李友軍，郭 勛，周華良，顏云松，戴欣欣，陳永華，徐廣輝

基于龍芯處理器的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)及應(yīng)用

李友軍1,2，郭 勛2，周華良1,2，顏云松1,2，戴欣欣2，陳永華2，徐廣輝2

(1.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106；2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

安全穩(wěn)定控制裝置作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二、三道防線核心二次設(shè)備，關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化程度不高，亟需國(guó)產(chǎn)化改造。為解決安全穩(wěn)定控制裝置自主化面臨的主控芯片選型困難、處理器實(shí)時(shí)性穩(wěn)定性不高等問題，從芯片自主化標(biāo)準(zhǔn)的研究出發(fā)，提出了一種基于龍芯處理器的安全穩(wěn)定控制裝置系統(tǒng)框架，主要包括整體平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)、核心功能模件設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、兼容性設(shè)計(jì),以及基于該平臺(tái)的穩(wěn)控應(yīng)用設(shè)計(jì)等。從硬件和軟件兩方面對(duì)自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了闡述?；谠撈脚_(tái)方案設(shè)計(jì)的安全穩(wěn)定控制裝置已在多座變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。同時(shí)，與在運(yùn)裝置具備良好的兼容替換性。

國(guó)產(chǎn)化；自主化；自主可控；安全穩(wěn)定控制平臺(tái)；穩(wěn)控裝置；兼容性

0 引言

安全穩(wěn)定控制裝置(系統(tǒng))(簡(jiǎn)稱穩(wěn)控系統(tǒng)裝置) 是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二和第三道防線的核心二次設(shè)備，其在任何條件下的穩(wěn)定供應(yīng)和正常運(yùn)維均需得到可靠保障[1-2]。在當(dāng)前電力二次設(shè)備芯片國(guó)產(chǎn)化率低及進(jìn)口芯片存在斷供、卡“脖子”風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下，設(shè)計(jì)開發(fā)自主可控的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置符合當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用需求。

當(dāng)前在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)裝置經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，已由單一的8位CPU、10位A/D采樣、串口通信的單CPU硬件體系發(fā)展到基于SOC的多CPU協(xié)同工作、高速通信、高精度采樣的新平臺(tái)[3]，為自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)的研制奠定了基礎(chǔ)。在體系架構(gòu)上，穩(wěn)控裝置大多采用分布式架構(gòu)和多板卡部署的設(shè)計(jì)方式[4]，具有擴(kuò)展方便、配置靈活的特點(diǎn)。目前基于進(jìn)口芯片的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置及大型穩(wěn)控系統(tǒng)在可靠性方面已有大量的研究[5-8]，在接口網(wǎng)絡(luò)化方面也已經(jīng)有眾多研究成果[9-10]，且嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)在穩(wěn)控系統(tǒng)裝置中的應(yīng)用研究也有報(bào)道[11]。但電網(wǎng)二次核心設(shè)備的關(guān)鍵部件仍依賴進(jìn)口，這對(duì)電網(wǎng)運(yùn)維的自主可控構(gòu)成威脅。文獻(xiàn)[12]從智能電網(wǎng)安全的角度闡述了自主可控對(duì)智能電網(wǎng)的重要意義，并對(duì)影響智能電網(wǎng)安全與自主可控程度的指標(biāo)進(jìn)行了分析和測(cè)評(píng)。

本文研制的自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)是在繼承了多年安全穩(wěn)定控制裝置研發(fā)及成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主可控芯片的特點(diǎn)進(jìn)行的適配開發(fā)。針對(duì)國(guó)產(chǎn)元器件成熟度不高和工程應(yīng)用不足的問題[13-14],通過整體體系優(yōu)化設(shè)計(jì)彌補(bǔ)部件級(jí)技術(shù)性能差距，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自主可控裝置整體性能對(duì)標(biāo)在運(yùn)裝置。本文詳細(xì)闡述了主處理器的選型思路，以及平臺(tái)體系架構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互方案、核心功能模件設(shè)計(jì)、板級(jí)和裝置級(jí)兼容性設(shè)計(jì)等。此外介紹了基于該平臺(tái)的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置的研制及實(shí)際工程應(yīng)用情況。

1 主處理器選型

在研制自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置時(shí)，需對(duì)處理器的自主可控選型原則進(jìn)行定義，但目前業(yè)界還沒有公認(rèn)的自主可控處理器定義標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)發(fā)展較好的CPU有龍芯、飛騰和申威三種[15]。申威處理器采用自主指令集、Alpha架構(gòu)，其產(chǎn)品多用于服務(wù)器；飛騰處理器是國(guó)防科技大學(xué)為“天河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)量身定制的銀河飛騰系列通用CPU，多基于ARM架構(gòu)，其CPU產(chǎn)品主要用于PC、筆記本和服務(wù)器；龍芯處理器由龍芯中科自主設(shè)計(jì)，采用基于MIPS優(yōu)化后的自主指令集，可對(duì)指令集進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)和擴(kuò)展，不受外部限制，且經(jīng)多年的發(fā)展在軍工[16]、宇航[17]、工業(yè)控制[18]等領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)中得到較多應(yīng)用。

雖然當(dāng)前國(guó)產(chǎn)芯片發(fā)展迅猛[19-20]，在細(xì)分行業(yè)領(lǐng)域有所突破，但整體差距明顯，仍處于追趕階段。自主可控處理器芯片普遍存在集成度不高、設(shè)計(jì)復(fù)雜、功耗高等不足；生態(tài)系統(tǒng)正在快速豐富階段；尚無高性能的專用DSP處理器；這些均為自主可控處理器芯片的選型帶來了諸多困難。

本文參考文獻(xiàn)[21]對(duì)自主可控的定義，從芯片的性能、芯片封裝測(cè)試及設(shè)計(jì)的廠商國(guó)籍、IP核授權(quán)形式、處理器核心架構(gòu)、指令集開放性等幾方面，對(duì)芯片的自主可控水平和能力進(jìn)行評(píng)估。并結(jié)合電力二次設(shè)備穩(wěn)控系統(tǒng)裝置嵌入式應(yīng)用場(chǎng)景和功能需求，選取龍芯2K1000處理器作為穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)的核心處理器。

龍芯2K1000處理器片內(nèi)集成兩個(gè)64位的雙發(fā)射GS264處理器核，支持全流水的浮點(diǎn)加減、乘法、乘加等運(yùn)算，主頻可達(dá)1 GHz，同在運(yùn)裝置DSP處理器計(jì)算性能基本相當(dāng)；芯片結(jié)溫范圍在-25o～ 125o，滿足裝置工作環(huán)境溫度在-10o～55o之間的要求；另外片內(nèi)還集成有豐富的高速和低速外設(shè)接口，功能框圖如圖1所示。

圖1 龍芯2K1000功能框圖

2 基于龍芯的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)設(shè)計(jì)

針對(duì)龍芯2K1000外設(shè)接口特點(diǎn)，本文通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)擴(kuò)展過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)裝置接口網(wǎng)絡(luò)化。各個(gè)模件通過背板總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)分布式架構(gòu)的搭建。

2.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

穩(wěn)控系統(tǒng)裝置通常包括管理模件、邏輯處理模件、通信模件、數(shù)字化模件、模擬采樣模件、開入開出模件等。本文采用分布式架構(gòu)，所有模件均通過背板總線接入系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和邏輯控制，架構(gòu)圖如圖2所示。

裝置背板布置了高速數(shù)據(jù)總線、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線、管理數(shù)據(jù)總線以及同步信號(hào)線。高速數(shù)據(jù)總線采用百兆以太網(wǎng)接口，主要用于傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如采樣值、實(shí)時(shí)計(jì)算量等；非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線采用USB轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口，主要傳輸SOE、模擬量的幅值、相角等；管理數(shù)據(jù)總線采用CAN總線通信，主要負(fù)責(zé)模件配置、參數(shù)、調(diào)試等系統(tǒng)管理類的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)同步信號(hào)線主要用于裝置內(nèi)部各模件之間的數(shù)據(jù)同步，由管理模件發(fā)同步脈沖，其他模件利用該信號(hào)同步自己的數(shù)據(jù)及時(shí)間。

圖2 基于2K1000的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)架構(gòu)

模件根據(jù)自身功能需要選擇總線類型。管理模件、邏輯處理模件、通信模件和數(shù)字化模件既接入

高速數(shù)據(jù)總線，也接入非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線；采樣模件僅接入高速數(shù)據(jù)總線；開入開出模件僅接入非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線。所有模件均接入管理數(shù)據(jù)總線，能夠接收和響應(yīng)管理模件的命令、參數(shù)等報(bào)文，并定時(shí)向管理總線發(fā)送心跳等監(jiān)視報(bào)文。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享是穩(wěn)控系統(tǒng)裝置各個(gè)模件協(xié)同計(jì)算和邏輯控制的關(guān)鍵。通過模件間數(shù)據(jù)共享，裝置的所有模件可按照各自的邏輯獨(dú)立運(yùn)行，并相互協(xié)同。邏輯處理模件獲得實(shí)時(shí)的各采樣間隔通道數(shù)據(jù)，計(jì)算并根據(jù)事先制定的離線策略表控制啟動(dòng)和出口繼電器。通信模件根據(jù)穩(wěn)控功能需求配置，獲得實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)方通道數(shù)據(jù)和各子機(jī)實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)，并做分類解析處理，將有效數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)總線發(fā)送給邏輯處理模件。數(shù)字化模件將網(wǎng)口收到的數(shù)字化采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和插值計(jì)算，并轉(zhuǎn)換成模件的輸出數(shù)據(jù)，通過高速數(shù)據(jù)總線廣播發(fā)送。模擬采樣模件獲得的采樣數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)總線廣播發(fā)送。其他模件根據(jù)自身功能需要定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過高速數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)廣播發(fā)送。模件間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換框架如圖3所示。

圖3 模件間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換框架

模件軟件程序按3層軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，分別為應(yīng)用程序、平臺(tái)程序和驅(qū)動(dòng)程序。模件數(shù)據(jù)共享框架也分3層實(shí)現(xiàn)，分別是應(yīng)用程序數(shù)據(jù)層、平臺(tái)共享空間層、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)幀收發(fā)層。應(yīng)用程序根據(jù)業(yè)務(wù)需要定義輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)。平臺(tái)程序根據(jù)應(yīng)用程序定義的輸入數(shù)據(jù)源，預(yù)先申請(qǐng)模件的共享數(shù)據(jù)區(qū)，如圖3共享空間中的模件1、模件2、模件等空間，其中也包含自身輸出數(shù)據(jù)區(qū)。模件接收高速數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)復(fù)制到預(yù)先申請(qǐng)的對(duì)應(yīng)共享內(nèi)存空間。應(yīng)用程序根據(jù)業(yè)務(wù)需要從共享內(nèi)存中取數(shù)并開展邏輯計(jì)算，計(jì)算后將輸出數(shù)據(jù)填入自身數(shù)據(jù)區(qū)。應(yīng)用業(yè)務(wù)程序運(yùn)行結(jié)束后，由平臺(tái)程序?qū)⒛＜陨頂?shù)據(jù)區(qū)通過高速數(shù)據(jù)總線廣播，完成裝置內(nèi)部各個(gè)模件之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享。

2.3 核心功能模件設(shè)計(jì)

管理模件、邏輯處理模件、通信模件、數(shù)字化模件等核心板卡均基于龍芯2K1000處理器設(shè)計(jì)，其中管理模件部署開源Linux操作系統(tǒng)，其他幾種核心模件基于裸核運(yùn)行模式部署自主開發(fā)的簡(jiǎn)單任務(wù)調(diào)度框架。

2.3.1 管理模件

管理模件的主要功能有參數(shù)定值管理、系統(tǒng)配置管理、人機(jī)接口管理、對(duì)外通信管理、事件錄波管理及調(diào)試打印管理等。

管理模件由4層架構(gòu)組成，主要包括硬件層、操作系統(tǒng)層、平臺(tái)層及應(yīng)用層，其功能框圖如圖4所示。操作系統(tǒng)層為平臺(tái)層提供標(biāo)準(zhǔn)接口，隔離底層硬件對(duì)上層應(yīng)用業(yè)務(wù)的影響。平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)監(jiān)視、任務(wù)監(jiān)視、時(shí)鐘同步等業(yè)務(wù)。公共模塊應(yīng)用層基于平臺(tái)層的接口與數(shù)據(jù)，運(yùn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)程序，主要包括定值管理、配置管理、事件錄波、通信、液晶菜單和打印等。

圖4 管理模件層次結(jié)構(gòu)及功能框圖

硬件上，管理模件通過USB轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接入非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線，同時(shí)也接入液晶模件及調(diào)試網(wǎng)口；通過CAN接入管理數(shù)據(jù)總線；通過GMAC口接入FPGA，由FPGA擴(kuò)展百兆MAC接口以接入高速數(shù)據(jù)總線，同時(shí)通過FPGA擴(kuò)展兼容總線使其可直接無縫替換在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)裝置的對(duì)應(yīng)插件；此外，3個(gè)站控層以太網(wǎng)通信接口通過PCIe轉(zhuǎn)接FPGA，由FPGA擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 邏輯處理模件

邏輯處理模件功能框圖如圖5所示。

在硬件上，繼承了管理模件的基本接口形式，其總線接口和管理模件一樣，但取消了外擴(kuò)的以太網(wǎng)接口和液晶模件接口。

軟件上，2K1000的兩個(gè)核采用相同層級(jí)結(jié)構(gòu)，分別運(yùn)行獨(dú)立的程序，雙核之間通過共享內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。其中平臺(tái)層負(fù)責(zé)處理總線上的所有數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)幀的判斷、數(shù)據(jù)整理及容錯(cuò)處理。在報(bào)文校驗(yàn)正確并同步后，將數(shù)據(jù)放入共享內(nèi)存，供邏輯策略模塊使用。邏輯策略模塊的輸出數(shù)據(jù)直接填入共享內(nèi)存空間，由平臺(tái)層通過相應(yīng)總線或通道發(fā)送出去。穩(wěn)控應(yīng)用邏輯策略可根據(jù)實(shí)際需求靈活部署在核0和核1上，有效分散邏輯計(jì)算和數(shù)據(jù)處理壓力。通過平臺(tái)層程序封裝，上層穩(wěn)控應(yīng)用程序的接口兼容在運(yùn)裝置，可實(shí)現(xiàn)程序的無縫移植。

圖5 邏輯處理模件層次結(jié)構(gòu)及功能框圖

針對(duì)國(guó)產(chǎn)化設(shè)備存在可靠性風(fēng)險(xiǎn)，而龍芯的DRAM控制器不支持基于硬件的錯(cuò)誤檢查和糾正技術(shù)，本文借鑒直流輸電工程中的“三取二”邏輯冗余配置思想，將定值數(shù)據(jù)、關(guān)鍵實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)拷貝復(fù)制成3份，分別存放入RAM空間指定的A、B、C區(qū)，并將其映射為PCIe空間。由FPGA通過PCIe總線直接訪問并計(jì)算各區(qū)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼。邏輯策略模塊取數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷A區(qū)數(shù)據(jù)是否與備份的B、C兩區(qū)數(shù)據(jù)一致，若一致則取A區(qū)中數(shù)據(jù)使用；若不一致，則進(jìn)入關(guān)鍵數(shù)據(jù)區(qū)恢復(fù)流程，具體流程如圖6所示。本方案利用系統(tǒng)已有的FPGA協(xié)助計(jì)算各RAM存儲(chǔ)區(qū)的校驗(yàn)碼，既降低了對(duì)穩(wěn)控應(yīng)用邏輯策略程序的干擾，又提高了裝置的動(dòng)作可靠性。

2.3.3 數(shù)字化/通信模件

數(shù)字化/通信模件是在邏輯處理模件基礎(chǔ)上，通過PCIe轉(zhuǎn)FPGA擴(kuò)展了8對(duì)光纖以太網(wǎng)接口及4對(duì)E1接口的2M通道。軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)區(qū)“三取二”邏輯流程圖

圖7 數(shù)字化/通信模件層次結(jié)構(gòu)及功能框圖

在底層軟件架構(gòu)上，數(shù)字化/通信模件采取雙核獨(dú)立運(yùn)行模式，通過共享內(nèi)存交互數(shù)據(jù)。

在應(yīng)用功能部署上，數(shù)字化模件作為穩(wěn)控系統(tǒng)裝置用于數(shù)字化智能變電站的接口插件，負(fù)責(zé)接收數(shù)字化采樣及處理數(shù)字化開入開出；面向通用對(duì)象的變電站事件模塊(Generic Object Oriented Substation Event, GOOSE)和采樣值模塊(Sample Value, SV)分別部署在核0和核1上，相互解耦。也可僅部署GOOSE功能或僅部署SV功能，與在運(yùn)裝置模件可兼容替換。

另一方面，通信模件作為穩(wěn)控主機(jī)上的通信接口插件，負(fù)責(zé)與穩(wěn)控系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)子機(jī)、級(jí)聯(lián)主機(jī)、通信接口裝置通信，接收、匯集各級(jí)聯(lián)的穩(wěn)控系統(tǒng)信息及遠(yuǎn)方控制命令信息。對(duì)外通信邏輯功能和對(duì)內(nèi)通信邏輯模塊分別部署在核0和核1上，相互解耦。對(duì)外通信邏輯模塊根據(jù)配置文件對(duì)通過平臺(tái)層數(shù)據(jù)交互處理模塊獲取的各網(wǎng)口及2M通道口報(bào)文數(shù)據(jù)做解析、封裝處理；同時(shí)，通過平臺(tái)層的數(shù)據(jù)交互處理，對(duì)內(nèi)通信邏輯模塊負(fù)責(zé)解析處理來自邏輯處理模件的應(yīng)用數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)存空間共享數(shù)據(jù)。穩(wěn)控系統(tǒng)各級(jí)聯(lián)裝置信息在通信模件上的解析處理，極大地分擔(dān)了邏輯處理模件的計(jì)算壓力。

2.4 兼容性設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)板件級(jí)的無縫替換，自主化穩(wěn)控系統(tǒng)裝置從硬件和軟件兩方面進(jìn)行兼容設(shè)計(jì)。根據(jù)自主化芯片的特點(diǎn)，本文采取保持在運(yùn)裝置背板信號(hào)線不變，將新增加的信號(hào)線全部布置到空閑位置的方法以實(shí)現(xiàn)硬件上的兼容。所有板件均采用硬件組件化的方法，設(shè)計(jì)了覆蓋全部在運(yùn)裝置信號(hào)線的兼容總線，以實(shí)現(xiàn)板件在電氣信號(hào)連接上的兼容。在軟件設(shè)計(jì)上，在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)裝置和自主可控裝置均采用相同軟件平臺(tái)框架，配置及數(shù)據(jù)交換定義完全相同，應(yīng)用程序接口保持一致，從而實(shí)現(xiàn)軟件上的兼容一致。

典型的區(qū)域型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)普遍采用“分層分布”式主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由主站、子站、執(zhí)行站三級(jí)穩(wěn)控裝置組成。站間、A/B套裝置之間通過光纖以太網(wǎng)或E1接口 2M通道交互數(shù)據(jù)。裝置級(jí)的兼容替換需保證裝置尺寸等硬件上及軟件通信傳輸協(xié)議上的兼容性。

通過梳理在運(yùn)裝置的外形、尺寸、界面顯示、按鍵布局、端子規(guī)格及其信號(hào)定義，確保新設(shè)計(jì)的自主化穩(wěn)控系統(tǒng)裝置的上述特性與在運(yùn)裝置完全一致。軟件上，確保穩(wěn)控裝置之間(站間)通信報(bào)文幀格式與在運(yùn)裝置一致，以實(shí)現(xiàn)裝置級(jí)的無縫替換。

3 自主可控裝置平臺(tái)在穩(wěn)控系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 穩(wěn)控系統(tǒng)同步采樣

在處理諸如電網(wǎng)寬頻段振蕩這類問題時(shí)，區(qū)域型穩(wěn)控系統(tǒng)應(yīng)用常需采集同一時(shí)間斷面下多間隔電氣量信息，分析比較振蕩時(shí)相量特征，對(duì)振蕩源的準(zhǔn)確搜索和控制具有重要意義[22]。當(dāng)前穩(wěn)控裝置的同步對(duì)時(shí)多依賴于外部GPS或北斗系統(tǒng)時(shí)間同步信息，對(duì)時(shí)同步精度達(dá)微秒級(jí)。但不管GPS對(duì)時(shí)還是北斗對(duì)時(shí)均存在因環(huán)境因素(現(xiàn)場(chǎng)接線、天線位置、天氣陰晴等)影響衛(wèi)星信號(hào)的穩(wěn)定可靠接收，造成對(duì)時(shí)信號(hào)弱或信號(hào)丟失的情況，為此需研究不依賴于外部對(duì)時(shí)的系統(tǒng)同步方案，以確保裝置在外部對(duì)時(shí)信號(hào)丟失情況下的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

對(duì)于單裝置內(nèi)部各模件之間的數(shù)據(jù)同步，基于龍芯2K1000的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)通過背板數(shù)據(jù)同步信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)，由裝置內(nèi)對(duì)時(shí)模件發(fā)同步脈沖，其他模件利用該信號(hào)同步自身數(shù)據(jù)。此外，對(duì)時(shí)模件定時(shí)通過非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線向其他板件廣播發(fā)送時(shí)間信息，以實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)各板件時(shí)間同步。

對(duì)于同一變電站內(nèi)機(jī)箱裝置級(jí)的采樣數(shù)據(jù)同步，基于龍芯2K1000的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)復(fù)用通信插件上的正常應(yīng)用業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)通道(降低對(duì)通信網(wǎng)口數(shù)量的占用損耗)，部署基于IEC61588對(duì)時(shí)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)，以實(shí)現(xiàn)同一變電站內(nèi)穩(wěn)控系統(tǒng)裝置間的時(shí)間同步。網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)連接方式設(shè)計(jì)如圖8所示，站內(nèi)穩(wěn)控系統(tǒng)以穩(wěn)控主機(jī)為主時(shí)鐘，同步與其連接的各穩(wěn)控子機(jī)；在多主機(jī)穩(wěn)控系統(tǒng)中，上層主機(jī)作為時(shí)鐘源(主鐘)，下一級(jí)主機(jī)作為從鐘，同步精度達(dá)微秒級(jí)。裝置內(nèi)各板件依據(jù)系統(tǒng)同步信息，以均分秒脈沖的方式，實(shí)現(xiàn)裝置采樣脈沖的同步，并依據(jù)采樣脈沖進(jìn)行AD采樣，從而實(shí)現(xiàn)整系統(tǒng)的采樣同步。

圖8 系統(tǒng)同步對(duì)時(shí)連接示意圖

3.2 工程實(shí)際應(yīng)用

基于自主可控裝置平臺(tái)設(shè)計(jì)的穩(wěn)控系統(tǒng)裝置，已在寧夏750 kV沙湖變(智能站)、甘肅酒泉330 kV瓜州變、廣東惠州220 kV維布變、廣西南寧220 kV橫縣變等順利投入掛網(wǎng)試運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。下面以沙湖變(智能站)為例介紹基于2K1000的自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置的實(shí)際應(yīng)用。

750 kV沙湖變是伊克昭-沂南±800 kV特高壓直流輸電工程送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)通道配置示意圖如圖9所示。750 kV沙湖變的本體功能是監(jiān)測(cè)伊克昭-沙湖三回線運(yùn)行狀態(tài)、判斷線路故障；向伊克昭換流站交流側(cè)穩(wěn)控裝置發(fā)送線路投停狀態(tài)及故障信息；同時(shí)，接收伊克昭換流站交流側(cè)穩(wěn)控裝置聯(lián)切伊克昭-沙湖線路命令，并跳相應(yīng)線路開關(guān)。

圖9 系統(tǒng)通道配置示意圖

750 kV沙湖變穩(wěn)控系統(tǒng)裝置采取雙套配置，雙主運(yùn)行模式，共接入750 kV伊克昭-沙湖1～3線3回線路，GOOSE輸入采集伊克昭-沙湖1～3線A、B、C三相邊開關(guān)TWJ狀態(tài)，GOOSE出口直跳伊克昭-沙湖1～3回線邊、中開關(guān)；除了需要與變電站后臺(tái)通信外，還需與遠(yuǎn)方伊克昭換流站交流側(cè)A/B套穩(wěn)控裝置通信，共需要2個(gè)遠(yuǎn)方通信通道。針對(duì)上述實(shí)際功能需求，該站掛網(wǎng)試運(yùn)行的自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置由1塊管理模件、1塊邏輯處理模件，1塊數(shù)字化模件(配置為支持GOOSE功能)、1塊模擬采樣模件、1塊通信模件、2塊開入開出模件及電源模件組成，無需額外配置穩(wěn)控子機(jī)(穩(wěn)控子機(jī)為主機(jī)擴(kuò)展采樣間隔及開入開出規(guī)模的擴(kuò)展設(shè)備)。

與遠(yuǎn)方上級(jí)穩(wěn)控裝置通信采用通信模件的E1接口2M通道實(shí)現(xiàn)，其通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 站間通信系統(tǒng)示意圖

在掛網(wǎng)試運(yùn)行的聯(lián)調(diào)中，對(duì)自主可控穩(wěn)控裝置的常規(guī)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，并與在運(yùn)裝置進(jìn)行了對(duì)比分析，如表1所示。

表1 穩(wěn)控系統(tǒng)裝置常規(guī)性能指標(biāo)比較

從表1中可以看出，基于2K1000的自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置各項(xiàng)性能滿足安全穩(wěn)定控制裝置DL/T 478-2013標(biāo)準(zhǔn)[23]的要求。因國(guó)產(chǎn)芯片元器件性能與進(jìn)口芯片存在差異，自主可控裝置電壓、電流及功率測(cè)量精度略低于在運(yùn)裝置；動(dòng)作出口時(shí)間比基于進(jìn)口芯片的在運(yùn)穩(wěn)控裝置慢0～1.6?ms。裝置整組動(dòng)作時(shí)間誤差比在運(yùn)裝置誤差大，主要原因是國(guó)產(chǎn)繼電器出口速度稍慢，且動(dòng)作時(shí)間一致性稍差一些，但仍與在運(yùn)裝置性能相當(dāng)，滿足穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

4 結(jié)論與展望

本文通過研究處理器自主可控標(biāo)準(zhǔn)，選擇了龍芯2K1000處理器作為穩(wěn)控系統(tǒng)裝置平臺(tái)的核心處理器，完成了自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置的研制，為電網(wǎng)提供了一套可推廣的、具有完全自主可控能力的安全穩(wěn)定控制裝置平臺(tái)。并解決了板件級(jí)和整裝置級(jí)的兼容替換問題，基于此平臺(tái)開發(fā)的自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置與在運(yùn)裝置可實(shí)現(xiàn)無縫替換，保障了電網(wǎng)的戰(zhàn)略備用安全。

自主可控穩(wěn)控系統(tǒng)裝置運(yùn)行性能、穩(wěn)定性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性仍需通過長(zhǎng)期、大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來進(jìn)行驗(yàn)證、改進(jìn)和優(yōu)化，尤其需要運(yùn)行管理單位、設(shè)備廠家、芯片廠家等各單位的長(zhǎng)期緊密合作，閉環(huán)反饋、迭代升級(jí)，共同促進(jìn)自主可控國(guó)產(chǎn)設(shè)備的持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，為提升國(guó)產(chǎn)自主可控處理器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，芯片廠家需要在芯片封裝設(shè)計(jì)、功耗、芯片內(nèi)部資源容量、外設(shè)控制器性能及軟件生態(tài)等幾個(gè)方面繼續(xù)改進(jìn)和完善。

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Device platform and application of a stability control system based on a Loongson processor

LI Youjun1, 2, GUO Xun2, ZHOU Hualiang1, 2, YAN Yunsong1, 2, DAI Xinxin2, CHEN Yonghua2, XU Guanghui2

(1. State Key Laboratory of Smart Grid Protection and Control, NARI Group Corporation, Nanjing 211106, China;2. NARI Technology Co., Ltd., Nanjing 211106, China)

As the core secondary equipment of the second and third line of defense to ensure the safe and stable operation of the power grid, the safety and stability control device is not high in the degree of localization of key components. Thus the transformation of localization is urgently needed. There are problems of difficulty in selecting the main control chip and the poor real-time and stability of the processor faced by the autonomy of the safety and stability control device. Thus, starting from the research of chip localization standards, a system framework for a safety and stability control device based on the Loongson processor is proposed. It mainly includes the overall platform architecture design, core function module design, real-time data interaction, compatibility design, and stability control application design based on the platform, etc. The design principle for the device platform of the autonomous and controllable stability control system is described from the aspects of hardware and software. The device designed based on the platform scheme has been put into trial operation in several substations, and in is good condition. At the same time, it has good compatibility and makes effective replacement with the devices in operation.

localization; autonomization; autonomous controllability; safety and stability control platform; stability control device; compatibility

10.19783/j.cnki.pspc.210337

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助（2021YFB2401000）；國(guó)家電網(wǎng)有限公司總部科技項(xiàng)目資助(5700-202040263A-0- 0-00)

This work is supported by the National Key Research & Development Program of China (No. 2021YFB2401000).

2021-03-29；

2021-11-08

李友軍(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化及電力二次設(shè)備軟件平臺(tái)技術(shù)研究與開發(fā)；E-mail: liyoujun@sgepri.sgcc.com.cn

郭 勛(1987—)，男，通信作者，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏Χ卧O(shè)備平臺(tái)軟件技術(shù)研究與開發(fā)；E-mail: guoxun@sgepri.sgcc.com.cn

周華良(1980—)，男，碩士，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏Χ卧O(shè)備軟硬件共性平臺(tái)技術(shù)研究與開發(fā)。

(編輯 許 威)