電力系統(tǒng)故障錄波器是研究現代電網的基礎，也是評價繼電保護動作行為及分析設備故障性質和原因的重要依據。在傳統(tǒng)變電站中，錄波所采用的方法是將需要采樣的各個節(jié)點通過硬電纜集中的連接到專用的采集板上，采集板對電流電壓值以及開關量進行A/D轉換，再由后臺的錄波設備進行分析與存儲。

　　當前，變電站的發(fā)展正處于傳統(tǒng)變電站向數字化變電站的過渡階段，甚至有的變電站運行于傳統(tǒng)站與數字站的混和狀態(tài)。對于錄波器制造公司來說，由于傳統(tǒng)站和數字站同時有錄波需求，需要同時有可用于傳統(tǒng)站和數字站的兩種設備，如果單獨設計兩種獨立的錄波器，將大大增加產品設計、生產和維護成本。兼容傳統(tǒng)站與數字站的錄波器正是為了滿足這一需求而設計。

　　1 總體結構

　　1.1 變電站的結構

　　數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絡化的二次設備;而在邏輯結構上可分為3個層次，根據IEC61850協議定義，分別為過程層、間隔層、站控層(或變電站層)。各層內部及各層之間采用高速網絡通信，整個系統(tǒng)的通信網絡可以分為：站控層和間隔層之間的間隔層通信網、以及間隔層和過程層之間的過程層通信網。間隔層在站內按間隔分布式布置，各間隔設備之間相對獨立;間隔層和過程層之間的網絡采用單點向多點的單向傳輸光纖以太網，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

　　數字化故障錄波器使用分層的系統(tǒng)設計，包括前端的協議轉換器部分以及后端的故障判斷與錄波設備兩部分。協議轉換器采用PowerPC8 270處理器結構和VxWorks操作系統(tǒng)，其中包括IEC61850協議處理模塊、數據同步模塊、傳統(tǒng)站數據模塊、數據通信模塊和時間同步模塊。如圖2所示。

　　IEC61850模塊負責接收和解析模擬合并單元發(fā)送的IEC61850 9-1報文，提取模擬采樣值數據;以及接收和解析保護控制單元發(fā)送的面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文，提取開關量數據。數據同步模塊根據同步采樣合并策略，實現開關量數據和采樣值數據的同步。數據通信模塊負責與故障判斷與錄波設備進行數據交互。時間同步模塊則負責IEEE1588校時協議的處理和同步本地時鐘。

　　2 VxWorks下的IEC61850報文的接收實現

　　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)點和數據對象，并提供了完整的描述數據對象模型的方法和面向對象的服務,其中的9-1協議和GOOSE協議都采用了不經TCP/IP協議，直接映射到數據鏈路層，即傳輸層和網絡層均空的方式。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下對于網絡協議的處理流程

　　在VxWorks下處理數據鏈路層的報文，需要關注它的網絡協議棧結構。VxWorks網絡協議棧(scalable enhanced network stack，SENS)為可裁減增強網絡協議棧。它與傳統(tǒng)的TCP/IP網絡協議棧相比，最大的特點是在數據鏈路層和網絡協議層之間多了MUX層。當網絡接口驅動向協議層發(fā)送數據時，驅動程序會調用一個MUX層提供的函數將數據轉發(fā)給協議層。MUX的主要目的是把網絡接口驅動層和協議層分開，使得二者彼此保持獨立。在此，為了實現對9-1和GOOSE協議數據鏈路層報文的處理，利用了VxWorks網絡協議棧的MUX接口，如圖3所示。

　　當網卡收到一個報文時，網卡驅動中實現的網卡中斷服務函數將被調用。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，完成任務級別的網絡處理工作。其具體的處理方法根據不同的網絡協議類型有所不同，開發(fā)人員可以通過MUX接口綁定對新的網絡協議處理方法。

　　2.3 IEEE1588精密時鐘同步協議

　　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精密時鐘同步協議(PTP)。它是一種網絡時間同步協議。

　　IEEE1588協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。

　　3 硬件設計

　　前端故障錄波器協議轉換器部分的硬件選擇Freescale MPC8270處理器，其CPU主頻為450 MHz，通信處理器(CPM)主頻300 MHz，并且其自身具有3個快速以太網控制器(FCC)。在該本應用中使用了交換芯片進行擴展。后端的故障判斷與錄波設備采用IntelCore 2雙核E4300 1.8 GHz。

　　4 軟件設計

　　軟件基于VxWorks操作系統(tǒng)，VxWorks具有良好的可靠性，高性能的內核以及很好的實時性。

　　4.1 IEC61850報文處理模塊

　　IEC61850 9-1標準與GOOSE為了保證通信的實時性，都采用了數據鏈路層直接傳輸報文。在此利用VxWorks的MUX層接口實現從數據鏈路層將IEC61850協議數據傳輸給應用層程序。由于在IEC61850協議中規(guī)定幀結構中含有虛擬局域網標記TPID和TCI，在幀經過交換機時可能會被去掉也可能保留。因而在MUX層綁定網絡協議類型處理函數時需要對9-1協議(ethertype 0x88b8)，GOOSE協議(ethertype 0x88ba)，以及虛擬局域網標記(0x8100)都進行綁定，并在后續(xù)的處理中對類型為0x8100的報文特別處理，判斷其真實的協議類型，以免誤判。

　　9-1是一個點對點的協議。在故障錄波器的應用場景中，由于必須監(jiān)控全站的大量線路，前端需要集中器將9-1數據合并，而合并后的數據格式目前并沒有統(tǒng)一的標準。在此對于9-1協議解析進行了模塊化設計，將報文的解析獨立出來，使其很容易增加對其他類型9-1擴展協議的支持。