智能電子設(shè)備硬件和軟件設(shè)計(jì)方案

莊 平

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山753000）

1 IED硬件設(shè)計(jì)方案

數(shù)字化保護(hù)裝置IED的CPU板有2個(gè)處理器：DSP TMS320F2812和 ARM S3C2510。其中，DSP TMS320F2812完成與保護(hù)相關(guān)的功能，包括對(duì)模擬量和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)保護(hù)算法進(jìn)行判斷與開(kāi)出動(dòng)作的執(zhí)行；ARM S3C2510內(nèi)嵌VxWorks操作系統(tǒng)，完成相關(guān)任務(wù)的管理調(diào)度及MMI等功能。DSP和ARM之間的所有通信依靠一個(gè)串行通信接口，ARM為上位機(jī)，DSP為下位機(jī)，兩者之間的通信遵照《現(xiàn)場(chǎng)總線CAN通訊協(xié)議》，其硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 A6O板硬件原理框圖

CPU板中的DSP側(cè)是實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的核心，其主要完成：采集15路模擬量（4路備用，3路保護(hù)用電流，1路保護(hù)用零序電流，3路測(cè)量用電流，UA、UB、UC、UN）、16路開(kāi)關(guān)量（前5路備用，1路閉鎖重合閘，2路小車工作位置／隔離開(kāi)關(guān)，1路彈簧未儲(chǔ)能，1路開(kāi)關(guān)跳位，1路開(kāi)關(guān)合位，1路閉鎖遠(yuǎn)方操作，1路檢修狀態(tài)壓板、信號(hào)復(fù)歸）數(shù)據(jù)，然后DSP通過(guò)軟件保護(hù)邏輯程序?qū)斎肽M量和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行邏輯判斷、執(zhí)行，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)DSP的串口上送ARM；而ARM主要負(fù)責(zé)液晶顯示，提供精準(zhǔn)的對(duì)時(shí)信號(hào)及與過(guò)程層／變電站層的通信接口（雙以太網(wǎng)）、告警／復(fù)歸信號(hào)、前面板用戶串口。通訊回路采用雙以太網(wǎng)，極大地提高了通訊能力和可靠性，其中NET1用于與站控層（監(jiān)控系統(tǒng)）通信，NET2用于GOOSE通信。

數(shù)字信號(hào)處理單元與AD轉(zhuǎn)換單元、開(kāi)入隔離單元、開(kāi)出隔離單元及實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元都有連接，接口為：

（1）與AD轉(zhuǎn)換及測(cè)頻單元的接口為DSP的SPI接口和事件管理器的捕獲口CAP2＿QEP2、CAP3＿QEPI1；

（2）與開(kāi)入隔離單元的接口為DSP的GPIOB0～GPIOB15；

（3）與開(kāi)出隔離單元的接口為DSP的外設(shè)數(shù)據(jù)總線XD01～XD15；

（4）與實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元（包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302、EEPROM 存儲(chǔ) 器 AT24C256）的 接 口 為 GPIOD00、GPIOD01、GPIOA00和GPIOF08。

AD單元轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的TLC3578。其有8個(gè)轉(zhuǎn)換通道；最大數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)200kS／s；模擬量的幅值范圍可達(dá)±10V；兼容SPI串行接口，串行接口時(shí)鐘可達(dá)25MHz；單5V模擬供電，3～5V數(shù)字供電。此芯片的采樣頻率和通道切換命令頻率相等，最大可達(dá)25MHz；轉(zhuǎn)換精度為14bit，轉(zhuǎn)換速度與串行時(shí)鐘SCLK、轉(zhuǎn)換模式有關(guān)。

ARM可作為一個(gè)功能單元來(lái)看待，其與DSP有2個(gè)接口：串行通信接口、秒脈沖信號(hào)。ARM的外圍電路包括以下部分：（1）IRIG－B碼解碼電路；（2）串行通信接口電路（前面板ARM—用戶串口、ARM調(diào)試串口以及 MCU調(diào)試串口）；（3）雙以太網(wǎng)電路；（4）液晶顯示接口電路；（5）設(shè)備運(yùn)行燈驅(qū)動(dòng)（及CPU板的運(yùn)行燈）信號(hào)；（6）告警GJ、復(fù)歸FG電路；（7）連接插座接口定義。

2 IED軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 IED軟件設(shè)計(jì)總體方案

EQUIP包括保護(hù)測(cè)控裝置數(shù)據(jù)、人機(jī)接口輔助數(shù)據(jù)、內(nèi)部通信輔助數(shù)據(jù)和打印通信輔助數(shù)據(jù)等4部分。數(shù)據(jù)映射模塊的功能就是保證保護(hù)公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)EQUIP中數(shù)據(jù)和VMD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)的雙向同步，即一方數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，另一方數(shù)據(jù)必須同步變化。具體說(shuō)來(lái)就是在初始化中（動(dòng)態(tài)創(chuàng)建對(duì)象的過(guò)程中）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)映射的變量地址互相備份；在保護(hù)端或MMS端有數(shù)據(jù)更新時(shí)，數(shù)據(jù)賦值操作進(jìn)行雙份賦值操作，對(duì)自身變量和備份對(duì)方地址所指向的變量同時(shí)賦值。賦值操作的嵌入點(diǎn)分別為串行通信更新保護(hù)數(shù)據(jù)、MMS收到寫(xiě)指示操作。VMD如果能夠與EQUIP保持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相互更新，那么DSP就可以只實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控功能，ARM負(fù)責(zé)與站控層和間隔層通信。

2.2 IED軟件流程

當(dāng)IED運(yùn)行時(shí)，首先創(chuàng)建發(fā)布者和訂閱者信號(hào)量并且初始化所有MMS對(duì)象，接著讀取配置文件，自動(dòng)生成了IEC61850對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，然后進(jìn)行保護(hù)數(shù)據(jù)映射，使保護(hù)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)象屬性和IEC61850對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，當(dāng)數(shù)據(jù)映射完成后，根據(jù)訂閱／發(fā)布配置文件生成GOOSE發(fā)布者和訂閱者，如選擇訂閱者則創(chuàng)建GOOSE訂閱線程，如選擇發(fā)布者則調(diào)用GOOSE發(fā)布函數(shù)，接著進(jìn)入MMS服務(wù)循環(huán)操作，當(dāng)有事件需要處理時(shí)，發(fā)布61850報(bào)告服務(wù)和61850日志服務(wù)，等待各線程結(jié)束后先銷毀信號(hào)量，之后銷毀scl＿info和所有MMS對(duì)象，最后結(jié)束服務(wù)并記錄保存，至此就完成了一個(gè)完整的IED軟件流程（圖2）。

圖2 EN@軟件主流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于IEC61850的數(shù)字化保護(hù)裝置的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案，硬件方案中著重講述了CPU板的硬件原理，采用DSP＋ARM作為CPU板，DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和保護(hù)運(yùn)算，ARM層負(fù)責(zé)IED之間的通信以及MMS服務(wù)和GOOSE服務(wù)的大部分工作，軟件方案中設(shè)計(jì)了智能電子設(shè)備的軟件架構(gòu)，然后分析了IED軟件流程。該方案已應(yīng)用在繼電保護(hù)裝置中，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況良好。

［1］傅旭華，黃曉明，王松，等.數(shù)字化變電站GOOSE技術(shù)工程化應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011（11）：112～116

［2］王志強(qiáng)，徐佳宇，王秀紅，等.基于GOOSE的變電站保護(hù)功能應(yīng)用研究與實(shí)現(xiàn)［J］.華北電力技術(shù)，2011（6）：41～46