馮豆　楊光輝　田正山

摘 要：數(shù)字化變電站是我國當(dāng)前以及未來電力建設(shè)的主導(dǎo)方向。針對(duì)數(shù)字化變電站測(cè)試設(shè)備對(duì)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(cè)試平臺(tái)，并簡單介紹了其功能模塊。該平臺(tái)以FPGA為核心器件，具有接收和解析SMV以及GOOSE報(bào)文的功能，同時(shí)還可以方便地進(jìn)行用戶應(yīng)用程序開發(fā)。此外，針對(duì)現(xiàn)在SCD管控類軟件只是簡單存放文件，不能進(jìn)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(shè)計(jì)出利用FGPA進(jìn)行在線SCD一致性比較，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)存存儲(chǔ)SCD文件以及數(shù)據(jù)庫管理。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用測(cè)試，該方案完全達(dá)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(hào)：TP216+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（a）-0178-03

數(shù)字化變電站是我國當(dāng)前以及未來電力建設(shè)的主導(dǎo)方向。數(shù)字站的主要特點(diǎn)在于一次設(shè)備的智能化和二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化[1-3]。數(shù)字化變電站中，采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)組建在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可方便地實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，相關(guān)信息整合以及智能電氣設(shè)備之間的信息共享和互操作[4-6]。隨著人們對(duì)測(cè)試設(shè)備使用方便性要求的提高，各類針對(duì)數(shù)字站的便攜式、手持式測(cè)試設(shè)備開始出現(xiàn)。該文設(shè)計(jì)了一種基于System On Chip（SOC）結(jié)構(gòu)的數(shù)字站測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)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(shè)備[7-8]。此外，由于整個(gè)變電站裝置的配置信息都包含在了SCD文件中。如果要對(duì)智能站裝置進(jìn)行測(cè)試，必須先對(duì)SCD文件進(jìn)行管理和解析。針對(duì)目前大多數(shù)SCD管控軟件不能進(jìn)行SCD文件在線一致性檢查等不足，該文在此平臺(tái)上，還設(shè)計(jì)并實(shí)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(jìn)行檢查、IED設(shè)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(jìn)行測(cè)量時(shí)需要進(jìn)行AD采樣，將模擬電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再進(jìn)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(bào)文傳遞，即送入測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，這使得數(shù)字站的測(cè)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(yīng)的外圍電路設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。

針對(duì)數(shù)字站測(cè)量系統(tǒng)的特征，該文采用一種System On Chip（SOC）結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，并在此平臺(tái)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)的主要功能。其中，SOC平臺(tái)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(qiáng)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(cè)試、計(jì)算等實(shí)時(shí)性要求較高的功能均在FPGA中實(shí)現(xiàn)，這使得設(shè)計(jì)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(dān)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(yīng)用程序在此平臺(tái)上的移植，并為用戶提供熟悉的交互操作界面。本SOC平臺(tái)運(yùn)行的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示：

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由FPGA完成對(duì)各測(cè)試模塊，包含報(bào)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(shí)鐘模塊打上時(shí)標(biāo)，再由SV、GOOSE在線分析模塊完成報(bào)文分析。所獲得信息交由在ARM運(yùn)行的用戶程序做進(jìn)一步的處理，如SCD管控中的在線檢查，SCD文件存儲(chǔ)等。

2 SCD管控設(shè)計(jì)

如第1節(jié)中提到的，由于本SOC平臺(tái)具有ARM硬核，配合嵌入式操作系統(tǒng)可以方便地進(jìn)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(duì)智能變電站的安全運(yùn)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(shè)備的跳合閘、采樣回路。目前已投運(yùn)行了大量智能變電站，隨著這些變電站陸續(xù)進(jìn)入維護(hù)周期，將發(fā)生諸如增減間隔、更換智能裝置、IED固件升級(jí)以及IED檢修等涉及到SCD文件管控的操作[9-12]。目前對(duì)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(gè)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(xí)慣于常規(guī)變電站模式，對(duì)智能化變電站理解還不夠深刻，對(duì)SCD文件的管理帶來了難度。

針對(duì)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(diǎn)。

（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(shè)備的GOOSE、SV虛端的對(duì)應(yīng)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(shè)備的控制塊、通道和虛端子。同時(shí)，用戶還可以通過IED名稱或APPID查詢需要查看的IED設(shè)備。

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

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

（4）SCD六統(tǒng)一檢查，根據(jù)六統(tǒng)一規(guī)范對(duì)當(dāng)前SCD文件進(jìn)行檢查。

（5）SCD文件檢查結(jié)果導(dǎo)出模塊可將SCD文件的檢查結(jié)果導(dǎo)出為xls文件，供進(jìn)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(yīng)用

本SCD管控軟件在國內(nèi)部分變電站進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)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(shè)備以查看其對(duì)應(yīng)的信息，在右側(cè)窗口看到該設(shè)備的連接示意圖，包含需端子信息。

SCD文件的檢查功能。可以查看當(dāng)前已導(dǎo)入的SCD文件配置是否符合”六統(tǒng)一”規(guī)范的要求可以實(shí)現(xiàn)比較新舊兩個(gè)不同版本的SCD文件，解析兩個(gè)SCD文件并將兩個(gè)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(gè)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求，即遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SCD文件進(jìn)行解析、檢查、比對(duì)。提供對(duì)IED設(shè)備圖形化的查看、報(bào)文控制塊、通道和虛端子的配置功能。

4 結(jié)語

該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于SOC平臺(tái)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(dān)對(duì)IEC61850協(xié)議報(bào)文的處理以及面向用戶的軟件執(zhí)行。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，無需在FPGA中設(shè)計(jì)NIOS CPU，從而節(jié)約了FPGA資源。而采用ARM硬核，對(duì)系統(tǒng)性能也有一定程度提高。以上設(shè)計(jì)方式對(duì)其它應(yīng)用領(lǐng)域也有一定借鑒。此外，軟件設(shè)計(jì)方面，該文針對(duì)傳統(tǒng)SCD管控的不足之處進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化。經(jīng)現(xiàn)場使用檢驗(yàn)，完全達(dá)到用戶需求，可以繼續(xù)向市場推廣。

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