面向中低壓系統(tǒng)保護(hù)的嵌入式軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

仲 偉，李亞鋒

（江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100）

近年來(lái)，國(guó)外知名電力自動(dòng)化廠商如ABB、SIEMENS等公司，相繼開(kāi)發(fā)出基于高速高性能微控制器（MCU）/數(shù)字信號(hào)處理（DSP）硬件平臺(tái)，并應(yīng)用通用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)和保護(hù)邏輯組態(tài)等可視化、平臺(tái)化技術(shù)，開(kāi)發(fā)高性能的電力自動(dòng)化嵌入式產(chǎn)品。如最新推出的SIEMENS第四代保護(hù)控制單元SIPROTEC 4及ABB公司的IED670系列智能化微機(jī)保護(hù)和控制裝置，代表著國(guó)外最新的技術(shù)水平。電力自動(dòng)化嵌入式軟硬件開(kāi)發(fā)向模塊化、插件化、可視化、平臺(tái)化的方向發(fā)展已成為國(guó)外現(xiàn)代電力自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，而國(guó)內(nèi)主要廠家的產(chǎn)品尚未完全掌握該先進(jìn)技術(shù)。文中介紹了一種以雙CPU （DSP+隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ARM））為硬件架構(gòu)的系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并在此硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了支持圖形化編程的繼電保護(hù)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該軟件平臺(tái)基于穩(wěn)定可靠的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，并采用模塊化、元件化的設(shè)計(jì)理念，以可視化的邏輯框圖替代傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言[1-4]，從而簡(jiǎn)化繼電保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)

1.1 統(tǒng)一的硬件平臺(tái)

盡管面向中低壓系統(tǒng)的保護(hù)裝置其功能各不相同，應(yīng)用環(huán)境也千差萬(wàn)別，但其輸入輸出基本一致，不外乎模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、指示燈、通信接口等；同時(shí)其對(duì)裝置的基本功能要求也是相同的，例如錄波功能、設(shè)定值存儲(chǔ)、看門(mén)狗等。而各種不同類(lèi)型的裝置只是其內(nèi)部繼電保護(hù)算法不一樣，以及對(duì)模擬量輸入類(lèi)型與數(shù)量、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出的數(shù)量、通信接口類(lèi)型有一定差別。

因此，可以將各種保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一，而將各裝置需求不同的部分以插件的方式提供，例如模擬量輸入插件、開(kāi)關(guān)量輸入插件、開(kāi)關(guān)量輸出插件和通信插件等。硬件平臺(tái)統(tǒng)一可以有效簡(jiǎn)化裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程，大大降低采購(gòu)和生產(chǎn)成本以及后期維護(hù)成本。

1.2 統(tǒng)一的軟件平臺(tái)

隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，繼電保護(hù)軟件開(kāi)發(fā)向著模塊化、平臺(tái)化的方向發(fā)展已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。軟件平臺(tái)的統(tǒng)一化可以大大縮短裝置的開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

1.3 軟件與硬件分離

電力系統(tǒng)的保護(hù)裝置的軟件功能基本固定，微機(jī)保護(hù)原理經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展也已經(jīng)基本成熟，保護(hù)裝置的升級(jí)換代也主要是硬件系統(tǒng)的升級(jí)，因此為了便于以后硬件升級(jí)后的盡量復(fù)用，提高軟件系統(tǒng)的可移植性，需要使該軟件系統(tǒng)將硬件無(wú)關(guān)的部分和硬件有關(guān)的部分隔離，從而提高軟件系統(tǒng)的生命周期。

1.4 可視化、圖形化的應(yīng)用開(kāi)發(fā)

采用可視化、圖形化編程技術(shù)可以極大地提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率，其透明化設(shè)計(jì)思想，使用戶容易理解和維護(hù)，有效降低出錯(cuò)率，提高了軟件可靠性。需要給裝置應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員提供一套圖形化的開(kāi)發(fā)工具，方便在本軟硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用性開(kāi)發(fā)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，用戶對(duì)保護(hù)功能要求越來(lái)越高，保護(hù)原理越來(lái)越完善，同時(shí)為便于事故后分析，報(bào)告、故障電量等信息要求越來(lái)越詳細(xì)，以求確切地感知不同階段保護(hù)的響應(yīng)行為，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信和以太網(wǎng)通信的要求不斷提高。

上述種種原因決定了目前的單CPU結(jié)構(gòu)不能很好地滿足實(shí)際需求，鑒于此設(shè)計(jì)了雙CPU（DSP+ARM）結(jié)構(gòu)[5-7]，系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖 1所示。

硬件平臺(tái)系統(tǒng)主要包括兩部分：基于ADI公司的Blackfin系列BF536 DSP的保護(hù)單元和基于Atmel公司的AD91RM9200 ARM的管理單元。保護(hù)單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、保護(hù)計(jì)算、故障判斷和產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)；管理單元負(fù)責(zé)人機(jī)接口和各種通信功能；2個(gè)CPU單元之間以雙口RAM進(jìn)行通信交互。

2.2 保護(hù)單元的設(shè)計(jì)方案

保護(hù)單元主要由 BF536、CPLD、FLASH、RAM、EEPROM、A/D等器件組成。BF536處理器是ADI公司推出的Blackfin系列DSP處理器的成員之一，主頻高達(dá)400 MHz，它集高性能的數(shù)字信號(hào)處理器與微控制器于一身，從芯片結(jié)構(gòu)的變革性設(shè)計(jì)上支持密集的控制代碼和快速的DSP代碼，芯片內(nèi)置的100 K靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）可用于存放代碼和數(shù)據(jù)，內(nèi)部提供2路UART、1路SPI、8個(gè)定時(shí)器以及48個(gè)通用輸入/輸出 （GPIO），同時(shí)還能支持SDRAM存儲(chǔ)器。BF536的諸多特性增加了設(shè)計(jì)的靈活性，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

CPLD選用Lattice公司的LC4128V，主要用來(lái)擴(kuò)展DSP的I/O接口和控制A/D定時(shí)采樣。開(kāi)入插件采集到的開(kāi)關(guān)量狀態(tài)通過(guò)CPLD提供給DSP進(jìn)行讀取，同時(shí)DSP置出的開(kāi)出狀態(tài)也通過(guò)CPLD控制開(kāi)出插件上對(duì)應(yīng)的繼電器。

A/D轉(zhuǎn)換器件選用ADI公司的AD7656，它在芯片內(nèi)集成了單芯片內(nèi)集成了6個(gè)16位、快速、低功耗、逐次逼近型應(yīng)用數(shù)據(jù)中心（ADC），在本平臺(tái)中，應(yīng)用了3片AD7656，這樣就可以實(shí)現(xiàn)最大18路模擬量通道的同步采樣。A/D轉(zhuǎn)換的譯碼、定時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)等功能完全由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了印制版的設(shè)計(jì)，提高了電路設(shè)計(jì)的靈活性，又簡(jiǎn)化了程序軟件的邏輯設(shè)計(jì)。

從而在保證采樣高可靠性的同時(shí)，節(jié)省了DSP的處理時(shí)間。

在DSP的外部總線上直接掛載的1 MB Flash用于存儲(chǔ)DSP執(zhí)行代碼，2 MB SDRAM用于擴(kuò)展DSP的外部代碼和數(shù)據(jù)空間。

64 K的EEPROM通過(guò)DSP通過(guò)集成的SPI總線進(jìn)行訪問(wèn)，主要用于存儲(chǔ)定值、軟壓板、事件順序記錄系統(tǒng)（SOE）報(bào)告等需要掉電保持的數(shù)據(jù)；同時(shí)EEPROM也為DSP提供看門(mén)狗功能。

2.3 管理單元的設(shè)計(jì)方案

管理單元主要由 AT91RM9200、SDRAM、FLASH、液晶、鍵盤(pán)、指示燈電路、以太網(wǎng)模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線模塊構(gòu)成。

ATMEL公司的AT91RM9200是本單元的核心部件，它是一款基于ARM920T核的32位微控制器，其主頻為180 MHz，處理速度快、功能強(qiáng)、性價(jià)比高，能很好滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需求。

本單元除ARM芯片內(nèi)置提供的一路以太網(wǎng)外，還通過(guò)DM9000以太網(wǎng)芯片外擴(kuò)了兩路以太網(wǎng)，這樣裝置將可提供三路10/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)除了可以提供RJ45接口，也可以光口的方式提供，從而可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用要求。以太網(wǎng)模塊以插件方式提供。

現(xiàn)場(chǎng)總線模塊也以插件方式提供，可選擇由16C554芯片外擴(kuò)的兩路RS485串口，或兩路由SJ1000A芯片擴(kuò)展的串行通信協(xié)議（CAN）接口，又或兩路由VPC3+C芯片擴(kuò)展的Profibus總線接口。裝置可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口的要求提供不同的現(xiàn)場(chǎng)總線插件，提高裝置的適用性。

管理單元還通過(guò)外部總線掛載了液晶顯示模塊和按鍵模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面（HMI）的人機(jī)交互功能。此外，外部總線上掛載的2片4 MB Flash分別用來(lái)存儲(chǔ)ARM側(cè)的執(zhí)行程序和電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式（COMTRADE）錄波文件數(shù)據(jù)。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件平臺(tái)架構(gòu)

基于DSP+ARM的雙CPU硬件架構(gòu)，設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)的架構(gòu)圖如圖2所示。

軟件系統(tǒng)主要包括以下3個(gè)主要組成部分。

（1）運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

（2）運(yùn)行于裝置保護(hù)單元（DSP部分）的嵌入式核心支撐層。

（3）運(yùn)行于裝置管理單元（ARM部分）的嵌入式輔助系統(tǒng)層。

3.2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行于Windows平臺(tái)，是本軟件平臺(tái)的核心組成部分。繼電保護(hù)開(kāi)發(fā)人員通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行建模，配置硬件資源，通過(guò)圖形化的開(kāi)發(fā)工具繪制保護(hù)邏輯圖，并生成邏輯功能模塊執(zhí)行程序以及保存裝置建模數(shù)據(jù)的XML文件。

該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包括以下4個(gè)主要軟件模塊。

（1）裝置信息配置工具：該工具基于面向?qū)ο蟮脑瓌t對(duì)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并配置裝置需要用到的各種硬件資源。

（2）電力應(yīng)用算法元件：將一些經(jīng)典的繼電保護(hù)功能或算法進(jìn)行功能劃分，然后將每個(gè)劃分好的功能或算法封裝成一系列獨(dú)立的元件[8]，在裝置開(kāi)發(fā)時(shí)可以將這些元件任意組合，靈活使用，只要配置好元件對(duì)應(yīng)的輸入和輸出，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

（3）圖形化編程開(kāi)發(fā)工具：該工具將繼電保護(hù)編程的過(guò)程用圖形的方式表示出來(lái),也就是說(shuō)原先用手工編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的保護(hù)邏輯功能現(xiàn)在用圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)[9-11]。用戶只需選擇合適的電力應(yīng)用算法元件，通過(guò)連接線將這些元件的輸入與輸出按照一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)，從而構(gòu)造出保護(hù)控制功能和數(shù)據(jù)流，即可一臺(tái)繼電保護(hù)裝置邏輯部分的開(kāi)發(fā)。

（4）邏輯編譯器：邏輯編譯器是將圖形化編程開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)的邏輯圖編譯轉(zhuǎn)換為邏輯功能模塊，同時(shí)將信息配置工具保存的裝置建模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XML格式文件的工具。

3.3 嵌入式核心支撐層

嵌入式核心支撐層運(yùn)行于裝置的保護(hù)單元DSP上，基于μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)開(kāi)發(fā)[12]，為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)出來(lái)的保護(hù)邏輯執(zhí)行程序提供較底層的核心支持，同時(shí)也完成保護(hù)裝置正常運(yùn)行所需要的一些基本功能。

嵌入式核心支撐層與邏輯功能模塊相對(duì)獨(dú)立，邏輯功能模塊是用于實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的一塊獨(dú)立的可執(zhí)行代碼段，其正常運(yùn)行需要支撐層的支持。邏輯功能模塊運(yùn)行時(shí)的輸入數(shù)據(jù)由支撐層提供，例如各通道采樣值、當(dāng)前開(kāi)入狀態(tài)、定值、設(shè)置、外部命令等重要信息；同時(shí)邏輯功能模塊的計(jì)算結(jié)果也需要通過(guò)支撐平臺(tái)反應(yīng)到裝置，例如跳閘指令、遙測(cè)計(jì)算結(jié)果、開(kāi)出狀態(tài)等；并且保護(hù)邏輯功能模塊的各保護(hù)邏輯的運(yùn)行，都是通過(guò)支撐層對(duì)其的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.4 嵌入式輔助系統(tǒng)層

嵌入式輔助層運(yùn)行于裝置的管理單元ARM上，基于VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[13]，主要用于完成HMI人機(jī)交互、現(xiàn)場(chǎng)總線通信、以太網(wǎng)通信等任務(wù)。

對(duì)于不同類(lèi)型的保護(hù)裝置，有不同的裝置建模數(shù)據(jù)XML文件，而嵌入式輔助系統(tǒng)層軟件都是一樣的。XML文件通過(guò)特定工具固化到管理單元側(cè)的FLASH中，裝置上電，嵌入式輔助系統(tǒng)層軟件啟動(dòng)后，首先讀取并解析XML文件，獲取裝置建模數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為自己可識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存到RAM中，方便以后各功能模塊的調(diào)用。根據(jù)不同的裝置建模數(shù)據(jù)，輔助系統(tǒng)層會(huì)重新組織液晶顯示界面，以及通信所用的信息點(diǎn)表。液晶顯示和通信所用到裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)都通過(guò)內(nèi)部通信任務(wù)從保護(hù)單元讀取過(guò)來(lái)。

4 平臺(tái)在中低壓保護(hù)中的應(yīng)用

4.1 裝置硬件部分設(shè)計(jì)

該硬件平臺(tái)已經(jīng)設(shè)計(jì)并統(tǒng)一了保護(hù)裝置大部分的硬件，針對(duì)特定的保護(hù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，只需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的插件即可，包括以下幾部分。

（1）模擬量插件：根據(jù)保護(hù)裝置應(yīng)用的模擬量輸入要求，例如各模擬量通道的類(lèi)型是交流電流、交流電壓或者是直流，以及模擬量通道的數(shù)量。

（2）開(kāi)入插件：根據(jù)保護(hù)應(yīng)用開(kāi)關(guān)量輸入應(yīng)用要求,例如需要的開(kāi)入個(gè)數(shù)以及開(kāi)入的電壓等級(jí)。

（3）開(kāi)出插件：根據(jù)保護(hù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)量輸出應(yīng)用要求，例如開(kāi)出的個(gè)數(shù)和類(lèi)型。

（4）現(xiàn)場(chǎng)總線插件：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)以及用戶對(duì)裝置現(xiàn)場(chǎng)總線通信的選擇，例如現(xiàn)場(chǎng)總線的類(lèi)型（CAN/RS485/Profibus等）和需要提供的通信接口數(shù)量。

（5）以太網(wǎng)插件：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)以及用戶對(duì)裝置以太網(wǎng)通信要求，例如以太網(wǎng)接口的數(shù)量，連接方式（RJ45 或光纖）。

根據(jù)需要，設(shè)計(jì)出以上各插件，即完成了保護(hù)裝置硬件部分的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。

4.2 裝置軟件部分設(shè)計(jì)

對(duì)于不同的保護(hù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，嵌入式核心支撐層和嵌入式輔助系統(tǒng)層的軟件都是一樣的，由軟件平臺(tái)提供，所不同的就是針對(duì)不同的裝置硬件插件和保護(hù)邏輯利用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)出來(lái)的邏輯功能模塊以及裝置建模數(shù)據(jù)XML文件。

以35 kV的變壓器主保護(hù)開(kāi)發(fā)為例，首先在裝置信息配置工具中配置設(shè)計(jì)好的硬件資源（模擬量、開(kāi)入、開(kāi)出等），以及保護(hù)所用到的定值、軟壓板、事件等；然后在圖形化編程開(kāi)發(fā)工具中利用各種電力應(yīng)用算法元件搭建差動(dòng)速斷保護(hù)、比例差動(dòng)保護(hù)、電流互感器（TA）斷線邏輯、差流越限告警邏輯等，從而繪制好變壓器保護(hù)的保護(hù)邏輯圖；最后通過(guò)邏輯編譯器對(duì)搭建好的邏輯圖進(jìn)行編譯，最終生成變壓器主保護(hù)對(duì)應(yīng)的邏輯功能模塊執(zhí)行程序和XML裝置建模數(shù)據(jù)文件。將邏輯功能模塊執(zhí)行程序下裝到嵌入式核心支撐層，將XML文件下裝到嵌入式輔助系統(tǒng)層，重啟裝置，即完成了變壓器主保護(hù)的開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種新型的面向中低壓系統(tǒng)應(yīng)用的繼電保護(hù)軟硬件平臺(tái)，并介紹了該軟硬件平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)方案。利用本平臺(tái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種產(chǎn)品，包括系列化的針對(duì)35 kV及以下電壓等級(jí)的繼電保護(hù)裝置，包括線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等，均已通過(guò)了國(guó)家指定實(shí)驗(yàn)室的型式試驗(yàn)，并已開(kāi)始推向市場(chǎng)。

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