智能電子設(shè)備硬件和軟件設(shè)計(jì)方案

張育

本論文根據(jù)IEC61850作為基礎(chǔ)的開發(fā)環(huán)境，通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研發(fā)和實(shí)踐，設(shè)計(jì)了一套完整的數(shù)字化保護(hù)裝置，并且將軟件和硬件兩者結(jié)合，進(jìn)行了綜合行為的思考，制定了數(shù)字化保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案。硬件層面主要側(cè)重CPU硬件原理的知識(shí)詳述，軟件方面中對(duì)智能電子設(shè)備（IED，Intelligent Electronic Device）進(jìn)行了基本框架的設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用IED軟件分析模擬軟件的整體運(yùn)行情況。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化保護(hù)裝置 IED 硬件 軟件

1 硬件設(shè)計(jì)方案

從目前的市場情況分析可以看出，數(shù)字化保護(hù)裝置的核心部件是CPU，經(jīng)常使用的有兩種型號(hào)，這兩種處理器的功能有所不同，其中，第一種是DSPTMS320F2812，可以完成很多與工程相關(guān)的保護(hù)類的功能，并且可以收集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，包括對(duì)模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，然后通過相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行仿真和模擬，從最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出硬件的實(shí)際水平，根據(jù)實(shí)際的水平和指令，進(jìn)行相應(yīng)的硬件自動(dòng)操作，并根據(jù)相應(yīng)的程序進(jìn)行命令的判定和運(yùn)行，達(dá)到數(shù)字化控制的目的；APMS3C2510可以搭載多種操作系統(tǒng)，根據(jù)目前市場環(huán)境的限制，經(jīng)常使用的系統(tǒng)是VxWorks操作系統(tǒng)，可以根據(jù)相應(yīng)的程序指令進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行，同時(shí)控制相應(yīng)的程序進(jìn)行數(shù)字化的自動(dòng)控制，將軟件和硬件進(jìn)行良好的結(jié)合。DSP可以和ARM建立通信信息的傳輸，這種功能的實(shí)現(xiàn)依賴于串行通信接口的支持，最終完成信息的通信功能，其中ARM設(shè)置為上位機(jī)，相應(yīng)的情況，DSP放置于下位機(jī)，運(yùn)用《現(xiàn)場總線CAN通訊協(xié)議》作為通信標(biāo)準(zhǔn)，兩者按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信聯(lián)系。

CPU板中的DSP側(cè)的主要功能是保護(hù)，這是整個(gè)保護(hù)機(jī)制的核心器件，在保護(hù)功能中有著至關(guān)重要的影響，可以完成很多工作，比如進(jìn)行15路模擬量的收集工作，將其中四條線路作為備用線路，三條線路用于線路中電流的限制保護(hù)作用，三條線路實(shí)現(xiàn)電流的保護(hù)作用，最后一條線路作為保護(hù)電路。進(jìn)行16路開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集之后，可以采用DSP軟件進(jìn)行仿真模擬，運(yùn)用軟件保護(hù)邏輯程序?qū)κ占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和過濾，通過實(shí)際情況反饋的信息，采用ARM進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，通過DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；而根據(jù)市場的情況來看，大部分的ARM顯示器都采用液晶顯示屏，這種顯示屏比較常見，并且使用過程中較為穩(wěn)定，安全性較高，可以準(zhǔn)確的捕捉信號(hào)和通信指令，進(jìn)行穩(wěn)定的信息聯(lián)系工作。如今以太網(wǎng)運(yùn)用廣泛，從如今市場的情況來看，通訊回路也不能脫離以太網(wǎng)的支持，并且需要雙以太網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)的支持，這對(duì)通訊回路的整體性能都有所提升，通訊安全性有著很大程度的提升，并且整體的通訊能力提升了一個(gè)層次，可以進(jìn)行更加高質(zhì)量的通訊服務(wù)。

數(shù)字信號(hào)處理裝置中，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各種器件之間的聯(lián)系非常緊密，可以采用相應(yīng)的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且提升整體的性能。

ARM通過可以實(shí)現(xiàn)的功能來看，可以作為一個(gè)獨(dú)立的功能單元進(jìn)行分類，這個(gè)部件有兩個(gè)接口，可以與DSP連通，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和信息的交流。ARM的外圍電路有很多部分，所以可以實(shí)現(xiàn)很多功能，并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的獨(dú)立傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析的過濾，完成需要的功能任務(wù)。

2 IED軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 IED軟件設(shè)計(jì)總體方案

EQUIP分為四個(gè)主要的功能部分，可以進(jìn)行不同的工作，提供不同任務(wù)進(jìn)行的基礎(chǔ)，并且可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。數(shù)據(jù)映射模塊可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)行加密處理，并且使得對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和過濾，處理掉無用的虛假數(shù)據(jù)，對(duì)整體進(jìn)行優(yōu)化提升，從實(shí)際收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，對(duì)整體進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，如果其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了更新，那么另外一部分?jǐn)?shù)據(jù)需要進(jìn)行同步更新。從實(shí)際的操作情況來看，整體數(shù)據(jù)進(jìn)行映射地址的備份，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，可以對(duì)相應(yīng)變化的數(shù)據(jù)發(fā)送不同的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的更改。賦值操作可以實(shí)現(xiàn)完成數(shù)據(jù)更新的任務(wù)，還可以進(jìn)行信息接收和發(fā)送的指令工作。VMD經(jīng)過相應(yīng)的指令控制，可以保證數(shù)據(jù)的安全性和真實(shí)度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和過濾，使得DSP可以完成數(shù)據(jù)的保護(hù)功能。

2.2 IED軟件流程

IED工作的流程很復(fù)雜，首先建立數(shù)據(jù)的虛擬映射地址，進(jìn)行儲(chǔ)存和加密，然后根據(jù)數(shù)據(jù)環(huán)境判斷下一步需要選用的工作和功能，發(fā)送相應(yīng)的指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成系統(tǒng)整體的初始化和信號(hào)量的過濾，跟隨系統(tǒng)發(fā)送的指令，讀取通信協(xié)議內(nèi)置的文件，建立相應(yīng)的IEC61850映射地址數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)的保護(hù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)映射的更新和變更，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的GOOSE服務(wù)者和使用者。接著進(jìn)行MMS任務(wù)，將任務(wù)指令進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，可以通過任務(wù)指令進(jìn)行系統(tǒng)的控制，同時(shí)將61850報(bào)告服務(wù)和61850日志服務(wù)進(jìn)行創(chuàng)建，當(dāng)各項(xiàng)任務(wù)完成后，把各種信號(hào)指令進(jìn)行清除，并且清除全體的MMS對(duì)象。最后進(jìn)行服務(wù)日志的記錄工作，并且將其保存到服務(wù)器，最終一個(gè)IED軟件流程完整的結(jié)束。

3 結(jié)語

本論文基于IEC61850為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并且研發(fā)出了一種數(shù)字化保護(hù)裝置，從硬件方面和軟件方面進(jìn)行性能的優(yōu)化和提升，硬件層面詳解了CPU的硬件知識(shí)，并且CPU開發(fā)板使用DSP+APM作為主體核心，DSP主要功能是收集和分析數(shù)據(jù)，對(duì)整體的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算，并且提供相應(yīng)的硬件服務(wù)，通過軟件仿真模擬，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層次的管理和加密。APM層負(fù)責(zé)大量的工作，比如IED各種器件之間的通信功能，還有其他核心器件的各種精密工作，都要通過APM層進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，軟件層面根據(jù)電子設(shè)備的具體情況，設(shè)計(jì)出了智能電子設(shè)備的軟件框架，并且通過IED軟件分析了具體流程，對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)際的仿真模擬。根據(jù)目前市場的情況來看，這種數(shù)字化保護(hù)裝置已經(jīng)廣泛運(yùn)用在繼電保護(hù)裝置中，并且使得裝置的安全性和穩(wěn)定性大幅度提升，市場反應(yīng)良好，運(yùn)行狀況正常。

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作者單位

中國電子科技集團(tuán)第二十七研究所 河南省鄭州市 450047