保護(hù)控制裝置虛擬運(yùn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳宏君, 周 強(qiáng), 文繼鋒,徐東方, 李九虎, 周 磊

( 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

保護(hù)控制裝置開(kāi)發(fā)正往平臺(tái)化、可視化、智能化等方向發(fā)展，需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)通用硬件、軟件平臺(tái)，以提高應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率和裝置集成能力[1-5]。文獻(xiàn)[1]介紹了統(tǒng)一先進(jìn)控制保護(hù)平臺(tái)(unified advanced protection control,UAPC)的硬件結(jié)構(gòu)，提出了基于分布式多處理器和組件化硬件平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了一種分布式總線(xiàn)的通信架構(gòu)，提高裝置內(nèi)數(shù)據(jù)交換效率和靈活性。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的平臺(tái)采用PowerPC處理器作為保護(hù)和管理通信的主控芯片，板間采用高速以太網(wǎng)和低電壓差分信號(hào)(low-voltage differential signaling,LVDS)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了智能變電站保護(hù)測(cè)控裝置通用平臺(tái)，并基于該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了二次設(shè)備裝置的重構(gòu)和動(dòng)態(tài)配置。文獻(xiàn)[4]提出了基于嵌入式可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)軟核的配網(wǎng)保護(hù)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了面向配網(wǎng)主設(shè)備保護(hù)功能。文獻(xiàn)[5]介紹了可視化配置軟件的設(shè)計(jì)思路，基于模塊化元件進(jìn)一步提升了裝置可配置能力。

在裝置的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)調(diào)試往往依賴(lài)于裝置硬件和測(cè)試設(shè)備，串行開(kāi)發(fā)的周期長(zhǎng)，有時(shí)不能滿(mǎn)足快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。例如:就地化保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目立項(xiàng)、裝置研發(fā)、入網(wǎng)測(cè)試、實(shí)際投運(yùn)只有8個(gè)月的時(shí)間，硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件、驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用程序和配置的移植等工作是由多個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行，研發(fā)人員在裝置尚不具備的條件下就需進(jìn)行保護(hù)功能和配置建模驗(yàn)證，故有必要實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)(personal computer,PC)快速構(gòu)建等同架構(gòu)的虛擬裝置，除特殊硬件性能測(cè)試外，保護(hù)功能和人機(jī)接口通信功能可以在虛擬裝置上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]介紹了基于風(fēng)和公司開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)( wind river workbench’s real time operating system, Vxworks)的微機(jī)保護(hù)裝置仿真平臺(tái)，能完成保護(hù)功能的靜態(tài)測(cè)試，但不具備基于波形輸入測(cè)試功能，并僅限于固定硬件架構(gòu)。文獻(xiàn)[7]基于變電站配置語(yǔ)言(substation configuration language, SCL)模型，實(shí)現(xiàn)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的智能電子設(shè)備(intelligent electronic device, IED)仿真系統(tǒng)，可模擬IED的制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification, MMS)和面向通用對(duì)象的變電站事件(generic object oriented substation events, GOOSE)通信行為及時(shí)間響應(yīng)機(jī)制。文獻(xiàn)[8]提出了一種平臺(tái)化的繼電保護(hù)數(shù)字仿真系統(tǒng)，實(shí)際使用取得較好效果。文獻(xiàn)[9]通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(real time digital simulator, RTDS)閉環(huán)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真驗(yàn)證了融冰控制保護(hù)策略的可行性和有效性。文獻(xiàn)[10—12]介紹了裝置實(shí)時(shí)系統(tǒng)部分的虛擬同步方法，未涉及非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)。而一臺(tái)裝置的調(diào)試除應(yīng)用功能的驗(yàn)證外，還需進(jìn)行各種版本的通信規(guī)約、人機(jī)交互顯示組件的測(cè)試。隨著應(yīng)用的復(fù)雜度、集成度提高和芯片級(jí)系統(tǒng)(system on chip, SOC)多核插件的應(yīng)用，虛擬仿真平臺(tái)需要適應(yīng)不同的硬件架構(gòu)，可靈活加載新的服務(wù)組件。

文中基于UAPC平臺(tái)的硬件、軟件的架構(gòu)，通過(guò)對(duì)硬件能力進(jìn)行抽象建模，構(gòu)建了虛擬數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可靈活配置不同插件的通信方式；通過(guò)串行執(zhí)行和虛擬時(shí)標(biāo)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多塊多核CPU/DSP的實(shí)時(shí)任務(wù)虛擬運(yùn)行；通過(guò)構(gòu)建Linux的虛擬接口和組件通信機(jī)制，可將Linux的實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)進(jìn)程等重構(gòu)為Windows下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)裝置的整機(jī)仿真功能，文中介紹了虛擬運(yùn)行平臺(tái)的架構(gòu)和關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路。

1 虛擬運(yùn)行平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 概念定義

元件(component)：是完成特定應(yīng)用功能的面向?qū)ο蟮囊唤M數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程，處理完后輸出的數(shù)據(jù)供其它元件進(jìn)一步使用，元件包含輸入、輸出、參數(shù)、邏輯節(jié)點(diǎn)等內(nèi)容。例如過(guò)流保護(hù)功能可以通過(guò)一個(gè)過(guò)流元件的設(shè)計(jì)來(lái)完成，其輸入是采樣元件的采樣數(shù)據(jù)，輸出是過(guò)流標(biāo)志，參數(shù)是過(guò)流門(mén)檻值。

組件(package)：是可獨(dú)立發(fā)布的二進(jìn)制單元。組件是1個(gè)黑盒子，對(duì)外的接口主要有API功能和端口，其中API是組件對(duì)外提供的功能，端口表示組件內(nèi)部調(diào)用外部其它組件功能的函數(shù)[13]。

1.2 功能設(shè)計(jì)

虛擬運(yùn)行平臺(tái)支持單處理器單步調(diào)試、整機(jī)仿真運(yùn)行功能，支持處理器多級(jí)任務(wù)執(zhí)行和虛擬數(shù)據(jù)總線(xiàn)交換，并滿(mǎn)足實(shí)際裝置的數(shù)據(jù)總線(xiàn)同步機(jī)制[14]；支持Linux相關(guān)進(jìn)程的等價(jià)移植重構(gòu)，支持虛擬液晶調(diào)試、IEC 61850調(diào)試、IEC 103調(diào)試及可視化調(diào)試；支持將應(yīng)用程序形成VisualStudio工程并編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。仿真輸入文件包括可視化配置工具PCS-Explorer形成的驅(qū)動(dòng)包[14](config.txt、device.cid等裝置接口文件)、應(yīng)用程序庫(kù)、波形文件等，輸出結(jié)果包括事件記錄、波形文件等。在虛擬運(yùn)行平臺(tái)中的配置驅(qū)動(dòng)包和下載到實(shí)際裝置運(yùn)行的文件完全一致，而應(yīng)用程序只需修改AD采樣的通道映射代碼和部分硬件接口代碼，面向應(yīng)用的接口函數(shù)和系統(tǒng)變量保持和實(shí)際裝置一致。通過(guò)條件編譯，可實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行和仿真運(yùn)行所需的程序和配置同源維護(hù)。虛擬運(yùn)行平臺(tái)支持如下3個(gè)功能：

(1) 面向應(yīng)用的單處理器的單步調(diào)試功能。基于VisualStudio開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供單處理器的開(kāi)發(fā)庫(kù)，支持輸入波形文件，通過(guò)采樣通道重映射，逐點(diǎn)讀取波形數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

(2) 面向應(yīng)用的整裝置虛擬運(yùn)行功能。支持輸入波形、數(shù)據(jù)陣列或空跑運(yùn)行模式，指定PC機(jī)裝置配置文件路徑、應(yīng)用程序目標(biāo)路徑后，啟動(dòng)虛擬主進(jìn)程( master process, Master)，加載數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor, DSP)、輸入輸出(input ouput，IO)、子進(jìn)程(slave process，Slave)、通信服務(wù)等組件并進(jìn)行初始化，啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度和通信處理線(xiàn)程，通過(guò)串行執(zhí)行，支持實(shí)時(shí)任務(wù)虛擬微妙級(jí)的時(shí)間精度、非實(shí)時(shí)任務(wù)的100毫秒級(jí)調(diào)度。仿真界面可顯示上電初始化的提示信息。

(3) 面向平臺(tái)開(kāi)發(fā)人員的公共服務(wù)單步調(diào)試功能。 提供測(cè)試程序和測(cè)試驅(qū)動(dòng)包，通過(guò)操作系統(tǒng)適配層，虛擬了同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(synchronous dynamic random access memory，SDRAM)、共享內(nèi)存、先進(jìn)先出(first in first out，F(xiàn)IFO)通信、pthread接口，可基于Win7+VisualStudio單步調(diào)試Master、Slave、IEC 61850、LCD、IEC 103、DSP等組件的主體功能。

1.3 系統(tǒng)組成

UAPC平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示, 包括硬件平臺(tái)、系統(tǒng)軟件和可視化集成工具。所有插件按照標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可擴(kuò)展思想設(shè)計(jì)，采用自主設(shè)計(jì)的高速總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部高性能CPU插件的橫向擴(kuò)展。平臺(tái)系統(tǒng)軟件包括基于嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的若干主CPU服務(wù)進(jìn)程、DSP和IO插件的通用功能模塊、驅(qū)動(dòng)程序，底層驅(qū)動(dòng)屏蔽硬件差異，面向應(yīng)用提供完善的功能和穩(wěn)定的接口，支持平滑升級(jí)。各個(gè)方向的應(yīng)用人員通過(guò)可視化集成工具開(kāi)發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序。主CPU的進(jìn)程采用一主多從架構(gòu)，Master為管理主進(jìn)程，負(fù)責(zé)啟動(dòng)運(yùn)行Slave子進(jìn)程、液晶顯示進(jìn)程LCD、通信服務(wù)IEC 61850等多個(gè)子進(jìn)程，其中Slave用于處理事件、錄波、LED燈刷新、統(tǒng)計(jì)等功能。

圖1 UAPC平臺(tái)系統(tǒng)框架Fig. 1 System framework of UAPC platform

虛擬運(yùn)行平臺(tái)包括：可視化配置工具、仿真主界面、調(diào)試客戶(hù)端、虛擬數(shù)據(jù)處理、虛擬管理進(jìn)程、實(shí)時(shí)組件、非實(shí)時(shí)組件及平臺(tái)接口庫(kù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛擬運(yùn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig. 2 System framework of virtual operating platform

(1) 可視化集成工具。用于嵌入式裝置的硬件和軟件功能配置，采用圖形化符號(hào)、可視化頁(yè)面搭建裝置應(yīng)用功能，形成裝置驅(qū)動(dòng)包和配置文件, 和UAPC平臺(tái)裝置開(kāi)發(fā)工具軟件相同。

(2) 仿真主界面。用于仿真信息設(shè)置、啟動(dòng)停止仿真、虛擬裝置輸出信息和任務(wù)統(tǒng)計(jì)展示、應(yīng)用程序自動(dòng)編譯等功能。仿真界面子系統(tǒng)支持設(shè)置仿真模式和仿真數(shù)據(jù)源，啟動(dòng)虛擬管理進(jìn)程，獲取虛擬管理進(jìn)程的輸出信息并展示。

(3) 調(diào)試客戶(hù)端。包括可視化調(diào)試、虛擬液晶調(diào)試、IEC 61850調(diào)試、IEC 103調(diào)試等。

(4) 虛擬數(shù)據(jù)處理。為虛擬裝置提供數(shù)據(jù)源，支持波形讀取解析和通道映射，支持第三方仿真軟件，例如直流電磁暫態(tài)計(jì)算程序/電力系統(tǒng)分析仿真軟件(electro-magnetic transient in DC system/power system computer aided design, EMTDC/PSCAD)的輸出數(shù)據(jù)，支持自定義格式的數(shù)據(jù)陣列等。

(5) 虛擬管理進(jìn)程Master。對(duì)應(yīng)裝置主CPU的管理進(jìn)程Master，讀取裝置配置文件，加載裝置實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)組件，進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)、非實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，創(chuàng)建釋放共享內(nèi)存。

(6) 實(shí)時(shí)組件。對(duì)應(yīng)裝置各個(gè)處理器的程序功能，編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，此外主CPU的Slave進(jìn)程也重構(gòu)為實(shí)時(shí)組件。

(7) 非實(shí)時(shí)組件。對(duì)應(yīng)裝置主CPU基于操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的通信、人機(jī)交互等服務(wù)進(jìn)程，包括IEC 61850、IEC 103、LCD等，獨(dú)立編譯為若干動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

(8) 平臺(tái)接口庫(kù)。包括DSP/IO實(shí)時(shí)庫(kù)、主CPU實(shí)時(shí)庫(kù)以及主CPU非實(shí)時(shí)庫(kù)，提供裝置平臺(tái)化公共接口和服務(wù)，定義實(shí)時(shí)組件、非實(shí)時(shí)組件的導(dǎo)出接口函數(shù)，提供數(shù)據(jù)注冊(cè)、變量管理、總線(xiàn)通信等功能。

在圖2中標(biāo)示了虛擬運(yùn)行平臺(tái)和裝置實(shí)際運(yùn)行平臺(tái)的模塊映射關(guān)系：虛擬管理進(jìn)程Master從主CPU的Master進(jìn)程中移植重構(gòu)，并增加了組件加載管理等內(nèi)容。實(shí)時(shí)組件對(duì)應(yīng)DSP/IO/主CPU的Slave 程序，根據(jù)配置的插件數(shù)量創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)組件實(shí)例。非實(shí)時(shí)組件對(duì)應(yīng)主CPU的IEC 61850、IEC 103、LCD等程序，根據(jù)配置的服務(wù)進(jìn)程功能列表創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的非實(shí)時(shí)組件實(shí)例。虛擬平臺(tái)接口庫(kù)包括驅(qū)動(dòng)層和操作系統(tǒng)適配層的封裝接口、公共數(shù)據(jù)管理等功能。

1.4 虛擬運(yùn)行“等價(jià)”實(shí)現(xiàn)技術(shù)

虛擬運(yùn)行平臺(tái)的“等價(jià)”實(shí)現(xiàn)技術(shù)如圖3所示。通過(guò)管理進(jìn)程Master加載各類(lèi)組件，完成虛擬裝置的創(chuàng)建和初始化過(guò)程。實(shí)時(shí)組件之間通過(guò)實(shí)時(shí)多路同步高速傳輸串行總線(xiàn)協(xié)議(high performance time determinate multiplexed synchronous serial bus , HTM)/控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)數(shù)據(jù)總線(xiàn)交互數(shù)據(jù)， Master與Slave、主CPU非實(shí)時(shí)組件之間通過(guò)共享內(nèi)存交互數(shù)據(jù)，通過(guò)虛擬FIFO交互報(bào)文。Master和DSP/IO實(shí)時(shí)組件之間通過(guò)CAN總線(xiàn)交互數(shù)據(jù)。圖3中， Slave從功能隸屬關(guān)系上劃分為主CPU的模塊，從任務(wù)執(zhí)行方式上劃分為實(shí)時(shí)組件，在虛擬的實(shí)時(shí)任務(wù)中完成跨插件交換的數(shù)據(jù)幀緩存功能，并檢測(cè)動(dòng)作、自檢、變位引用表中的變量翻轉(zhuǎn)變化，形成事件記錄和波形文件。

虛擬裝置等價(jià)運(yùn)行的關(guān)鍵步驟如下：

(1) PC機(jī)仿真主界面進(jìn)程獲取仿真設(shè)置信息，啟動(dòng)嵌入式裝置的虛擬管理進(jìn)程。虛擬管理進(jìn)程讀取裝置配置文件，獲取硬件配置信息，加載各個(gè)處理器的實(shí)時(shí)組件，獲取主CPU的進(jìn)程配置信息，加載對(duì)應(yīng)的非實(shí)時(shí)組件；管理進(jìn)程讀取配置文件中人機(jī)通信配置信息，創(chuàng)建配置共享內(nèi)存；管理進(jìn)程在加載組件時(shí)，提取并記錄預(yù)定義的組件導(dǎo)出函數(shù)地址。

(2) 虛擬管理進(jìn)程按照硬件聲明順序，通過(guò)虛擬CAN總線(xiàn)和實(shí)時(shí)組件進(jìn)行初始化交互，管理進(jìn)程匯總各個(gè)實(shí)時(shí)組件的數(shù)據(jù)交換信息，創(chuàng)建數(shù)據(jù)總線(xiàn)。虛擬管理進(jìn)程按照配置文件中的非實(shí)時(shí)進(jìn)程聲明順序，通過(guò)虛擬FIFO和非實(shí)時(shí)組件進(jìn)行初始化交互。

(3) 虛擬管理進(jìn)程啟動(dòng)虛擬實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度線(xiàn)程，調(diào)用實(shí)時(shí)組件預(yù)定義的導(dǎo)出接口，串行執(zhí)行各個(gè)等級(jí)的實(shí)時(shí)任務(wù)。虛擬管理進(jìn)程啟動(dòng)多個(gè)非實(shí)時(shí)線(xiàn)程，調(diào)用非實(shí)時(shí)組件周期任務(wù)，實(shí)現(xiàn)和多個(gè)調(diào)試客戶(hù)端的并發(fā)通信。

圖3 虛擬運(yùn)行平臺(tái)等價(jià)實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.3 Equivalent realization schematic diagram of virtual operating platform

(4) 虛擬裝置運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)組件基于數(shù)據(jù)總線(xiàn)獲取處理器之間的交互數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)組件和非實(shí)時(shí)組件基于共享內(nèi)存交互數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)SLAVE組件將非實(shí)時(shí)組件的變量代理刷新到共享內(nèi)存。

2 虛擬運(yùn)行平臺(tái)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 組件接口設(shè)計(jì)

實(shí)際裝置可以等效為若干獨(dú)立運(yùn)行的進(jìn)程，通過(guò)硬件中斷或系統(tǒng)調(diào)用觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行和數(shù)據(jù)同步，而虛擬裝置中，如果采用若干進(jìn)程模式，基于管道通信進(jìn)行每個(gè)周期的同步，處理復(fù)雜度高，開(kāi)銷(xiāo)大。而若采用單個(gè)進(jìn)程模式，在1個(gè)進(jìn)程中集成多個(gè)CPU的程序，需要避免變量命名和函數(shù)重復(fù)，即需修改各個(gè)CPU的程序，增加1層數(shù)據(jù)封裝，導(dǎo)致嵌入式應(yīng)用程序和仿真程序有較大差異，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同源維護(hù)。為降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，文中采用了組件模式，即將各個(gè)處理器的應(yīng)用程序和Linux下Slave進(jìn)程、通信進(jìn)程重構(gòu)改造為組件，Master進(jìn)程在初始化過(guò)程中加載組件，各個(gè)組件有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和函數(shù)空間，可解決變量空間沖突，組件之間通過(guò)預(yù)設(shè)的導(dǎo)出接口進(jìn)行功能調(diào)用。在Windows下組件編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dynamic load lidrary,DLL)，DLL是一組源代碼模塊，每個(gè)模塊包括一組可被外部模塊調(diào)用的函數(shù)，模塊的變量作為私有數(shù)據(jù)，只能通過(guò)接口函數(shù)訪問(wèn)和修改。文中通過(guò)LoadLibrary接口顯示加載方法，在Master初始化過(guò)程中將DLL文件映射到該進(jìn)程的地址空間中，操作系統(tǒng)為DLL實(shí)例分配相關(guān)變量對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器，保留一段獨(dú)立區(qū)域直到進(jìn)程運(yùn)行終止時(shí)釋放。以實(shí)時(shí)組件為例，組件模型如圖4所示。

圖4 組件模型Fig.4 Modeling of package

組件的導(dǎo)出接口均在系統(tǒng)庫(kù)中定義，Master在啟動(dòng)過(guò)程中調(diào)用組件的導(dǎo)出接口，完成組件的構(gòu)造過(guò)程，系統(tǒng)庫(kù)通過(guò)預(yù)設(shè)的appNewComponet、appInitComponent接口，在組件的初始化過(guò)程中調(diào)用應(yīng)用級(jí)元件構(gòu)造、初始化接口。

2.2 平臺(tái)庫(kù)設(shè)計(jì)

UAPC平臺(tái)上運(yùn)行的程序分為應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序兩部分，平臺(tái)系統(tǒng)程序?yàn)榭刂票Ｗo(hù)應(yīng)用程序執(zhí)行構(gòu)建了完整的環(huán)境。在虛擬運(yùn)行平臺(tái)庫(kù)中定義和實(shí)現(xiàn)組件導(dǎo)出接口。平臺(tái)庫(kù)的功能設(shè)計(jì)如下:

(1) 元件管理功能。 所有應(yīng)用按照元件的概念進(jìn)行封裝，應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)清晰，具有重用性，為可視化編程配置提供了基礎(chǔ)。基于統(tǒng)一的系統(tǒng)程序和標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口，應(yīng)用元件與硬件脫離，提高了應(yīng)用元件的通用性，為虛擬運(yùn)行創(chuàng)造了必要條件。

(2) 變量注冊(cè)功能。提供輸入、輸出變量注冊(cè)接口，管理平臺(tái)和應(yīng)用的對(duì)外變量，支持通過(guò)層次變量名、Hash鍵值快速查找獲取變量屬性。

(3) 參數(shù)管理功能。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用元件的可重用，同時(shí)又能夠適應(yīng)不同的工程的需求，通常給元件設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)的值改變?cè)奶匦?。?yīng)用元件將參數(shù)的名字、屬性注冊(cè)到裝置的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中，裝置管理程序從裝置配置文件中讀取定值組信息，以平臺(tái)結(jié)構(gòu)化的參數(shù)名為索引，建立起兩者之間的映射關(guān)系。

(4) 任務(wù)管理功能。平臺(tái)提供任務(wù)管理和調(diào)度功能，支持應(yīng)用程序創(chuàng)建、添加、刪除、運(yùn)行各個(gè)級(jí)別的任務(wù)和設(shè)置周期。應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員無(wú)需關(guān)心底層任務(wù)調(diào)度，只需選擇合適任務(wù)優(yōu)先級(jí)即可滿(mǎn)足各種應(yīng)用的靈活需求。

(5) 平臺(tái)調(diào)試功能。包括文件下載、上裝、查詢(xún)變量、查詢(xún)內(nèi)存等功能。其中查詢(xún)變量的關(guān)鍵是獲取變量的類(lèi)型和地址。對(duì)于元件的注冊(cè)變量，通過(guò)層次變量名在注冊(cè)變量庫(kù)中可獲取變量信息。對(duì)于全局變量，調(diào)試客戶(hù)端從編譯器生成的符號(hào)表中提取。對(duì)于元件內(nèi)部的靜態(tài)變量，則結(jié)合元件首地址加分析元件頭文件的獲取的相對(duì)偏移，可得到變量信息[14]。

虛擬運(yùn)行平臺(tái)庫(kù)基于UAPC嵌入式裝置系統(tǒng)庫(kù)進(jìn)行重構(gòu)，其中DSP庫(kù)可高比例復(fù)用，并統(tǒng)一了各種CPU/DSP的字長(zhǎng)、大小端。裝置為了提高運(yùn)行效率，對(duì)于不同處理器采用條件編譯方式靜態(tài)適應(yīng)部分硬件差異。在仿真模式下，構(gòu)建了硬件能力描述文件，不同插件類(lèi)型可靈活配置數(shù)據(jù)總線(xiàn)的讀寫(xiě)能力、交換方式，根據(jù)插件型號(hào)可動(dòng)態(tài)執(zhí)行相關(guān)分支代碼，實(shí)現(xiàn)仿真模式下1個(gè)DSP平臺(tái)庫(kù)適配多種硬件。

裝置主CPU運(yùn)行嵌入式Linux環(huán)境，移植到Windows操作系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵修改有：基于開(kāi)源pthreadVC庫(kù)，原生態(tài)支持了Linux的線(xiàn)程、信號(hào)量等接口；使用共享內(nèi)存模擬了SDRAM實(shí)時(shí)文件系統(tǒng)，確保了Slave的錄波、事件等應(yīng)用層代碼無(wú)縫遷移；基于windows的確定一個(gè)或多個(gè)套接字的狀態(tài)接口(winsock API to simplify porting poll, WSAPoLL)等應(yīng)用程序編程接口(application programming interface, API)實(shí)現(xiàn)了非實(shí)時(shí)模塊事件觸發(fā)響應(yīng)功能。移植過(guò)程中，對(duì)gettimeofday、localtime_r、vfscanf等系統(tǒng)服務(wù)均進(jìn)行了等價(jià)實(shí)現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)

保護(hù)控制裝置的插件包括：管理CPU插件、計(jì)算處理插件、IO插件。管理插件和計(jì)算處理插件之間通過(guò)高速大容量實(shí)時(shí)的HTM總線(xiàn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ繹15]，這些插件與IO插件之間則提供了CAN總線(xiàn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。HTM總線(xiàn)上采用的是定周期傳送機(jī)制，CAN總線(xiàn)上采用的則是面向事件的變化傳輸機(jī)制。在PC機(jī)虛擬運(yùn)行模式下，對(duì)于CAN總線(xiàn)，應(yīng)用層報(bào)文保持不變，鏈路層通過(guò)Master進(jìn)行中轉(zhuǎn)，采用回調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)接收側(cè)直接響應(yīng)。對(duì)于HTM總線(xiàn)，虛擬裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field-programmable gate array, FPGA)微秒級(jí)的快速交換周期，但需保證虛擬時(shí)間的精度以及各個(gè)組件之間的數(shù)據(jù)交換同步機(jī)理和實(shí)際裝置一致。數(shù)據(jù)交換和任務(wù)調(diào)度周期存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，HTM0、HTM1交換周期和任務(wù)1、任務(wù)2周期一致，其余等級(jí)的任務(wù)周期則基于HTM0、HTM1擴(kuò)頻實(shí)現(xiàn)。

仿真模式下，HTM總線(xiàn)基于全局共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)，其原理如圖5所示。

圖5 虛擬運(yùn)行數(shù)據(jù)總線(xiàn)原理Fig.5 Virtual operation principle of the data bus

每塊插件在HTM周期中從共享內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，并將本插件的輸出寫(xiě)到共享內(nèi)存。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1) 每個(gè)元件在初始化階段向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)注冊(cè)該應(yīng)用元件可用于跨插件交換的輸入、輸出變量，在制作元件符號(hào)庫(kù)階段，根據(jù)輸入輸出接口函數(shù)，從C文件中提取相關(guān)信息，形成輸入輸出管腳。

(2) 通過(guò)可視化集成工具，從元件庫(kù)中挑選元件以圖形化方式搭建嵌入式裝置應(yīng)用程序，并通過(guò)跨頁(yè)面輸入、輸出符號(hào)和連接線(xiàn)配置插件之間數(shù)據(jù)流關(guān)系，形成裝置的程序驅(qū)動(dòng)包。

(3) 可視化集成工具讀取頁(yè)面文件，根據(jù)設(shè)置的頁(yè)面和元件執(zhí)行順序，依次提取插件間跨頁(yè)面連接符號(hào)的連接信息(變量名、變量注冊(cè)類(lèi)型、變量字節(jié)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)類(lèi)型), 形成用于插件間信號(hào)交換的輸出-輸入列表。

(4) 可視化集成工具離線(xiàn)分配變量傳輸?shù)刂?。?duì)各塊插件以插件編號(hào)升序緊湊排序，依次處理。對(duì)單塊插件的輸出變量，按照頁(yè)面內(nèi)元件執(zhí)行順序和變量注冊(cè)類(lèi)型，以自然邊界對(duì)齊的原則分配變量在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上的傳輸?shù)刂?，輸入變量則記錄源輸出變量對(duì)應(yīng)的傳輸?shù)刂贰Ｒ圆寮閱挝?，形成配置文本，記錄元件?shí)例、輸出變量地址和輸入變量關(guān)聯(lián)地址信息。

(5) 將配置文本下載到各個(gè)插件后，由插件系統(tǒng)引導(dǎo)程序解析地址信息，在周期任務(wù)中將輸出變量值刷新到對(duì)應(yīng)的總線(xiàn)傳輸?shù)刂?，將總線(xiàn)地址上數(shù)據(jù)刷新給對(duì)應(yīng)的輸入變量，完成變量交換。

2.4 任務(wù)執(zhí)行設(shè)計(jì)

嵌入式裝置基于優(yōu)先級(jí)的搶占式任務(wù)調(diào)度管理，嚴(yán)格保證高等級(jí)任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。中斷源由多個(gè)外部IO、內(nèi)部定時(shí)器和軟中斷組成，任務(wù)調(diào)度程序在中斷驅(qū)動(dòng)下，有選擇地執(zhí)行任務(wù)鏈中的任務(wù)。由于高優(yōu)先級(jí)任務(wù)會(huì)打斷低優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行，系統(tǒng)軟件還提供關(guān)中斷、信號(hào)量等多種手段以保證數(shù)據(jù)安全和對(duì)資源有效訪問(wèn)。

虛擬運(yùn)行模式下，由于PC機(jī)定時(shí)器只能實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的精度，并且主要目的是進(jìn)行應(yīng)用邏輯和裝置配置的仿真，故未構(gòu)建等價(jià)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，而是采用了串行執(zhí)行和虛擬時(shí)標(biāo)機(jī)制(不模擬中斷嵌套)，如圖6所示，各個(gè)實(shí)時(shí)組件的相同等級(jí)任務(wù)是串行執(zhí)行，以微秒為刻度更新虛擬時(shí)間，按照HTM0周期為步長(zhǎng)校準(zhǔn)虛擬微秒值、毫秒值，并將當(dāng)前虛擬時(shí)間刷新到共享內(nèi)存。應(yīng)用程序?qū)τ谡箤挕⒀訒r(shí)的操作是微秒級(jí)，虛擬時(shí)標(biāo)精度能夠滿(mǎn)足要求，插件間的虛擬數(shù)據(jù)交換周期和裝置的實(shí)際數(shù)據(jù)總線(xiàn)機(jī)制是一致的，所以不需要修改數(shù)據(jù)插值同步的代碼。串行執(zhí)行算法在PC機(jī)仿真、EMTDC/PSCAD第3方軟件混合仿真中都進(jìn)行了應(yīng)用，基于波形驗(yàn)證仿真結(jié)果、EMTDC一次/二次系統(tǒng)混合仿真結(jié)果和實(shí)際裝置一致。

圖6 虛擬運(yùn)行任務(wù)執(zhí)行原理Fig.6 Virtual operation task execution principles

2.5 實(shí)時(shí)組件設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)組件包括DSP應(yīng)用組件、IO程序組件和平臺(tái)Slave組件。應(yīng)用組件是各個(gè)DSP運(yùn)算組件，是進(jìn)行保護(hù)控制運(yùn)算和邏輯處理的組件，應(yīng)用組件基于實(shí)時(shí)庫(kù)開(kāi)發(fā)，基于元件動(dòng)態(tài)注冊(cè)技術(shù)[16]，通過(guò)調(diào)用應(yīng)用級(jí)元件構(gòu)造、初始化函數(shù)完成應(yīng)用層功能實(shí)例構(gòu)建。仿真設(shè)置界面支持導(dǎo)入嵌入式程序目錄，自動(dòng)形成Makefile和VCProj工程編譯。裝置運(yùn)行程序切換到仿真模式下，需修改采樣元件，調(diào)用波形通道訪問(wèn)接口，逐點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)字化GOOSE接收輸入，則從虛擬GOOSE仿真輸入元件中獲取數(shù)據(jù)。

虛擬平臺(tái)IO程序組件基于實(shí)時(shí)庫(kù)開(kāi)發(fā)，在任務(wù)隊(duì)列2中執(zhí)行，支持CAN數(shù)據(jù)交換功能，在可視化調(diào)試時(shí)可修改輸出變量值。

虛擬平臺(tái)Slave組件提供如下功能：FPGA的HTM數(shù)據(jù)3 s緩存功能，通過(guò)循環(huán)讀寫(xiě)緩沖區(qū)，緩存累計(jì)3 s的HTM0、HTM1的數(shù)據(jù)幀，用于裝置啟動(dòng)錄波時(shí)記錄故障觸發(fā)前數(shù)據(jù)；HTM代理發(fā)送接收功能，代理非實(shí)時(shí)組件的跨插件交換變量的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收，將數(shù)據(jù)刷新到共享內(nèi)存；事件報(bào)告和錄波功能，在實(shí)時(shí)任務(wù)中檢測(cè)信號(hào)變位，形成報(bào)文記錄；檢測(cè)觸發(fā)錄波變量，啟動(dòng)錄波線(xiàn)程，形成波形文件；LED燈狀態(tài)刷新功能、狀態(tài)統(tǒng)計(jì)功能等。

2.6 非實(shí)時(shí)組件設(shè)計(jì)

非實(shí)時(shí)組件包括平臺(tái)的公共服務(wù)，例如LCD液晶、IEC 61850通信、IEC 103通信等，在Linux下對(duì)應(yīng)獨(dú)立的進(jìn)程，和Master、Slave通過(guò)FIFO交互報(bào)文。在虛擬運(yùn)行模式下，上述公共服務(wù)進(jìn)程改造為主CPU的非實(shí)時(shí)組件。將原先在main中主循環(huán)執(zhí)行的select-poll任務(wù)封裝為組件導(dǎo)出接口函數(shù)，在管理進(jìn)程中啟動(dòng)線(xiàn)程執(zhí)行。各非實(shí)時(shí)組件的任務(wù)線(xiàn)程并發(fā)執(zhí)行，并根據(jù)共享內(nèi)存中當(dāng)前虛擬時(shí)標(biāo)從Slave創(chuàng)建的HTM緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，上送給客戶(hù)端。在Windows下構(gòu)建了基于MMS庫(kù)的IEC6 1850服務(wù)器端，將MMS庫(kù)中偵聽(tīng)、接收的socket統(tǒng)一納入平臺(tái)的fd管理集，在非實(shí)時(shí)線(xiàn)程中處理網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文，支持模型讀取、數(shù)據(jù)集顯示、報(bào)告上送、文件傳輸?shù)确?wù)功能[17]。

2.7 管理進(jìn)程設(shè)計(jì)

虛擬運(yùn)行平臺(tái)基于一主多從模式，管理進(jìn)程Master主要功能如下：

(1) 配置解析。分2次解析過(guò)程，第1次是快讀config.txt，獲取裝置信息、插件配置信息、信號(hào)個(gè)數(shù)、引用表個(gè)數(shù)、定值組個(gè)數(shù)等統(tǒng)計(jì)內(nèi)容，為分配共享內(nèi)存做準(zhǔn)備。第2次是詳細(xì)讀取任務(wù)周期、信號(hào)描述、定值、數(shù)據(jù)交換配置信息、引用表等內(nèi)容；

(2) 裝置初始。在初始化過(guò)程中創(chuàng)建共享內(nèi)存和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，形成定值庫(kù)和信號(hào)庫(kù)，根據(jù)硬件配置和進(jìn)程配置信息，加載相關(guān)組件，調(diào)用組件構(gòu)造、初始化等接口，完成組件的數(shù)據(jù)創(chuàng)建和功能初始化過(guò)程。

(3) 裝置運(yùn)行維護(hù)。啟動(dòng)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度線(xiàn)程、非實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度線(xiàn)程，運(yùn)行過(guò)程中可視化調(diào)試通信功能；運(yùn)行過(guò)程中信息顯示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)；運(yùn)行結(jié)束后組件卸載、資源釋放等。

2.8 應(yīng)用實(shí)例

以保護(hù)裝置PCS-974為例，使用SOC多核插件，通過(guò)平臺(tái)軟件PCS-Explorer和模塊化元件庫(kù)完成應(yīng)用程序和HMI功能的配置。PCS-Explorer形成的驅(qū)動(dòng)包可下載到裝置運(yùn)行，也可在虛擬環(huán)境下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用可視化程序和配置的同源開(kāi)發(fā)維護(hù)。虛擬液晶調(diào)試如圖7所示，LCD組件增加了TCP通信功能，和LCD調(diào)試客戶(hù)端通過(guò)報(bào)文交互，實(shí)現(xiàn)了物理液晶的顯示和鍵盤(pán)操作響應(yīng)的模擬功能?？梢暬{(diào)試如圖8所示,雙擊連接線(xiàn)即可進(jìn)行可視化程序頁(yè)面的在線(xiàn)調(diào)試，提高了調(diào)試效率。

圖7 虛擬液晶調(diào)試Fig. 7 Virtual LCD debug

圖8 虛擬可視化調(diào)試Fig.8 Virtual visual graph debug

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將虛擬裝置劃分為管理進(jìn)程、實(shí)時(shí)模塊和非實(shí)時(shí)模塊，支持裝置整機(jī)功能的模擬和測(cè)試。基于平臺(tái)化的開(kāi)發(fā)方法，裝置研發(fā)人員的配置和程序可在實(shí)際裝置和虛擬裝置中運(yùn)行，并進(jìn)行程序配置的同源維護(hù)，支持單步調(diào)試, 提高了開(kāi)發(fā)效率。裝置研發(fā)人員在出差過(guò)程中、裝置不具備的條件下，也能開(kāi)發(fā)調(diào)試應(yīng)用程序和驗(yàn)證配置，縮短了開(kāi)發(fā)周期，保護(hù)控制裝置虛擬運(yùn)行平臺(tái)在部分PCS裝置開(kāi)發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

需要指出的是，雖然虛擬運(yùn)行平臺(tái)通過(guò)輸入波形文件、EMTDC混合仿真進(jìn)行保護(hù)邏輯驗(yàn)證，其仿真驗(yàn)證結(jié)果和裝置動(dòng)作結(jié)果一致，但由于仿真忽略了與功能無(wú)關(guān)的硬件特性[18]，并且由于不同編譯器的優(yōu)化方法存在差異，不同硬件在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)指令預(yù)取、Cache參數(shù)也存在差異，在并發(fā)操作、時(shí)間性能評(píng)估方面，仿真運(yùn)行測(cè)試無(wú)法替代實(shí)際裝置運(yùn)行測(cè)試。通過(guò)虛擬運(yùn)行平臺(tái)驗(yàn)證的程序和配置，歸檔前仍然需要進(jìn)行嚴(yán)格的自動(dòng)化測(cè)試和部分動(dòng)模測(cè)試。本文下一步的研究方向是評(píng)估近似計(jì)時(shí)的仿真架構(gòu)可行性，從而給出可信的程序性能統(tǒng)計(jì)分析信息。

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