基于SOC平臺的數(shù)字站SCD管控模塊設計

馮豆　楊光輝　田正山

摘 要：數(shù)字化變電站是我國當前以及未來電力建設的主導方向。針對數(shù)字化變電站測試設備對便攜性要求逐步提高的情況，該文提出一種基于SOC結(jié)構(gòu)的測試平臺，并簡單介紹了其功能模塊。該平臺以FPGA為核心器件，具有接收和解析SMV以及GOOSE報文的功能，同時還可以方便地進行用戶應用程序開發(fā)。此外，針對現(xiàn)在SCD管控類軟件只是簡單存放文件，不能進行SCD文件在線一致性檢查等問題，該文根據(jù)SCD管控的特性，設計出利用FGPA進行在線SCD一致性比較，同時還實現(xiàn)了利用網(wǎng)存存儲SCD文件以及數(shù)據(jù)庫管理。經(jīng)過現(xiàn)場應用測試，該方案完全達到電力用戶的需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)字站 SOC FPGA SCD管控

中圖分類號：TP216+.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0178-03

數(shù)字化變電站是我國當前以及未來電力建設的主導方向。數(shù)字站的主要特點在于一次設備的智能化和二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡化[1-3]。數(shù)字化變電站中，采用IEC61850標準組建在線監(jiān)測網(wǎng)絡，可方便地實現(xiàn)不同設備在線監(jiān)測，相關(guān)信息整合以及智能電氣設備之間的信息共享和互操作[4-6]。隨著人們對測試設備使用方便性要求的提高，各類針對數(shù)字站的便攜式、手持式測試設備開始出現(xiàn)。該文設計了一種基于System On Chip（SOC）結(jié)構(gòu)的數(shù)字站測試平臺，該平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，性能優(yōu)異，非常適合用作便攜設備[7-8]。此外，由于整個變電站裝置的配置信息都包含在了SCD文件中。如果要對智能站裝置進行測試，必須先對SCD文件進行管理和解析。針對目前大多數(shù)SCD管控軟件不能進行SCD文件在線一致性檢查等不足，該文在此平臺上，還設計并實現(xiàn)了一種優(yōu)化后的SCD文件管理模塊。主要包含文件可視化管理、SCD文件進行檢查、IED設備圖形化的查看等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同于傳統(tǒng)變電站在進行測量時需要進行AD采樣，將模擬電氣信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再進行處理。數(shù)字化變電站的電氣信息等參數(shù)都是通過IEC61850報文傳遞，即送入測量系統(tǒng)的參數(shù)已經(jīng)是數(shù)字信號，這使得數(shù)字站的測量系統(tǒng)可以省去模數(shù)轉(zhuǎn)換這部份硬件資源開銷以及相應的外圍電路設計，從而實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。

針對數(shù)字站測量系統(tǒng)的特征，該文采用一種System On Chip（SOC）結(jié)構(gòu)的平臺，并在此平臺上設計實現(xiàn)了測量系統(tǒng)的主要功能。其中，SOC平臺采用的核心器件是Altera公司的Cyclone V芯片。該芯片是一款高性能的大規(guī)模集成模塊，它集FPGA和雙核ARMCortex-A9硬核為一體，具有強大的邏輯和數(shù)據(jù)處理能力。采用Cyclone V高度集成芯片，可使得本裝置的主要測試、計算等實時性要求較高的功能均在FPGA中實現(xiàn)，這使得設計可以更加緊湊，并能提高系統(tǒng)的可靠性。此外，ARM處理器主要承擔管理和交互功能，其采用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，可以便于傳統(tǒng)windows應用程序在此平臺上的移植，并為用戶提供熟悉的交互操作界面。本SOC平臺運行的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示：

系統(tǒng)啟動時，由FPGA完成對各測試模塊，包含報文處理，IRIG-B編碼解析等功能模塊的初始化，通過以太網(wǎng)光口接收來數(shù)字站鏈路層自合并單元的IEC61850數(shù)據(jù)包，并通過時鐘模塊打上時標，再由SV、GOOSE在線分析模塊完成報文分析。所獲得信息交由在ARM運行的用戶程序做進一步的處理，如SCD管控中的在線檢查，SCD文件存儲等。

2 SCD管控設計

如第1節(jié)中提到的，由于本SOC平臺具有ARM硬核，配合嵌入式操作系統(tǒng)可以方便地進行用戶程序開發(fā)。其中，變電站的SCD管控是一類重要的程序。這是由于變電站配置描述文件（SCD）的正確性對智能變電站的安全運行至關(guān)重要，尤其SCD文件中的虛端子以及虛端子連接涉及到智能電子設備的跳合閘、采樣回路。目前已投運行了大量智能變電站，隨著這些變電站陸續(xù)進入維護周期，將發(fā)生諸如增減間隔、更換智能裝置、IED固件升級以及IED檢修等涉及到SCD文件管控的操作[9-12]。目前對SCD文件的管理存在許多不規(guī)范行為，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）目前SCD文件由不同的集成商配置，配置的規(guī)范性有待提高。

（2）目前很多的SCD文件都沒有按照“六統(tǒng)一”的規(guī)范配置。

（3）各供電單位習慣于常規(guī)變電站模式，對智能化變電站理解還不夠深刻，對SCD文件的管理帶來了難度。

針對以上情況，該文在嵌入式操作系統(tǒng)上開發(fā)了一種優(yōu)化的SCD管控軟件，主要功能包含以下幾點。

（1）SCD文件圖形化查看模塊可以讀取并分析SCD文件，以圖形化的方式展現(xiàn)給用戶。用戶可以以圖形化的方式查看各IED設備的GOOSE、SV虛端的對應關(guān)系。此外，用戶還可以按SV發(fā)送、GOOSE發(fā)送、SV接收、GOOSE接收和MMS數(shù)據(jù)集的分類，以列表形式查看IED設備的控制塊、通道和虛端子。同時，用戶還可以通過IED名稱或APPID查詢需要查看的IED設備。

（2）SCD文件對比模塊可以打開新舊兩個不同版本的SCD文件，分析兩個SCD文件的不同點。用戶可以以圖形化和列表的方式查看新版本文件相對于舊版本文件新增、修改、刪除的報文控制塊、虛連接等信息。

（3）SCD檢查模塊可以分析當前打開的SCD文件中各IED設備控制塊是否被正確引用、APPID、GOID、SVID是否重復等。

（4）SCD六統(tǒng)一檢查，根據(jù)六統(tǒng)一規(guī)范對當前SCD文件進行檢查。

（5）SCD文件檢查結(jié)果導出模塊可將SCD文件的檢查結(jié)果導出為xls文件，供進一步分析使用。

整體軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 SCD管控應用

本SCD管控軟件在國內(nèi)部分變電站進行了實際應用，效果良好。以部分核心功能為例，圖3為SCD管控總體圖形化界。

其中，在窗口右側(cè)的“裝置列表”中可以選擇不同的IED設備以查看其對應的信息，在右側(cè)窗口看到該設備的連接示意圖，包含需端子信息。

SCD文件的檢查功能?？梢圆榭串斍耙褜氲腟CD文件配置是否符合”六統(tǒng)一”規(guī)范的要求可以實現(xiàn)比較新舊兩個不同版本的SCD文件，解析兩個SCD文件并將兩個文件的不同之處列舉出來。可以按示意圖、SV發(fā)送、GOOSE發(fā)送、SV接收、GOOSE接收、MMS數(shù)據(jù)集的分類來查看兩個版本的SCD文件的新增、修改、刪除情況。

綜上所述，本軟件完全達到了設計要求，即遵循IEC 61850標準，對SCD文件進行解析、檢查、比對。提供對IED設備圖形化的查看、報文控制塊、通道和虛端子的配置功能。

4 結(jié)語

該文設計并實現(xiàn)了一種基于SOC平臺的數(shù)字站SCD管控軟件。其特征在于，利用SOC器件的FPGA和ARM資源，分別承擔對IEC61850協(xié)議報文的處理以及面向用戶的軟件執(zhí)行。這種方式的優(yōu)點在于，無需在FPGA中設計NIOS CPU，從而節(jié)約了FPGA資源。而采用ARM硬核，對系統(tǒng)性能也有一定程度提高。以上設計方式對其它應用領(lǐng)域也有一定借鑒。此外，軟件設計方面，該文針對傳統(tǒng)SCD管控的不足之處進行了一定程度的優(yōu)化。經(jīng)現(xiàn)場使用檢驗，完全達到用戶需求，可以繼續(xù)向市場推廣。

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