量數據區(qū)、開關量數據區(qū)、矢量數據區(qū)等。每個共享數據區(qū)都分為采集區(qū)、GOO SE數據區(qū)、61850 9-1數據區(qū)、61850 9-2數據區(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據信息。從GOOSE數據區(qū)、61850 9-1數據區(qū)、61850 9-2數據區(qū)獲取其他裝置傳來的數據信息。
    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數據存儲到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類型數據存儲到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)議傳送給其他網絡，將接收到的9-2類型數據存儲到61850 9-2區(qū)。
3．3．2 消息隊列
    根據任務問的通信要求，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；控制隊列的數據流向則相反，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。

結語
    智能電網的提出必然要促進數字化變電站的快速發(fā)展和實現，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。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發(fā)展現狀的硬件設計，為傳統(tǒng)變電站與數字化變電站之間的順利過渡，推進產品編程開發(fā)手段的靈活性、標準化，以及提高產品互換性提供了一種解決方案。經過實際測試，裝置產品滿足運行要求，且在進一步測試和優(yōu)化后記投入市場。