MACH2系統(tǒng)板卡程序下裝平臺的研制

國網(wǎng)河南電力公司直流運檢分公司 任舟啟 杜康平 羅朝華 聶 晶 王曉鵬

MACH2系統(tǒng)（Modular Advanced Control HVDC and SVC 2nd edition）是ABB公司的一種基于軟硬件結(jié)合的直流輸電系統(tǒng)級解決方案。其在硬件層面主要由標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計算機、PCI板卡、I/O及通訊專用電路板、輔助電路板等組成。由于目前國內(nèi)應(yīng)用該系統(tǒng)的換流站多為早期直流工程，經(jīng)過長時間運行板卡故障率顯著提高，現(xiàn)場進(jìn)行故障處理時需對更換后的板卡下裝對應(yīng)的應(yīng)用程序。

本文從便于現(xiàn)場運維人員使用且安全可靠的方面出發(fā)，深入研究MACH2系統(tǒng)板卡軟件下裝邏輯與實現(xiàn)方法。最后根據(jù)現(xiàn)場實際消缺檢修應(yīng)用需求，研發(fā)了一種MACH2系統(tǒng)板卡程序下裝平臺。

1 功能要求

下裝平臺需要完整支持MACH2系統(tǒng)所有I/O及通訊板卡的程序且內(nèi)置電源，填補了目前離線裝載板卡程序的空白。同時也要滿足人機交互便捷、操作簡單、易于使用，達(dá)到提高現(xiàn)場消缺工作效率的目的。

1.1 現(xiàn)有裝載過程的不足

目前板卡下裝方式為就地在屏柜使用筆記本電腦直接進(jìn)行下裝。該方式依賴就地屏柜供電，因此需提前將故障板卡拆下，若相鄰卡槽內(nèi)插有板卡，也需同時將該板卡拆下。步驟復(fù)雜，增加了檢修消缺時間。

目前需使用Windows系統(tǒng)筆記本直連板卡，存在安全風(fēng)險。

現(xiàn)有下裝軟件操作步驟繁多，且需人工對板卡斷電重啟，無法實現(xiàn)全自動下裝功能。

1.2 下裝平臺的設(shè)計目標(biāo)

新研制下裝平臺的功能應(yīng)滿足如下要求：

（1）不依賴就地屏柜供電，獨立完成所有I/O及通訊板卡程序下裝。

（2）系統(tǒng)采用嵌入式平臺。

（3）無需人工干預(yù)下裝過程，可通過人機交互界面實現(xiàn)一鍵全自動下裝功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

下裝平臺為一體化設(shè)計，整體大小與普通繼保測試裝置近似。下裝平臺采用基于ARM架構(gòu)的STM32主控制器，負(fù)責(zé)整個平臺的監(jiān)視與運行。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 下裝平臺系統(tǒng)框圖

2.2 硬件設(shè)計原則

下裝平臺硬件應(yīng)滿足以下要求：

（1）易用性

直流控保系統(tǒng)是由互為冗余備用的A、B系統(tǒng)組成，當(dāng)系統(tǒng)的其中一塊板卡發(fā)生故障時，若該故障不能及時消除，將造成冗余系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可能導(dǎo)致互為備用的兩套系統(tǒng)均崩潰，致使換流站極閉鎖。因此換流站運行過程應(yīng)盡量避免單系統(tǒng)長時間運行，該平臺設(shè)計的第一原則就是方便易用，不依賴背板及屏柜供電。現(xiàn)場在故障消缺過程中可在屏柜拆除故障板卡的同時，使用該裝置對新板卡進(jìn)行應(yīng)用程序下載，大幅度的減少故障處理時間與單系統(tǒng)運行時長。

（2）集成性

該平臺可適用于多種類型板卡，即MACH2系統(tǒng)所有I/O板卡和通訊板卡；為滿足現(xiàn)場便攜性的要求，裝置硬件設(shè)計要做到高度集成，電源設(shè)計要考慮到裝置的工作電源和板卡的供電電源。

（3）電磁兼容性

換流站的設(shè)備眾多，運行環(huán)境復(fù)雜，直流控保系統(tǒng)所在的區(qū)域可能存在著較強的電磁場。因此要求該裝置要通過嚴(yán)格的EMC測試，具有較強的EMS能力，同時對控制器等關(guān)鍵元件增加電磁屏蔽罩等抗干擾措施。

2.3 板卡供電設(shè)計

通過對MACH2系統(tǒng)使用的板卡進(jìn)行分析及測試，結(jié)果表明板卡內(nèi)部供電僅需直流5V，最大工作電流為1A。因此，下載平臺需滿足利用市電220V轉(zhuǎn)換成直流5V，同時為抑制紋波應(yīng)設(shè)計完善的濾波電路，使紋波不大于50mV。

2.4 機箱及接口設(shè)計

為實現(xiàn)下裝平臺對所有MACH2系統(tǒng)板卡均具備應(yīng)用程序下裝條件，就必須保證所有板卡均能夠安裝。經(jīng)過統(tǒng)計，MACH2系統(tǒng)I/O板卡和通訊板卡尺寸均為3U，通訊采用96芯歐式接頭。因此，下裝平臺要滿足3U板卡96芯歐式接頭接入的條件。

3 軟件設(shè)計

3.1 下裝平臺通訊接口設(shè)計

控保板卡下載程序本質(zhì)為通過異步串行通信接口UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）向MACH2系統(tǒng)板卡內(nèi)主控制處理芯片上傳對應(yīng)的應(yīng)用程序或BootLoader程序。

UART采用RS232總線，實現(xiàn)全雙工通信，由兩個信號通道組成，即：主通道和副通道。通常使用的是主通道，而副通道較少使用。在直流控保板卡程序下載過程中，采用三條信號線（接收線、發(fā)送線和信號地）即能實現(xiàn)全雙工通信功能。

Bootloader程序是指控保板卡在加電后執(zhí)行的第一段代碼，在它完成主控制處理器和相關(guān)硬件的初始化之后，再將內(nèi)部映像或固化的嵌入式應(yīng)用程序裝載到內(nèi)存中，啟動程序運行。

由于引導(dǎo)程序位于Bootloader，其在板卡上電后極短的時間內(nèi)即加載完畢。因此為了實現(xiàn)下裝平臺的自動應(yīng)用下裝功能，需要對板卡的電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，保證在上電后立即與板卡Bootloader進(jìn)行握手，以便執(zhí)行固件刷新對應(yīng)代碼段。下裝平臺接口設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 下裝平臺接口設(shè)計流程圖

3.2 下裝平臺調(diào)試軟件選擇

下裝平臺選用Keil MDK-Arm作為下裝平臺的軟件編譯工具，該軟件具有強大的仿真調(diào)試功能，支持自動配置啟動程序、集成閃存程序燒制、硬件設(shè)備仿真以及功能分析等。Keil系列調(diào)試軟件用戶界面友好，調(diào)試仿真功能強大，是個成熟的集成開發(fā)方案，方便易用，融合了C語言編譯、宏編程工具、庫文件和仿真運行等環(huán)境。Keil MDKArm與Windows系統(tǒng)可完美的兼容，整個菜單界面與一般的Windows軟件界面相似，一目了然，易于操作。其開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 Keil MDK-Arm開發(fā)流程圖

4 板卡程序驗證

利用MACH2測試系統(tǒng)可對使用該下裝平臺進(jìn)行軟件下裝工作的板卡進(jìn)行功能性檢查，確認(rèn)板卡程序是否正常下裝、設(shè)計功能是否運行正常。

4.1 驗證板卡選擇

選擇MACH2系統(tǒng)中使用較廣I/O板卡和通訊板卡進(jìn)行功能驗證。其中I/O板卡選擇通用數(shù)字量輸入板PS851，其板卡有8路110/125V輸入和1路CAN輸出。通訊板卡選擇PS861E，其板上有4片高速A/D轉(zhuǎn)換器，4路PWM輸出通道和2路TDM高速串行通信通道用于與PS803板進(jìn)行高速串行通信。每塊板最多可以有31路模擬信號被發(fā)往TDM總線。

4.2 板卡驗證

使用該下裝平臺對PS851、PS861E板卡裝載MACH2測試系統(tǒng)配套程序，下裝后將板卡插入MACH2測試系統(tǒng)層架，啟動測試系統(tǒng)，利用超級終端監(jiān)視板卡運行情況。經(jīng)實際測試驗證，PS851、PS861E在MACH2測試系統(tǒng)上運行良好，各項功能均可正常使用，checksum值與原始程序值一致，滿足使用條件，可應(yīng)用于正式運行環(huán)境中。

該下裝平臺可實現(xiàn)MACH2系統(tǒng)板卡程序快速下載及更換。其創(chuàng)新點一是利用嵌入式技術(shù)將板卡程序下載所需硬件集成化、小型化；二是優(yōu)化控保板卡程序下載步驟，可按板卡類型實現(xiàn)一鍵下載功能。該平臺應(yīng)用于所有采用MACH2系統(tǒng)的I/O板卡和通訊板卡程序下載，提高換流站板卡更換現(xiàn)場檢修工作效率，減少控保設(shè)備停運時間。