基于嵌入式PLC軟核的通用保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 瑋,田錄林，張永良，崔葛安，楊 蕓

(1.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710049；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710049)

0 引言

微機(jī)保護(hù)不但在快速、靈敏等方面達(dá)到和超過(guò)了傳統(tǒng)的保護(hù)裝置，而且其智能化的特點(diǎn)日益突出[1]。然而自微機(jī)型繼電保護(hù)裝置誕生以來(lái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直都是面向處理器的，硬件平臺(tái)的通用性差，上層應(yīng)用程序可移植性弱，缺乏開(kāi)放性、重用性和互操作性。這樣會(huì)帶來(lái)兩個(gè)方面的問(wèn)題：首先，當(dāng)硬件改變時(shí)，常常需要將系統(tǒng)在新的硬件上重新設(shè)計(jì)[2]。其次，保護(hù)裝置的功能可配置性弱，用戶(hù)基本不能對(duì)裝置所具備的保護(hù)功能進(jìn)行選擇和配置。

平臺(tái)化設(shè)計(jì)是解決上述問(wèn)題的一個(gè)方案。簡(jiǎn)單地說(shuō)，平臺(tái)化設(shè)計(jì)就是基于微處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力，配備以充足和靈活的外圍標(biāo)準(zhǔn)硬件，形成適合于電力系統(tǒng)控制和保護(hù)需要的專(zhuān)用微計(jì)算機(jī)[3]。同時(shí)，如果在應(yīng)用層采用可配置性較強(qiáng)的PLC 完成各保護(hù)功能，則用戶(hù)可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置保護(hù)功能的選擇，保護(hù)對(duì)象改變時(shí)，只需要重新使用PLC 編程語(yǔ)言對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行配置便可。

為此，本文提出了一種基于嵌入式PLC 軟核心的通用保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，在以ARM9200 芯片為核心的硬件平臺(tái)上建立PLC 軟核運(yùn)行環(huán)境。在PLC上位機(jī)編譯環(huán)境中使用結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言（Structure Text，后文簡(jiǎn)稱(chēng)ST 語(yǔ)言）對(duì)各類(lèi)保護(hù)功能進(jìn)行編譯和封裝。10 kV 電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用廣泛，地位重要[4]，故本文選取10 kV 交流異步電機(jī)為被保護(hù)對(duì)象對(duì)通用保護(hù)平臺(tái)性能進(jìn)行測(cè)試。

1 PLC 軟核概述及設(shè)計(jì)可行性

PLC 軟核技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要在于編輯、編譯和執(zhí)行 3 個(gè)部分，編輯和編譯在上位機(jī)編譯環(huán)境中完成，編譯鏈接成為IEC－IL 語(yǔ)言向下位機(jī)裝置下載執(zhí)行。而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則為本文所指的PLC 軟核，可以作為獨(dú)立任務(wù)嵌入到保護(hù)裝置中。

PLC 的上位機(jī)編譯環(huán)境主要完成：采用IEC61131-3(梯形圖、功能塊圖、順序功能圖或結(jié)構(gòu)化文本)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言；采用雙向圖分析或有限自動(dòng)機(jī)進(jìn)行編譯生成中間語(yǔ)言；上位機(jī)調(diào)試界面命令傳遞和邏輯代碼編程語(yǔ)言反編譯定位。

嵌入保護(hù)裝置的PLC 軟核主要實(shí)現(xiàn)：執(zhí)行引擎采用“虛擬機(jī)”解釋執(zhí)行，與具體硬件脫離；輸入、輸出和虛擬機(jī)之間內(nèi)部數(shù)據(jù)的交換；保護(hù)邏輯中間數(shù)據(jù)和虛擬機(jī)中間數(shù)據(jù)交換；調(diào)試命令的處理和虛擬機(jī)的狀態(tài)跟蹤[5]。

將PLC軟核技術(shù)應(yīng)用到110 kV以下配網(wǎng)系統(tǒng)，主要需要考慮故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作特性是否滿(mǎn)足要求，主要是從速動(dòng)性、靈敏性和可靠性三個(gè)方面考慮[6]。

1）保護(hù)速動(dòng)性：隨著硬件運(yùn)算速度的提高，本文所采用的ARM9200 芯片在180 MHz 主頻時(shí)，指令運(yùn)行速度高達(dá)每秒2 億條指令，PLC 軟核心全部指令執(zhí)行一遍的時(shí)間可以有效的控制在微秒級(jí)，這樣的執(zhí)行速度是可以滿(mǎn)足配網(wǎng)保護(hù)對(duì)動(dòng)作延時(shí)的要求的。

2）保護(hù)可靠性：動(dòng)作可靠性是考量保護(hù)裝置性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。各類(lèi)保護(hù)邏輯最終是以與、或、非的邏輯關(guān)系表述的，PLC 軟核繼承了傳統(tǒng)可編程邏輯控制器指令執(zhí)行嚴(yán)密，抗干擾能力好的特性。只要所依托的硬件平臺(tái)EMC 性能可靠，PLC軟核執(zhí)行保護(hù)任務(wù)時(shí)的可靠性是有保障的。

3）保護(hù)靈敏性：保護(hù)的靈敏性強(qiáng)調(diào)保護(hù)裝置對(duì)故障的反應(yīng)準(zhǔn)確性。通過(guò)通用平臺(tái)對(duì)電氣量的精確測(cè)量和PLC 軟核嚴(yán)格的邏輯執(zhí)行能力可以有效地確保裝置對(duì)故障的準(zhǔn)確判斷和正確反應(yīng)。

通過(guò)以上分析，使用PLC 軟核技術(shù)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)保護(hù)具有很高的可行性。

2 通用平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出的以PLC 軟核為核心的保護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路，具體是指將所有可能用到的保護(hù)功能在PLC 上位機(jī)編譯環(huán)境中進(jìn)行編輯、封裝成功能模塊。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的實(shí)際需要選擇相應(yīng)的保護(hù)功能模塊，鏈接生成中間語(yǔ)言，并下載到PLC 軟核中執(zhí)行。通用平臺(tái)應(yīng)該滿(mǎn)足110 kV 以下配網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算速度、運(yùn)行穩(wěn)定性、IO 接口數(shù)量的要求。結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研和課題組自身科研水平，本文采用基于A(yíng)T91RM9200 芯片的硬件平臺(tái)，通用平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)可以分為CPU 最小系統(tǒng)、外部接口模塊、通信模塊。

1）CPU 最小系統(tǒng)：采用ARM9200 芯片配以MT48LC16M 型號(hào)SDRAM 以及SST39VF3201 型號(hào)NOR 型FLASH 組成CPU 最小系統(tǒng)，外設(shè)鐵電存儲(chǔ)器FM3116 實(shí)現(xiàn)掉電非易失存儲(chǔ)。

2）交流信號(hào)測(cè)量：傳統(tǒng)由電磁式互感器組成的電氣測(cè)量系統(tǒng)將模擬量送入保護(hù)裝置，采樣在內(nèi)部進(jìn)行[7]。保護(hù)所需要的相關(guān)電壓、電流信號(hào)由外設(shè)的采樣芯片進(jìn)行采樣，并設(shè)二階低通濾波器用于濾波，由數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波后完成傅里葉變換，提取波形基波和各次諧波作為保護(hù)判據(jù)。

3）開(kāi)關(guān)量信號(hào)I/O 接口：完成對(duì)外圍開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出。均采用符合國(guó)標(biāo)要求的參數(shù)設(shè)計(jì)。

4）通信模塊：通信模塊完成遠(yuǎn)方通信功能，采用TCP/IP 通信協(xié)議，應(yīng)用層使用Modbus 協(xié)議。

由此，得出通用平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。出于平臺(tái)通用性考慮，對(duì)于開(kāi)關(guān)量和電壓、電流信號(hào)接口的數(shù)量應(yīng)具備較高的靈活配置能力。因?yàn)楸疚牟捎帽嘲蹇偩€(xiàn)結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)量板、交流輸入板均可以根據(jù)對(duì)保護(hù)對(duì)象的接口端子數(shù)量要求進(jìn)行增減。開(kāi)關(guān)量信號(hào)最大支持150路開(kāi)關(guān)量輸入，20路繼電器輸出。交流信號(hào)接口最大支持9 路電流信號(hào)和6 路電壓信號(hào)，可以滿(mǎn)足配網(wǎng)設(shè)備保護(hù)的主要接口要求。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

通用平臺(tái)的外部接口輸入、輸出均應(yīng)按照配電網(wǎng)綜合保護(hù)要求的最快反應(yīng)速度設(shè)計(jì)，以確保保護(hù)平臺(tái)可以滿(mǎn)足各類(lèi)配網(wǎng)保護(hù)對(duì)接口反應(yīng)速度的要求。

3 嵌入式PLC 軟核設(shè)計(jì)

3.1 OpenPCS PLC 軟核解讀

本文所使用的Infoteam 公司的OpenPCS 系列PLC 軟核分為上位機(jī)編譯環(huán)境和下位機(jī)解釋核心兩部分。PLC 語(yǔ)言在上位機(jī)編譯環(huán)境中進(jìn)行編寫(xiě)，編譯器將PLC 語(yǔ)言編譯標(biāo)準(zhǔn)IEC-IL 代碼準(zhǔn)備向下位機(jī)下載。與下位機(jī)軟核的通信方式包括RS232 串行通信和使用TCP/ip 協(xié)議的以太網(wǎng)通信兩種。

OpenPCS 的編譯器是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的前后端編譯環(huán)境。其前端編譯器（CFE）完成對(duì)編輯器內(nèi)的PLC語(yǔ)言的語(yǔ)法檢查、語(yǔ)法校驗(yàn)、生成錯(cuò)誤提示信息，最終向后端編譯器（CBE）提供內(nèi)部IEC－IL 中間代碼。

下位機(jī)軟核將接收到的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行組合成為完整的信息段，然后內(nèi)核解釋器將其解釋成為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器代碼得以執(zhí)行。由此構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的PLC 編譯執(zhí)行環(huán)境。PLC 編碼器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PLC 編譯器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 PLC compiler structure

3.2 OpenPCS PLC 軟核移植

下位機(jī)軟件包分為PLC 軟核和端口程序兩部分。實(shí)際代碼量為124 K，其中PLC 軟核部分為119 K，端口程序?yàn)? K。向ARM9200 平臺(tái)的移植過(guò)程主要是完成三部分的工作：通信接口（RS232）的編寫(xiě)，數(shù)字及模擬量I/O 接口的編寫(xiě)和代碼存儲(chǔ)讀取接口編寫(xiě)。

3.2.1 RS232串行通信接口程序編寫(xiě)

在本裝置中，使用AT91RM9200處理器的調(diào)試串口（DBUG）作為與OpenPCS上位機(jī)進(jìn)行通信的接口。串口驅(qū)動(dòng)程序在OpenPCS下位機(jī)軟件端口程序部分的Ser.c文件中實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 數(shù)字及模擬量I/O接口的編寫(xiě)

OpenPCS 軟件系統(tǒng)定義了一套 I/O 映射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)PLC軟核的I/O量與實(shí)際物理I/O量，以及上位機(jī)操作信號(hào)的關(guān)聯(lián)。靈活的映射機(jī)制也構(gòu)成了嵌入式PLC軟核的一個(gè)主要特性。

定義映射區(qū)主要是通過(guò)PLC軟核程序中提供的1個(gè)全局指針pProcImgSeg_p，其指向I/O 映像變量區(qū)起始地址，通過(guò)功能函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)映射區(qū)的初始化、完成輸入?yún)^(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、PLC軟核輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)出。圖3所示為完成移植后由在線(xiàn)編譯環(huán)境向PLC軟核下載程序的界面。

圖3 PLC編譯環(huán)境Fig.3 PLC compiler environment

4 配網(wǎng)通用保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

在使用ST 語(yǔ)言封裝各保護(hù)功能模塊時(shí)，主要需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。

1)時(shí)間響應(yīng)速度。差動(dòng)速斷保護(hù)要求在故障發(fā)生幾十個(gè)毫秒內(nèi)發(fā)出跳閘信號(hào)。對(duì)響應(yīng)速度的要求非常高。因此保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮執(zhí)行速率的問(wèn)題。

2)延時(shí)時(shí)間準(zhǔn)確性。各類(lèi)保護(hù)都會(huì)用到延時(shí)功能，延時(shí)的準(zhǔn)確性也是考查保護(hù)性能的主要指標(biāo)。

3)動(dòng)作的可靠性。裝置需要對(duì)電磁干擾有很好的抵抗能力，避免因?yàn)楦蓴_而造成保護(hù)誤動(dòng)作。

110 kV 及以下配網(wǎng)綜合保護(hù)功能主要包括：變壓器保護(hù)、母線(xiàn)保護(hù)、線(xiàn)路保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)、電抗器保護(hù)、串聯(lián)補(bǔ)償裝置保護(hù)等。需要實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能包括：差動(dòng)保護(hù)、三段過(guò)流保護(hù)、零序電壓保護(hù)、反時(shí)限保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、充電保護(hù)模塊、過(guò)電壓欠電壓、阻抗保護(hù)、距離保護(hù)、復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)、重合閘等。上述保護(hù)均可以通過(guò)ST 語(yǔ)言完成封裝，以零序電壓保護(hù)為例，簡(jiǎn)要的ST 語(yǔ)言程序流程圖可如圖4所示。

圖4 零序電壓保護(hù)程序流程圖Fig.4 Flow chart of zero-sequence voltage protection

本文分別對(duì)上述保護(hù)保護(hù)功能模塊進(jìn)行編寫(xiě)并封裝為功能模塊，如圖5所示。在針對(duì)具體的被保護(hù)對(duì)象進(jìn)行配置時(shí)可以對(duì)上述保護(hù)功能模塊進(jìn)行組合。下面就面向各種配網(wǎng)保護(hù)對(duì)象的保護(hù)模塊組成做以描述。

圖5 三段過(guò)流保護(hù)功能模塊封裝Fig.5 Three-section over-current protection function module wrapping

1）變壓器保護(hù)：差動(dòng)保護(hù)模塊、過(guò)流保護(hù)模塊、阻抗保護(hù)模塊、零序電壓保護(hù)模塊、復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)模塊。

2）母線(xiàn)保護(hù)：差動(dòng)保護(hù)模塊、充電保護(hù)模塊、復(fù)壓閉鎖過(guò)流保護(hù)。

3）線(xiàn)路保護(hù)：三段過(guò)流保護(hù)模塊、距離保護(hù)模塊、零序電壓保護(hù)模塊、重合閘。

4）電抗器保護(hù)：差動(dòng)保護(hù)模塊、過(guò)流保護(hù)模塊。

5）串聯(lián)補(bǔ)償裝置：電流不平衡保護(hù)模塊、過(guò)流保護(hù)模塊、過(guò)電壓欠電壓保護(hù)模塊。

6）電動(dòng)機(jī)保護(hù)：差動(dòng)保護(hù)模塊、反時(shí)限過(guò)流保護(hù)模塊、過(guò)電壓欠電壓保護(hù)模塊。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文實(shí)現(xiàn)的通用保護(hù)平臺(tái)的可行性，我們選取10kV電動(dòng)機(jī)為被保護(hù)對(duì)象，向通用保護(hù)平臺(tái)配置帶二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)模塊[8-9]、過(guò)電壓欠電壓保護(hù)、反時(shí)限過(guò)流保護(hù)保護(hù)模塊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)實(shí)際情況設(shè)定了各保護(hù)的動(dòng)作整定值。

經(jīng)過(guò)保護(hù)特性測(cè)試和EMC 電磁兼容性試驗(yàn)，本文所實(shí)現(xiàn)的PLC 軟核運(yùn)行良好，滿(mǎn)足穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)電磁兼容性良好，順利通過(guò)瞬變脈沖群試驗(yàn)和浪涌試驗(yàn)。

5.1 保護(hù)特性測(cè)試

本文使用凱弦K1066＋繼保測(cè)試儀對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了包括速斷保護(hù)試驗(yàn)、反時(shí)限保護(hù)試驗(yàn)、差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)、二次諧波制動(dòng)試驗(yàn)、工藝系統(tǒng)聯(lián)鎖停機(jī)試驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，符合本文設(shè)計(jì)要求。表1、圖6所示為測(cè)試儀提供的差動(dòng)保護(hù)特性圖和差動(dòng)諧波制動(dòng)試驗(yàn)截圖。

表1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值精度Table 1 Differential current protection operation value accuracy

從表1可以得出，動(dòng)作值的最大相對(duì)誤差為0.20%，低于國(guó)標(biāo)要求的±5%。1.5 倍整定值時(shí)，五次動(dòng)作平均時(shí)間為22.6 ms，滿(mǎn)足誤差不超過(guò)30 ms的要求。在圖6中，黑色折線(xiàn)為比率曲線(xiàn)，圓點(diǎn)線(xiàn)為差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口值，可見(jiàn)通過(guò)PLC 軟核實(shí)現(xiàn)的比率差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性與所定義的比率曲線(xiàn)吻合。

圖6 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性圖Fig.6 Differential protection action characteristic

5.2 電磁兼容性試驗(yàn)

本文按照EMC 三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了浪涌試驗(yàn)和電快速瞬變?nèi)好}沖試驗(yàn)。

對(duì)所有硬件板卡進(jìn)行了電快速瞬變?nèi)好}沖試驗(yàn)，裝置未出現(xiàn)異常事件記錄和報(bào)警跳閘情況。模擬量讀數(shù)未出現(xiàn)異常。

對(duì)互感器板、繼電器板、開(kāi)關(guān)量輸入板進(jìn)行了浪涌試驗(yàn)，在共模1 kV 差模1.5 kV 試驗(yàn)中，所有板卡工作正常，未出現(xiàn)繼電器誤動(dòng)、拒動(dòng)情況。未出現(xiàn)異常事件記錄和異常報(bào)警跳閘情況。

6 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的基于嵌入式PLC 軟核的通用保護(hù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證是可行的。將各功能模塊使用ST 語(yǔ)言封裝成為功能塊提高了軟件的可移植性，增強(qiáng)了保護(hù)裝置的通用性。然而，PLC 軟核的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)硬件平臺(tái)的要求較高，如何更好地發(fā)揮PLC 軟核的性能有待開(kāi)展更廣泛的研究。

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