高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)控裝置聯(lián)鎖圖形化二次編程功能研究

岳亞菲，胡 歡，沈開(kāi)奎，曾麗麗，李延龍，王祺元

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高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)控裝置聯(lián)鎖圖形化二次編程功能研究

岳亞菲，胡 歡，沈開(kāi)奎，曾麗麗，李延龍，王祺元

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

為了實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)安全可靠的聯(lián)鎖功能，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層裝置應(yīng)用場(chǎng)景深入研究，提出一種新的測(cè)控裝置軟件架構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，將測(cè)控裝置的基本測(cè)控功能與需二次編程的邏輯聯(lián)鎖功能相分離，利用系統(tǒng)周期調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)邏輯聯(lián)鎖程序與測(cè)控基本程序的融合。該方法基于成本低廉的軟硬件平臺(tái)，測(cè)控裝置基于英飛凌C167微處理器，采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC61131圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且可靠性高，不依賴特定硬件，適合在不同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)?；谠摲椒ㄔ谟^音巖直流輸電工程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該軟件控制策略具有維護(hù)成本低廉，可靠性高，移植方便的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)系統(tǒng)安全可靠的聯(lián)鎖功能具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

高壓直流輸電；測(cè)控功能；二次編程；邏輯聯(lián)鎖；圖形化設(shè)計(jì)

0 引言

在常規(guī)直流工程及特高壓直流輸電工程中，其控制保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置負(fù)責(zé)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備、斷路器、濾波器及其他設(shè)備的控制與數(shù)據(jù)采集工作，以及現(xiàn)場(chǎng)層一次設(shè)備各開(kāi)關(guān)與斷路器的邏輯聯(lián)鎖及“五防”功能[1-4]。由于直流輸電工程系統(tǒng)龐大，設(shè)備復(fù)雜，設(shè)備類型多，可靠性要求高，控制保護(hù)功能異常復(fù)雜，不同類型的場(chǎng)合其控制保護(hù)程序有較大的區(qū)別，而且現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置程序經(jīng)常由于一次設(shè)備的改動(dòng)面臨頻繁的修改及修改后測(cè)試工作異常繁重[5]?；谝陨咸攸c(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層控制保護(hù)程序的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，要求現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置的開(kāi)關(guān)控制，邏輯聯(lián)鎖功能與其他測(cè)量與控制功能分離，方便用戶二次編程能力，提高程序修改可靠性及工作效率。

本文通過(guò)對(duì)直流輸電現(xiàn)場(chǎng)層裝置應(yīng)用場(chǎng)景深入研究，提出一種新的測(cè)控裝置軟件架構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，在軟件架構(gòu)上將測(cè)控裝置的基本測(cè)控功能與需二次編程的邏輯聯(lián)鎖功能相分離，通過(guò)系統(tǒng)周期調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)邏輯聯(lián)鎖程序與測(cè)控基本程序的融合，基本測(cè)控功能使用常規(guī)的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)方式且以Firmware的形式封裝在特定區(qū)域，需二次編程的邏輯聯(lián)鎖功能以基于IEC61131語(yǔ)言的形式在圖像化編程工具ViRule上由用戶實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用，相關(guān)圖形化程序最終以特定方式和機(jī)器碼的形式下裝到測(cè)控裝置特定區(qū)域，以周期調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)控及聯(lián)鎖功能[6-9]。該方法將邏輯聯(lián)鎖功能與其他測(cè)量與控制功能分離，方便了用戶進(jìn)行二次編程，提高了程序修改可靠性及工作效率。

該方法基于成本低廉的軟硬件平臺(tái)，采用了標(biāo)準(zhǔn)的IEC61131圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且可靠性高，維護(hù)成本低廉，可廣泛應(yīng)用于常規(guī)及特高壓直流輸電工程，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)安全可靠的聯(lián)鎖功能。該成果已經(jīng)成功應(yīng)用于觀音巖直流工程中，運(yùn)行穩(wěn)定，為國(guó)家節(jié)省了大量的建設(shè)資金。

1 高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)控裝置配置

如圖1所示，高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)通常劃分為運(yùn)行人員控制層、控制保護(hù)設(shè)備層和現(xiàn)場(chǎng)控制層三個(gè)層次[10-11]。

圖1 高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)控裝置配置

測(cè)控裝置位于系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制層，其主要功能是實(shí)現(xiàn)一次系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算存儲(chǔ)和控制命令的輸出。因控制保護(hù)系統(tǒng)冗余配置的需要，控制保護(hù)層設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)控制層之間一般配置雙重化的現(xiàn)場(chǎng)總線，以便于構(gòu)成需要的冗余結(jié)構(gòu)[12-13]。在由PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信系統(tǒng)中，測(cè)控裝置作為一種智能化的I/O從站，與控制保護(hù)層設(shè)備構(gòu)成了多點(diǎn)雙向的通信網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和相關(guān)控制功能。

控制保護(hù)設(shè)備是直流輸電系統(tǒng)工程中的核心設(shè)備之一，所有控制操作需要設(shè)計(jì)有安全可靠的聯(lián)鎖功能，以保證系統(tǒng)及設(shè)備的正常運(yùn)行和運(yùn)行人員的人身安全[14-15]。本設(shè)計(jì)的目的在于為特高壓直流輸電控制系統(tǒng)聯(lián)鎖功能提供一種低成本，高可靠性，易于實(shí)現(xiàn)的工業(yè)設(shè)備圖形化邏輯二次編程方法。

如圖2所示，該圖是一個(gè)典型的測(cè)控裝置功能模塊原理圖，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)執(zhí)行主控站的控制輸出命令及現(xiàn)場(chǎng)層開(kāi)關(guān)控制的邏輯聯(lián)鎖功能。

圖 2 典型的測(cè)控裝置功能模塊原理圖

其主要包含以下模塊：冗余配置的電源，系統(tǒng)自檢模塊，帶冗余配置的光、電PROFIBUS通訊接口，帶死區(qū)時(shí)間及濾波時(shí)間配置的開(kāi)關(guān)量采集及SER順序時(shí)間記錄，帶自檢功能的開(kāi)關(guān)量輸出功能，高精度的16位A/D采集模塊，可二次編程的邏輯聯(lián)鎖功能模塊Rule。該方案是采用以英飛凌C167 MCU為核心的CPU板卡，開(kāi)入板卡，開(kāi)出板卡，模擬量采集板塊及PROFIBUS DP通訊模塊可自由配置的硬件架構(gòu)。

各功能模塊以固件及可編程代碼的形式存貯于C167 MCU 特定的存儲(chǔ)空間中。其中，除Rule邏輯聯(lián)鎖等需二次編程外的所有程序都以固件形式存貯于Program Memory，Rule等邏輯聯(lián)鎖程序在系統(tǒng)預(yù)留的IEC Program Memory 存儲(chǔ)。

2 高壓直流輸電測(cè)控裝置聯(lián)鎖圖形化二次編程功能的研究及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 測(cè)控裝置聯(lián)鎖圖形化二次編程功能實(shí)現(xiàn)原理

本文采用的技術(shù)方案是：采用16bit/32bit 微處理器為核心，協(xié)同100V DC開(kāi)入模塊，帶繼電器操作回路的開(kāi)出模塊以及16路AC模擬量采集模塊的硬件架構(gòu)，基于C等高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了工業(yè)I/O采集、輸出等基礎(chǔ)功能，在此基礎(chǔ)上，將現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置的基本功能如開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集，模擬量數(shù)據(jù)采集，順序事件記錄生成，輔助及調(diào)試，與主控制設(shè)備PROFIBUS DP通訊等模塊采用Firmware形式封裝于測(cè)控裝置IEC Program Memory中；而將于應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)需頻繁修改的邏輯聯(lián)鎖功能以基于IEC61131 LD和CFC語(yǔ)言的形式，按照LD語(yǔ)言生成自動(dòng)以文本語(yǔ)言，文本語(yǔ)言通過(guò)編譯器與鏈接器鏈接生成機(jī)器碼，通過(guò)約定的通訊協(xié)議通過(guò)RS232下裝到測(cè)控裝置的IEC Program Memory中，測(cè)控裝置按照一定的方式周期調(diào)用該部分程序，從而實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備邏輯聯(lián)鎖等二次編程需求。

邏輯聯(lián)鎖等需二次編程的程序通過(guò)上位機(jī)-目標(biāo)機(jī)的交叉編譯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，編譯器實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示，其具體方式是：基于IEC611131語(yǔ)言設(shè)計(jì)一個(gè)圖形化語(yǔ)言編程工具ViRule，實(shí)現(xiàn)I/O量的置位、復(fù)位、保持、與、或、非等邏輯與配置功能。該工具包含用戶程序圖形化編程界面，圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言可采用CFC或者LD的形式，編輯時(shí)可以拖動(dòng)功能塊到編輯界面，然后進(jìn)行連線操作，圖形化程序以.XRL文件存儲(chǔ)，通過(guò)其內(nèi)置語(yǔ)言翻譯器，生成以.TXT文件形式的中間代碼，.TXT中間代碼通過(guò)基于.infineno C167的Native Code編譯器和鏈接器生成可供MCU識(shí)別的目標(biāo)代碼。該目標(biāo)代碼以.HEX文件形式存儲(chǔ)，至此，上位機(jī)的編程工作完成。

圖3 圖形化語(yǔ)言生成文本語(yǔ)言功能介紹

上位機(jī)與目標(biāo)系統(tǒng)(測(cè)控裝置)通過(guò)基于RS232的方式，采用一種可靠的通訊協(xié)議將.HEX文件下裝至測(cè)控裝置IEC Program Memory絕對(duì)地址中且固化。系統(tǒng)上電后，其內(nèi)部調(diào)度會(huì)去實(shí)現(xiàn)對(duì)Rule代碼的周期調(diào)用。測(cè)控裝置中以Firmware形式存貯的基本功能與Rule等二次編程功能以周期調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)用，數(shù)據(jù)交互以絕對(duì)地址映射的方式顯示開(kāi)入開(kāi)出變量的映射關(guān)系。

2.2 聯(lián)鎖邏輯功能模塊描述和規(guī)則設(shè)計(jì)方法

測(cè)控裝置與聯(lián)鎖邏輯有關(guān)的數(shù)據(jù)主要有3類，分別是開(kāi)關(guān)量輸入，開(kāi)關(guān)量輸出和狀態(tài)變量，以上三種數(shù)據(jù)在DFU410內(nèi)部存儲(chǔ)，內(nèi)部數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)介如表1所示。

表1 DFU410內(nèi)部數(shù)據(jù)

測(cè)控裝置提供的聯(lián)鎖邏輯控制功能，主要利用設(shè)計(jì)規(guī)則的方法實(shí)現(xiàn)。所謂規(guī)則就是利用輸入的數(shù)字量和內(nèi)部狀態(tài)變量控制測(cè)控裝置的RELAY插件，實(shí)現(xiàn)可編程的聯(lián)鎖控制功能。

規(guī)則具有如下特點(diǎn)：

(1) 規(guī)則控制的RELAY輸出不會(huì)接受現(xiàn)場(chǎng)總線主站的影響；

(2) 正常操作時(shí)，在測(cè)控裝置上電和4 ms周期內(nèi)，規(guī)則會(huì)被執(zhí)行一次；

(3) 可以利用Simulating the inputs測(cè)試規(guī)則；

(4) 當(dāng)啟動(dòng)本地控制模式時(shí)，規(guī)則控制的輸出會(huì)被忽略；取消本地控制后，規(guī)則重新控制輸出；

(5) 規(guī)則產(chǎn)生的置位、復(fù)位、阻塞，將不會(huì)產(chǎn)生發(fā)送到中心控制站的信息。

規(guī)則的功能模塊主要包括表2中的幾種。

表2 規(guī)則函數(shù)

Rule可編程代碼與測(cè)控裝置基本功能代碼的調(diào)用關(guān)系如圖4所示。系統(tǒng)上電后，經(jīng)過(guò)自檢程序后，會(huì)啟動(dòng)1?ms和4?ms兩個(gè)中斷任務(wù)，如圖4(a)，4?ms任務(wù)主要開(kāi)出命令，將開(kāi)入數(shù)據(jù)映射至Rule數(shù)據(jù)映射區(qū)，PROFIBUS DP通訊等所有測(cè)控基本功能；此外，Rule程序的調(diào)用也是在這個(gè)任務(wù)中，讀取I1-I72開(kāi)入變量和S1-S128內(nèi)部變量數(shù)據(jù)，然后通過(guò)絕對(duì)地址調(diào)用的方式跳轉(zhuǎn)至IEC Program Memory執(zhí)行Rule程序，完成后將更新后的S1-S128和O1-O48等變量存儲(chǔ)其映射表中實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)出的邏輯控制，這部分任務(wù)調(diào)用周期是4?ms，如圖4(b)；1?ms任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)的是負(fù)責(zé)開(kāi)入數(shù)據(jù)采集及SER順序時(shí)間記錄生成等對(duì)時(shí)間要求苛刻的功能，如圖4(c)。

圖4 Rule可編程代碼與測(cè)控裝置基本功能代碼的調(diào)用關(guān)系

2.3 DFU410內(nèi)部邏輯聯(lián)鎖在線顯示功能實(shí)現(xiàn)方案

圖形化編程工具ViRule，具備編程、編譯、下載和在線顯示功能。

規(guī)則利用的輸入變量包括輸入的1-72路數(shù)字量I1-72以及裝置內(nèi)部的狀態(tài)變量S1-128，均是二進(jìn)制變量，在線顯示0，1。其中對(duì)于規(guī)則中利用的數(shù)字量輸入有以下特點(diǎn)：

(1) 對(duì)于1-72路輸入，任何一路都可以作為規(guī)則的輸入。

(2) 對(duì)數(shù)字信號(hào)跳變的檢測(cè)不存在延時(shí)。

(3) 規(guī)則進(jìn)行編輯時(shí)，不會(huì)考慮輸入通道的死區(qū)時(shí)間和濾波時(shí)間。

(4) 規(guī)則進(jìn)行編輯時(shí)，不會(huì)考慮輸入通道的邏輯電平(正或者負(fù))。

規(guī)則中利用到的裝置內(nèi)部狀態(tài)變量如表3所描述。

表3 規(guī)則中的狀態(tài)變量

開(kāi)關(guān)量輸出O1-O48是字節(jié)數(shù)，有具體含義，見(jiàn)表4。

當(dāng)用戶點(diǎn)擊在線按鈕后，ViRule向裝置發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)文，裝置收到后回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)交互，同時(shí)ViRule顯示接收到的數(shù)據(jù)。

表4 規(guī)則中的輸出變量

3 高壓直流輸電測(cè)控裝置聯(lián)鎖圖形化二次編程功能在DFU410測(cè)控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究

3.1 ViRule聯(lián)鎖邏輯編輯器工具欄和編輯窗口應(yīng)用

ViRule的主要功能是為了實(shí)現(xiàn)DFU410的聯(lián)鎖邏輯功能的可視化編輯，編輯時(shí)可以拖動(dòng)功能塊到編輯界面，然后進(jìn)行連線操作，以XML文件存儲(chǔ)，編譯可以生成Rule文件，包括XRL文件，TXT文件，LST文件，以及HEX文件。Rule文件里面是我們需要的各種規(guī)則，最后這些規(guī)則生成機(jī)器碼，DFU410裝置可以利用生成的機(jī)器碼實(shí)現(xiàn)內(nèi)部聯(lián)鎖邏輯功能。

在菜單欄Edit中，可以添加和刪除一條Rule，也可以點(diǎn)擊工具欄中的Insert/Delete按鈕添加和刪除一條Rule，添加一條Rule后效果如圖5所示。

編輯窗口可分為四個(gè)區(qū)域，如下所述。

(1)?Comment區(qū)域，雙擊1區(qū)域任何位置可以輸入文本信息進(jìn)行描述。

圖5 編輯窗口圖

(2)?Logic區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域可以添加邏輯功能塊(AND、OR、XOR、NOT四個(gè))，直接拖動(dòng)工具欄中的AND/OR/XOR/NOT按鈕到Logic區(qū)域即可，在功能塊的管腳之間可以連線，如圖6所示，并且可以在管腳上添加變量或者直接寫(xiě)TRUE或FALSE，如圖7所示。

圖6 實(shí)例圖

圖7 變量窗口圖

(3)?Command區(qū)，添加一條Rule默認(rèn)是SET功能塊，可以點(diǎn)擊工具欄中SET/RESET/ENABLE/ AENABLE/BLOCK/ABLOCK按鈕，選擇需要的功能塊進(jìn)行替換。

(4)?編號(hào)區(qū)，選中一條Rule，編號(hào)區(qū)會(huì)由白色變?yōu)樗{(lán)色，這時(shí)就可以對(duì)這條Rule進(jìn)行操作了。

當(dāng)編輯連線完畢之后，點(diǎn)擊菜單中Build，即可編譯生成Rule文件，如果沒(méi)有新建或打開(kāi)文件，會(huì)提示你先另存為本工程，然后Rule文件會(huì)保存在工程的相同目錄下，如果已經(jīng)新建或打開(kāi)文件，Rule文件會(huì)直接保存到工程的相同目錄下，然后把Rule文件編輯生成機(jī)器碼下載到板子中即可。

3.2 ViRule聯(lián)鎖邏輯編輯器應(yīng)用示例驗(yàn)證

對(duì)于以下邏輯：

利用聯(lián)鎖邏輯編輯器ViRule可以編輯為圖8所示。

圖8 聯(lián)鎖邏輯功能編輯窗口

Fig. 8 Edit window of logic interlock function

圖形化程序存儲(chǔ)為rule.xrl。點(diǎn)擊菜單中Build，即可編譯生成Rule文件，首先通過(guò)其內(nèi)置語(yǔ)言翻譯器，生成中間代碼rule.txt，再通過(guò)Native Code編譯器和鏈接器生成目標(biāo)代碼rule.hex，將rule.hex文件下裝至測(cè)控裝置，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部聯(lián)鎖邏輯功能。

如果一個(gè)輸出被指定不只一次，規(guī)則程序編譯器不會(huì)進(jìn)行檢查。例如：下面的規(guī)則程序被接受。

(2)

如果這個(gè)規(guī)則程序被下載，輸入I1和I2都有高電平，裝置將會(huì)復(fù)位輸出，因?yàn)镽ESET規(guī)則在SET規(guī)則之后。

4 結(jié)論

本文涉及一種高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)測(cè)控裝置聯(lián)鎖圖形化二次編程功能的實(shí)現(xiàn)方法。

(1) 采用16 bit/32 bit 微處理器為核心，協(xié)同100 V DC開(kāi)入模塊，帶繼電器操作回路的開(kāi)出模塊以及16路AC模擬量采集模塊的硬件架構(gòu)，基于C等高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了工業(yè)I/O采集、輸出等基礎(chǔ)功能，通過(guò)圖形化的二次邏輯聯(lián)鎖功能，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)于采集量與輸出量的邏輯功能開(kāi)發(fā)。

(2) 在主板的底層固件中，設(shè)計(jì)了基于Native Code的邏輯聯(lián)鎖功能解析器，解析器與設(shè)備開(kāi)入量與開(kāi)出量的映射采用絕對(duì)地址映射方式。

(3) 二次邏輯編程語(yǔ)言采用圖形化語(yǔ)言生成文本描述語(yǔ)言，文本語(yǔ)言翻譯成Native Code的方式。文本語(yǔ)言通過(guò)基于C167的匯編語(yǔ)言分析的詞法分析器，語(yǔ)法分析器，代碼生成器等生成機(jī)器能識(shí)別的Native Code代碼，通過(guò)工具下載至主板固定區(qū)域。

(4) 在PC機(jī)設(shè)計(jì)一種編程工具ViRule，結(jié)合了梯形圖語(yǔ)言與FB語(yǔ)言的IEEE61131編程語(yǔ)言，通過(guò)友好的圖像化編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)I/O量的置位、復(fù)位、保持、與、或、非等邏輯與配置功能。

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(編輯 張愛(ài)琴)

Research on interlock schematic second programmable function in measurement & control device of control and protection system for HVDC

YUE Yafei, HU Huan, SHEN Kaikui, ZENG Lili, LI Yanlong, WANG Qiyuan

(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

In order to achieve the HVDC control and protection system safe and reliable interlocking function, based on the field level device application scenarios in-depth study, this paper proposes a new measurement & control device software architecture and design method. The basic measurement & control functions and logic interlock function to be the second programmed are separated from one another, system periodic calls are used to achieve the integration of logic interlock program and measurement & control basic programs. The method is based on low-cost hardware and software platform, its measurement & control device used is based on Infineon C167 microprocessor, the standard IEC61131 graphical design language is adopted, and the program design is simple and highly reliable, not dependent on specific hardware, and suitable for implementing on different hardware platforms. The experimental data of Guanyinyan HVDC Project shows that the software control strategy has a low maintenance cost, high reliability and easy migration characteristics, and it has an important application value for control and protection system to achieve safe and reliable interlock function.

HVDC; measurement & control functions; second programmed; logic interlock; schematic design

10.7667/PSPC152187

2015-12-17；

2016-03-18

岳亞菲(1988-)，女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化裝置研發(fā)。E-mail: yueyafei_xj@163.com