仲 偉，李亞鋒

（江蘇金智科技股份有限公司，江蘇 南京 211100）

近年來，國外知名電力自動化廠商如ABB、SIEMENS等公司，相繼開發(fā)出基于高速高性能微控制器（MCU）/數(shù)字信號處理（DSP）硬件平臺，并應用通用嵌入式實時操作系統(tǒng)技術，采用模塊化設計和保護邏輯組態(tài)等可視化、平臺化技術，開發(fā)高性能的電力自動化嵌入式產品。如最新推出的SIEMENS第四代保護控制單元SIPROTEC 4及ABB公司的IED670系列智能化微機保護和控制裝置，代表著國外最新的技術水平。電力自動化嵌入式軟硬件開發(fā)向模塊化、插件化、可視化、平臺化的方向發(fā)展已成為國外現(xiàn)代電力自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，而國內主要廠家的產品尚未完全掌握該先進技術。文中介紹了一種以雙CPU （DSP+隨機存取存儲器（ARM））為硬件架構的系統(tǒng)硬件平臺，并在此硬件平臺的基礎上實現(xiàn)了支持圖形化編程的繼電保護軟件開發(fā)平臺，該軟件平臺基于穩(wěn)定可靠的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，并采用模塊化、元件化的設計理念，以可視化的邏輯框圖替代傳統(tǒng)的編程語言[1-4]，從而簡化繼電保護裝置的開發(fā)過程。

1 系統(tǒng)開發(fā)的目標

1.1 統(tǒng)一的硬件平臺

盡管面向中低壓系統(tǒng)的保護裝置其功能各不相同，應用環(huán)境也千差萬別，但其輸入輸出基本一致，不外乎模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出、指示燈、通信接口等；同時其對裝置的基本功能要求也是相同的，例如錄波功能、設定值存儲、看門狗等。而各種不同類型的裝置只是其內部繼電保護算法不一樣，以及對模擬量輸入類型與數(shù)量、開關量輸入和輸出的數(shù)量、通信接口類型有一定差別。

因此，可以將各種保護裝置的硬件平臺進行統(tǒng)一，而將各裝置需求不同的部分以插件的方式提供，例如模擬量輸入插件、開關量輸入插件、開關量輸出插件和通信插件等。硬件平臺統(tǒng)一可以有效簡化裝置的開發(fā)過程，大大降低采購和生產成本以及后期維護成本。

1.2 統(tǒng)一的軟件平臺

隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，繼電保護軟件開發(fā)向著模塊化、平臺化的方向發(fā)展已成為不可逆轉的趨勢。軟件平臺的統(tǒng)一化可以大大縮短裝置的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

1.3 軟件與硬件分離

電力系統(tǒng)的保護裝置的軟件功能基本固定，微機保護原理經過長時間的發(fā)展也已經基本成熟，保護裝置的升級換代也主要是硬件系統(tǒng)的升級，因此為了便于以后硬件升級后的盡量復用，提高軟件系統(tǒng)的可移植性，需要使該軟件系統(tǒng)將硬件無關的部分和硬件有關的部分隔離，從而提高軟件系統(tǒng)的生命周期。

1.4 可視化、圖形化的應用開發(fā)

采用可視化、圖形化編程技術可以極大地提高了軟件開發(fā)的效率，其透明化設計思想，使用戶容易理解和維護，有效降低出錯率，提高了軟件可靠性。需要給裝置應用開發(fā)人員提供一套圖形化的開發(fā)工具，方便在本軟硬件平臺的基礎上進行應用性開發(fā)。

2 硬件平臺設計方案

2.1 系統(tǒng)硬件架構

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，用戶對保護功能要求越來越高，保護原理越來越完善，同時為便于事故后分析，報告、故障電量等信息要求越來越詳細，以求確切地感知不同階段保護的響應行為，以及對現(xiàn)場總線通信和以太網通信的要求不斷提高。

上述種種原因決定了目前的單CPU結構不能很好地滿足實際需求，鑒于此設計了雙CPU（DSP+ARM）結構[5-7]，系統(tǒng)硬件架構圖如圖 1所示。

硬件平臺系統(tǒng)主要包括兩部分：基于ADI公司的Blackfin系列BF536 DSP的保護單元和基于Atmel公司的AD91RM9200 ARM的管理單元。保護單元負責數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號處理、保護計算、故障判斷和產生保護信號；管理單元負責人機接口和各種通信功能；2個CPU單元之間以雙口RAM進行通信交互。

2.2 保護單元的設計方案

保護單元主要由 BF536、CPLD、FLASH、RAM、EEPROM、A/D等器件組成。BF536處理器是ADI公司推出的Blackfin系列DSP處理器的成員之一，主頻高達400 MHz，它集高性能的數(shù)字信號處理器與微控制器于一身，從芯片結構的變革性設計上支持密集的控制代碼和快速的DSP代碼，芯片內置的100 K靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）可用于存放代碼和數(shù)據(jù)，內部提供2路UART、1路SPI、8個定時器以及48個通用輸入/輸出 （GPIO），同時還能支持SDRAM存儲器。BF536的諸多特性增加了設計的靈活性，簡化了電路設計。

CPLD選用Lattice公司的LC4128V，主要用來擴展DSP的I/O接口和控制A/D定時采樣。開入插件采集到的開關量狀態(tài)通過CPLD提供給DSP進行讀取，同時DSP置出的開出狀態(tài)也通過CPLD控制開出插件上對應的繼電器。

A/D轉換器件選用ADI公司的AD7656，它在芯片內集成了單芯片內集成了6個16位、快速、低功耗、逐次逼近型應用數(shù)據(jù)中心（ADC），在本平臺中，應用了3片AD7656，這樣就可以實現(xiàn)最大18路模擬量通道的同步采樣。A/D轉換的譯碼、定時轉換啟動等功能完全由CPLD來實現(xiàn)，這樣既簡化了印制版的設計，提高了電路設計的靈活性，又簡化了程序軟件的邏輯設計。

從而在保證采樣高可靠性的同時，節(jié)省了DSP的處理時間。

在DSP的外部總線上直接掛載的1 MB Flash用于存儲DSP執(zhí)行代碼，2 MB SDRAM用于擴展DSP的外部代碼和數(shù)據(jù)空間。

64 K的EEPROM通過DSP通過集成的SPI總線進行訪問，主要用于存儲定值、軟壓板、事件順序記錄系統(tǒng)（SOE）報告等需要掉電保持的數(shù)據(jù)；同時EEPROM也為DSP提供看門狗功能。

2.3 管理單元的設計方案

管理單元主要由 AT91RM9200、SDRAM、FLASH、液晶、鍵盤、指示燈電路、以太網模塊、現(xiàn)場總線模塊構成。

ATMEL公司的AT91RM9200是本單元的核心部件，它是一款基于ARM920T核的32位微控制器，其主頻為180 MHz，處理速度快、功能強、性價比高，能很好滿足嵌入式系統(tǒng)應用的需求。

本單元除ARM芯片內置提供的一路以太網外，還通過DM9000以太網芯片外擴了兩路以太網，這樣裝置將可提供三路10/100M自適應的以太網。

以太網除了可以提供RJ45接口，也可以光口的方式提供，從而可以滿足絕大多數(shù)的應用要求。以太網模塊以插件方式提供。

現(xiàn)場總線模塊也以插件方式提供，可選擇由16C554芯片外擴的兩路RS485串口，或兩路由SJ1000A芯片擴展的串行通信協(xié)議（CAN）接口，又或兩路由VPC3+C芯片擴展的Profibus總線接口。裝置可根據(jù)應用場合對現(xiàn)場總線通信接口的要求提供不同的現(xiàn)場總線插件，提高裝置的適用性。

管理單元還通過外部總線掛載了液晶顯示模塊和按鍵模塊，實現(xiàn)人機界面（HMI）的人機交互功能。此外，外部總線上掛載的2片4 MB Flash分別用來存儲ARM側的執(zhí)行程序和電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式（COMTRADE）錄波文件數(shù)據(jù)。

3 軟件平臺設計方案

3.1 軟件平臺架構

基于DSP+ARM的雙CPU硬件架構，設計軟件平臺的架構圖如圖2所示。

軟件系統(tǒng)主要包括以下3個主要組成部分。

（1）運行于通用計算機的集成開發(fā)環(huán)境。

（2）運行于裝置保護單元（DSP部分）的嵌入式核心支撐層。

（3）運行于裝置管理單元（ARM部分）的嵌入式輔助系統(tǒng)層。

3.2 集成開發(fā)環(huán)境

集成開發(fā)環(huán)境運行于Windows平臺，是本軟件平臺的核心組成部分。繼電保護開發(fā)人員通過集成開發(fā)環(huán)境對保護裝置進行建模，配置硬件資源，通過圖形化的開發(fā)工具繪制保護邏輯圖，并生成邏輯功能模塊執(zhí)行程序以及保存裝置建模數(shù)據(jù)的XML文件。

該集成開發(fā)環(huán)境包括以下4個主要軟件模塊。

（1）裝置信息配置工具：該工具基于面向對象的原則對裝置進行數(shù)據(jù)建模，并配置裝置需要用到的各種硬件資源。

（2）電力應用算法元件：將一些經典的繼電保護功能或算法進行功能劃分，然后將每個劃分好的功能或算法封裝成一系列獨立的元件[8]，在裝置開發(fā)時可以將這些元件任意組合，靈活使用，只要配置好元件對應的輸入和輸出，即可實現(xiàn)預定的功能。

（3）圖形化編程開發(fā)工具：該工具將繼電保護編程的過程用圖形的方式表示出來,也就是說原先用手工編程方式來實現(xiàn)的保護邏輯功能現(xiàn)在用圖形來實現(xiàn)[9-11]。用戶只需選擇合適的電力應用算法元件，通過連接線將這些元件的輸入與輸出按照一定的邏輯關系連接起來，從而構造出保護控制功能和數(shù)據(jù)流，即可一臺繼電保護裝置邏輯部分的開發(fā)。

（4）邏輯編譯器：邏輯編譯器是將圖形化編程開發(fā)工具設計的邏輯圖編譯轉換為邏輯功能模塊，同時將信息配置工具保存的裝置建模數(shù)據(jù)轉換為XML格式文件的工具。

3.3 嵌入式核心支撐層

嵌入式核心支撐層運行于裝置的保護單元DSP上，基于μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)開發(fā)[12]，為集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)出來的保護邏輯執(zhí)行程序提供較底層的核心支持，同時也完成保護裝置正常運行所需要的一些基本功能。

嵌入式核心支撐層與邏輯功能模塊相對獨立，邏輯功能模塊是用于實現(xiàn)保護功能的一塊獨立的可執(zhí)行代碼段，其正常運行需要支撐層的支持。邏輯功能模塊運行時的輸入數(shù)據(jù)由支撐層提供，例如各通道采樣值、當前開入狀態(tài)、定值、設置、外部命令等重要信息；同時邏輯功能模塊的計算結果也需要通過支撐平臺反應到裝置，例如跳閘指令、遙測計算結果、開出狀態(tài)等；并且保護邏輯功能模塊的各保護邏輯的運行，都是通過支撐層對其的調用來實現(xiàn)的。

3.4 嵌入式輔助系統(tǒng)層

嵌入式輔助層運行于裝置的管理單元ARM上，基于VxWorks實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)[13]，主要用于完成HMI人機交互、現(xiàn)場總線通信、以太網通信等任務。

對于不同類型的保護裝置，有不同的裝置建模數(shù)據(jù)XML文件，而嵌入式輔助系統(tǒng)層軟件都是一樣的。XML文件通過特定工具固化到管理單元側的FLASH中，裝置上電，嵌入式輔助系統(tǒng)層軟件啟動后，首先讀取并解析XML文件，獲取裝置建模數(shù)據(jù)，并轉換為自己可識別的數(shù)據(jù)結構保存到RAM中，方便以后各功能模塊的調用。根據(jù)不同的裝置建模數(shù)據(jù)，輔助系統(tǒng)層會重新組織液晶顯示界面，以及通信所用的信息點表。液晶顯示和通信所用到裝置實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)都通過內部通信任務從保護單元讀取過來。

4 平臺在中低壓保護中的應用

4.1 裝置硬件部分設計

該硬件平臺已經設計并統(tǒng)一了保護裝置大部分的硬件，針對特定的保護應用開發(fā)，只需要設計相應的插件即可，包括以下幾部分。

（1）模擬量插件：根據(jù)保護裝置應用的模擬量輸入要求，例如各模擬量通道的類型是交流電流、交流電壓或者是直流，以及模擬量通道的數(shù)量。

（2）開入插件：根據(jù)保護應用開關量輸入應用要求,例如需要的開入個數(shù)以及開入的電壓等級。

（3）開出插件：根據(jù)保護應用開發(fā)量輸出應用要求，例如開出的個數(shù)和類型。

（4）現(xiàn)場總線插件：根據(jù)現(xiàn)場以及用戶對裝置現(xiàn)場總線通信的選擇，例如現(xiàn)場總線的類型（CAN/RS485/Profibus等）和需要提供的通信接口數(shù)量。

（5）以太網插件：根據(jù)現(xiàn)場以及用戶對裝置以太網通信要求，例如以太網接口的數(shù)量，連接方式（RJ45 或光纖）。

根據(jù)需要，設計出以上各插件，即完成了保護裝置硬件部分的開發(fā)設計工作。

4.2 裝置軟件部分設計

對于不同的保護應用開發(fā)，嵌入式核心支撐層和嵌入式輔助系統(tǒng)層的軟件都是一樣的，由軟件平臺提供，所不同的就是針對不同的裝置硬件插件和保護邏輯利用集成開發(fā)環(huán)境設計出來的邏輯功能模塊以及裝置建模數(shù)據(jù)XML文件。

以35 kV的變壓器主保護開發(fā)為例，首先在裝置信息配置工具中配置設計好的硬件資源（模擬量、開入、開出等），以及保護所用到的定值、軟壓板、事件等；然后在圖形化編程開發(fā)工具中利用各種電力應用算法元件搭建差動速斷保護、比例差動保護、電流互感器（TA）斷線邏輯、差流越限告警邏輯等，從而繪制好變壓器保護的保護邏輯圖；最后通過邏輯編譯器對搭建好的邏輯圖進行編譯，最終生成變壓器主保護對應的邏輯功能模塊執(zhí)行程序和XML裝置建模數(shù)據(jù)文件。將邏輯功能模塊執(zhí)行程序下裝到嵌入式核心支撐層，將XML文件下裝到嵌入式輔助系統(tǒng)層，重啟裝置，即完成了變壓器主保護的開發(fā)。

5 結束語

文中提出了一種新型的面向中低壓系統(tǒng)應用的繼電保護軟硬件平臺，并介紹了該軟硬件平臺的系統(tǒng)架構和設計方案。利用本平臺，已經開發(fā)出了多種產品，包括系列化的針對35 kV及以下電壓等級的繼電保護裝置，包括線路保護、變壓器保護、電動機保護等，均已通過了國家指定實驗室的型式試驗，并已開始推向市場。

[1]盧 娟，李兆成，陳鋼杰，等.保護與測控領域通用可視化平臺的設計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29(4)：58-61.

[2]張 云，尹秋帆，胡道徐.繼電保護裝置開發(fā)平臺軟件系統(tǒng)架構與設計[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2005，17(4)：20-23.

[3]李軼群，吳國旸，張 濤.基于模塊的可編程保護裝置軟件設計新概念[J].電力系統(tǒng)自動化,，2002，26(15)：66-69.

[4]易永輝，趙志華，薛玉龍，等.一種新型的繼電保護軟硬件平臺[J].繼電器， 2002，30(6)：26-39.

[5]杜肖功，毛 鵬，李小濱，等.新型數(shù)字式高壓保護裝置硬件平臺設計[J].繼電器,2004，32(9)：45-47.

[6]李 華.微機型繼電保護裝置軟硬件技術探討[J].電力建設，2001，22(5)：44-57.

[7]潘軍軍，尹項根，張 哲.關于兩種微機保護軟硬件配置問題的探討[J].繼電器，2006，34(7)：78-82.

[8]黃海悅，繆 欣，權憲軍，等.基于元件化和可編程邏輯構建的繼電保護平臺[J].繼電器，2006，34(14)：11-14.

[9]IEC 61131-1.Programmable Controllers，Part 1：General Information[S].1992.

[10]IEC 61131-3.Programmable Controllers,Part3∶Programming Languages[S].2003.

[11]IEC 61131-8.Programmable Controllers,Part 8∶Guidelines for the Application and Implementation of Programming Languages[S].2000.

[12]LBROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II(第2版)[M].邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[13]劉益青，高偉聰，房同忠.VxWorks在電力系統(tǒng)測控保護裝置中應用[J].電力自動化設備，2009，29（2）：149-152.