饒 丹

(國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106)

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繼電保護裝置保護元件動態(tài)調(diào)用實現(xiàn)方法

饒 丹

(國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106)

闡述了一種繼電保護裝置保護功能組態(tài)的實現(xiàn)方法和一種保護元件實時調(diào)度的策略。通過上位機組態(tài)軟件和裝置平臺軟件的配合，實現(xiàn)了保護控制裝置功能定制的需求。組態(tài)軟件通過PLC頁面組態(tài)定制保護控制功能邏輯，動態(tài)調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)了裝置預(yù)置元件根據(jù)工程需求動態(tài)的初始化，最終實現(xiàn)一套硬件裝置組態(tài)多種子型號的功能。最后以備自投為例，描述了靈活組態(tài)的實現(xiàn)方法。

動態(tài)調(diào)用；組態(tài)；繼電保護；任務(wù)調(diào)度

繼電保護裝置保護元件組態(tài)的需求在微機保護開始就作為必備功能被提出，由于以前硬件資源和軟件架構(gòu)的限制，廠家都采用保護控制字和壓板方式來控制某些保護功能是否投入使用。這種方式控制力度大，控制方式不夠靈活，并且保護元件雖然通過控制字退出了保護，但是保護元件仍然在裝置上電時在內(nèi)存中創(chuàng)建并初始化，占用了內(nèi)存空間甚至中斷執(zhí)行時間，帶來了一定的安全隱患，但實現(xiàn)方法簡單，便于操作和實現(xiàn)。

這種通過簡單壓板和控制字方式只適用于固定軟硬件型號裝置內(nèi)保護元件的功能投退，隨著繼電保護的發(fā)展，智能變電站的廣泛實施，智能變電站設(shè)備的硬件體系和軟件體系的不斷提升，各種組態(tài)集成的配置工具也隨之出現(xiàn)。國內(nèi)外的一些廠家也開發(fā)一些功能組態(tài)軟件，大部分組態(tài)軟件主要用來組態(tài)輸入輸出、參數(shù)定值。對元件的動態(tài)定值和動態(tài)調(diào)用并沒有詳細(xì)的描述。

1 元件動態(tài)調(diào)度組態(tài)方式

實現(xiàn)保護裝置的元件動態(tài)調(diào)度有編譯型和解釋性2種方式。編譯型是指元件的邏輯組態(tài)在可視化組態(tài)工具中繪制，組態(tài)工具根據(jù)目標(biāo)運行板件的CPU類型，調(diào)用編譯器對圖形進(jìn)行編譯。生成可執(zhí)行文件，下載到目標(biāo)板運行。解釋性是指組態(tài)軟件根據(jù)組態(tài)的邏輯圖，生成解釋型的文件，由目標(biāo)板解析后動態(tài)的實例化元件運行。

1.1 編譯型動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

編譯型動態(tài)調(diào)度是一種基于腳本語言的繼電保護裝置圖形開發(fā)方法。通過自定義的腳本語言，描述了保護測控元件的通用功能模塊。功能塊是一系列有具體含義的圖元。圖元中用腳本語言描述其基本功能。例如差動模塊、過流模塊、濾波算法等基本模塊。通過模塊的邏輯組態(tài)，生成元件的調(diào)用C程序，最后進(jìn)行編譯，生成裝置的運行可執(zhí)行文件。編譯型組態(tài)流程如圖1所示。

圖1 編譯型組態(tài)流程

每一個功能塊具有多個代碼段，每個段都可以進(jìn)行腳本編寫。腳本語言包括了變量定義，控制語句等。組態(tài)工具對腳本語言進(jìn)行詞法和語法分析后，生成C語句，最后根據(jù)工程的頁面組織結(jié)構(gòu)關(guān)系，分別生成C文件，H文件。

1.2 解釋型動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

保護測控裝置中運行的元件是固化的，包括元件實現(xiàn)的功能和元件的調(diào)用順序，要做到靈活的組態(tài)必須滿足2點：能夠靈活配置功能模塊實例化后的調(diào)度鏈表；能夠靈活的定制功能邏輯，定制邏輯是指用戶在圖形界面組態(tài)一套邏輯處理程序，該程序包括了輸入采樣，與或非、觸發(fā)器、延時模塊等一系列簡單邏輯的疊加，組成一套新的邏輯程序，并將這套程序掛載在任務(wù)鏈上執(zhí)行。

裝置解析組態(tài)后的調(diào)度關(guān)系文件，根據(jù)任務(wù)鏈中元件的配置情況，動態(tài)實例化DSP中的元件，并添加到系統(tǒng)的調(diào)度鏈中，達(dá)到元件動態(tài)調(diào)用的目的。其流程如圖2所示。

圖2 解釋型組態(tài)流程

1.3 兩種組態(tài)方式的比較

兩種組態(tài)方式的比較如表1所示。

表1 兩種組態(tài)方式的比較

從圖1可以明顯看到兩種組態(tài)方式的優(yōu)缺點。編譯型的組態(tài)方式在功能塊繪制周期上耗時較長，由于功能塊中需要編寫其邏輯腳本語句，而在編輯程序時開發(fā)效率較高，圖形化的開發(fā)方法簡單直觀，調(diào)試方便，與硬件平臺無關(guān)。因此，針對柔性輸電和備自投控制類為主的裝置研發(fā)采取該開發(fā)方式，效率明顯提高，工程維護也很簡單。

針對保護裝置的開發(fā)，由于其保護邏輯復(fù)雜，很多算法需要手工優(yōu)化，自動生成的代碼往往在代碼執(zhí)行效率上有所不足，所以對于保護裝置的研發(fā)， 基本上采用解釋型組態(tài)的方式。 每個元件的代碼預(yù)先編輯好，可在IDE中開發(fā)，也可在編譯型組態(tài)工具中開發(fā)。編輯好的元件，在功能塊工具中描述其輸入輸出和參數(shù)。在組態(tài)工具中，組態(tài)其輸入輸出和參數(shù)的配置信息，并組態(tài)元件是否激活以及調(diào)度鏈表結(jié)構(gòu)。生成配置文件以及調(diào)度文件下載到裝置中運行。這種組態(tài)方式滿足了保護裝置工程維護的靈活性和安全性，也滿足了海外用戶的組態(tài)邏輯需求。

2 編譯型組態(tài)的實現(xiàn)方法

2.1 任務(wù)調(diào)度策略

裝置中的任務(wù)等級設(shè)定為4級，各元件依據(jù)其實時性要求掛在對應(yīng)的任務(wù)等級中。

每一個任務(wù)等級的中斷時間是一個可配置的參數(shù)，掛載在某一個任務(wù)等級的鏈表按照從左往右的順序有序的調(diào)用。任務(wù)鏈表中一個procblock可以嵌套元件也可以是普通元件。嵌套元件是指該元件可包含若干個子元件，子元件也可以是嵌套元件。嵌套層次無限制。嵌套元件中包括的子元件的調(diào)用順序需要在任務(wù)鏈表中定義。子元件可以進(jìn)行簡單的順序配置，同時也可以進(jìn)行分時調(diào)度配置。

分時調(diào)度是在某一個周期的任務(wù)中斷中，由于各執(zhí)行模塊的執(zhí)行時間要求的不同，多個周期到達(dá)時才觸發(fā)執(zhí)行。尤其是在某一個中斷周期內(nèi)，不能同時執(zhí)行完成所有的執(zhí)行單元，需要將這些執(zhí)行單元進(jìn)行在周期內(nèi)進(jìn)行拆分。分時功能塊也是一個可配置的功能塊，主level級別、每個procblock的調(diào)度周期，以及在周期內(nèi)的序號都可單獨配置。

2.2 PLC元件組態(tài)

PLC元件是由一系列通用的邏輯門與、或、非、異或、延時、脈沖等基礎(chǔ)模塊通過邏輯組態(tài)搭建定制的邏輯功能，滿足工程現(xiàn)場的實際需求。PlC元件組態(tài)成一套完成的邏輯功能后，該邏輯功能需要下載到裝置中按邏輯有序執(zhí)行，這是組態(tài)功能的另一個關(guān)鍵技術(shù)。

PlC定制的邏輯能夠作為一個整體元件掛載在某個任務(wù)鏈上，但裝置無法實例化該PLC元件，因為它并不以一個元件類的實體存在裝置的元件庫中。在生成的調(diào)度元件中，組態(tài)軟件根據(jù)PlC頁面中基礎(chǔ)元件進(jìn)行有序的拆解，按照拓?fù)漤樞虿迦氲絇lC對應(yīng)的調(diào)度鏈表中。

2.3 裝置動態(tài)調(diào)度

(1)DSP程序初始化時，關(guān)閉任務(wù)中斷，裝載組態(tài)二進(jìn)制文件。

(2)解析后按照任務(wù)調(diào)度鏈表的先后順序?qū)?yīng)用模塊初始化并使應(yīng)用模塊構(gòu)造函數(shù)向系統(tǒng)程序注冊，系統(tǒng)程序?qū)⑺袘?yīng)用模塊按注冊順序?qū)⒏魅蝿?wù)函數(shù)按任務(wù)等級進(jìn)行管理；運行時，系統(tǒng)程序?qū)⒏鲬?yīng)用模塊按任務(wù)等級依次進(jìn)行調(diào)用，并確保任務(wù)優(yōu)先級及執(zhí)行的先后順序。

(3)注冊完成后，開啟任務(wù)中斷。應(yīng)用模塊按照上位機組態(tài)的保護功能和調(diào)用順序運行，從而實現(xiàn)繼電保護裝置保護元件動態(tài)調(diào)用。

2.4 組態(tài)接口文件

組態(tài)軟件組態(tài)完成后針對應(yīng)用模塊的調(diào)度生成2個文件，一個是可讀的xml文件，一個是提供給dsp執(zhí)行的二進(jìn)制文件。二進(jìn)制文件是一段內(nèi)存數(shù)據(jù)流。dsp可直接復(fù)制這段數(shù)據(jù)至dsp的調(diào)度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中,節(jié)省上電解析文件的時間，提高上電效率。

xml文件描述了每個元件的初始化函數(shù)、構(gòu)造函數(shù)的函數(shù)名稱，以及每個元件實例化后掛載在任務(wù)列表的順序，circle表示中斷周期，circleNo表示中斷周期中響應(yīng)的序號。

二進(jìn)制文件描述的與xml文件的內(nèi)容類似，是這些數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)體的序號化導(dǎo)出，dsp解析程序不需要解析，可直接導(dǎo)入內(nèi)存直接使用。

2.5 裝置動態(tài)調(diào)度流程

2.5.1 預(yù)編譯各功能塊的函數(shù)地址

DSP程序啟動后，根據(jù)由上位機下載的調(diào)度文件獲取調(diào)度的元件名稱，根據(jù)元件的名稱，需要關(guān)聯(lián)元件對應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)、初始化函數(shù)的函數(shù)地址，并調(diào)用函數(shù)。這些元件各函數(shù)的地址信息由編譯器分配，組態(tài)工具無法獲取這些地址信息，而DSP可通過一個索引文件參與DSP元件庫的編譯，獲取這些元件的各函數(shù)地址信息。

元件的構(gòu)造函數(shù)和初始化函數(shù)通過編寫函數(shù)索引表的C文件，參數(shù)元件庫的編譯過程，自動在索引表中獲取到函數(shù)的地址。

編譯后，編譯器自動將函數(shù)地址寫入到數(shù)組中，DSP啟動后根據(jù)函數(shù)名稱在數(shù)組中獲取地址并調(diào)用，最終達(dá)到動態(tài)調(diào)度的目的。

2.5.2 備自投實現(xiàn)

由于備自投具有多種運行方式，主接線方式和動作方式都多樣化，備自投設(shè)備是一種基于時序控制的邏輯，不同的備自投方式過程條件差異很大，備自投的程序隨著不同的工程現(xiàn)場程序差異也較大。

結(jié)合上述的組態(tài)方式，通過PLC和元件的動態(tài)調(diào)用，實現(xiàn)了備自投設(shè)備的靈活組態(tài)，不同的工程現(xiàn)場，只需要工程人員修改相對于的PLC頁面，下載腳本文件，即可滿足工程現(xiàn)場的需求，節(jié)省了現(xiàn)場開發(fā)的成本，提高了維護和開發(fā)效率和質(zhì)量。組建進(jìn)線自投方式邏輯，可以實現(xiàn)備自投基本的失壓動作邏輯。通過組態(tài)軟件的靈活組態(tài)，完成了備自投的全部邏輯繪制，實現(xiàn)了備自投邏輯的靈活組態(tài)功能。

3 結(jié)語

本文重點介紹了一種繼電保護元件的動態(tài)調(diào)用靈活組態(tài)的方法，介紹了2種實現(xiàn)元件動態(tài)調(diào)用的實現(xiàn)方法,并比較了兩種方法的優(yōu)缺點。以解釋性為重點，闡述了PLC元件的邏輯搭建，以及元件的動態(tài)調(diào)度實現(xiàn)方法。最后以備自投設(shè)備為例，舉例說明了該組態(tài)方式的靈活運用情況。

該組態(tài)工具在國電南瑞科技股份有限公司已經(jīng)廣泛應(yīng)用，備自投設(shè)備主要運用在國內(nèi)工程中，海外項目的保護測控裝置主要通過該工具進(jìn)行元件的動態(tài)擴展和調(diào)用。在后續(xù)工作中，需要將編譯型和解釋性型整合在一體，根據(jù)用戶的屬性設(shè)置權(quán)限，能夠方便靈活的運用在繼電保護裝置的開發(fā)和維護工作中。

[1] 陳宏君. 新一代保護測控裝置配套工具軟件設(shè)計與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(20): 92-96.

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(本文編輯：趙艷粉)

Dynamic Invocation Realization for Relay Protection Device Components

RAO Dan

(State Grid NARI Technology Development Co.,Ltd., Nanjing 211106, China)

This paper expounds the realization methods for relay protection device function configuration and the real-time scheduling strategy for protective components. The cooperation between upper unit configuration software and equipment platform software helps realize the demand for customized protection control device functions. Configuration software customizes protection control function logic through the PLC configuration page; dynamic scheduling technology helps achieve the initialization of device preset components according to the engineering dynamic requirements. Then a hardware device configured with various sub-models. Finally the spare automatic switch exemplified the realization of flexible configuration.

dynamic invocation; configuration; relay protection; task scheduling

10.11973/dlyny201506003

饒 丹(1978)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

TM774

B

2095-1256(2015)06-0758-04

2015-08-27