陳軍健，李肖博，姚浩，習(xí)偉

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東 廣州 510663)

近年來,國(guó)外壟斷的CPU 芯片供應(yīng)逐漸收緊,作為電網(wǎng)二次設(shè)備的核心器件,CPU“命脈”問題嚴(yán)重制約著我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為了從根本上解決芯片壟斷問題以及實(shí)現(xiàn)軟硬件的自主可控[1],在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于國(guó)產(chǎn)自主CPU 內(nèi)核和境內(nèi)代工封測(cè)技術(shù)研發(fā)了一款國(guó)產(chǎn)電力芯片——伏羲芯片,該芯片針對(duì)電力系統(tǒng)智能設(shè)備安全互聯(lián)、現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)的特定需求,有著高性能、低功耗、接口資源豐富、自帶電力通信協(xié)議報(bào)文解析過濾功能等優(yōu)勢(shì)。對(duì)此,開發(fā)一套適用的、能夠充分發(fā)揮芯片優(yōu)勢(shì)的軟硬件平臺(tái)是該芯片推廣應(yīng)用的關(guān)鍵性步驟,也是實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)自主可控的面向智能站繼電保護(hù)裝置的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的重要一環(huán)。

目前,電力自動(dòng)化嵌入式軟硬件開發(fā)[2-5]逐步向模塊化、插件化、可視化、平臺(tái)化方向發(fā)展。智能站繼電保護(hù)裝置相較于傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置,使用SV/GOOSE 通信取代了模擬量采樣、開入和開出,因此保護(hù)裝置基本的功能包含以下幾種:SV/GOOSE/MMS 通信功能、各保護(hù)計(jì)算功能、數(shù)據(jù)記錄功能、液晶顯示與指示燈功能等[6-9]。

以上功能需要的硬件支持包括以太網(wǎng)接口、光通信接口、CPU 運(yùn)算、各存儲(chǔ)器接口、各數(shù)據(jù)通信接口和液晶與指示燈接口等[10-11]。這些硬件接口具有通用性較強(qiáng)的特點(diǎn),因此可進(jìn)行模塊化設(shè)置,將各個(gè)硬件接口做成通用的模塊插件,從而實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)化。

在實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)化的基礎(chǔ)上將軟件功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),并詳細(xì)劃分各內(nèi)核執(zhí)行的任務(wù),設(shè)計(jì)合理的各內(nèi)核間數(shù)據(jù)交互方式,從而實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)化。

基于這樣的理念,本文針對(duì)智能站繼電保護(hù)應(yīng)用提出一種雙CPU(伏羲＋伏羲)架構(gòu)的硬件平臺(tái),結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),對(duì)多核處理器進(jìn)行功能模塊劃分和軟件應(yīng)用劃分,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速交互和信息的高效處理。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置功能的愈加完善,信息傳輸量越來越大,對(duì)以太網(wǎng)通信和現(xiàn)場(chǎng)總線通信的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性的要求也在提升,對(duì)保護(hù)可靠性、穩(wěn)定性的要求尤其突出,單CPU 架構(gòu)無(wú)法滿足實(shí)際需求,因此,用雙CPU 的架構(gòu)。

1.1 伏羲芯片優(yōu)勢(shì)介紹

伏羲芯片多核性能強(qiáng)大,外設(shè)資源豐富,并且具備電力專用功能,其功能特性如圖1 所示。

圖1 伏羲芯片資源框圖

(1)CPU 性能強(qiáng)大

具有一個(gè)高性能的雙核CK860MP 嵌入式CPU(頻率最高可達(dá)800 MHz),兩個(gè)高性能的CK810 嵌入式CPU(頻率最高可達(dá)800 MHz),兩個(gè)協(xié)處理器CK803S(頻率最高可達(dá)200 MHz)。兩個(gè)可編程的DSP,可進(jìn)行多種VLIW 和SIMD 操作。強(qiáng)大的多核性能充分滿足繼電保護(hù)裝置的保護(hù)計(jì)算性能要求。

(2)外設(shè)資源豐富

伏羲芯片包含512 KB 可用片上SRAM,128 KB的ROM 和2KB 的OTP 等。

支持多種存儲(chǔ)接口,包含帶ECC 的DDR DRAM接口,片外SRAM 接口,SPI NOR-FLASH 接口,支持SD 卡和eMMC 的SDIO 接口等。

支持多種通信接口,包含千兆以太網(wǎng)接口,USB2.0 接口,SPI,I2C,UART,CAN,I2S 等。

豐富的外設(shè)資源能夠直接支持各種不同應(yīng)用環(huán)境下繼電保護(hù)裝置的存儲(chǔ)與通信需求,避免復(fù)雜的片外擴(kuò)展電路。

(3)電力專用功能

伏羲芯片具有基于CK802 內(nèi)核的加密安全模塊,支持真隨機(jī)數(shù)發(fā)生(True Random Number Generator,TRNG),支持多種加密算法,包括SM2、SM3、SM4、DES、AES 等。滿足電力數(shù)據(jù)加密的安全需求。

伏羲芯片還具備支持電力專用硬件邏輯功能的以太網(wǎng)MAC,用于處理GOOSE、SV 和MMS,支持濾波器,SV 數(shù)據(jù)插值,網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制,時(shí)間校準(zhǔn)等功能。支持低功耗管理,微電網(wǎng)控制及繼電保護(hù)應(yīng)用。

傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的SV/GOOSE 報(bào)文解析、MAC 功能實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)流量抑制通常由FPGA 來實(shí)現(xiàn)。而伏羲芯片具備電力專用硬件邏輯MAC 功能,能進(jìn)行SV/GOOSE 報(bào)文解析和過濾。

SV 報(bào)文用于傳輸模擬量采集數(shù)值,通常為每個(gè)工頻周期80 點(diǎn),采集核在解析SV 報(bào)文獲取數(shù)據(jù)后還需進(jìn)行每個(gè)工頻周期24 點(diǎn)的插值計(jì)算,之后將插值結(jié)果傳輸給運(yùn)算核進(jìn)行模擬量計(jì)算。GOOSE 報(bào)文用于傳輸開入和開出節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

SV/GOOSE 的報(bào)文幀格式如表1 所示。

表1 SV/GOOSE 的報(bào)文幀格式

針對(duì)SV/GOOSE 報(bào)文格式,伏羲芯片可通過寄存器設(shè)置前導(dǎo)碼長(zhǎng)度、MAC 地址、以太網(wǎng)類型、幀校驗(yàn)與幀間間隙。

此外,伏羲芯片的MAC 接口還可按照設(shè)置的規(guī)則對(duì)報(bào)文進(jìn)行過濾,包括:非TCP/UDP 的IP 幀過濾、第三層網(wǎng)絡(luò)層和第四層傳輸層的報(bào)文過濾、VLAN 幀過濾、MAC 地址過濾、廣播幀過濾、多播幀過濾、單播幀過濾等。

由于伏羲芯片強(qiáng)大的MAC 功能、SV/GOOSE 報(bào)文解析功能與報(bào)文過濾功能,使得進(jìn)行SV/GOOSE通信硬件設(shè)計(jì)時(shí)可以節(jié)省一個(gè)FPGA 芯片,從而大大降低了裝置的硬件成本。同時(shí)保證在極端網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,如過程層和站控層網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴,不會(huì)影響高實(shí)時(shí)性的計(jì)算任務(wù),從而提高了裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

伏羲芯片與目前行業(yè)內(nèi)已廣泛應(yīng)用的全志T3pro 芯片對(duì)比如下:

CPU 對(duì)比:T3pro 具備4 核A7 的CPU,在CPU性能上伏羲與T3pro 相當(dāng),但伏羲還有兩個(gè)DSP,在處理數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。

外設(shè)資源對(duì)比:電力常用接口如UART、CAN、IIC、SPI、MAC、GMAC 的數(shù)量上,伏羲芯片均多于T3pro。

專用功能對(duì)比:T3pro 芯片側(cè)重于視頻圖像處理,具備GPU、視頻引擎與多種輸入輸出接口,對(duì)于智能站繼電保護(hù)裝置來說,這些接口往往無(wú)用,并且還會(huì)額外增加電能消耗。伏羲芯片則側(cè)重于SV/GOOSE 報(bào)文處理、安全加密等電力專用功能,高度契合智能站繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用需求。

伏羲芯片強(qiáng)大的運(yùn)算能力、豐富的外設(shè)資源以及高契合度的電力專用功能使得該芯片能充分滿足智能站繼電保護(hù)裝置對(duì)CPU 的要求。

1.2 硬件平臺(tái)化方案

由于智能站繼電保護(hù)裝置的開入和開出由GOOSE 報(bào)文實(shí)現(xiàn),模擬量采樣由SV 報(bào)文實(shí)現(xiàn),因此無(wú)需傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的開入板、開出板和模擬量采樣板。

伏羲芯片具備8 個(gè)EMAC 接口,在雙CPU 結(jié)構(gòu)下有16 個(gè)EMAC 接口,完全能夠滿足智能站繼電保護(hù)裝置的MMS/SV/GOOSE 報(bào)文傳輸要求,使得CPU 板具備通信板功能。

硬件平臺(tái)在結(jié)構(gòu)上使用插板式設(shè)計(jì),將硬件平臺(tái)分為CPU 板、電源板和前面板,如圖2 所示。

圖2 硬件平臺(tái)化架構(gòu)

①CPU 板:伏羲控制器的工作板卡,用于裝置啟動(dòng)、保護(hù)和管理等功能的運(yùn)行,是裝置的核心部分。具備通信板功能。

②電源板:用于將外部交直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部板卡供電電壓。

③前面板:用于液晶顯示、按鍵操作和指示燈顯示。

傳統(tǒng)T3pro 芯片的智能站硬件平臺(tái)由CPU 板、電源板、通信板和前面板組成,其中通信板需有一個(gè)兆易創(chuàng)新GD32 系列MCU 和一塊FPGA 來實(shí)現(xiàn)過程層SV/GOOSE 收發(fā),并且還需要具備通信板與CPU 板的通信交互功能,以便與主CPU 交互GOOSE 和SV 數(shù)據(jù),此功能一般采用LVDS 背板總線來實(shí)現(xiàn)。因此相較于T3pro 硬件平臺(tái),采用伏羲芯片可直接省下一塊通信板,并大大簡(jiǎn)化裝置的硬件結(jié)構(gòu),降低硬件成本,提高開發(fā)效率。

1.2.1 繼電保護(hù)裝置硬件平臺(tái)CPU 板設(shè)計(jì)

基于智能站繼電保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)景需求,采用伏羲芯片設(shè)計(jì)的CPU 板架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 硬件平臺(tái)化設(shè)計(jì)框圖

伏羲芯片的八個(gè)EMAC 接口可用于MMS、GOOSE 和SV 通信和調(diào)試。一個(gè)GMAC 接口可用于雙CPU 芯片間數(shù)據(jù)通信。

一片伏羲處理器做啟動(dòng)功能CPU,通過片內(nèi)自帶的EMAC 接口提供A、B、C 三個(gè)以太網(wǎng)接口用于MMS 通信,2 個(gè)對(duì)外UART 串口分別實(shí)現(xiàn)液晶通信和信息打印功能。

另一片伏羲處理器做保護(hù)功能CPU,通過片內(nèi)自帶的EMAC 接口提供最多7 個(gè)SV/GOOSE 光口,用于收發(fā)GOOSE 和SV 報(bào)文,基于片內(nèi)硬件邏輯實(shí)現(xiàn)SV 報(bào)文接收和GOOSE 報(bào)文收發(fā)和報(bào)文過濾功能,節(jié)省一個(gè)處理和過濾SV/GOOSE 報(bào)文的FPGA[12]。

通過一片F(xiàn)PGA 芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步與采樣同步功能:①FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)接收外部的IRIG-B 信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)功能。②FPGA 芯片同時(shí)給保護(hù)CPU 和啟動(dòng)CPU 提供精確的同步中斷信號(hào),實(shí)現(xiàn)雙CPU的時(shí)間同步和采樣同步功能[13]。

兩片CPU 之間通過伏羲處理器內(nèi)部的GMAC 通信互聯(lián),實(shí)現(xiàn)兩片CPU 之間大數(shù)據(jù)量的高速內(nèi)部通信。

1.2.2 繼電保護(hù)裝置硬件平臺(tái)其他板卡設(shè)計(jì)

(1)電源板設(shè)計(jì):根據(jù)外部110 V 或220 V 交直流輸入轉(zhuǎn)換為24 V、5 V、3.3 V 等內(nèi)部板卡所需供電電壓,統(tǒng)一輸入輸出接口。輸入端子使用國(guó)產(chǎn)卓能連接器,具體參數(shù)為:5.08 mm 間距、300 V、10 A。背板端使用國(guó)產(chǎn)福迪背板連接器。

(2)前面板設(shè)計(jì):前面板液晶使用國(guó)產(chǎn)邦鼎液晶,控制器使用國(guó)產(chǎn)兆易創(chuàng)新GD32 系列芯片。

2 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

軟件平臺(tái)的開發(fā)基于上述的硬件平臺(tái),同時(shí)需結(jié)合伏羲芯片的性能及其特有的電力專用屬性。一方面,適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì),以及智慧能源的發(fā)展需求,對(duì)于繼電保護(hù)處理復(fù)雜問題能力的要求不斷提升,使得裝置配置軟件復(fù)雜化；相應(yīng)地,對(duì)于其通信速率及其準(zhǔn)確性要求更加嚴(yán)苛。因此,如何合理地布局和分配芯片CPU 資源,對(duì)于繼電保護(hù)裝置平臺(tái)化是一重要難題。

伏羲芯片擁有4 個(gè)核心,2×CK-860＋2×CK-810-0,其中2×CK-860 用于雙核運(yùn)行SylixOS 操作系統(tǒng),CK-810-0 用于運(yùn)行SV/GOOSE 采集功能的裸核程序,CK-810-1 用于運(yùn)行啟動(dòng)/保護(hù)功能的裸核程序。采用伏羲＋伏羲的雙CPU 架構(gòu),分為啟動(dòng)CPU 和保護(hù)CPU,雙CPU 數(shù)據(jù)互相校核,互為備份,提高運(yùn)行可靠性。啟動(dòng)CPU 和保護(hù)CPU 的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案分別如圖4、圖5 所示。

圖5 軟件平臺(tái)保護(hù)CPU 設(shè)計(jì)框圖

啟動(dòng)CPU:

保護(hù)CPU:

(1)CK-810-0 作為采集核,未運(yùn)行任何操作系統(tǒng),為Baremetal 裸跑模式,主要完成與外設(shè)交互、數(shù)據(jù)預(yù)處理和統(tǒng)一時(shí)間管理功能,執(zhí)行SV 接收處理、SV 插值、Goose 收發(fā)處理、時(shí)間管理等任務(wù)軟件。此外CK-810-0 還負(fù)責(zé)加載和啟動(dòng)CK-810-1 與2×CK-860 程序。

(2)CK-810-1 作為運(yùn)算核,未運(yùn)行任何操作系統(tǒng),為Baremetal 裸跑模式,主要用來執(zhí)行測(cè)值計(jì)算、啟動(dòng)邏輯、保護(hù)邏輯、動(dòng)作報(bào)告、錄波處理、自檢等任務(wù)。

(3)2×CK-860 作為系統(tǒng)管理核,雙核運(yùn)行SylixOS 操作系統(tǒng),并在該操作系統(tǒng)上運(yùn)行61850 通信、103 通信、HMI 人機(jī)交互等相應(yīng)的應(yīng)用軟件。

該軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)在匹配硬件配置的同時(shí),將各項(xiàng)功能依據(jù)核特性以及實(shí)際需求進(jìn)行合理規(guī)劃,滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)應(yīng)用需求復(fù)雜化以及實(shí)時(shí)、大容量通信的需求。具體的軟件配置方案如下。

2.1 伏羲系統(tǒng)管理核軟件方案

伏羲系統(tǒng)管理核運(yùn)行的操作系統(tǒng)為翼輝SylixOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。SylixOS 是國(guó)際先進(jìn)、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),經(jīng)國(guó)家工信部評(píng)估認(rèn)證SylixOS 內(nèi)核自主化率達(dá)100%。支持SMP 架構(gòu)、AMP 架構(gòu),擁有先進(jìn)的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)、先進(jìn)高效的調(diào)度算法,可以跨平臺(tái)、多架構(gòu)支持各類硬件平臺(tái)。

系統(tǒng)管理核應(yīng)用軟件劃分為monitor(監(jiān)視程序)、mainApp(主應(yīng)用程序)、61850(61850 通信程序)、103(103 通信程序) 和HMI(人機(jī)交互程序)等。

①monitor:在該程序中復(fù)刻出mainApp,并監(jiān)視mainApp 執(zhí)行情況,如果mainApp 非正常退出或執(zhí)行異常,則會(huì)自動(dòng)重啟mainApp 應(yīng)用；

②mainApp:主要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)與保護(hù)CPU 間的通信交互,以便于獲取CPU 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),并保存在本地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中,供其他應(yīng)用訪問。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括:遙測(cè)、遙信、電能、運(yùn)行狀態(tài)等；

歷史數(shù)據(jù)包括:變位報(bào)告、動(dòng)作報(bào)告、錄波數(shù)據(jù)、告警報(bào)告等；

同時(shí)mainApp 也監(jiān)視其子進(jìn)程的執(zhí)行情況,如子進(jìn)程執(zhí)行異常則會(huì)重啟子進(jìn)程應(yīng)用；

③61850:61850 MMS 服務(wù)程序,從mainApp復(fù)刻；

④103:103 通信服務(wù)端應(yīng)用程序(TCP103 和串口103),從mainApp 復(fù)刻；

HMI:液晶顯示,人機(jī)交互程序,從mainApp 復(fù)刻。根據(jù)液晶尺寸,可能有多種HMI 執(zhí)行程序可選,如320×240、240×128 等。

應(yīng)用軟件調(diào)用關(guān)系如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)管理核軟件調(diào)用關(guān)系圖

2.2 伏羲裸核軟件方案

裸核的軟件架構(gòu)劃分為硬件層、驅(qū)動(dòng)層、支撐層和應(yīng)用層。具體劃分如圖7 所示。

(1)硬件層:采集核運(yùn)行于CK-810-0,啟動(dòng)/保護(hù)運(yùn)算核運(yùn)行于CK-810-1,兩者軟件架構(gòu)類似,均為Baremetal 裸跑模式。裝置上電后,CK-810-0 負(fù)責(zé)加載和啟動(dòng)CK-810-1 和2×CK-860 程序。其涉及的硬件外設(shè)包括:EMAC(SV/GOOSE 收發(fā))、FPGA、內(nèi)部通信GMAC、DDR 共享內(nèi)存等。

①SV 和GOOSE 收發(fā)由伏羲自帶的EMAC 口進(jìn)行,最多可支持7 路SV/GOOSE 接口,均由CK-810-0 采集核負(fù)責(zé)操作,并將SV 和GOOSE 報(bào)文解析和SV 插值的結(jié)果通過共享內(nèi)存提供給啟動(dòng)和保護(hù)運(yùn)算核使用；

②FPGA 主要用于實(shí)現(xiàn)IRIG-B 校時(shí)、雙CPU之間的時(shí)間同步、雙CPU 之間采樣插值同步；

③CPU 之間的交互基于兩片伏羲各自的GMAC互聯(lián)實(shí)現(xiàn),其硬件操作由CK-810-0 采集核完成。

④CPU 內(nèi)核間通信由DDR 共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)。

(2)驅(qū)動(dòng)層:用于實(shí)現(xiàn)硬件層與上面的支撐層的解耦。驅(qū)動(dòng)層對(duì)下直接驅(qū)動(dòng)各類型的硬件外設(shè)、MAC、FPGA、中斷等,對(duì)上提供統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)接口。

(3)支撐層:支撐層是裸核部分保護(hù)單元支撐平臺(tái)的核心,對(duì)下與BSP 驅(qū)動(dòng)層合作完成裝置的硬件控制和對(duì)外輸入輸出接口；對(duì)上為應(yīng)用層提供運(yùn)行支撐。主要功能模塊為:

①SV 處理,通過伏羲的EMAC 接收到的SV 報(bào)文,經(jīng)過解包和插值后,存放到DDR 的固定位置,以供保護(hù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)用。

②GOOSE 報(bào)文開入采集和處理,并生成變位報(bào)告。

③時(shí)間管理功能模塊,接收FPGA 的時(shí)間同步信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步核管理。

④設(shè)定值模塊,包括定值、參數(shù)和精度系數(shù),在該平臺(tái)中,裸核將不再掉電存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù),只是上電或設(shè)定值修改后由系統(tǒng)管理核應(yīng)用推送到裸核側(cè)。裸核只存儲(chǔ)當(dāng)前區(qū)的設(shè)定值的數(shù)值,并對(duì)應(yīng)用層提供這些設(shè)定值的讀取接口。

⑤開出GOOSE 報(bào)文處理,由支撐層直接操作EMAC 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

⑥事件報(bào)告,支撐平臺(tái)提供自檢報(bào)告、動(dòng)作報(bào)告、告警報(bào)告生成和維護(hù)工作,并對(duì)應(yīng)用層提供報(bào)告生成的接口。

⑦錄波,進(jìn)行特定數(shù)據(jù)的錄波處理。

⑧自檢模塊,支撐平臺(tái)提供定值、參數(shù)、RAM、ROM、FPGA、電源等的自檢功能。

(4)應(yīng)用層:應(yīng)用層運(yùn)行于支撐層之上,支撐層提供統(tǒng)一的訪問接口及鉤子函數(shù),以便應(yīng)用層代碼調(diào)用和執(zhí)行,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層代碼和裝置硬件、運(yùn)行環(huán)境等的全解耦。應(yīng)用層主要包括:

①算法庫(kù):包含傅里葉變換、差值、濾波等算法。

②元件庫(kù):包含(充電)過流保護(hù)、零序過流保護(hù)、三相不一致保護(hù)、比例差動(dòng)保護(hù)、復(fù)壓方向過流保護(hù)、零序方向過流保護(hù)等保護(hù)元件。

③數(shù)據(jù)模型:圖形組態(tài)工具裝置建模后導(dǎo)出的源代碼文件,一般為一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)組、宏定義等信息。用于定義裝置的輸入輸出能力、定值、參數(shù)等。

④保護(hù)控制邏輯:通過圖形組態(tài)工具的圖形組態(tài)功能,以T 型圖的方式實(shí)現(xiàn)保護(hù)邏輯,并以C 語(yǔ)言源代碼導(dǎo)出。

以上裸核的軟件方案,對(duì)于CK-810-1 啟動(dòng)/保護(hù)運(yùn)算核和CK-810-0 采集核應(yīng)用需求是不一樣的,可以在該方案的功能模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行裁剪。

2.3 數(shù)據(jù)交互與處理方案

伏羲芯片的片內(nèi)各核之間可通過共享內(nèi)存直接交互；兩個(gè)CPU 間則通過GMAC 進(jìn)行互聯(lián),通信互聯(lián)方案如圖8 所示。

圖8 裸核軟件數(shù)據(jù)交互框圖

(1)保護(hù)運(yùn)算核和啟動(dòng)運(yùn)算核之間通信交互

CPU1 和CPU2 之間采用伏羲內(nèi)置GMAC 進(jìn)行通信交互,CPU 的GMAC 均由CK-810-0 采集核進(jìn)行控制,而需要交互的是CPU1-CK-810-1 啟動(dòng)運(yùn)算核和CPU2-CK-810-1 保護(hù)運(yùn)算核,因此在這兩個(gè)核進(jìn)行交互時(shí),需要借助共享內(nèi)存進(jìn)行CK-810-1 與CK-810-0 的核間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

保護(hù)運(yùn)算核和啟動(dòng)運(yùn)算核之間交互的數(shù)據(jù)包括:SV 采樣值、SV 插值結(jié)果、保護(hù)核計(jì)算后的有效值、GOOSE 開入狀態(tài)、SV 鏈路狀態(tài)信息、GOOSE 鏈路狀態(tài)信息、告警信息、動(dòng)作信息、保護(hù)核自檢信息、版本信息；啟動(dòng)核傳給保護(hù)核,啟動(dòng)核閉鎖信息、啟動(dòng)信息、定值、軟壓板狀態(tài)。

(2)啟動(dòng)運(yùn)算核和系統(tǒng)管理核之間通信交互

系統(tǒng)管理核運(yùn)行SylixOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),主要提供HMI 人機(jī)交互、IEC61850 通信、打印輸出等功能；啟動(dòng)運(yùn)算核對(duì)系統(tǒng)管理核提供測(cè)量、開入開出狀態(tài)、設(shè)定值等數(shù)據(jù),因此需要實(shí)現(xiàn)CK-810-1 啟動(dòng)運(yùn)算核與2×CK-860 系統(tǒng)管理核之間的通信交互。

由于這兩個(gè)核在同一CPU 上,因此可以直接通過共享內(nèi)存進(jìn)行交互。核間通信需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括:測(cè)值、開關(guān)量狀態(tài)、壓板狀態(tài)、保護(hù)定值、系統(tǒng)參數(shù)、動(dòng)作報(bào)告、告警報(bào)告、錄波數(shù)據(jù)等。

3 繼電保護(hù)軟硬件平臺(tái)應(yīng)用

基于伏羲芯片的軟硬件平臺(tái)開發(fā)了220 kV 智能站母聯(lián)保護(hù)裝置。

220 kV 智能站母聯(lián)保護(hù)裝置硬件配置:由于該裝置僅需采集SV,無(wú)模擬量采集,因此無(wú)需模擬量采集板。此外CPU 板的通信接口已能滿足需求,因此無(wú)需通信板。所以該裝置硬件由電源板、CPU 板和前面板組成。

電源板輸入為110 V 或220 V 交直流電源,輸出到背板直流電源為5 V 和24 V,供給CPU 板和前面板。

CPU 板采用伏羲芯片自帶的EMAC 完成以太網(wǎng)通信接口。啟動(dòng)CPU 采用3 個(gè)EMAC 口進(jìn)行MMS 通信；保護(hù)CPU 采用1 個(gè)EMAC 口進(jìn)行SV 通信,2 個(gè)EMAC 口進(jìn)行GOOSE 通信。

220 kV 智能站母聯(lián)保護(hù)裝置軟件配置:在裝置配置信息工具中根據(jù)硬件資源與軟件需求配置定值、軟壓板和事件等。然后在圖形化開發(fā)工具中選用算法庫(kù)、元件庫(kù)、數(shù)據(jù)模型和保護(hù)控制邏輯資源進(jìn)行失靈啟動(dòng)、三相不一致保護(hù)、兩段相過流保護(hù)、兩端零序過流保護(hù)和充電保護(hù)等。生成邏輯功能模塊執(zhí)行程序,再下裝到嵌入式核心支撐層,從而完成保護(hù)功能的開發(fā)。

對(duì)220 kV 智能站母聯(lián)保護(hù)裝置樣機(jī)進(jìn)行功能測(cè)試和電磁兼容測(cè)試,如圖9 所示。

圖9 測(cè)試搭建圖

與基于T3pro 芯片開發(fā)的保護(hù)裝置相比,伏羲平臺(tái)開發(fā)的保護(hù)裝置在達(dá)到相同性能的前提下,裝置模件數(shù)更少、體積更小、成本更低。裝置的保護(hù)功能、通信功能和電磁兼容性能均測(cè)試合格。其關(guān)鍵指標(biāo)如下:保護(hù)動(dòng)作電流精度達(dá)到≤±5%或0.02 額定電流；保護(hù)動(dòng)作延時(shí)精度達(dá)到≤±1%或40 ms；在多主站通信中支持≥16 個(gè)MMS 客戶端訪問鏈接和≥12 個(gè)報(bào)告實(shí)例；在網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)試中裝置無(wú)死機(jī)、重啟、面板死機(jī)現(xiàn)象,無(wú)異常報(bào)文。滿足保護(hù)類設(shè)備相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。

4 總結(jié)

本文針對(duì)繼電保護(hù)裝置應(yīng)用提出一種基于國(guó)產(chǎn)電力芯片——伏羲芯片的軟硬件平臺(tái)架構(gòu),依托于伏羲芯片CPU 功能強(qiáng)大、外設(shè)資源豐富、電力專用、自帶報(bào)文解析過濾功能的特點(diǎn),以雙CPU(伏羲＋伏羲)架構(gòu)的硬件平臺(tái),支撐實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的通信、對(duì)時(shí)、信息采集、信息交互等基本功能的同時(shí),在SV/GOOSE 通信處理上節(jié)省了一塊FPGA 芯片。結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),對(duì)多核處理器進(jìn)行功能模塊劃分和軟件應(yīng)用劃分,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速交流和信息的高效管理。

利用本平臺(tái),開發(fā)出了220 kV 智能站母聯(lián)保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)裝置的小型化、芯片化,并且裝置也通過了第三方驗(yàn)證,具備了入網(wǎng)資格,驗(yàn)證了該軟硬件平臺(tái)的可行性。與同類裝置對(duì)比,在保證性能的前提下,裝置模件數(shù)更少、體積更小、成本更低?；诜诵酒碾娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)裝置的成功研發(fā)及量產(chǎn),對(duì)于國(guó)家電力能源和信息安全、工控領(lǐng)域科技自主可控具有重大意義。