DSI-5000系列微機(jī)保護(hù)裝置采用單CPU和多CPU方案實(shí)現(xiàn)IEC6180通訊協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)分析

作者/張玉豹、昝洪良，國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司

DSI-5000系列微機(jī)保護(hù)裝置采用單CPU和多CPU方案實(shí)現(xiàn)IEC6180通訊協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)分析

作者/張玉豹、昝洪良，國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司

DSI-5000系列微機(jī)保護(hù)裝置的應(yīng)用是構(gòu)建數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)，要根據(jù)變電站整體要求進(jìn)行設(shè)計。本文將對單CPU和多CPU的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行比較，分析利用單CPU和多CPU實(shí)現(xiàn)IEC6180協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)和具體實(shí)現(xiàn)過程，包括軟硬件平臺設(shè)計、模塊建模、中斷優(yōu)先級設(shè)置和通信服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

微機(jī)保護(hù)裝置；CPU；通訊協(xié)議

前言

IEC6180是變電站通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系，為變電站自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、各種智能設(shè)備IED的交互操作提供了無縫集成途徑。隨著相關(guān)研究的不斷深入，各試點(diǎn)工程提出了不同的實(shí)現(xiàn)方案，在硬件上要求CPU具有足夠快的處理速度，軟件也需要操作系統(tǒng)的支撐。CPU方案主要可分為單CPU方案和多CPU方案，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對兩者進(jìn)行比較，可以為IEC6180通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的方案選擇提供參考。

1. DSI-5000系列微機(jī)保護(hù)裝置的單CPU和多CPU實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要由高集成度單片機(jī)、電壓電流互感器、中間繼電器、開關(guān)電源模塊等基礎(chǔ)部分組成，適用于110kV發(fā)電廠和變電站，可以為系統(tǒng)電壓電流提供保護(hù)，并實(shí)現(xiàn)測控功能。隨著基于IEC6180通信協(xié)議數(shù)字化變電站建設(shè)研究的不斷深入，相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)對各廠商提供的智能設(shè)備IED進(jìn)行無縫集成。該通信一些的硬件設(shè)備以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，軟件主要基于MMS協(xié)議集進(jìn)行設(shè)計。在硬件上主要對CPU處理速度有較高要求，而且存儲器容量要足夠大。軟件平臺需要由操作系統(tǒng)提供支持，目前多數(shù)廠家采用2到3個CPU的設(shè)計方案，其中一個用于實(shí)現(xiàn)IEC6180通信功能，一個用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，另外一個則用于數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)保護(hù)。

多CPU方案應(yīng)用較多時由于基于多CPU的系統(tǒng)各功能模塊可以獨(dú)立運(yùn)行、互不干擾，能夠提升系統(tǒng)保護(hù)的可靠性，因此在市場上占據(jù)主流地位。而且IEC6180采用面向?qū)€高的建模技術(shù)，提供了保護(hù)邏輯節(jié)點(diǎn)的建模模型，保護(hù)裝置的功能模塊均按照標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行設(shè)計。采用多CPU方案，需要在實(shí)現(xiàn)各邏輯控制節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加一個映像模型，通過兩CPU的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。這回映像數(shù)據(jù)傳輸速率，而且會增加軟硬件設(shè)計的復(fù)雜性。但是GOOSE的數(shù)據(jù)傳輸速度要求是在事件發(fā)生4ms內(nèi)完成信息發(fā)送。

針對于這一問題，擬采用單CPU設(shè)計方案進(jìn)行解決。單CPU設(shè)計方案的優(yōu)勢是軟硬件開銷低，事件響應(yīng)速度快但其保護(hù)可靠性難以保證。而且單CPU的負(fù)荷率較高，對CPU性能提出了更高要求。經(jīng)多方面綜合考慮，現(xiàn)采用飛思卡爾MCF5275單片機(jī)作為系統(tǒng)處理器，該CPU添加了增強(qiáng)行乘加運(yùn)算單元、靜態(tài)存儲器、以及高速緩存，可以滿足保護(hù)設(shè)備的通信需要[1]。

2. DSI-5000系列微機(jī)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)IEC6180通訊協(xié)議

■2.1 軟硬件平臺設(shè)計

DSI–5000系列微機(jī)保護(hù)裝置的軟硬件設(shè)計是其功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。硬件方面，CPU采用MCF5275,150MHZ主頻片上具有16K數(shù)據(jù)/指令，能夠滿足雙以太網(wǎng)通訊，實(shí)時時鐘、A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)保證功能正常，開關(guān)量輸入為16路，開關(guān)量輸出為14路，光纖接口方面，應(yīng)為RJ45或FX100，為便于進(jìn)行觀察，采用清晰度達(dá)到240P的顯示器，并以LED燈作為指示器，該指示器設(shè)計時需具備基本的編程功能。軟件方面，采用C++作為基本語言，所有基本PLC可編程模塊以及其他可編程模塊、自動化模塊、節(jié)點(diǎn)均采用IEC61131標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。作為設(shè)備的核心模塊，自動化模塊、安全模塊等必須具備基本的編程功能，各個模塊之間需保證基本的功能性連接。設(shè)備還需具備錄波能力，包括錄波的長度、格式等可采用COMTRADE格式，并根據(jù)具體需要設(shè)定參數(shù)。操作系統(tǒng)方面，經(jīng)測試以VXWORKS操作系統(tǒng)為宜。

■2.2 模塊建模

建模工作具體進(jìn)行前，首先要明確標(biāo)準(zhǔn)，如前文所說，采用IEC61131所定義的標(biāo)準(zhǔn)對各模塊進(jìn)行建設(shè)。其中的重點(diǎn)是PLC可編程模塊。CPicBase是各模塊的基本原型，具體建模時，可以在IEC61131標(biāo)準(zhǔn)下，尋找與CPicBase匹配的節(jié)點(diǎn)，以便進(jìn)行調(diào)整。以延時過流保護(hù)為例，輸入端的功能是軟壓板、電壓閉鎖，方向閉鎖則通過分相閉鎖信號控制。由于節(jié)點(diǎn)是在IEC61131標(biāo)準(zhǔn)下尋找、與CPicBase匹配的，定時限、反時限以及特定曲線均與動作曲線要求相同而時間定值在定時限中會出現(xiàn)延時的狀況，作為時間常數(shù)，其在反時限中也具備時間常數(shù)的基本特點(diǎn)，因此特殊動作曲線中，時間定值沒有特別的意義。

此外，包括邏輯門編程模型以及其他邏輯節(jié)點(diǎn)、可編程模塊的建模工作也要在IEC61131標(biāo)準(zhǔn)下，盡量尋找與CPicBase匹配的節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對模塊功能的精準(zhǔn)把控。

■2.3 中斷優(yōu)先級設(shè)置

為了能夠提高繼電保護(hù)的可靠性以及效率，應(yīng)該兼顧通訊設(shè)備的反應(yīng)時間，做出合理的安排。任務(wù)優(yōu)先以及分時調(diào)度的機(jī)制分為兩個部分：首先是優(yōu)先等級的分配。內(nèi)核的工作內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)任務(wù)、調(diào)試任務(wù)、調(diào)度任務(wù)、shell 100、用戶任務(wù)安排等。在VxWorks系統(tǒng)中，同一個任務(wù)可以同時安排多項(xiàng)任務(wù)，也就是說如果內(nèi)核被占用了則用戶便無法使用了。但是，如果用戶的優(yōu)先級別高于內(nèi)核，則可能會造成任務(wù)隊列紊亂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。其次就是對DSI 5000系統(tǒng)的功能進(jìn)行分類，具體可以分為通訊任務(wù)、人機(jī)接口任務(wù)、保護(hù)任務(wù)等。同時采用信號量的機(jī)制，在采樣定時中發(fā)放信號量，進(jìn)而保障內(nèi)核能夠快速響應(yīng)。

另外，當(dāng)CPU處于運(yùn)行的狀態(tài)中，可以對其負(fù)荷率進(jìn)行檢測。根據(jù)表1中的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)不同的工作狀態(tài)下，CPU的負(fù)荷具有明顯的差異。表1為CPU的實(shí)際負(fù)荷率。

表 1 CPU不同狀態(tài)的負(fù)荷率

■2.4 IEC6180通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

裝置系統(tǒng)在啟動讀取文件以后，會自動創(chuàng)建VMD，包括定值控制塊、GOOSE控制塊、緩存報告塊、日志、數(shù)據(jù)集、邏輯節(jié)點(diǎn)等內(nèi)容，同時還會映射出VMD中的邏輯點(diǎn)與數(shù)據(jù)區(qū)。利用邏輯點(diǎn)的接口函數(shù)，應(yīng)該按照數(shù)據(jù)的讀寫操作以及VMD的信息來實(shí)現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的交換以及信息的保護(hù)。

IEC6180通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要是由ML850–Comm–Server來實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上，通訊服務(wù)可以分為事件觸發(fā)、定時觸發(fā)兩種機(jī)制，事件觸發(fā)就是根據(jù)監(jiān)視的狀態(tài)為發(fā)出信號，而定時觸發(fā)的時間為1秒。對于不同的保護(hù)裝置需要使用與之相對的控制模型，具體可以分為四種，即提高安全性能的操作選擇、增強(qiáng)安全的直接控制、常規(guī)安全的操作選擇、常規(guī)安全直接控制。每一種控制與遙控的模型都是待機(jī)的狀態(tài)，并且能夠?qū)⑾嚓P(guān)的數(shù)據(jù)保護(hù)映射給MMS的讀寫操作中，并對相關(guān)的操作進(jìn)行區(qū)別性的處理。當(dāng)滿足基本保護(hù)裝置的基本要求以后，通信系統(tǒng)會自動將報告發(fā)送給內(nèi)核處理器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議[2]。

3.結(jié)語

綜上所述，微機(jī)保護(hù)裝置的單CPU方案和多CPU方案各有各的優(yōu)勢和不足，采用性能符合要求的CPU實(shí)現(xiàn)單CPU方案，可以滿足IEC61880通信協(xié)議要求，提升保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而且采用單CPU方案能夠有效降低通信過程中的軟硬件開銷，降低建設(shè)成本，提高數(shù)字變電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

＊ [1]聶飛.基于FPGA的電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計與研究[D].安徽理工大學(xué),2016.