智能電子設備硬件和軟件設計方案

莊 平

（國網寧夏電力公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山753000）

1 IED硬件設計方案

數字化保護裝置IED的CPU板有2個處理器：DSP TMS320F2812和 ARM S3C2510。其中，DSP TMS320F2812完成與保護相關的功能，包括對模擬量和開關量數據的采集，并根據保護算法進行判斷與開出動作的執行；ARM S3C2510內嵌VxWorks操作系統，完成相關任務的管理調度及MMI等功能。DSP和ARM之間的所有通信依靠一個串行通信接口，ARM為上位機，DSP為下位機，兩者之間的通信遵照《現場總線CAN通訊協議》，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側是實現保護功能的核心，其主要完成：采集15路模擬量（4路備用，3路保護用電流，1路保護用零序電流，3路測量用電流，UA、UB、UC、UN）、16路開關量（前5路備用，1路閉鎖重合閘，2路小車工作位置／隔離開關，1路彈簧未儲能，1路開關跳位，1路開關合位，1路閉鎖遠方操作，1路檢修狀態壓板、信號復歸）數據，然后DSP通過軟件保護邏輯程序對輸入模擬量和開關量進行邏輯判斷、執行，并將相關數據通過DSP的串口上送ARM；而ARM主要負責液晶顯示，提供精準的對時信號及與過程層／變電站層的通信接口（雙以太網）、告警／復歸信號、前面板用戶串口。通訊回路采用雙以太網，極大地提高了通訊能力和可靠性，其中NET1用于與站控層（監控系統）通信，NET2用于GOOSE通信。

數字信號處理單元與AD轉換單元、開入隔離單元、開出隔離單元及實時時鐘單元都有連接，接口為：

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

（2）與開入隔離單元的接口為DSP的GPIOB0～GPIOB15；

（3）與開出隔離單元的接口為DSP的外設數據總線XD01～XD15；

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

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

ARM可作為一個功能單元來看待，其與DSP有2個接口：串行通信接口、秒脈沖信號。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調試串口以及 MCU調試串口）；（3）雙以太網電路；（4）液晶顯示接口電路；（5）設備運行燈驅動（及CPU板的運行燈）信號；（6）告警GJ、復歸FG電路；（7）連接插座接口定義。

2 IED軟件設計方案

2.1 IED軟件設計總體方案

EQUIP包括保護測控裝置數據、人機接口輔助數據、內部通信輔助數據和打印通信輔助數據等4部分。數據映射模塊的功能就是保證保護公用數據結構EQUIP中數據和VMD數據結構中數據的雙向同步，即一方數據發生變化時，另一方數據必須同步變化。具體說來就是在初始化中（動態創建對象的過程中）實現數據映射的變量地址互相備份；在保護端或MMS端有數據更新時，數據賦值操作進行雙份賦值操作，對自身變量和備份對方地址所指向的變量同時賦值。賦值操作的嵌入點分別為串行通信更新保護數據、MMS收到寫指示操作。VMD如果能夠與EQUIP保持實時數據相互更新，那么DSP就可以只實現保護測控功能，ARM負責與站控層和間隔層通信。

2.2 IED軟件流程

當IED運行時，首先創建發布者和訂閱者信號量并且初始化所有MMS對象，接著讀取配置文件，自動生成了IEC61850對象數據庫，然后進行保護數據映射，使保護用數據結構的對象屬性和IEC61850對象數據庫一一對應起來，當數據映射完成后，根據訂閱／發布配置文件生成GOOSE發布者和訂閱者，如選擇訂閱者則創建GOOSE訂閱線程，如選擇發布者則調用GOOSE發布函數，接著進入MMS服務循環操作，當有事件需要處理時，發布61850報告服務和61850日志服務，等待各線程結束后先銷毀信號量，之后銷毀scl＿info和所有MMS對象，最后結束服務并記錄保存，至此就完成了一個完整的IED軟件流程（圖2）。

圖2 EN@軟件主流程圖

3 結語

本文介紹了基于IEC61850的數字化保護裝置的硬件和軟件設計方案，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主要負責數據采集和保護運算，ARM層負責IED之間的通信以及MMS服務和GOOSE服務的大部分工作，軟件方案中設計了智能電子設備的軟件架構，然后分析了IED軟件流程。該方案已應用在繼電保護裝置中，現場運行情況良好。

［1］傅旭華，黃曉明，王松，等.數字化變電站GOOSE技術工程化應用［J］.電力自動化設備，2011（11）：112～116

［2］王志強，徐佳宇，王秀紅，等.基于GOOSE的變電站保護功能應用研究與實現［J］.華北電力技術，2011（6）：41～46