DQZHAN訊：智能微網(wǎng)保護(hù)裝置新平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)電南瑞科技股份有限公司深圳分公司的研究人員劉靖，在2015年第8期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，提出了一種基于集中式保護(hù)方式的智能微網(wǎng)保護(hù)裝置新平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)的硬件裝置以FREESCALE POWERPC高性能雙核處理器P2020為核心，通過(guò)FPGA加上MLVDS芯片組成的數(shù)據(jù)總線，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

基于此平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有運(yùn)行速度快、可靠性高、冗錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，軟件采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)，基于多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足微網(wǎng)保護(hù)裝置的各種功能需求，應(yīng)用前景良好。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)也逐步提高了對(duì)電能質(zhì)量和可靠性方面的要求。世界范圍內(nèi)發(fā)生了多次影響范圍極大的停電事件，暴露出了超大規(guī)模電力系統(tǒng)內(nèi)分布式電源與大電網(wǎng)之間的矛盾。微網(wǎng)的出現(xiàn)可以解決分布式電源并網(wǎng)給大電網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題，平時(shí)作為分布式電源與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，但是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，微網(wǎng)可以孤島運(yùn)行，從有問(wèn)題的主網(wǎng)上脫離，獨(dú)立為負(fù)荷供電[1]。

智能微網(wǎng)是通過(guò)集成的通信體系、**的分析技術(shù)、先進(jìn)的控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微網(wǎng)保護(hù)應(yīng)采用廣域保護(hù)的模式，由中央單元和就地單元兩部分組成。在微網(wǎng)主控制室安裝的中央單元可以提供全站保護(hù)，而在每個(gè)開(kāi)關(guān)處安裝就地處理單元完成交流量和開(kāi)關(guān)量的采集。

針對(duì)智能微網(wǎng)保護(hù)方式，大量的數(shù)據(jù)被采集到中央單元，進(jìn)行匯總計(jì)算，同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)必須保證在相同的采樣周期得到處理，而不被延遲。復(fù)雜的控制原理和保護(hù)技術(shù)，要求快速響應(yīng)的通訊機(jī)制，都需要有強(qiáng)有力的硬件平臺(tái)的保障。

針對(duì)線路或者變壓器的單一對(duì)象的傳統(tǒng)的保護(hù)裝置已不能滿(mǎn)足廣域保護(hù)的模式，新一代平臺(tái)對(duì)計(jì)算、通訊能力有了更高的要求，同時(shí)也提出了對(duì)應(yīng)用不同的小系統(tǒng)方面適用性與易用性的需求。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于智能微網(wǎng)保護(hù)裝置，并具有實(shí)際操作性。

1 設(shè)計(jì)原則

智能微網(wǎng)保護(hù)裝置的新平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則如下：

1.1 廣域保護(hù)方案

在廣域保護(hù)方案中，主保護(hù)為智能微網(wǎng)保護(hù)中央單元，完成微網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的線路和母線保護(hù)。主保護(hù)的邏輯計(jì)算來(lái)源于就地單元上送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果對(duì)就地單元發(fā)送控制命令。智能終端主要完成就地開(kāi)關(guān)信息、交流量的采集以及中央單元下發(fā)的控制命令的執(zhí)行。

智能微網(wǎng)的保護(hù)模塊眾多，定值數(shù)量大，采集的開(kāi)關(guān)量輸入、模擬量輸入與開(kāi)關(guān)量輸出的數(shù)量都遠(yuǎn)大于一套普通的保護(hù)裝置，因此對(duì)保護(hù)中央單元的計(jì)算處理能力、通訊傳輸能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力都提出了高規(guī)格的要求[2]。

相對(duì)于由多臺(tái)裝置共同完成全套保護(hù)功能的方案來(lái)說(shuō)，本文提出了單臺(tái)8U裝置完成全套保護(hù)功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這樣做可以使數(shù)據(jù)更為集中，效率更高，成本降低的同時(shí)也省去組屏和接線的繁復(fù)工作，有利于調(diào)試和維護(hù)工作。

1.2 主處理器選型

主處理器采用Freescale公司45納米QorIQ系列的P2020，有優(yōu)異的單線程性能功耗比，適用于網(wǎng)絡(luò)、電信、**以及工業(yè)市場(chǎng)中的各種應(yīng)用。該通信處理器具有兩個(gè)高性能Power Architecture® e500內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核的運(yùn)行頻率為1.33 GHz ，自帶32 KB L1緩存、512 KB L2緩存， 支持32/64位DDR2和DDR3，同時(shí)支持糾錯(cuò)碼。

P2020的外設(shè)豐富，帶有4個(gè)高達(dá)3.125 GHz 的SerDes、兩個(gè)PCI Express接口、兩個(gè)SerialRapidIO 接口、兩個(gè)SGMII接口、兩個(gè)高速USB控制器。作為主保護(hù)*核心的部分，此款處理器提供了一個(gè)強(qiáng)大的硬件平臺(tái)，特別適用于通信高度集成與大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，為智能微網(wǎng)保護(hù)提供充足的資源保障，并且為今后的擴(kuò)展預(yù)留有較大的提升空間。

1.3 數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)

智能微網(wǎng)保護(hù)處理的GOOSE與SV數(shù)據(jù)總量是巨大的，但不同小系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量是不同的，需要根據(jù)需求來(lái)配置不同數(shù)量的插件。各個(gè)插件采集的數(shù)據(jù)都通過(guò)相同的接口由數(shù)據(jù)總線上送主處理器處，這就要求該數(shù)據(jù)總線具有高速、共享、可配置的特性。無(wú)論應(yīng)用于數(shù)字化變電站或是傳統(tǒng)變電站，數(shù)據(jù)總線上的智能插件都要求配置靈活，并具有可擴(kuò)展性。

數(shù)據(jù)總線由FPGA加上MLVDS的方式構(gòu)成：FPGA采用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX25T芯片，它集成了24051個(gè)邏輯單元， 936Kbits的RAM塊，以及38個(gè) DSP48A1單元，內(nèi)置1路PCI-E硬核;MLVDS芯片采用TI公司的SN65MLVD080芯片，可提供8路半雙工的250Mbit的物理通道[3]。

每個(gè)插件都配有FPGA和MLVDS芯片，F(xiàn)PGA進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼與解碼的工作，SN65MLVD080在總線板上組成的總線方式的物理通道，將主處理器與GOOSE、SV插件的數(shù)據(jù)相互傳輸。這樣的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)使得保護(hù)的適應(yīng)性增強(qiáng)，具有很高的冗余度。

1.4 軟硬件可靠性設(shè)計(jì)

可靠性在軟硬件2個(gè)方面都有考慮，確保裝置的正確運(yùn)行。軟件方面主要是對(duì)關(guān)鍵電路與核心器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括：開(kāi)入、開(kāi)出返讀，電源狀態(tài)監(jiān)視，A/D基準(zhǔn)判斷，內(nèi)存(RAM)與定制區(qū)(EEPROM)的正反碼CRC校驗(yàn)等。發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，都會(huì)立即閉鎖出口繼電器，發(fā)出告警信號(hào)，并生成事件記錄上送。

硬件方面從器件的選擇和回路的雙重化配置來(lái)保障可靠性：所有設(shè)計(jì)都采用工業(yè)級(jí)器件，并充分考慮降額應(yīng)用，降低其發(fā)熱和功耗，控制元器件的失效率，延長(zhǎng)其有效生命周期。采用雙電源、雙采樣等冗余設(shè)計(jì)，防止關(guān)鍵電路上的失效影響了整體運(yùn)行，雙CPU互為閉鎖出口回路減少了單一元器件失效而造成的誤動(dòng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

所有插件均為標(biāo)準(zhǔn)4U高度規(guī)格，采用背插式結(jié)構(gòu)通過(guò)總線板安裝在機(jī)箱中。根據(jù)數(shù)字化站或者常規(guī)站的不同配置可以選擇不同的機(jī)箱高度來(lái)配置更多的插件，如標(biāo)準(zhǔn)19英寸4U機(jī)箱或者8U機(jī)箱。無(wú)論是4U機(jī)箱還是8U機(jī)箱，電源插件、主CPU插件、顯示通訊插件都是標(biāo)準(zhǔn)配置，智能ADC插件、智能I/O插件、交流插件、SV/GOOSE插件都是根據(jù)功能需求選配。

裝置正面配置一塊5.7寸320×240點(diǎn)陣TFT液晶，輔以按鍵和點(diǎn)燈信號(hào)用來(lái)完成良好的人機(jī)交換界面。裝置的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主CPU插件設(shè)計(jì)

主CPU插件主要需要完成模擬量的采樣、計(jì)算，保護(hù)邏輯的判斷，開(kāi)入的讀取、出口控制，各種記錄保存等功能。在滿(mǎn)足這些功能的前提條件是穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了應(yīng)對(duì)難以預(yù)測(cè)的各種突發(fā)狀況，系統(tǒng)要具有冗余性。

主處理器P2020的雙核并行處理可以滿(mǎn)足這些需求，CPU的兩個(gè)內(nèi)核獨(dú)立運(yùn)行，又相互監(jiān)視，起到雙重閉鎖的功能，保證系統(tǒng)的可靠性。

在功能劃分上，core0負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算與記錄保存，core1負(fù)責(zé)與外部通訊、傳輸數(shù)據(jù)與開(kāi)關(guān)量接口工作，包括FPGA、千兆以太網(wǎng)、串行接口等。

P2020是一款高性能帶有雙精度浮點(diǎn)計(jì)算能力的處理器，特別適合保護(hù)邏輯計(jì)算;豐富的外設(shè)接口可以與多種設(shè)備高速連接，可以滿(mǎn)足大容量數(shù)據(jù)吞吐。

除了處理器自帶的cache和sram，板上還為CPU外擴(kuò)了1GB DDR2和128MB NORFLASH，這些大容量?jī)?nèi)存保證了有足夠的數(shù)據(jù)空間和代碼空間提供給智能微網(wǎng)保護(hù);另外還預(yù)留有NAND FLASH與SPI FLASH的擴(kuò)展位置，便于保存錄波數(shù)據(jù)與整定定值。

在本系統(tǒng)中P2020用到的高速接口有3路千兆以太網(wǎng)口和1路PCI-E接口，其中PCI-E接口用于與FPGA自帶的PCI-E接口相連，*高速度2.5Gb/s，可以滿(mǎn)足數(shù)字化站下的數(shù)據(jù)流量需求。

為了提高板間數(shù)據(jù)交換速率，同時(shí)兼顧適應(yīng)性和兼容性，使用到了MLVDS通訊技術(shù)。MLVDS總線是專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于背板或多點(diǎn)電纜的LVDS技術(shù)的一個(gè)新系列，繼承了LVDS低壓差分的信號(hào)特性，通過(guò)更改輸出幅度和輸出數(shù)據(jù)的壓擺率，減小了電磁干擾帶來(lái)的問(wèn)題。

2片MLVDS芯片多達(dá)16路通道，其中每一路MLVDS都可以達(dá)到125Mb/s，組成的數(shù)據(jù)總線*大支持2Gb/s的數(shù)據(jù)流量。每路通道都可以獨(dú)立控制收發(fā)方向，根據(jù)邏輯劃分可定義為控制總線、數(shù)據(jù)總線、校時(shí)總線等不同功能。

FPGA使用自身的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)并提供給MLVDS芯片，在內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線與異步FIFO相連接，數(shù)據(jù)寬度與傳輸速度都可以根據(jù)需求更改定義。

Xilinx® Spartan-6LXT FPGA中內(nèi)置PCI Express端點(diǎn)模塊，兼容PCIExpress® 1.1標(biāo)準(zhǔn)，是針對(duì)低功耗、低成本高速互連實(shí)現(xiàn)PCI Express 的兼容系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所有收發(fā)數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部整合后打包，經(jīng)PCI-E通道由DMA直接傳輸給主處理器P2020，無(wú)需應(yīng)用程序的控制與干涉，極大提升了運(yùn)行效率與速度。

2.3 顯示通訊插件設(shè)計(jì)

顯示通訊插件主要完**機(jī)界面、打印以及與站控層通訊等功能。內(nèi)部的處理器MPC8321是一顆經(jīng)濟(jì)高效的網(wǎng)絡(luò)通信處理器，包含一個(gè)e300c2內(nèi)核，它包括一個(gè)16KB的L1指令、數(shù)據(jù)緩存和片上內(nèi)存管理單元 (MMU)。增強(qiáng)的特性允許并行執(zhí)行更有效的操作，從而顯著提高了性能。

顯示通訊插件提供了按鍵與液晶的接口，同樣也有MLVDS總線接口從主CPU插件獲得數(shù)據(jù);對(duì)外提供了3路百兆以太網(wǎng)口用于和監(jiān)控后臺(tái)、保護(hù)工程師站通訊，一路RS484的校時(shí)口，一路RS232的打印口和一路RS232調(diào)試口。

2.4 智能插件設(shè)計(jì)

智能插件包括數(shù)字化的SV/GOOSE插件與傳統(tǒng)I/O、ADC插件，各種插件的軟硬件接口都保持統(tǒng)一，有極強(qiáng)的擴(kuò)展性與適應(yīng)性，而且支持帶電拔插，方便檢修工作的進(jìn)行。數(shù)字化的SV/GOOSE插件使用FPGA作為主控芯片，對(duì)上與MLVDS總線連接，對(duì)下生成多個(gè)百兆以太網(wǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)光口或者網(wǎng)口與外部通信。FPGA的同步處理能力可以保證所有報(bào)文都能立即被響應(yīng)，配合IEEE1588打下時(shí)標(biāo)完成**記錄報(bào)文收發(fā)時(shí)刻，百兆以太網(wǎng)的數(shù)量也可以靈活配置，緩存根據(jù)需求變更大小。

智能ADC插件采用在電力行業(yè)成熟應(yīng)用的16位采集芯片AD7606，所有通道都做到同步采樣，片內(nèi)集成二階濾波器、采樣保持放大電路、輸入鉗位保護(hù)等功能。在FPGA的控制下，采樣速率可被設(shè)置為一個(gè)可變值，*高達(dá)到200Kbps的采樣率。

智能I/O插件可以采集DC220/DC110的開(kāi)入量，完成信號(hào)出口和跳閘出口的功能。開(kāi)入開(kāi)出量保存在FPGA固定的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)，其中開(kāi)入量的每個(gè)變位都有**到微妙的記錄，隨時(shí)可以上送到主控制器;開(kāi)出量的數(shù)據(jù)報(bào)文需要經(jīng)過(guò)奇偶校驗(yàn)，在硬件上受到單獨(dú)的出口電源控制，雙重閉鎖保證了**性。

3 軟件邏輯

3.1 面向?qū)ο筌浖脚_(tái)

為保證程序系統(tǒng)化以及可延續(xù)性，且為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供**、靈活、一致的編程接口，建立了基于多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks，采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方式的適用各種開(kāi)發(fā)環(huán)境、具有長(zhǎng)生命周期的軟件平臺(tái)。該平臺(tái)可以大大縮短應(yīng)用開(kāi)發(fā)周期，支持電力行業(yè)各種標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，如IEC103、IEC104、IEC61850等等。

軟件平臺(tái)的基本元素稱(chēng)為元件，在面向?qū)ο笏枷胫校菍?shù)據(jù)以及定義在數(shù)據(jù)上的操作封裝在一起的過(guò)程，同樣也可以擴(kuò)展為一個(gè)個(gè)智能化插件，將同類(lèi)的應(yīng)用程序以元件的形式進(jìn)行封裝，可以提高代碼的可維護(hù)性和可重用性。

軟件平臺(tái)的組成有：各個(gè)插件上的系統(tǒng)程序、底層的驅(qū)動(dòng)程序、智能插件上的功能程序和后臺(tái)配置工具軟件等。系統(tǒng)程序包括定值調(diào)用與存儲(chǔ)功能模塊、事件記錄與錄波功能模塊、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與自檢功能模塊、定時(shí)器控制功能模塊等;驅(qū)動(dòng)程序包括操作系統(tǒng)接口功能模塊、插件識(shí)別與注冊(cè)功能模塊、各種硬件控制功能模塊等;智能插件功能程序包括開(kāi)入開(kāi)出邏輯控制、參數(shù)管理功能模塊、報(bào)文收發(fā)與拼接功能模塊等;后臺(tái)配置工具包括文件、程序的上傳下載功能模塊、定值參數(shù)的調(diào)取與修改功能模塊、記錄和波形的查看和分析功能模塊等。

3.2 MLVDS總線邏輯設(shè)計(jì)

裝置上電時(shí)主處理器讀取配置文件，得到智能插件數(shù)量與類(lèi)型，其中插件數(shù)量根據(jù)工程不同可靈活增減，用配置工具進(jìn)行注冊(cè)。受到總線板插槽數(shù)量限制，插件數(shù)量*大為16塊，一致的軟硬件接口可根據(jù)工程需求配置不同的插件。MLVDS總線結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MLVDS總線結(jié)構(gòu)圖

MLVDS總線分為控制總線與數(shù)據(jù)總線?？刂瓶偩€用于調(diào)配輪詢(xún)插件，由主處理器插件上的FPGA產(chǎn)生定時(shí)中斷，根據(jù)不同插件的數(shù)據(jù)量分配不同的時(shí)間，再召喚該插件數(shù)據(jù)。插件在輪到自己發(fā)送時(shí)才可以發(fā)送，如果有內(nèi)容則發(fā)送信息，如果無(wú)內(nèi)容則發(fā)送空幀;在其它插件發(fā)送時(shí)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)是發(fā)給自己的開(kāi)啟接收邏輯，否則不予理會(huì)。總線控制邏輯可以保證所有插件受到主機(jī)調(diào)配，相互間不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)或沖突的情況。

4 結(jié)論

基于集中式保護(hù)方式研發(fā)的智能微網(wǎng)保護(hù)裝置目前已通過(guò)了型式試驗(yàn)和動(dòng)模試驗(yàn)的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)表明了該裝置的保護(hù)功能以及各項(xiàng)軟硬件指標(biāo)均滿(mǎn)足或高于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快速、應(yīng)用場(chǎng)合廣泛等特點(diǎn)。

本文提出的智能微網(wǎng)保護(hù)裝置的新平臺(tái)技術(shù)方案，可廣泛應(yīng)用于不同的小系統(tǒng)，具有實(shí)際操作性。該平臺(tái)軟硬件資源豐富，保護(hù)功能強(qiáng)大，配置可隨需求裁剪，可靠性極高，可以滿(mǎn)足微網(wǎng)保護(hù)裝置的各種功能需求，具有良好的應(yīng)用前景。