芯片化保護(hù)測控裝置方案研究

習(xí)偉，姚浩，蔡田田，陳波，陳浩敏，王躍強(qiáng)，陳秋榮，徐萬方

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)佛山供電局，廣東佛山 528000；3.北京四方繼保自動(dòng)化有限公司，北京 100085）

芯片化保護(hù)測控裝置方案研究

習(xí)偉1，姚浩1，蔡田田1，陳波1，陳浩敏1，王躍強(qiáng)2，陳秋榮3，徐萬方3

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)佛山供電局，廣東佛山 528000；3.北京四方繼保自動(dòng)化有限公司，北京 100085）

為解決當(dāng)前數(shù)字化變電站建設(shè)中的二次設(shè)備的復(fù)雜性、可靠性、安全性、長壽命、低成本等問題，提出了一種芯片化保護(hù)測控裝置方案，用1個(gè)片上系統(tǒng)SOC芯片加以必要的接口、存儲外圍回路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化保護(hù)測控裝置的功能。110 kV試點(diǎn)工程的展開將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，芯片化保護(hù)裝置整組性能及可靠性顯著提升。

片上系統(tǒng)；繼電保護(hù)；數(shù)字化；IP核；全可編程

繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)過百年的發(fā)展，在特定的領(lǐng)域?qū)υ磉€在進(jìn)行探索[1-3]但原理本身的潛力已經(jīng)得到了充分的開發(fā)[4-6]。經(jīng)過多年的積累，應(yīng)用于工程的繼電保護(hù)裝置在定值、端子等方面已走上標(biāo)準(zhǔn)化道路，國網(wǎng)和南網(wǎng)均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)布并實(shí)施[5-8]。其中，定值標(biāo)準(zhǔn)化說明同一類型的保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)的原理趨于標(biāo)準(zhǔn)化。從軟件和硬件角度提高繼電保護(hù)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行水平，是繼電保護(hù)裝置發(fā)展的方向[9-10]。多年來專家學(xué)者對保護(hù)的軟件平臺[11-12]和硬件平臺[13-14]和進(jìn)行了研究，基于平臺而不是單一產(chǎn)品型號開發(fā)已成為業(yè)內(nèi)共識。多核處理器在二次設(shè)備中已經(jīng)有成功應(yīng)用[13]，然而，裝置的硬件構(gòu)架仍然采用多板卡組合方式通過總線交互信息。即使是數(shù)字化裝置也只是用SV（sample value，SV）采樣插件、GOOSE（generic object oriented substation event，GOOSE）插件代替了常規(guī)裝置的交流采樣和開入開出插件，用光纖接口代替了常規(guī)端子接線，CPU插件和人機(jī)接口方式未發(fā)生根本改變。大量的光電器件導(dǎo)致裝置越來越復(fù)雜，單個(gè)裝置元器件數(shù)量達(dá)到幾千上萬種，裝置可靠性并沒有得到顯著提升，全生命周期成本也沒有得到顯著下降。既然這些問題是多插件結(jié)構(gòu)所固有的，那么要解決這些問題必然要針對結(jié)構(gòu)探索其他的途徑。

作為集電力、微電子、材料、信息等技術(shù)之大成者，新技術(shù)、新材料、新理論的涌現(xiàn)為繼電保護(hù)技術(shù)的不斷完善提供了技術(shù)基礎(chǔ)。SOC（system on chip，SOC）技術(shù)在通信、視頻等領(lǐng)域得到了成熟的商業(yè)應(yīng)用，是可能給繼電保護(hù)技術(shù)帶來突破的潛在因素。繼電保護(hù)領(lǐng)域開展過定制專用芯片的研究，文獻(xiàn)[15-18]在國內(nèi)首次提出繼電保護(hù)級專用芯片的概念，但是受限于當(dāng)時(shí)的軟硬件水平，未能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。目前多個(gè)公司推出的半定制芯片技術(shù)既具有定制芯片的集成度與可靠性，又為用戶提供一定的開發(fā)空間，可滿足不同電壓等級不同類型保護(hù)測控裝置的應(yīng)用需求。將SOC技術(shù)的成果與當(dāng)前二次設(shè)備開發(fā)所積累的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，形成芯片保護(hù)裝置，從技術(shù)上是可行的。

較之于常規(guī)的單一保護(hù)裝置或測控裝置，用于數(shù)字化變電站的集保護(hù)測控一體化裝置是當(dāng)前繼電保護(hù)裝置功能的最高體現(xiàn)，對軟硬件要求更為苛刻。本文選取110 kV數(shù)字化保護(hù)測控裝置作為芯片化二次設(shè)備的研究對象，用一個(gè)集成ARM硬核的SOC芯片Zynq-7000加以必要的接口、存儲外圍回路實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)插件傳統(tǒng)裝置的功能。

1 片上系統(tǒng)SoC簡介

片上系統(tǒng)SOC被廣泛認(rèn)同的一種涵義是指在單個(gè)芯片上集成一個(gè)包括微處理器、存儲器以及采集、處理等外圍電路的完整系統(tǒng)，各個(gè)功能模塊在微處理器的協(xié)調(diào)下共同完成芯片的系統(tǒng)功能。SOC具有3大技術(shù)特征：

1）采用深亞微米工藝技術(shù)。

2）IP核復(fù)用。

3）軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

SOC的開發(fā)是利用IP復(fù)用和深亞微米技術(shù)，采用軟件和硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)出滿足性能要求的高效率、低成本的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。SOC設(shè)計(jì)綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，較之IC組成的系統(tǒng)可以在同樣的工藝技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)指標(biāo)。

目前主要有2種SOC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：一種是自上向下與自底向上相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，采用此方式設(shè)計(jì)者可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靈活選擇結(jié)構(gòu)和IP核，在成本、功耗和性能上有一定的優(yōu)勢，但風(fēng)險(xiǎn)和難度較高。另一種是基于設(shè)計(jì)平臺，充分利用平臺公司所提供的軟硬IP核和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)自身需要進(jìn)行裁剪和應(yīng)用擴(kuò)充，設(shè)計(jì)時(shí)間較短，風(fēng)險(xiǎn)低，適用于系統(tǒng)集成度高、功能復(fù)雜靈活和開發(fā)周期短等場合。

作為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的風(fēng)向標(biāo)桿，SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢。更智能的專業(yè)化軟硬件平臺，將是嵌入式系統(tǒng)的未來。電力系統(tǒng)穩(wěn)定關(guān)系國計(jì)民生，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的電力二次設(shè)備作為電力系統(tǒng)的保障，同時(shí)也是電子工業(yè)自動(dòng)化的一環(huán)，亦應(yīng)將電子工業(yè)發(fā)展的成果納為己用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合從而更好的服務(wù)于電力系統(tǒng)。

2 芯片化保護(hù)測控裝置方案設(shè)計(jì)

數(shù)字化測控裝置兼具繼電保護(hù)、測量、控制和電能量分析等功能以適應(yīng)運(yùn)行需求。常規(guī)裝置由通過背板總線相連的多個(gè)獨(dú)立板卡組成：

1）電源板。

2）DSP板完成保護(hù)計(jì)算。

3）管理CPU板實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、數(shù)據(jù)通信、打印和時(shí)鐘對時(shí)。

4）SMV板接收處理SV采樣值報(bào)文。

5）GOOSE板負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場開關(guān)、刀閘等位置信息及控制現(xiàn)場開關(guān)、刀閘分合。測控功能由DSP板或管理CPU板實(shí)現(xiàn)均可。

SOC設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在更高的抽象層次上進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)還提倡盡可能利用已有的資源。芯片化保護(hù)并不是全新的保護(hù)，在功能上它與常規(guī)裝置并無二致，區(qū)別僅在于將所有功能集中于一塊板卡上完成。芯片化保護(hù)測控裝置采用了同樣的繼電保護(hù)原理，繼承了現(xiàn)有保護(hù)軟件對安全性、可靠性的處理原則。和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化保護(hù)一樣，它通過和MU、智能操作箱之間的通信，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

2.1 核心芯片選型

繼電保護(hù)裝置面臨高度復(fù)雜的系統(tǒng)功能和越來越緊的產(chǎn)品開發(fā)周期的壓力，設(shè)計(jì)者必須借鑒和利用已經(jīng)成熟的設(shè)計(jì)為自己的產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)。在這種思想指導(dǎo)下，采用第三方IP核基于設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)成為SOC設(shè)計(jì)的必然。一款具備操作系統(tǒng)、中間件及應(yīng)用在內(nèi)的豐富生態(tài)系統(tǒng)并且能夠方便的開展嵌入式硬件系統(tǒng)的構(gòu)建、操作移植、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)3部分工作，是芯片選型的著眼點(diǎn)。綜合實(shí)現(xiàn)難度和經(jīng)濟(jì)性等因素，本文通過半定制芯片Zynq-7000 SOC實(shí)現(xiàn)了裝置開發(fā)。

集成了雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器與Xilinx 28 nm FPGA的Zynq-7000 SOC帶來了軟件和硬件全面可編程的SOC平臺[19-21]，一經(jīng)問世即被譽(yù)為“為嵌入式行業(yè)和FPGA業(yè)打開新的篇章”。其生產(chǎn)公司是可編程控制技術(shù)和器件的全球領(lǐng)先企業(yè)，可提供軟硬IP核和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。運(yùn)行速率高達(dá)1GHz的Cortex-A9內(nèi)置Neon/VFP協(xié)處理器再結(jié)合基于FPGA的硬件加速可以提供前所未有的DSP性能，Zynq-7000的性能達(dá)到甚至超越了其他廠商采用更高處理器頻率的雙核解決方案，而且在很多情況下其功耗更低。處理器與片上FPGA之間的緊密集成使得能夠添加幾乎所有外設(shè)或創(chuàng)建定制加速器擴(kuò)展系統(tǒng)性能，并滿足繼電保護(hù)及測控的各種應(yīng)用需求，這是芯片化保護(hù)裝置得以展開的基礎(chǔ)。

選定嵌入式系統(tǒng)平臺之后，繼電保護(hù)裝置開發(fā)者關(guān)心的是如何借助于該平臺實(shí)現(xiàn)保護(hù)和輔助功能。Zynq-7000芯片獨(dú)特之處在于它是FPGA和處理器的有機(jī)結(jié)合，可以由處理器而非可編程邏輯元件對芯片進(jìn)行控制。ARM處理器業(yè)界領(lǐng)先，已在電力二次設(shè)備領(lǐng)域廣泛采用，在軟件編程模式下Zynq-7000芯片和全功能的標(biāo)準(zhǔn)ARM處理器芯片毫無區(qū)別。作為某種意義上“以軟件為核心的儀器”，該公司提供與芯片配套的嵌入式開發(fā)工具及平臺，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程得到簡化，可將C/C++語言編寫的高級算法轉(zhuǎn)化為FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方案。這些特點(diǎn)非常適合習(xí)慣C/C++語言和對ARM處理器較為熟悉的繼電保護(hù)開發(fā)工程師，從而讓研發(fā)工作集中在算法而不是硬件上，是芯片化保護(hù)裝置得以快速進(jìn)行的有力保障。

2.2 基于ZYNQ芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)

如何在一個(gè)芯片上高效、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)通訊、數(shù)據(jù)預(yù)處理、算法實(shí)現(xiàn)、保護(hù)邏輯、計(jì)量、錄波報(bào)告等全部功能，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)異常關(guān)鍵。不同于以往的開發(fā)模式，芯片化保護(hù)測控裝置的軟硬件設(shè)計(jì)不是2個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)單元，二者在設(shè)計(jì)之初便交織在一起，相互提供設(shè)計(jì)平臺，相互作用實(shí)現(xiàn)了并行性，是真正意義上的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是對硬件和軟件進(jìn)行任務(wù)分割，這是Zynq-7000應(yīng)用中最難的部分，也是實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。具體到芯片化測控保護(hù)裝置來說，需要解決2個(gè)問題，一是明確CPU與FPGA的工作分配；二是雙CPU之間的任務(wù)分配。FPGA擅長并行處理可以針對不同功能建立特定模塊，裝置從外部接收的SV/GOOSE等數(shù)據(jù)具有并行特性，通過FPGA進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和預(yù)處理的底層操作提升算法的執(zhí)行效率，不僅節(jié)約預(yù)處理時(shí)間，而且能夠有效降低處理器的運(yùn)算量，使其可以有更多的時(shí)鐘周期處理更為復(fù)雜的邏輯操作。保護(hù)邏輯和人機(jī)交互程序的開發(fā)方面，擅長高層次處理的ARM處理器相對于FPGA有著先天的優(yōu)勢。

繼電保護(hù)經(jīng)過了多年的實(shí)踐，對于多CPU協(xié)同合作、功能模塊劃分、時(shí)序配合等已經(jīng)有一套行之有效的原則和實(shí)施方案值得借鑒和吸收。當(dāng)前主流廠家保護(hù)裝置的通用做法是實(shí)時(shí)性要求高的功能模塊，如保護(hù)等由一個(gè)CPU完成，非實(shí)時(shí)性任務(wù)如通訊等其他輔助功能由另一個(gè)CPU完成。參考這種方式，芯片化保護(hù)裝置將處理器與FPGA的分工如下：

1）一個(gè)A9內(nèi)核采用Bare metel模式完成實(shí)時(shí)性要求高保護(hù)計(jì)算，主要包括數(shù)據(jù)處理和保護(hù)算法。

2）另一個(gè)A9內(nèi)核運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)處理測控、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)通信等非實(shí)時(shí)任務(wù)。Linux核具備豐富的網(wǎng)絡(luò)支持資源，如帶有TCP/IP協(xié)議棧，這給開發(fā)具有以太網(wǎng)通信能力的數(shù)字化繼電保護(hù)設(shè)備帶來極大的便捷。同時(shí)Linux產(chǎn)業(yè)鏈越來越成熟，基于Linux的開發(fā)成本相對于vxWorks來說也更低。

3）FPGA中實(shí)現(xiàn)軟IP核：網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制、加解密、SV/GOOSE、插值模塊、濾波模塊（向量生成）、以太網(wǎng)模塊等。智能的系統(tǒng)、靈活的軟件、緊密配合擅長實(shí)時(shí)處理的硬件，輔之以優(yōu)化的接口，組成了基于Zynq-7000的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture block diagram of the system

2.3 軟件方案

數(shù)字化測控裝置功能復(fù)雜，不同電壓等級和不同型號裝置版本多。為了便于擴(kuò)展和定制化升級，本文以層次化、模塊化為主導(dǎo)思想提出一種芯片化保護(hù)測控裝置通用軟件平臺，如圖2所示。應(yīng)用層、系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層和前端處理層的4層軟件架構(gòu)使各層開發(fā)能夠并行開展，加快了開發(fā)效率。公共軟件部分抽象為系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層和前端處理層3個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層主要完成保護(hù)邏輯相關(guān)的功能。

圖2 軟件平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of the software platform

2.3.1 系統(tǒng)層軟件構(gòu)成

系統(tǒng)層主要完成：

1）LINUX操作系統(tǒng)程序。

2）驅(qū)動(dòng)管理、內(nèi)存管理、時(shí)間服務(wù)。

3）標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用數(shù)據(jù)接口。

Linux內(nèi)核是硬件和軟件之間的一個(gè)中間層，擁有受保護(hù)的內(nèi)存空間和訪問底層硬件設(shè)備的權(quán)限。Linux內(nèi)核一方面充當(dāng)?shù)讓域?qū)動(dòng)程序，對系統(tǒng)中的各種設(shè)備和組件進(jìn)行尋址；另一方面將應(yīng)用程序的請求傳遞給硬件。

對傳統(tǒng)保護(hù)測控裝置已經(jīng)成熟的功能進(jìn)行沉淀，通過歸納、總結(jié)和提煉，形成不同的模塊，這部分的工作成果具體體現(xiàn)在應(yīng)用層。應(yīng)用層各模塊嚴(yán)格按照IEC61850規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)定義實(shí)現(xiàn)完成保護(hù)邏輯、測控邏輯、通信模塊實(shí)現(xiàn)以及錄波功能：

1）保護(hù)元件。差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)和零序過流保護(hù)等。

2）測控元件。遙信、遙測、遙控等連鎖功能。

3）通信模塊。與后臺監(jiān)控、調(diào)試工具等接口。

4）錄波功能。標(biāo)準(zhǔn)comtrade格式錄波。

測控、通信、錄波等模塊則屬于繼電保護(hù)通用功能，可根據(jù)不同保護(hù)對象（如線路、變壓器、發(fā)電機(jī)等）選擇相對應(yīng)的若干個(gè)保護(hù)元件進(jìn)行組態(tài)和配置最終輸出符合要求的應(yīng)用層軟件。應(yīng)用層軟件的模塊劃分提高了不同保護(hù)對象代碼的復(fù)用率和可移植性。

2.3.3 驅(qū)動(dòng)層

完成Zynq各外設(shè)功能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

1.2.1X線檢查 采用日立公司Radnext 50 DR檢查儀，掃描參數(shù)：55～80kV，200mA。拍攝正位、側(cè)位X線片，所有X線片均由主治醫(yī)師閱片，并經(jīng)高年資醫(yī)師審核。

2.3.4 前端處理層

針對數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)傳輸速率快、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，前端處理層充分利用芯片大容量FPGA的并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與外部通訊、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理功能：

1）SV報(bào)文解碼，實(shí)現(xiàn)對訂閱SV報(bào)文的電氣量解析、低通濾波和插值同步等功能。

2）GOOSE報(bào)文的訂閱、解析，并把解析數(shù)據(jù)量上送。

3）接收開關(guān)量信息，依據(jù)GOOSE發(fā)布模板進(jìn)行GOOSE報(bào)文發(fā)送。

4）負(fù)責(zé)前端報(bào)文分發(fā)功能，對SV/GOOSE/MMS進(jìn)行不同的處理。

5）網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制，并具有對訂閱的SV/GOOSE報(bào)文統(tǒng)計(jì)、告警的功能輸出。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

芯片化保護(hù)測控裝置的開發(fā)結(jié)合了二次設(shè)備開發(fā)的模塊劃分、安全防護(hù)等經(jīng)驗(yàn)和Zynq-7000的特點(diǎn)，開發(fā)過程得益于以下的一些關(guān)鍵技術(shù)。

2.4.1 基于ARM Cortex-A9 MPCore雙核硬化實(shí)現(xiàn)的AMP處理器架構(gòu)

多處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有2類：對稱多處理（symmetrical multi-processing，SMP）和非對稱多處理（asymmetrical multi-processing，AMP）。1 GHz雙核硬化實(shí)現(xiàn)的ARM Cortex-A9 MPCore微處理器是Zynq-7000平臺的核心，在物理上雙核共享4 GB地址空間，每個(gè)核都能訪問所有的地址空間。不同于Zynq-7000工業(yè)應(yīng)用中雙核大部分采用SMP架構(gòu)，芯片化保護(hù)測控裝置雙核處理器沿襲繼電保護(hù)裝置的安全和高效相結(jié)合的處理原則，采用AMP架構(gòu)，保護(hù)核作為主核，操作系統(tǒng)為次核。主核和次核均開啟各自的L1 cache地址空間，通過設(shè)置保證主核和次核只能訪問屬于自己的地址空間。雙核共享中斷控制器、512 kB的L2 cache、SCU、程序FLASH等資源，主核管理共享資源，次核對共享資源只有使用權(quán)。雙核軟件無需對cache做特殊操作即可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，從根本上解決了常規(guī)裝置采用CPU核與DSP核實(shí)現(xiàn)的時(shí)存在的數(shù)據(jù)共享效率及帶寬問題。只有主核具有共享資源的配置和管理權(quán)限，有效保證了裝置的安全性。雙核使用DDR（double date rate，DDR）共享數(shù)據(jù)，相對多芯片架構(gòu)的數(shù)據(jù)共享方式抗干擾能力更強(qiáng)。

2.4.2 基于AXI4連接總線的高速通訊

檢驗(yàn)新一代系統(tǒng)的處理能力的不僅僅只是CPU的性能，還包括接口的處理能力，后者在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用能力。Zynq-7000采用了AXI4連接總線，如圖3所示，這樣的布局在FPGA與處理器之間形成很寬的帶寬，從而具備驚人的數(shù)據(jù)吞吐能力，提升了數(shù)據(jù)的交互處理能力。FPGA和ARM之間基于ACP的高速流數(shù)據(jù)通信可以達(dá)到8 GB速率，遠(yuǎn)高于目前數(shù)字化測保裝置內(nèi)約為100 MB的通訊總線。FPGA內(nèi)定制的GOOSE/MMS/1588報(bào)文處理等軟IP均使用標(biāo)準(zhǔn)或輕量級的AXI總線接口，通用性強(qiáng)便于擴(kuò)展。高速通訊保障了SV+GOOSE+MMS數(shù)據(jù)可以并行處理，繼而實(shí)現(xiàn)將SV+GOOSE+MMS三網(wǎng)合一數(shù)據(jù)合并到一個(gè)千兆光纖以太網(wǎng)介質(zhì)。

圖3 SoC總線圖Fig.3 Bus Figure of SoC

2.4.3 適合保護(hù)測控裝置的IP核的設(shè)計(jì)和復(fù)用

IP核的設(shè)計(jì)和復(fù)用是決定SOC系統(tǒng)高效的關(guān)鍵因素，芯片化保護(hù)裝置中使用的如以太網(wǎng)控制器等硬IP遵循數(shù)據(jù)手冊用來實(shí)現(xiàn)通用功能，軟IP靈活性大，可移植性好，可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能是應(yīng)用的重點(diǎn)。本文形成了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的SV、GOOSE等的RTL級描述文件IP核。

2.4.4 高效代碼處理與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程

目前電力設(shè)備二次設(shè)備的軟件開發(fā)大多是基于C/C++程序語言進(jìn)行的，架構(gòu)設(shè)計(jì)中為提高運(yùn)算效率，將部分算法采用FPGA實(shí)現(xiàn)。C/C++語言編寫的高級算法如果采用常規(guī)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方案需要邏輯設(shè)計(jì)人員在VHDL或Verilog中對算法重新編碼，這個(gè)過程需要手工操作，效率低且容易發(fā)生錯(cuò)誤。芯片化保護(hù)測控裝置借助于Zynq-7000平臺將基于C/C++代碼實(shí)現(xiàn)的已經(jīng)成熟的算法如FFT等定制化并轉(zhuǎn)換為硬件描述語言（HDL），通過AXI接口插入Zynq SOC的FPGA架構(gòu)，利用FPGA進(jìn)行硬件加速。同時(shí)，平臺可以將運(yùn)行于處理器的C語言代碼和FPGA編碼編譯成統(tǒng)一的BIT文件，下載到芯片上運(yùn)行，縮短開發(fā)時(shí)間。

2.4.5 獨(dú)特的安全保障技術(shù)

設(shè)備的安全運(yùn)行和信息的安全維護(hù)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[20-21]。芯片化保護(hù)繼承了傳統(tǒng)保護(hù)對定值處理、存儲等環(huán)節(jié)的自檢技術(shù)，但基于SOC平臺的硬件是將一個(gè)系統(tǒng)的功能集成到一個(gè)芯片來完成的，容錯(cuò)問題具有一些不同以往的特點(diǎn)，如何保證芯片自身可靠工作就成了需要研究的新問題。Zynq-7000具有獨(dú)特的防篡改（AT）技術(shù)，可充分利用這個(gè)特性來采取措施。Zynq-7000平臺總是先啟動(dòng)處理器端然后再啟動(dòng)FPGA，利用Zynq-7000內(nèi)含的AES-256解密引擎和HMAC認(rèn)證引擎保護(hù)芯片化保護(hù)裝置軟件的二進(jìn)制可執(zhí)行代碼、固化數(shù)據(jù)以及FPGA的bitstream編程文件不被竊取和使用。另外，修改次核操作系統(tǒng)核心代碼，保證其復(fù)位，不影響保護(hù)ARM的運(yùn)行。通過這些措施，既保證了芯片運(yùn)行程序不會被篡改，又保證了即使管理ARM核出現(xiàn)故障，也不影響保護(hù)功能的運(yùn)行，從而滿足智能化保護(hù)裝置高可靠性的要求。

3 結(jié)語

SOC強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)級的綜合設(shè)計(jì)及軟硬件的更緊密聯(lián)系與當(dāng)前電力二次設(shè)備開發(fā)追求的理念完美契合。在芯片主頻提高FPGA應(yīng)用成熟的背景下，以單個(gè)核心芯片研制高度集成、信息交互靈活、小型化、就地化的保護(hù)裝置直接安裝于一次設(shè)備旁，可以達(dá)到安全高效、降低成本和簡化運(yùn)維的目的。本文結(jié)合先進(jìn)的SOC技術(shù)和成熟的數(shù)字化測控一體化保護(hù)裝置原理，完成了芯片化保護(hù)測控裝置的開發(fā)。選取某110 kV數(shù)字化變電站廣東佛山110 kV瑞顏站開展試點(diǎn)建設(shè)，所研發(fā)裝置已于2015年12月掛網(wǎng)運(yùn)行。該裝置的開發(fā)取得了如下成效：

1）遵循保護(hù)測控裝置功能分布式、實(shí)現(xiàn)集成化的技術(shù)路線，二次設(shè)備的功能組件將大幅減少，所用材料數(shù)量將會大幅減少，以器件為統(tǒng)計(jì)單位的系統(tǒng)復(fù)雜度將會降低。

2）半定制芯片內(nèi)部IP自主設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證。芯片內(nèi)每行代碼，每個(gè)處理模塊都自主掌握，芯片信息安全隱患將得到根除。

3）將成熟的軟件算法、功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行抽象可簡化軟件代碼沉淀知識產(chǎn)權(quán)，防止因開發(fā)不當(dāng)導(dǎo)致的波及影響。裝置的缺陷維護(hù)、功能升級造成的風(fēng)險(xiǎn)大大降低，可提高專業(yè)人員對設(shè)備的信任度。

4）通過半定制芯片設(shè)計(jì)逐步增加專用功能為后續(xù)有針對性的功能應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件，解決了多板卡裝置可靠性低、成本高的問題。為二次設(shè)備就地化、一二次設(shè)備融合等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Research on Chip-Based Protection and Measuring and Control Devices

XI Wei1，YAO Hao1，CAI Tiantian1，CHEN Bo1，CHEN Haomin1，WANG Yueqiang2，CHEN Qiurong3，XU Wanfang3
（1.CSG Electric Power Research Institute，Guangzhou 510080，Guangdong，China；2.Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Corp，F(xiàn)oshan 528000，Guangdong，China；3.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

To address issues of complexity，reliability，safety，long life and low cost and other issues of the secondary equipment in the construction of digitalized substations at present，this paper proposes a chip-based protection，measuring and control scheme.By adding the necessary interfaces and peripheral storage circuits to a SOC chip Zynq-7000，function of the digitalized protection，measuring and control device can be realized.A 110 kV Pilot is launched to translate the research achievement into practical applications and the results of the project will have rewarding significance.The result shows that the performace of protection on chip promote obviously.

System-on-a-chip；protection relay；digital；Intellectual Property core；All Programmable

2016-06-11。

習(xí) 偉（1980—），男，碩士，高級工程師，從事分布式新能源、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和數(shù)字化變電站等方面的研究工作。

（編輯 董小兵）

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（K-KY2014-041）。

Project Supported by the Science and Technology Program of China Southern Power Grid Co.，Ltd.（K-KY2014-041）.

1674-3814（2016）11-0091-07

TM403.5

A