刘春成1金运昌2熊天禄1黄振1
（1.国网蚌埠供电公司安徽蚌埠233000；2.山东山大电力技术有限公司山大济南250101；）
摘要：设计了适用于智能变电站的便携式报文及录波一体化装置。装置主要包括报文及数据采集子系统，主要由实时报文接收模块、异常报文告警模块、实时流量统计模块、实时压缩处理模块、实时波形提取模块、录波启动判断模块、故障录波模块和稳态录波模块组成；报文及录波数据存储子系统，主要由故障录波及报文数据接收模块、故障录波报文独立存储管理模块、故障录波存储管理模块、稳态录波存储管理模块、远传模块、COMTRADE数据转换模块、故障测距模块、异常报文事件告警模块、定值组管理模块、报文存储管理模块、异常报文独立存储管理模块等组成和故障录波及报文在线分析监视子系统。解决了目前现场缺乏便携式报文解析和故障数值分析工具的问题。
关键词：智能变电站；报文；故障录波；便携
0引言
目前智能电网建设是各国电力行业的热点，我国提出了建设“坚强可靠，经济高效，清洁环保，透明开放，友好互动”[1]的具有中国特色的智能电网。智能化变电站是智能电网的重要组成部分，随着IEC61850标准的推行[2]，智能变电站相关技术日益完善，智能变电站已经进入了大规模实用阶段。在智能变电站中，采用数字传输技术替代了常规变电站中沿用多年的模拟量传输，完成变电站各IED设备之间的实时信息交换，为实现数据共享和设备的互操作性提供了必要的技术基础。在数字传输的技术条件下，传统的故障录波装置已不能满足变电站日常运行、管理的需要，因此采用新的通信分析工具对智能变电站的通信报文（GOOSE、MMS、SMV等）进行分析、记录，即网络报文和录波分析装置[3-5]。目前国内已有多种相关产品。但在二次系统运维检修工作中，目前还缺乏现场便携式报文解析和故障数值分析工具，不利于提高二次系统检测、调试和维护工作效率。
1系统结构
一个完整的便携式报文与录波监测系统包括便携式报文与录波监测装置和运行在PC上的报文在线分析监视子系统。
便携式报文与录波监测系统采用系统化设计，结构图如图1所示，包括报文与数据采集子系统，支持ST，LC和RJ45等多种光电口并支持FT3协议。依赖于基于高性能的64位MIPS64架构的多核多线程网络处理器，可以完成原始报文的采集、分析、压缩以及存储等功能；报文及录波数据存储子系统，基于嵌入式实时Linux内核，接收来自采集子系统的报文数据并完成存储管理，远传，转换测距等功能。故障录波及报文在线分析监视子系统负责对故障录波数据和报文数据的在线监视、在线分析和管理等工作。系统可运行于Windows或Linux图形操作系统平台，基于自主研发的大容量列表管理控件、报文分析引擎、波形分析引擎以及流量监视等模块，实现功能强大的在线监视分析功能。
图1系统结构
2系统各子系统设计
2.1报文及故障录波数据采集子系统
故障录波及报文数据采集子系统框图如图2所示，采集子系统运行的是嵌入式实时内核，是MIPS64内核的CPU专用操作系统，优点是高效、可靠的提供了外设的驱动、定时器管理、中断管理、文件系统、多核同步机制和多线程管理等功能。主要完成接收报文，分类报文，存储报文，异常报文告警，提取实时波形，判断是否启动录波，故障录波，稳态录波，实时对时和实时流量统计等功能。
采集子系统首先通过实时报文接收模块，实时接收网口收到的报文数据，并根据报文类型将收到的报文分为SV报文、GOOSE报文、1588报文、MMS报文和其它报文这五类，然后由实时压缩处理模块分类压缩，压缩算法采用创新性的压缩效率可达3-10倍，压缩速率高达2.5Gbps的LZ77和Huffman编码结合的算法。接收到报文之后，报文告警模块会根据报文类型的不同，分别提取不同报文的主要字段进行异常判断。比如对SV报文进行双AD不一致，采样值突变等、对GOOSE报文进行变位，状态虚变等，对1588报文进行1588时钟进入，1588时钟退出等；对MMS报文进行IP校验错误，TCP校验错误等判断。然后实时波形提取模块再从分类好的SV报文中提取波形。具体方式是每接收到一个报文就提取一次数据，为了确保提取后波形的正确性。需要将SV报文内的采样点号和装置自身时钟相结合的方式进行同步采样。
图3数据管理子系统结构
稳态录波模块会实时记录提取的波形，采样频率最高可达4kHz，然后压缩之后存储。录波启动判断模块将提取出的波形进行计算，并根据DL/T553-2013《电力系统动态记录装置通用技术条件》中的启动条件判断是否启动录波。然后故障录波模块根据启动判断模块的判断结果，来启动故障录波。为了保证数据的完整性，录波数据先实时存储在内部的FLASH上，等录波全部完成后再传给数据存储管理子系统。为了保证报文、录波数据实时性和一致性，还提供了B码和1588等对时方式，将装置时钟和外部时钟源保持一致，精度可达<1us。还可以将装置内部晶振的偏差和漂移记录下来，并校准，以便在失去外部时钟源时保证装置时钟的精度。为了方便用户使用和判断，还会由实时流量统计模块对报文流量进行统计，包括每个网口接收到报文的总包数、总字节数和利用率，按类型（单播、多播和组播）统计的包数，按长度（64、127、255、511、1023和1517）统计的包数；每个MU在1秒内收到总包数、总字节数和占用网口的带宽等。
2.2故障录波及报文数据管理系统
数据管理模块的框图如图3所示。其运行的是嵌入式Linux内核。其主要功能是将从采集系统传来的报文和录波数据进行存储，分析，转换，远传以及定值组管理等功能。
数据存储管理子系统首先通过数据接收模块接收来自采集子系统的录波和报文数据。采用消息+共享内存方式。消息采用实时性很强的硬件消息环的方式。而共享内存的优点是可以防止数据反复复制，大大提高了传输效率和保护硬盘。为了提高效率，不同的消息由不同的线程并行处理。接收之后的数据会分别根据类型和要求进行存储。当采集子系统的故障录波模块判断要启动一次录波后，故障录波存储管理子系统会从报文数据中提取提取故障发生时刻前后的采样值波形数据和开关量波形数据，形成故障录波文件，并对数据进行分析生成简要故障报告和档案。稳态存储管理模块则是在上电之后一直提取波形数据进行存储。为了储存长时间的数据，同样采用压缩的方式进行存储。为了便于对问题和故障进行分析，在发生故障时，会将故障录波数据对应的报文单独进行存储。以便在后期分析问题时，可以将报文和波形数据一起进行分析。采集子系统判断出异常报文后，存储管理子系统也会将异常报文发生之前几秒和之后几秒的报文提取出来单独存储。此外存储管理子系统还分别提供远传，COMTRADE转换和测距功能，远传是为了方便与信息子站等联网，将实时信息和故障信息等传给主站。COMTRADE是IEEE标准的电力系统暂态数据交换通用格式,该标准是一种公用的数据传输格式标准，为不同厂家生产的设备所遵循。将录波数据等转换成标准的COMTRADE格式后可以导出被其他支持这种标准的软件打开进行分析。测距功能是为了方便用户查找故障发生地，提前将相关线路参数和通道配置好并关联起来。到故障发生的时刻，存储管理系统会根据相应的电气量和开关量以及事先配置好的参数根据基于补偿技术的单端测距算法，算出故障发生的地点。测距误差<2%,优于行标的5%。而且还可以实现双端测距。
2.3故障录波及报文在线分析监视子系统
在线分析监视子系统主要负责对存储管理子系统远传上来的录波和报文数据，进行分析、监视和管理等工作。是人机交互的接口，其框图如图3所示。
图4在线分析监视子系统结构
在线分析监视子系统主要可以分为录波分析、报文分析、大容量列表管理以及流量监视。报文装置记录大量的报文数据，报文文件的数量非常大，可能达到几万条甚至几十万条的记录。在报文分析中，几秒钟的SV报文文件中的报文条目数可能达到几万条甚至上百万条。因此在线分析软件必须具备高效的大容量列表管理功能，以解决列表的效率问题。分析软件借鉴虚拟列表的思想，将列表显示内容与列表数据查询有机结合，实现了高效快速的大容量列表显示和检索。在大容量列表管理控件的基础上，根据各种报文和录波列表的特点，实现了SV报文列表、GOOSE报文列表、PTP1588报文列表、MMS报文列表、异常报文列表、故障录波报文列表、故障录波列表、稳态录波列表等。报文分析是在线分析软件的必备功能之一，报文分析引擎以静态库的形式实现，提供给各种类型的报文分析使用。报文分析采用内存池技术，大大提高了报文分析的效率。录波分析是在线分析软件的另一个基础分析功能，录波分析包括模拟量波形的分析、开关量波形的分析、频率波形的分析、功率波形的分析、故障测距等。流量监视功能实现对网口、MU和智能终端的报文流量的监视和记录。
2.4硬件平台及软件平台构成
硬件平台采用64位MIPS64架构高性能四核网络处理器，其中两个核用于数据的实时接收、分析和压缩，一个核用于故障录波，另一个核用于故障录波数据和报文数据的存储和数据远传。通过四核十六线程处理器的协同无缝合作，使故障录波和报文的记录同时完成，确保装置具备了突出的性能和可靠。软件平台采用嵌入式实时内核和嵌入式实时Linux内核，分别负责数据采集子系统和存储管理子系统。
3工程应用实例
目前已完成样机的研制开发以及内部测试工作，主要实现的功能有：
（1）模拟量采集：通过光纤以SV、FT3方式输入；
（2）开关量采集：经过光纤以GOOSE方式输入；
（3）报文分析存储：将不同类型的报文分别压缩存储；
（4）故障录波与报文分析同步进行；
（5）便携式结构：设计了易于携带和移动，且包含多种接口的便携式机箱。
4结论
便携式报文及录波检测装置集报文录波及网络分析于一体，包括SV/GOOSE和FT3等数字量采集和报文的存储与分析。适用于智能变电站，具有很高的适用性和实用性！
参考文献:
[1]梁晓兵，周捷，杨永标，等.基于IEC61850的新型合
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[2]杨永标，丁孝华，黄国方，等.基于IEC61850的数字
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[3]严桂，贾存良，黄文芳.基于嵌入式系统的电力故障
录波器[J].仪表技术与传感器，2008(1)：47-49.
[4]孙淑东.电力系统故障录波器装置使用中的几个问题
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[5]梁军.先进电力故障录波监测系统和精确故障定位研究
（博士学位论文）[D].济南：山东大学，2006.
作者简介：
刘春成，男，工程师，1980年10月生，工程硕士学位，从事继电保护运行与维护工作。
金运昌，男，1979年4月生，学士学位，从事故障录波装置研发与设计工作。