崔殿彬

(國電南京自動化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

在發(fā)電廠中，發(fā)電機(jī)、變壓器的安全可靠運(yùn)行和事故的正確處理對電廠乃至電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重大作用。發(fā)電機(jī)變壓器組(以下簡稱發(fā)變組)保護(hù)裝置是發(fā)電廠最重要的繼電保護(hù)設(shè)備之一，為適應(yīng)數(shù)字化電廠的發(fā)展趨勢，在保證其可靠性的前提下，提供完善的人機(jī)交互界面以及高速可靠的通信處理能力是十分必要的[1-2]。

繼電保護(hù)裝置的界面及通信功能通常由獨(dú)立的界面&通信管理單元(以下簡稱管理單元)實(shí)現(xiàn)。管理單元作為繼電保護(hù)裝置的重要組成部分，獨(dú)立于裝置的保護(hù)單元，是保護(hù)裝置對外聯(lián)系的橋梁。最近幾年，由于電力系統(tǒng)自動化技術(shù)發(fā)展迅速，對繼電保護(hù)裝置管理單元的要求也在逐步提高，如豐富的人機(jī)界面功能、大量通信數(shù)據(jù)的處理、快速的界面及通信響應(yīng)、長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、安全的文件存儲等[3]。鑒于上述原因，本文結(jié)合發(fā)變組保護(hù)裝置的特點(diǎn)，提出了一種管理單元設(shè)計(jì)方案。

1 功能需求

1.1 管理單元在電力通信系統(tǒng)中的作用

管理單元從整體的角度對保護(hù)裝置進(jìn)行統(tǒng)一管理，對內(nèi)與保護(hù)單元進(jìn)行信息交互，獲得裝置的實(shí)時(shí)保護(hù)數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)信息，對外提供裝置的人機(jī)界面、后臺通信、數(shù)據(jù)打印、裝置對時(shí)等功能。管理單元在電力通信系統(tǒng)中的位置如圖1所示(圖中：DCS為分散控制系統(tǒng)；USB為通用串行總線；DIO為數(shù)字輸入輸出；GPS為全球定位系統(tǒng))。

1.2 功能需求分析

圖1 管理單元在電力通信系統(tǒng)中的位置 Fig.1 Location of the management unit in the power communication system

綜合分析發(fā)變組保護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)結(jié)合發(fā)變組保護(hù)裝置的特點(diǎn)，保護(hù)裝置的管理單元應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能如下。

(1)人機(jī)界面功能。人機(jī)界面提供保護(hù)裝置各種信息的顯示和操作功能，主要包括保護(hù)配置信息顯示、模擬量顯示、開關(guān)量顯示、定值顯示及整定、保護(hù)投退狀態(tài)顯示及投退操作、事件記錄等；輔助功能主要包括通信參數(shù)設(shè)置、密碼修改、保護(hù)版本顯示、保護(hù)單元地址設(shè)置、打印設(shè)置、語言版本切換等。

(2)通信功能。管理單元通過串口或以太網(wǎng)口與電廠的監(jiān)控系統(tǒng)或DCS通信，支持的通信規(guī)約主要包括103規(guī)約、ModBus規(guī)約以及IEC 61850規(guī)約；管理單元與保護(hù)單元之間的內(nèi)部通信可以采用已有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，也可以根據(jù)裝置需求自定義通信規(guī)約。

(3)對時(shí)功能。管理單元同時(shí)支持脈沖對時(shí)與規(guī)約對時(shí)：脈沖對時(shí)包括秒脈沖對時(shí)、分脈沖對時(shí)、IRIG-B碼(有源與無源兩種方式)；規(guī)約對時(shí)包括103規(guī)約對時(shí)、ModBus規(guī)約對時(shí)及簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)對時(shí)。

(4)打印功能。管理單元通過串口驅(qū)動針式打印機(jī)，如EPSON的LQ300-K+、OKI的MICROLINE 1190CS等，打印裝置的定值清單、保護(hù)動作事件及動作參數(shù)、通信參數(shù)、錄波波形等。

(5)錄波數(shù)據(jù)處理功能。管理單元通過與保護(hù)單元通信獲得保護(hù)錄波數(shù)據(jù)，生成標(biāo)準(zhǔn)Comtrade格式的錄波文件并存儲，以實(shí)現(xiàn)波形界面顯示、波形打印、錄波數(shù)據(jù)后臺上傳等錄波相關(guān)功能。

2 軟、硬件平臺

2.1 軟件平臺

現(xiàn)階段，對管理單元的技術(shù)要求包括豐富的界面功能、大量通信數(shù)據(jù)的處理、快速的界面及通信響應(yīng)、長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與其操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)時(shí)性等密不可分。目前，自動化領(lǐng)域比較常見的嵌入式操作系統(tǒng)包括VxWorks，Linux，WinCE，QNX。從管理單元開發(fā)及應(yīng)用的角度考慮，綜合比較各操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、價(jià)格、圖形界面支持等，管理單元的軟件平臺選擇QNX嵌入式操作系統(tǒng)。QNX是一個(gè)微內(nèi)核的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其優(yōu)勢如下。

(1)QNX內(nèi)核大小只有十幾kB，運(yùn)行于獨(dú)立的內(nèi)核空間，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性高；同時(shí)，微內(nèi)核也使其具有高度的裁剪性。

(2)QNX遵循可移植操作系統(tǒng)接口(POSIX)規(guī)范，支持ANSI C，移植性強(qiáng)[4]，在不同目標(biāo)機(jī)之間移植工作量小。

(3)QNX提供基于 Eclipse的QNX集成開發(fā)環(huán)境QNX Momentics IDE，程序開發(fā)和調(diào)試方便；自帶圖形界面開發(fā)工具PhAB，圖形界面程序開發(fā)效率高。

2.2 硬件平臺

管理單元的硬件平臺一般采用嵌入式平臺，其硬件主要由嵌入式處理器、內(nèi)存、外圍電路、存儲系統(tǒng)及對外接口等幾個(gè)部分組成。對外接口通常包括CAN接口、RS485接口、RS232接口、以太網(wǎng)接口、顯示接口、輸入接口、對時(shí)接口等[5]。結(jié)合本文1.2章節(jié)中管理單元功能需求分析相關(guān)內(nèi)容，從運(yùn)行速度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性多方面綜合考慮，管理單元硬件平臺采用AM3352芯片與EP4CE6F芯片組合的系統(tǒng)架構(gòu)，其中AM3352為主芯片(ARM Cortex-A8)，EP4CE6F為輔助芯片(現(xiàn)場可編程門陣列FPGA)。管理單元硬件平臺的配置參數(shù)見表1。

表1 管理單元硬件平臺配置Tab.1 Hardware platform configuration of management unit

表2 管理單元軟件模塊說明Tab.2 Description of software module in management unit

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件模塊

管理單元軟件采用多進(jìn)程的體系結(jié)構(gòu)對其功能模塊進(jìn)行劃分，軟件由9個(gè)進(jìn)程模塊組成，各進(jìn)程的名稱及功能描述見表2。

ADMIN進(jìn)程通過配置QNX操作系統(tǒng)的啟動腳本加載，其他進(jìn)程則由ADMIN進(jìn)程加載，SC的加載依賴ICS的運(yùn)行，而MMI，OCS，NS，PRN等進(jìn)程的加載則依賴SC的運(yùn)行。

3.2 進(jìn)程間通信

管理單元軟件的各個(gè)進(jìn)程之間采用QNX進(jìn)程間通信(IPC)的消息隊(duì)列方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。除管理監(jiān)視進(jìn)程(ADMIN)和對時(shí)進(jìn)程(GPS)之外，其他各進(jìn)程之間的通信關(guān)系如圖2所示(圖中：→表示進(jìn)程之間的消息流向)。

3.3 進(jìn)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

管理單元軟件的進(jìn)程較多，限于篇幅，本章節(jié)僅對ADMIN，ICS，SC，MMI 這4個(gè)典型進(jìn)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述，其他進(jìn)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式和典型進(jìn)程基本相同。

3.3.1 ADMIN進(jìn)程

ADMIN進(jìn)程加載其他進(jìn)程并顯示加載界面，之后對各個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視；同時(shí)，ADMIN進(jìn)程負(fù)責(zé)定時(shí)喂狗和維護(hù)平臺軟、硬時(shí)鐘。ADMIN進(jìn)程僅包含主線程，其程序流程及說明如圖3所示。

圖2 進(jìn)程間通信關(guān)系Fig.2 Relationship of interprocess communication

3.3.2 ICS進(jìn)程

ICS進(jìn)程負(fù)責(zé)與裝置的保護(hù)單元進(jìn)行內(nèi)部通信，以獲得裝置的配置及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。ICS進(jìn)程由主線程和串口通信線程組成。主線程完成程序初始化操作，并從消息隊(duì)列接收并處理來自SC進(jìn)程的消息；串口通信線程接收來自主線程的消息，并組通信幀發(fā)送到對內(nèi)串口，即保護(hù)單元；接收來自對內(nèi)串口的通信幀，并組消息發(fā)送給SC進(jìn)程。主線程、串口通信線程的程序流程及說明分別如圖4、圖5所示。

圖3 ADMIN進(jìn)程主線程程序流程Fig.3 ADMIN process main thread program flow

圖4 ICS進(jìn)程主線程程序流程Fig.4 ICS process main thread program flow

圖5 ICS進(jìn)程串口通信線程程序流程Fig.5 ICS process serial communication thread program flow

3.3.3 SC進(jìn)程

SC進(jìn)程是管理單元軟件的消息收發(fā)、處理中心，它接收來自各個(gè)進(jìn)程的消息，并對接收的消息進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送給消息的目的進(jìn)程。SC進(jìn)程僅包含主線程，其程序流程及說明如圖6所示。

圖6 SC進(jìn)程主線程程序流程Fig.6 SC process main thread program flow

3.3.4 MMI進(jìn)程

MMI進(jìn)程實(shí)現(xiàn)裝置人機(jī)界面，其界面窗口設(shè)計(jì)通過QNX的圖形開發(fā)工具PhAB完成,并由PhAB自動生成程序框架及其控件的響應(yīng)函數(shù)。MMI進(jìn)程由主線程和消息處理線程組成：主線程負(fù)責(zé)管理單元的人機(jī)界面功能，并將界面請求組消息發(fā)送給SC進(jìn)程；消息處理線程負(fù)責(zé)處理來自SC進(jìn)程的數(shù)據(jù)消息。主線程與消息處理線程程序流程如圖7、圖8所示。

圖7 MMI進(jìn)程主線程程序流程Fig.7 MMI process main thread program flow

圖8 MMI進(jìn)程消息處理線程程序流程Fig.8 MMI process message processing thread program flow

4 結(jié)束語

管理單元作為發(fā)變組保護(hù)裝置的重要組成部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)裝置的人機(jī)界面、對外通信、對時(shí)、打印等功能，是裝置的對外窗口，因此對管理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究和探討具有重要意義。本文提出的發(fā)變組保護(hù)裝置的管理單元功能豐富、性能優(yōu)越，其設(shè)計(jì)滿足工程應(yīng)用需求，符合電力通信的發(fā)展趨勢。目前，管理單元的開發(fā)工作已經(jīng)完成且已通過系統(tǒng)測試，在江陰蘇龍熱電有限公司、江蘇華電句容發(fā)電有限公司等工程中試點(diǎn)應(yīng)用，取得了理想的效果。