基于μC／OS-II的開關量狀態(tài)監(jiān)視功能設計

劉世明，呼文強，王敬華，許志成，李森林，閆磊

（1.山東大學 電氣工程學院，濟南 250061；2.山東科匯電力自動化有限公司）

引 言

智能化的一次設備、網(wǎng)絡化的二次設備，以及IEC61850標準是智能變電站的3大核心特征[1]。在智能變電站中，一、二次設備之間的連接方式已經(jīng)由傳統(tǒng)變電站的電纜連接轉變?yōu)樽裱璉EC 61850－9－1、IEC 61850－9－2的采樣值報文和GOOSE報文的以太網(wǎng)傳輸方式，而且，模擬量和開關量的采集功能會下放到過程層實現(xiàn)[2－3]。其中，開關量的采集應該由智能一次設備來完成，但是鑒于目前一體化智能一次設備技術尚未成熟，在工程應用實踐中通常采用智能終端代替實現(xiàn)相應功能[4]。

根據(jù)《Q＿GDW 428－2010智能變電站智能終端技術規(guī)范》的規(guī)定，智能終端不僅應具有跳合閘功能、開關量采集功能，以及GOOSE報文的上傳和接收功能，還應實現(xiàn)在線監(jiān)測等高級應用[5－6]。針對開關量采集功能，該標準還要求其輸入點數(shù)可以靈活配置。

傳統(tǒng)的開關量處理通常在定時掃描中斷服務程序中實現(xiàn)。這種方法在采集開關量數(shù)量大、多開關量短時間內同時發(fā)生變位的情況下會對智能終端的實時性、多任務響應產(chǎn)生影響。針對上述問題，本文在對開關量處理的各個步驟（如采集、去抖動、SOE等）的實時性要求細化分析的基礎上，提出了一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS－II的實現(xiàn)方案。該方案大大簡化了采集中斷的任務量，即只進行開關量的采集和變位識別，而去抖動、SOE等實時性要求相對較低的步驟則放到優(yōu)先級較低的操作系統(tǒng)任務中實現(xiàn)，從而提高了對開關量采集中斷的響應速度，保證了整個系統(tǒng)的實時性能。

1 開關量狀態(tài)監(jiān)視功能分析

開關量的狀態(tài)監(jiān)視主要有兩個目的：一是記錄當前的狀態(tài)，如開關位置；二是記錄所發(fā)生的事件，供事后的事故分析。對于后者，常規(guī)變電站綜合自動化系統(tǒng)要求時間標記的分辨度是1ms。這個時標是否精確主要依賴于以下兩個方面：設備內部的時間精度和不同設備間時間同步的精度[7]。對于智能變電站，根據(jù)IEC 61850－5：2003標準，狀態(tài)量瞬時變化的檢測時間要求≤1ms[8]。

開關量信號的采集通常取自于觸點，而觸點經(jīng)常發(fā)生抖動，短時間的機械振動也會引起觸點的抖動。因此，開關量的狀態(tài)監(jiān)視功能還需要在不影響時標精度的前提下進行抖動處理。開關量抖動的處理方法主要有硬件去抖動和軟件去抖動兩種方式。

硬件去抖動是通過硬件電路完成開關量信號的去抖動，但這種方法無法記錄SOE時標。軟件去抖動主要是以第一次發(fā)生變位的時間為時標，在狀態(tài)穩(wěn)定并延時一段時間后觀察是否在變位狀態(tài)。如果在變位的狀態(tài)，則認為發(fā)生真正變位，記錄該時標和新狀態(tài)用于SOE記錄等功能；否則認為發(fā)生抖動[9]，軟件去抖動原理圖如圖1所示。

圖1 軟件去抖動原理圖

在工程應用中，傳統(tǒng)的處理方案是采用定時中斷或原理與之類似的定時任務來實現(xiàn)。參考文獻[10]提出了一種在定時掃描中斷服務程序中實現(xiàn)開關量去抖動的方案。參考文獻[11]提出了一種在定時器中斷中使用保存的開關量狀態(tài)進行邏輯判斷的軟件去抖方案。由于開關量的響應時間要求不大于1ms，因此中斷或任務的間隔也應不大于1ms。

上述方案在智能終端中的實現(xiàn)主要存在如下問題：在相對較短的時間間隔內，如果監(jiān)視的開關量數(shù)目較多，且短時間內發(fā)生變位的開關量也較多的情況下，裝置中斷的處理量會大大增加，從而占用較多的系統(tǒng)資源，以致影響對其他實時性要求更高的功能響應。解決這個問題的思路主要有：通過提高硬件運算速度來縮短中斷的執(zhí)行時間；縮減中斷服務程序的處理內容。雖然前者可以解決問題，但是如果被監(jiān)視開關量也要增加，裝置硬件可能因吞吐能力不足而被迫升級，從而增加了成本，浪費了資源。

通過對開關量狀態(tài)監(jiān)視的整個過程：采集、變位識別、去抖動、SOE記錄等的實時性分析可以發(fā)現(xiàn)，整個處理過程中只是采集和變位識別的實時性要求較高，其他步驟的要求相對較弱。因此，可以在開關量采集中斷服務程序中只實現(xiàn)開關量的采集與變位識別，其他步驟則在優(yōu)先響應其他較高實時性的任務后，利用系統(tǒng)空閑資源進行。這樣既實現(xiàn)了整個功能，又能保證整個系統(tǒng)的實時性。

2 設計方案

2.1 總體設計

根據(jù)上述分析，開關量的狀態(tài)監(jiān)視功能的應用環(huán)境是一個多任務多功能的環(huán)境，且系統(tǒng)應優(yōu)先響應實時性要求較高的功能或任務。對開關量的狀態(tài)監(jiān)視功能而言，根據(jù)實時性要求的高低，應該優(yōu)先響應開關量的采集與變位識別，其他步驟則在優(yōu)先級較低的任務中進行。因此，需要尋找一種機制實現(xiàn)多任務之間的調度，嵌入式操作系統(tǒng)可以提供較為理想的多任務調度實現(xiàn)方案。

其中，μC／OS－II是一個搶占式的實時多任務操作系統(tǒng)內核，具有簡單、高效、開源、易移植、可裁減性好等特點[12]。基于該操作系統(tǒng)的開關量的狀態(tài)監(jiān)視實現(xiàn)方案主要包含兩個部分：開關量接收中斷、開關量處理任務。中斷與任務之間的通信采用μC／OS－II的消息隊列功能。

（1）開關量接收中斷

該中斷接收新的開關量狀態(tài)數(shù)據(jù)并檢測，找出發(fā)生變位的開關量。這樣的設計大大減輕了中斷的運算負擔，增大了吞吐量，減少了中斷的處理時間，符合集中式保護的要求。

（2）開關量處理任務

開關量處理任務可以設計為定間隔任務。但是變電站在正常運行時開關量的變位并不經(jīng)常發(fā)生，定間隔任務會對系統(tǒng)資源造成浪費。而μC／OS－II的任務支持消息驅動，因此將任務設計為接收到新消息后啟動可節(jié)省系統(tǒng)資源。

任務從消息中獲取發(fā)生變位的開關量狀態(tài)信息并立即啟動去抖延時。延時過程中，任務掛起而不占用系統(tǒng)資源。延時結束后，根據(jù)抖動判斷是否真正變位，并由此決定是否啟動SOE等相關功能。如果同一開關量在去抖延時期間接收到變位消息，則重新開始延時并重復上述處理步驟。

針對短時間內多個開關量可能同時發(fā)生變位，且各個開關量的延時時間可以被用戶自定義的情況，本方案采用一個帶頭節(jié)點的靜態(tài)雙向鏈表來管理發(fā)生變位的開關量。這種鏈表避免了通過遍歷全部開關量狀態(tài)信息查找最短延時，而是只遍歷發(fā)生變位的開關量，從而減輕了程序運算量，提高了效率。同時，這種鏈表的管理操作也比較簡單。

2.2 開關量接收中斷設計

在開關量接收中斷中，由于開關量狀態(tài)信息以字為單位接收，每一個開關量的狀態(tài)占一個比特位，通過判斷每一個字前后是否一致即可檢測出是否有變位發(fā)生。如果不一致，則說明存在發(fā)生變位的開關量，此時需要記錄下該字的當前值及對應的時標等信息，然后將該信息以消息的形式發(fā)送給開關量處理任務，開關量采集中斷處理流程如圖2所示。

2.3 開關量處理任務設計

μC／OS－II提供的消息隊列功能函數(shù)中的等待消息函數(shù)OSQPend（）可以限時或無限時地等待消息，在消息隊列為空時將任務掛起，直到有新消息或等待超時恢復任務運行。因此，利用這個函數(shù)可以實現(xiàn)任務的新消息啟動和去抖動延時。不僅充分利用了操作系統(tǒng)的功能，而且延時的過程中還能始終保持對新消息的響應，保證了延時的有效性。

圖2 開關量采集中斷處理流程

圖3為開關量處理任務流程。在消息隊列中有新消息情況下，應逐一處理全部消息，找出發(fā)生變位的開關量，更新相應狀態(tài)信息中的內容，如上一次的抖動時標、上一次值、當前值等。特別的，如果是初次變位，還應該記錄初次變位時標、初始值等。然后，將該狀態(tài)信息結構體添加到負責管理變位開關量的雙向鏈表中。最后，遍歷鏈表查找需要延時的開關量中的最短延時，以便下一次循環(huán)調用OSQPend（）時啟動去抖延時。如果正在延時而被新消息打斷，在遍歷鏈表時就必須先重新計算雙向鏈表中所有等待延時的剩余時間，從而保證去抖延時的準確性。另外，對于遍歷鏈表時發(fā)現(xiàn)延時已完成的情況也應處理，從而使邏輯更加準確。

圖3 開關量處理任務流程

在等待超時即去抖延時完成情況下，應遍歷雙向鏈表，找到延時已完成的開關量，并判斷該開關量是否發(fā)生真正變位。如果真正變位，則記錄開關量編號、初始變位時標等信息，以用于事件順序記錄或其他相關功能。最后，將該延時完成開關量狀態(tài)信息結構體從雙向鏈表中刪除。另外，查找延時已完成開關量的同時，也應該找出延時未完成開關量中的最短延時以啟動下一次循環(huán)的去抖延時。

如果遍歷鏈表時進行了刪除操作，則在遍歷鏈表后應判斷鏈表是否為空。如果為空，則將OSQPend（）的延時參數(shù)置0，即在下一次循環(huán)時進入到無限時的等待消息模式。

2.4 數(shù)據(jù)結構設計

2.4.1 狀態(tài)信息記錄結構體

本方案為每個被監(jiān)視開關量建立一個狀態(tài)信息記錄結構體，保存當前值、前一次值、變位前值、當前狀態(tài)、初始變位時標、上一次變位時標等信息。

2.4.2 帶頭節(jié)點的靜態(tài)雙向鏈表

在狀態(tài)信息記錄結構體基礎上，每個結構體增加兩個指針并增加一個只帶雙向指針的空結構體作為頭節(jié)點就可以構建這種鏈表。鏈表的管理操作，如向頭部增加節(jié)點、刪除節(jié)點、遍歷鏈表等如圖4所示。鏈表的主要操作有向頭部增加節(jié)點k、刪除節(jié)點j，以及遍歷鏈表等，只需對節(jié)點的雙向指針操作即可編程實現(xiàn)。

圖4 雙向鏈表操作示意圖

3 性能測試與分析

開關量狀態(tài)監(jiān)視功能的性能主要體現(xiàn)在去抖動可靠性和響應時間兩方面。因此對本設計方案的性能進行了如下測試。

（1）去抖動性能測試

通過模擬開關發(fā)生抖動或變位時的采樣波形，測試本方案對抖動尤其是多次反復抖動的識別能力。表1給出了測試采用的開關量的采樣波形及測試結果?？梢钥闯?，本方案可以準確地識別開關的抖動，尤其是初次變位發(fā)生后，在小于去抖延時時間Td內，再次發(fā)生變位的多次反復抖動情況。結果證明去抖動可靠性良好。

（2）響應時間測試

為了測試本方案的時間響應性能，測試模擬了對256（16×16）路開關量的狀態(tài)監(jiān)視情況。所有開關量的去抖延時均定義為20ms。大量開關量同時發(fā)生變位時本方案的平均最大響應時間如表2所列?？梢钥闯觯弘S著發(fā)生變位的開關量數(shù)目的增多，平均最大響應時間逐漸增大。但是相較傳統(tǒng)方案而言，本方案的響應時間大大縮短。

表1 去抖動性能測試結果

表2 響應時間測試結果

結 語

本方案已在一個具有開關量狀態(tài)監(jiān)視功能需求的智能變電站IED裝置研發(fā)項目中得到了應用。通過應用本方案，該裝置可以實現(xiàn)對全站開關量的狀態(tài)監(jiān)視，且SOE準確可靠。

本方案可以實現(xiàn)對變電站全部或部分開關量的狀態(tài)監(jiān)視。當故障發(fā)生時可以記錄開關狀態(tài)的變化及精確時標。通過與故障錄波、相量測量等的配合，可以為故障信息綜合分析決策提供更多分析依據(jù)。

通過對開關量的狀態(tài)監(jiān)視，可以獲取所有開關的抖動數(shù)據(jù)，進而可以統(tǒng)計開關的抖動頻率、抖動持續(xù)的時間等數(shù)據(jù)，為工作人員及時發(fā)現(xiàn)開關潛在的電磁故障、機械故障或回路故障等問題提供了重要參考數(shù)據(jù)。同時，通過可方便獲得的開關分閘的持續(xù)時間和電弧電流數(shù)據(jù)可以計算出開關的切斷電流容量，從而為開關的運行狀態(tài)評估提供重要參考依據(jù)，為實現(xiàn)智能變電站設備狀態(tài)的可視化、狀態(tài)檢修，以及今后要實現(xiàn)的變電站全周期管理提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

[13]提出了一種采用A／D轉換獲取開關觸點回路的直流電壓，從而快速、可靠地識別觸點抖動、開關切換感應瞬態(tài)、觸點氧化程度，以及直流電源的接地故障等算法。對比參考文獻[13]，本方案不僅處理速度和可靠性可以進一步改善，而且功能可以擴展的更豐富，為實現(xiàn)設備狀態(tài)的可視化及故障檢測等應用提供更多技術支持。

參考文獻

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