基于國產伏羲芯片的智能站繼電保護裝置軟硬件平臺設計*

陳軍健，李肖博，姚浩，習偉

(南方電網數字電網研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

近年來,國外壟斷的CPU 芯片供應逐漸收緊,作為電網二次設備的核心器件,CPU“命脈”問題嚴重制約著我國電力產業發展。為了從根本上解決芯片壟斷問題以及實現軟硬件的自主可控[1],在國家重點研發計劃項目支持下,項目團隊基于國產自主CPU 內核和境內代工封測技術研發了一款國產電力芯片——伏羲芯片,該芯片針對電力系統智能設備安全互聯、現場移動作業的特定需求,有著高性能、低功耗、接口資源豐富、自帶電力通信協議報文解析過濾功能等優勢。對此,開發一套適用的、能夠充分發揮芯片優勢的軟硬件平臺是該芯片推廣應用的關鍵性步驟,也是實現完全國產自主可控的面向智能站繼電保護裝置的嵌入式系統應用開發的重要一環。

目前,電力自動化嵌入式軟硬件開發[2-5]逐步向模塊化、插件化、可視化、平臺化方向發展。智能站繼電保護裝置相較于傳統繼電保護裝置,使用SV/GOOSE 通信取代了模擬量采樣、開入和開出,因此保護裝置基本的功能包含以下幾種:SV/GOOSE/MMS 通信功能、各保護計算功能、數據記錄功能、液晶顯示與指示燈功能等[6-9]。

以上功能需要的硬件支持包括以太網接口、光通信接口、CPU 運算、各存儲器接口、各數據通信接口和液晶與指示燈接口等[10-11]。這些硬件接口具有通用性較強的特點,因此可進行模塊化設置,將各個硬件接口做成通用的模塊插件,從而實現硬件平臺化。

在實現硬件平臺化的基礎上將軟件功能進行模塊化設計,并詳細劃分各內核執行的任務,設計合理的各內核間數據交互方式,從而實現軟件平臺化。

基于這樣的理念,本文針對智能站繼電保護應用提出一種雙CPU(伏羲＋伏羲)架構的硬件平臺,結合嵌入式實時操作系統,對多核處理器進行功能模塊劃分和軟件應用劃分,實現數據的高速交互和信息的高效處理。

1 硬件平臺設計

由于現代電力系統繼電保護裝置功能的愈加完善,信息傳輸量越來越大,對以太網通信和現場總線通信的穩定性、實時性的要求也在提升,對保護可靠性、穩定性的要求尤其突出,單CPU 架構無法滿足實際需求,因此,用雙CPU 的架構。

1.1 伏羲芯片優勢介紹

伏羲芯片多核性能強大,外設資源豐富,并且具備電力專用功能,其功能特性如圖1 所示。

圖1 伏羲芯片資源框圖

(1)CPU 性能強大

具有一個高性能的雙核CK860MP 嵌入式CPU(頻率最高可達800 MHz),兩個高性能的CK810 嵌入式CPU(頻率最高可達800 MHz),兩個協處理器CK803S(頻率最高可達200 MHz)。兩個可編程的DSP,可進行多種VLIW 和SIMD 操作。強大的多核性能充分滿足繼電保護裝置的保護計算性能要求。

(2)外設資源豐富

伏羲芯片包含512 KB 可用片上SRAM,128 KB的ROM 和2KB 的OTP 等。

支持多種存儲接口,包含帶ECC 的DDR DRAM接口,片外SRAM 接口,SPI NOR-FLASH 接口,支持SD 卡和eMMC 的SDIO 接口等。

支持多種通信接口,包含千兆以太網接口,USB2.0 接口,SPI,I2C,UART,CAN,I2S 等。

豐富的外設資源能夠直接支持各種不同應用環境下繼電保護裝置的存儲與通信需求,避免復雜的片外擴展電路。

(3)電力專用功能

伏羲芯片具有基于CK802 內核的加密安全模塊,支持真隨機數發生(True Random Number Generator,TRNG),支持多種加密算法,包括SM2、SM3、SM4、DES、AES 等。滿足電力數據加密的安全需求。

伏羲芯片還具備支持電力專用硬件邏輯功能的以太網MAC,用于處理GOOSE、SV 和MMS,支持濾波器,SV 數據插值,網絡風暴抑制,時間校準等功能。支持低功耗管理,微電網控制及繼電保護應用。

傳統繼電保護裝置的SV/GOOSE 報文解析、MAC 功能實現與網絡流量抑制通常由FPGA 來實現。而伏羲芯片具備電力專用硬件邏輯MAC 功能,能進行SV/GOOSE 報文解析和過濾。

SV 報文用于傳輸模擬量采集數值,通常為每個工頻周期80 點,采集核在解析SV 報文獲取數據后還需進行每個工頻周期24 點的插值計算,之后將插值結果傳輸給運算核進行模擬量計算。GOOSE 報文用于傳輸開入和開出節點狀態。

SV/GOOSE 的報文幀格式如表1 所示。

表1 SV/GOOSE 的報文幀格式

針對SV/GOOSE 報文格式,伏羲芯片可通過寄存器設置前導碼長度、MAC 地址、以太網類型、幀校驗與幀間間隙。

此外,伏羲芯片的MAC 接口還可按照設置的規則對報文進行過濾,包括:非TCP/UDP 的IP 幀過濾、第三層網絡層和第四層傳輸層的報文過濾、VLAN 幀過濾、MAC 地址過濾、廣播幀過濾、多播幀過濾、單播幀過濾等。

由于伏羲芯片強大的MAC 功能、SV/GOOSE 報文解析功能與報文過濾功能,使得進行SV/GOOSE通信硬件設計時可以節省一個FPGA 芯片,從而大大降低了裝置的硬件成本。同時保證在極端網絡環境下,如過程層和站控層網絡風暴,不會影響高實時性的計算任務,從而提高了裝置的穩定性和可靠性。

伏羲芯片與目前行業內已廣泛應用的全志T3pro 芯片對比如下:

CPU 對比:T3pro 具備4 核A7 的CPU,在CPU性能上伏羲與T3pro 相當,但伏羲還有兩個DSP,在處理數據計算時更有優勢。

外設資源對比:電力常用接口如UART、CAN、IIC、SPI、MAC、GMAC 的數量上,伏羲芯片均多于T3pro。

專用功能對比:T3pro 芯片側重于視頻圖像處理,具備GPU、視頻引擎與多種輸入輸出接口,對于智能站繼電保護裝置來說,這些接口往往無用,并且還會額外增加電能消耗。伏羲芯片則側重于SV/GOOSE 報文處理、安全加密等電力專用功能,高度契合智能站繼電保護裝置的應用需求。

伏羲芯片強大的運算能力、豐富的外設資源以及高契合度的電力專用功能使得該芯片能充分滿足智能站繼電保護裝置對CPU 的要求。

1.2 硬件平臺化方案

由于智能站繼電保護裝置的開入和開出由GOOSE 報文實現,模擬量采樣由SV 報文實現,因此無需傳統繼電保護裝置的開入板、開出板和模擬量采樣板。

伏羲芯片具備8 個EMAC 接口,在雙CPU 結構下有16 個EMAC 接口,完全能夠滿足智能站繼電保護裝置的MMS/SV/GOOSE 報文傳輸要求,使得CPU 板具備通信板功能。

硬件平臺在結構上使用插板式設計,將硬件平臺分為CPU 板、電源板和前面板,如圖2 所示。

圖2 硬件平臺化架構

①CPU 板:伏羲控制器的工作板卡,用于裝置啟動、保護和管理等功能的運行,是裝置的核心部分。具備通信板功能。

②電源板:用于將外部交直流輸入電壓轉換為內部板卡供電電壓。

③前面板:用于液晶顯示、按鍵操作和指示燈顯示。

傳統T3pro 芯片的智能站硬件平臺由CPU 板、電源板、通信板和前面板組成,其中通信板需有一個兆易創新GD32 系列MCU 和一塊FPGA 來實現過程層SV/GOOSE 收發,并且還需要具備通信板與CPU 板的通信交互功能,以便與主CPU 交互GOOSE 和SV 數據,此功能一般采用LVDS 背板總線來實現。因此相較于T3pro 硬件平臺,采用伏羲芯片可直接省下一塊通信板,并大大簡化裝置的硬件結構,降低硬件成本,提高開發效率。

1.2.1 繼電保護裝置硬件平臺CPU 板設計

基于智能站繼電保護的應用場景需求,采用伏羲芯片設計的CPU 板架構如圖3 所示。

圖3 硬件平臺化設計框圖

伏羲芯片的八個EMAC 接口可用于MMS、GOOSE 和SV 通信和調試。一個GMAC 接口可用于雙CPU 芯片間數據通信。

一片伏羲處理器做啟動功能CPU,通過片內自帶的EMAC 接口提供A、B、C 三個以太網接口用于MMS 通信,2 個對外UART 串口分別實現液晶通信和信息打印功能。

另一片伏羲處理器做保護功能CPU,通過片內自帶的EMAC 接口提供最多7 個SV/GOOSE 光口,用于收發GOOSE 和SV 報文,基于片內硬件邏輯實現SV 報文接收和GOOSE 報文收發和報文過濾功能,節省一個處理和過濾SV/GOOSE 報文的FPGA[12]。

通過一片FPGA 芯片實現時間同步與采樣同步功能:①FPGA 芯片實現接收外部的IRIG-B 信號,實現對時功能。②FPGA 芯片同時給保護CPU 和啟動CPU 提供精確的同步中斷信號,實現雙CPU的時間同步和采樣同步功能[13]。

兩片CPU 之間通過伏羲處理器內部的GMAC 通信互聯,實現兩片CPU 之間大數據量的高速內部通信。

1.2.2 繼電保護裝置硬件平臺其他板卡設計

(1)電源板設計:根據外部110 V 或220 V 交直流輸入轉換為24 V、5 V、3.3 V 等內部板卡所需供電電壓,統一輸入輸出接口。輸入端子使用國產卓能連接器,具體參數為:5.08 mm 間距、300 V、10 A。背板端使用國產福迪背板連接器。

(2)前面板設計:前面板液晶使用國產邦鼎液晶,控制器使用國產兆易創新GD32 系列芯片。

2 軟件平臺設計

軟件平臺的開發基于上述的硬件平臺,同時需結合伏羲芯片的性能及其特有的電力專用屬性。一方面,適應現代電力系統的智能化、自動化發展趨勢,以及智慧能源的發展需求,對于繼電保護處理復雜問題能力的要求不斷提升,使得裝置配置軟件復雜化；相應地,對于其通信速率及其準確性要求更加嚴苛。因此,如何合理地布局和分配芯片CPU 資源,對于繼電保護裝置平臺化是一重要難題。

伏羲芯片擁有4 個核心,2×CK-860＋2×CK-810-0,其中2×CK-860 用于雙核運行SylixOS 操作系統,CK-810-0 用于運行SV/GOOSE 采集功能的裸核程序,CK-810-1 用于運行啟動/保護功能的裸核程序。采用伏羲＋伏羲的雙CPU 架構,分為啟動CPU 和保護CPU,雙CPU 數據互相校核,互為備份,提高運行可靠性。啟動CPU 和保護CPU 的軟件平臺設計方案分別如圖4、圖5 所示。

圖5 軟件平臺保護CPU 設計框圖

啟動CPU:

保護CPU:

(1)CK-810-0 作為采集核,未運行任何操作系統,為Baremetal 裸跑模式,主要完成與外設交互、數據預處理和統一時間管理功能,執行SV 接收處理、SV 插值、Goose 收發處理、時間管理等任務軟件。此外CK-810-0 還負責加載和啟動CK-810-1 與2×CK-860 程序。

(2)CK-810-1 作為運算核,未運行任何操作系統,為Baremetal 裸跑模式,主要用來執行測值計算、啟動邏輯、保護邏輯、動作報告、錄波處理、自檢等任務。

(3)2×CK-860 作為系統管理核,雙核運行SylixOS 操作系統,并在該操作系統上運行61850 通信、103 通信、HMI 人機交互等相應的應用軟件。

該軟件平臺的設計在匹配硬件配置的同時,將各項功能依據核特性以及實際需求進行合理規劃,滿足現代電力系統應用需求復雜化以及實時、大容量通信的需求。具體的軟件配置方案如下。

2.1 伏羲系統管理核軟件方案

伏羲系統管理核運行的操作系統為翼輝SylixOS 嵌入式實時操作系統。SylixOS 是國際先進、國內領先的嵌入式實時操作系統,經國家工信部評估認證SylixOS 內核自主化率達100%。支持SMP 架構、AMP 架構,擁有先進的硬實時內核設計、先進高效的調度算法,可以跨平臺、多架構支持各類硬件平臺。

系統管理核應用軟件劃分為monitor(監視程序)、mainApp(主應用程序)、61850(61850 通信程序)、103(103 通信程序) 和HMI(人機交互程序)等。

①monitor:在該程序中復刻出mainApp,并監視mainApp 執行情況,如果mainApp 非正常退出或執行異常,則會自動重啟mainApp 應用；

②mainApp:主要實現啟動與保護CPU 間的通信交互,以便于獲取CPU 的實時數據和歷史數據,并保存在本地的實時數據庫和歷史數據庫中,供其他應用訪問。

實時數據包括:遙測、遙信、電能、運行狀態等；

歷史數據包括:變位報告、動作報告、錄波數據、告警報告等；

同時mainApp 也監視其子進程的執行情況,如子進程執行異常則會重啟子進程應用；

③61850:61850 MMS 服務程序,從mainApp復刻；

④103:103 通信服務端應用程序(TCP103 和串口103),從mainApp 復刻；

HMI:液晶顯示,人機交互程序,從mainApp 復刻。根據液晶尺寸,可能有多種HMI 執行程序可選,如320×240、240×128 等。

應用軟件調用關系如圖6 所示。

圖6 系統管理核軟件調用關系圖

2.2 伏羲裸核軟件方案

裸核的軟件架構劃分為硬件層、驅動層、支撐層和應用層。具體劃分如圖7 所示。

(1)硬件層:采集核運行于CK-810-0,啟動/保護運算核運行于CK-810-1,兩者軟件架構類似,均為Baremetal 裸跑模式。裝置上電后,CK-810-0 負責加載和啟動CK-810-1 和2×CK-860 程序。其涉及的硬件外設包括:EMAC(SV/GOOSE 收發)、FPGA、內部通信GMAC、DDR 共享內存等。

①SV 和GOOSE 收發由伏羲自帶的EMAC 口進行,最多可支持7 路SV/GOOSE 接口,均由CK-810-0 采集核負責操作,并將SV 和GOOSE 報文解析和SV 插值的結果通過共享內存提供給啟動和保護運算核使用；

②FPGA 主要用于實現IRIG-B 校時、雙CPU之間的時間同步、雙CPU 之間采樣插值同步；

③CPU 之間的交互基于兩片伏羲各自的GMAC互聯實現,其硬件操作由CK-810-0 采集核完成。

④CPU 內核間通信由DDR 共享內存實現。

(2)驅動層:用于實現硬件層與上面的支撐層的解耦。驅動層對下直接驅動各類型的硬件外設、MAC、FPGA、中斷等,對上提供統一的驅動接口。

(3)支撐層:支撐層是裸核部分保護單元支撐平臺的核心,對下與BSP 驅動層合作完成裝置的硬件控制和對外輸入輸出接口；對上為應用層提供運行支撐。主要功能模塊為:

①SV 處理,通過伏羲的EMAC 接收到的SV 報文,經過解包和插值后,存放到DDR 的固定位置,以供保護應用進行調用。

②GOOSE 報文開入采集和處理,并生成變位報告。

③時間管理功能模塊,接收FPGA 的時間同步信號進行時間同步核管理。

④設定值模塊,包括定值、參數和精度系數,在該平臺中,裸核將不再掉電存儲這些數據,只是上電或設定值修改后由系統管理核應用推送到裸核側。裸核只存儲當前區的設定值的數值,并對應用層提供這些設定值的讀取接口。

⑤開出GOOSE 報文處理,由支撐層直接操作EMAC 驅動實現。

⑥事件報告,支撐平臺提供自檢報告、動作報告、告警報告生成和維護工作,并對應用層提供報告生成的接口。

⑦錄波,進行特定數據的錄波處理。

⑧自檢模塊,支撐平臺提供定值、參數、RAM、ROM、FPGA、電源等的自檢功能。

(4)應用層:應用層運行于支撐層之上,支撐層提供統一的訪問接口及鉤子函數,以便應用層代碼調用和執行,從而實現應用層代碼和裝置硬件、運行環境等的全解耦。應用層主要包括:

①算法庫:包含傅里葉變換、差值、濾波等算法。

②元件庫:包含(充電)過流保護、零序過流保護、三相不一致保護、比例差動保護、復壓方向過流保護、零序方向過流保護等保護元件。

③數據模型:圖形組態工具裝置建模后導出的源代碼文件,一般為一些數據結構、數組、宏定義等信息。用于定義裝置的輸入輸出能力、定值、參數等。

④保護控制邏輯:通過圖形組態工具的圖形組態功能,以T 型圖的方式實現保護邏輯,并以C 語言源代碼導出。

以上裸核的軟件方案,對于CK-810-1 啟動/保護運算核和CK-810-0 采集核應用需求是不一樣的,可以在該方案的功能模塊基礎上進行裁剪。

2.3 數據交互與處理方案

伏羲芯片的片內各核之間可通過共享內存直接交互；兩個CPU 間則通過GMAC 進行互聯,通信互聯方案如圖8 所示。

圖8 裸核軟件數據交互框圖

(1)保護運算核和啟動運算核之間通信交互

CPU1 和CPU2 之間采用伏羲內置GMAC 進行通信交互,CPU 的GMAC 均由CK-810-0 采集核進行控制,而需要交互的是CPU1-CK-810-1 啟動運算核和CPU2-CK-810-1 保護運算核,因此在這兩個核進行交互時,需要借助共享內存進行CK-810-1 與CK-810-0 的核間數據轉發。

保護運算核和啟動運算核之間交互的數據包括:SV 采樣值、SV 插值結果、保護核計算后的有效值、GOOSE 開入狀態、SV 鏈路狀態信息、GOOSE 鏈路狀態信息、告警信息、動作信息、保護核自檢信息、版本信息；啟動核傳給保護核,啟動核閉鎖信息、啟動信息、定值、軟壓板狀態。

(2)啟動運算核和系統管理核之間通信交互

系統管理核運行SylixOS 嵌入式實時操作系統,主要提供HMI 人機交互、IEC61850 通信、打印輸出等功能；啟動運算核對系統管理核提供測量、開入開出狀態、設定值等數據,因此需要實現CK-810-1 啟動運算核與2×CK-860 系統管理核之間的通信交互。

由于這兩個核在同一CPU 上,因此可以直接通過共享內存進行交互。核間通信需要傳輸的數據包括:測值、開關量狀態、壓板狀態、保護定值、系統參數、動作報告、告警報告、錄波數據等。

3 繼電保護軟硬件平臺應用

基于伏羲芯片的軟硬件平臺開發了220 kV 智能站母聯保護裝置。

220 kV 智能站母聯保護裝置硬件配置:由于該裝置僅需采集SV,無模擬量采集,因此無需模擬量采集板。此外CPU 板的通信接口已能滿足需求,因此無需通信板。所以該裝置硬件由電源板、CPU 板和前面板組成。

電源板輸入為110 V 或220 V 交直流電源,輸出到背板直流電源為5 V 和24 V,供給CPU 板和前面板。

CPU 板采用伏羲芯片自帶的EMAC 完成以太網通信接口。啟動CPU 采用3 個EMAC 口進行MMS 通信；保護CPU 采用1 個EMAC 口進行SV 通信,2 個EMAC 口進行GOOSE 通信。

220 kV 智能站母聯保護裝置軟件配置:在裝置配置信息工具中根據硬件資源與軟件需求配置定值、軟壓板和事件等。然后在圖形化開發工具中選用算法庫、元件庫、數據模型和保護控制邏輯資源進行失靈啟動、三相不一致保護、兩段相過流保護、兩端零序過流保護和充電保護等。生成邏輯功能模塊執行程序,再下裝到嵌入式核心支撐層,從而完成保護功能的開發。

對220 kV 智能站母聯保護裝置樣機進行功能測試和電磁兼容測試,如圖9 所示。

圖9 測試搭建圖

與基于T3pro 芯片開發的保護裝置相比,伏羲平臺開發的保護裝置在達到相同性能的前提下,裝置模件數更少、體積更小、成本更低。裝置的保護功能、通信功能和電磁兼容性能均測試合格。其關鍵指標如下:保護動作電流精度達到≤±5%或0.02 額定電流；保護動作延時精度達到≤±1%或40 ms；在多主站通信中支持≥16 個MMS 客戶端訪問鏈接和≥12 個報告實例；在網絡壓力測試中裝置無死機、重啟、面板死機現象,無異常報文。滿足保護類設備相關技術規范的要求。

4 總結

本文針對繼電保護裝置應用提出一種基于國產電力芯片——伏羲芯片的軟硬件平臺架構,依托于伏羲芯片CPU 功能強大、外設資源豐富、電力專用、自帶報文解析過濾功能的特點,以雙CPU(伏羲＋伏羲)架構的硬件平臺,支撐實現平臺的通信、對時、信息采集、信息交互等基本功能的同時,在SV/GOOSE 通信處理上節省了一塊FPGA 芯片。結合嵌入式實時操作系統,對多核處理器進行功能模塊劃分和軟件應用劃分,實現數據的高速交流和信息的高效管理。

利用本平臺,開發出了220 kV 智能站母聯保護裝置,實現了繼電保護裝置的小型化、芯片化,并且裝置也通過了第三方驗證,具備了入網資格,驗證了該軟硬件平臺的可行性。與同類裝置對比,在保證性能的前提下,裝置模件數更少、體積更小、成本更低。基于伏羲芯片的電力系統繼電保護裝置的成功研發及量產,對于國家電力能源和信息安全、工控領域科技自主可控具有重大意義。