張文，陳強林，徐東坡，李?，?/p>

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

基于ARM架構(gòu)的就地化保護裝置研究和應(yīng)用

張文，陳強林，徐東坡，李?，?/p>

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

智能變電站就地化試點建設(shè)要求規(guī)范裝置對外接口，通過一體化設(shè)計，將多個板卡的功能集成到單個芯片，實現(xiàn)繼電保護裝置的小型化，這就對處理器的運行速度、數(shù)據(jù)處理能力和功耗提出了更高的要求。而基于ARM架構(gòu)的處理器芯片，功耗低、運行速度快，能夠滿足就地化相關(guān)裝置的設(shè)計要求。介紹了基于ARM芯片實現(xiàn)就地化繼電保護裝置的設(shè)計及應(yīng)用，描述了面向IEC 61850的對象建模方式，開發(fā)了1套仿真測試系統(tǒng)，對就地化裝置的相關(guān)功能和性能進行了測試驗證。

智能變電站；就地化；ARM；測試系統(tǒng)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對二次設(shè)備通信數(shù)據(jù)的處理能力要求越來越高，采用單一芯片作為主處理器的繼電保護裝置已經(jīng)無法滿足當(dāng)前需求。因此就地化裝置采用ARM+FPGA協(xié)同工作模式進行設(shè)計，ARM芯片雙核主頻為800 MHz，F(xiàn)PGA負責(zé)GOOSE和SV等前端數(shù)據(jù)的并行處理。

本文以1種處理器為例，介紹基于ARM的就地化保護裝置設(shè)計方法及其功能實現(xiàn)。對比智能變電站建設(shè)過程中暴露的問題[1-4]，采用就地化設(shè)計的繼電保護二次設(shè)備有如下特點。

(1)回路簡單，接口形式統(tǒng)一。規(guī)范化的對外接口，采用航空插頭的方式簡化運維檢修，減少調(diào)試及檢修復(fù)雜性，降低誤碰、誤接線可能性。

(2)配置簡單。簡化智能變電站配置，實現(xiàn)了少配置甚至免配置。減少間隔保護虛回路設(shè)計，簡化全站配置(SCD)及管控難度。

(3)檢修維護方便。采用工廠化調(diào)試、更換式檢修，能夠減少停電時間，提升工作質(zhì)量和效率。

1 硬件設(shè)計

繼電保護裝置小型化，使用的處理器由單核芯片更換為雙核+FPGA協(xié)作，最主要的技術(shù)難點是硬件回路的修改和保護程序的移植及協(xié)同運行的可靠性。裝置整體設(shè)計框圖如圖1所示。對于電力系統(tǒng)的繼電保護裝置，保護程序和原理基本沒有變化，重點是保證處理器更換后繼電保護裝置的穩(wěn)定性。首先，對CPU、FPGA控制、RAM和FLASH存儲等硬件進行重新設(shè)計，其他部分根據(jù)功能需要進行調(diào)整。其次，對于裝置的boot引導(dǎo)程序，根據(jù)功能需要進行必要的初始化設(shè)置。最后，使用原有的成熟操作系統(tǒng)，可以充分利用嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性對程序進行移植，從而保證程序的完整性和穩(wěn)定性。

圖1 設(shè)計框圖

根據(jù)整體框圖的設(shè)計，該裝置繼承了繼電保護裝置的所有功能，包括模擬量A/D 轉(zhuǎn)換、網(wǎng)口擴展、保護算法運算和邏輯判斷以及與裝置外部的通信等功能，當(dāng)需要更多功能時，可以根據(jù)需要通過擴展口對開入、開出、以太網(wǎng)等功能進行擴展。

2 BootLoader引導(dǎo)

在完成硬件檢測和資源分配后，將FLASH中的引導(dǎo)程序讀到系統(tǒng)的RAM中，然后將控制權(quán)交給引導(dǎo)程序。BootLoader的主要任務(wù)就是將內(nèi)核映象從FLASH上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點運行，從而開始啟動嵌入式操作系統(tǒng)。

在進行開發(fā)時，分兩級進行引導(dǎo)，一級引導(dǎo)程序主要用于初始化目標板硬件，二級引導(dǎo)程序主要用于引導(dǎo)用戶應(yīng)用程序。

2.1 一級引導(dǎo)的移植

進行一級引導(dǎo)程序U-Boot.bin開發(fā)時，一般采用移植的方式。建立編譯環(huán)境，設(shè)置環(huán)境變量，根據(jù)所選硬件的特點進行必要的修改，如主處理器的主頻率、FPGA、FLASH、時鐘和以太網(wǎng)等的初始參數(shù)。設(shè)置完成后即可進行編譯和調(diào)試。

2.2 二級引導(dǎo)的設(shè)計

二級引導(dǎo)程序主要完成以下任務(wù)。

(1)引導(dǎo)加載程序。包括固化在固件中的boot代碼和引導(dǎo)2大部分。

(2)初始化操作系統(tǒng)內(nèi)核。主要設(shè)置特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動參數(shù)。

(3)文件系統(tǒng)管理。包括根文件系統(tǒng)和建立于Flash 內(nèi)存設(shè)備之上文件系統(tǒng)。

(4)引導(dǎo)用戶應(yīng)用程序。

二級引導(dǎo)程序設(shè)計時，需要修改的是嵌入式操作系統(tǒng)中板級初始化函數(shù)INT_Initialize，其主要通過匯編語言編寫實現(xiàn)。INT_Initialize在嵌入式操作系統(tǒng)中最先運行，在該函數(shù)中設(shè)置處理器參數(shù)、中斷向量表、全局的C數(shù)據(jù)元素、變量和系統(tǒng)堆棧指針等，完成板級初始化。

板級初始化完成后，控制轉(zhuǎn)移到操作系統(tǒng)初始化子程序INC.Initialize，INC.Initialize調(diào)用用戶提供的初始化子程序，從而完成應(yīng)用程序的引導(dǎo)。

3 程序設(shè)計

保護應(yīng)用程序設(shè)計時，采用平臺化開發(fā)，充分利用嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性，將平臺程序移植到處理器中，盡量減少對應(yīng)用程序的影響，從而加快裝置的開發(fā)周期，保證裝置相關(guān)功能的完整性和穩(wěn)定性。

3.1 應(yīng)用程序的初始化

二級引導(dǎo)程序正常引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動后，完成所有應(yīng)用程序的初始化，包括任務(wù)、隊列、信號量、事件集、內(nèi)存和其他嵌入式操作系統(tǒng)對象等。這些初始化均在Application_Initialize中實現(xiàn)。如函數(shù)初始化用例Application_Initialize()：

INT Application_IniApplication( VOID )

{

Input_Initialize()；

Output_Initialize()；

ChangeTaskTimeSlice(HB_PRO,HB_TASK_TIME；

Return；

}

根據(jù)Application_IniApplication函數(shù)中創(chuàng)建的應(yīng)用函數(shù)，即可添加響應(yīng)的應(yīng)用程序及相關(guān)保護邏輯，從而實現(xiàn)保護裝置的各種任務(wù)。

3.2 面向IEC 61850的對象建模

在保護應(yīng)用程序的開發(fā)體系中，均是采用模塊化開發(fā)，裝置底層初始化成功后，進行正確應(yīng)用程序設(shè)計和建模，即可實現(xiàn)繼電保護裝置所需的功能。

保護裝置建模是面向IEC 61850標準進行對象建模。模塊程序主要包括底層程序模塊、保護程序模塊、通信程序模塊和人機接口程序模塊。底層程序模塊主要負責(zé)處理裝置的初始化及裝置的異常自檢；保護程序模塊主要實現(xiàn)繼電保護裝置所需的各種保護功能；通信程序主要實現(xiàn)保護裝置與后臺之間、裝置與裝置之間、裝置與PC之間的通信和信息交互，同時滿足IEC 61850標準的要求；人機接口程序主要實現(xiàn)液晶顯示、按鍵操作等人機交互功能。

3.2.1 數(shù)據(jù)建模

面向IEC 61850標準進行對象建模時，創(chuàng)建公用的數(shù)據(jù)屬性表，包括：裝置公用、保護定值、軟壓板、遙信、動作報告、檢修壓板、遙測、遙控等。如軟壓板狀態(tài)表的數(shù)據(jù)模型為：

typedef struct SJUMP_STRUCT

{

UNSIGNED pro_id;

UNSIGNED inf;

RCHAR name[21];

RCHAR alias[9];

INT iType;

CHAR DO_NAME[65];

INT subEna;

INT subVal;

UNSIGNED subQ;

CHAR subID[65];

UNSIGNED q;

UNSIGNED t_sec;

UNSIGNED t_frac;

UNSIGNED t_qflag;

INT value;

};

數(shù)據(jù)屬性表中包含有IEC 61850標準需要的所有信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)屬性表生成所需要的數(shù)據(jù)集。

3.2.2 LN邏輯節(jié)點建模

根據(jù)每種保護裝置的功能需求，創(chuàng)建滿足國網(wǎng)標準的LN邏輯節(jié)點，如裝置參數(shù)數(shù)據(jù)集名稱為dsParameter，裝置定值數(shù)據(jù)集名稱為dsSetting，常規(guī)交流測量使用MMXU實例，單相測量使用MMXN實例，告警信號用GGIO的Alm上送，普通遙信信號用GGIO的Ind上送等。

故障錄波和故障報告模型主要是通過各個功能模塊的配合實現(xiàn)，首先由保護程序模塊創(chuàng)建所需的保護模型，設(shè)定故障錄波和故障報告類型，然后人機接口程序根據(jù)保護動作后的故障量和動作報告信息，生成符合國網(wǎng)IEC 61850標準要求的COM-TRADE文件，同時COMTRADE文件中包含以hdr，cfg和dat為后綴的文件。

3.2.3 菜單建模

就地化保護裝置相應(yīng)的菜單功能通過IEC 61850方式(建模、通信服務(wù))實現(xiàn)，通過智能管理單元對裝置進行監(jiān)視和控制。通過創(chuàng)建MGR模型對菜單的顯示和操作進行建模，該模型下集成了原有液晶顯示的所有信息和廠家調(diào)試信息，按照標準的MMS服務(wù)協(xié)議與智能管理單元進行通信。

4 測試系統(tǒng)

就地化裝置研發(fā)測試過程中，主要通過結(jié)合不同應(yīng)用測試各個功能模塊的正確性。通過開發(fā)該測試系統(tǒng)，對不同的工程應(yīng)用進行了抽象和建模，針對軟件和硬件提供的功能及邊界進行量化測試，如長時間運行工況模擬、事件記錄的壓力測試、內(nèi)部異常處理和任務(wù)調(diào)度管理等，從而滿足實際工程應(yīng)用中的各種需求。

嵌入式平臺測試系統(tǒng)是結(jié)合實際的軟硬件平臺及早期自動測試的研究成果，針對內(nèi)部通信特點，定制測試用例驅(qū)動，從而驗證基于ARM架構(gòu)研發(fā)的就地化裝置的功能、性能和可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 仿真管理單元

仿真管理單元包括數(shù)據(jù)仿真測試儀的控制、測試用例的生成和測試結(jié)果的生成與查詢等[5-10]。同時還能仿真智能變電站IEC 61850規(guī)約客戶端與嵌入式平臺裝置進行基于IEC 61850標準的MMS通信，對上行和下行命令進行交互和判別。

4.2 仿真虛擬機

仿真虛擬機自主設(shè)計和開發(fā)，用于模擬嵌入式平臺內(nèi)部各個模塊和板卡之間專用通信協(xié)議，如內(nèi)存讀寫、數(shù)據(jù)表通信命令等，提供測試需要的模擬數(shù)字量或模擬量。

4.3 功放及I/O接口

按照標準化設(shè)計，能夠適應(yīng)不同類型的就地化裝置，通過航空插頭直接接入。接口類型豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于ARM的就地化保護裝置設(shè)計及其特點，同時對面向IEC 61850的對象建模進行了描述。其技術(shù)設(shè)計開發(fā)思想和方法對同類系統(tǒng)或類似相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)和測試提供了有益的借鑒。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-05-22；

2017-07-26

TP 399

A

1674-1951(2017)08-0010-03

張文(1984—)，男，安徽阜陽人，工程師，主要從事繼電保護及自動化產(chǎn)品的研發(fā)測試工作(E-mail:electricwen@163.com)。