基于ARM架構的就地化保護裝置研究和應用

張文，陳強林，徐東坡，李海瑤

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

基于ARM架構的就地化保護裝置研究和應用

張文，陳強林，徐東坡，李海瑤

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

智能變電站就地化試點建設要求規范裝置對外接口，通過一體化設計，將多個板卡的功能集成到單個芯片，實現繼電保護裝置的小型化，這就對處理器的運行速度、數據處理能力和功耗提出了更高的要求。而基于ARM架構的處理器芯片，功耗低、運行速度快，能夠滿足就地化相關裝置的設計要求。介紹了基于ARM芯片實現就地化繼電保護裝置的設計及應用，描述了面向IEC 61850的對象建模方式，開發了1套仿真測試系統，對就地化裝置的相關功能和性能進行了測試驗證。

智能變電站；就地化；ARM；測試系統

0 引言

隨著電力系統的發展，對二次設備通信數據的處理能力要求越來越高，采用單一芯片作為主處理器的繼電保護裝置已經無法滿足當前需求。因此就地化裝置采用ARM+FPGA協同工作模式進行設計，ARM芯片雙核主頻為800 MHz，FPGA負責GOOSE和SV等前端數據的并行處理。

本文以1種處理器為例，介紹基于ARM的就地化保護裝置設計方法及其功能實現。對比智能變電站建設過程中暴露的問題[1-4]，采用就地化設計的繼電保護二次設備有如下特點。

(1)回路簡單，接口形式統一。規范化的對外接口，采用航空插頭的方式簡化運維檢修，減少調試及檢修復雜性，降低誤碰、誤接線可能性。

(2)配置簡單。簡化智能變電站配置，實現了少配置甚至免配置。減少間隔保護虛回路設計，簡化全站配置(SCD)及管控難度。

(3)檢修維護方便。采用工廠化調試、更換式檢修，能夠減少停電時間，提升工作質量和效率。

1 硬件設計

繼電保護裝置小型化，使用的處理器由單核芯片更換為雙核+FPGA協作，最主要的技術難點是硬件回路的修改和保護程序的移植及協同運行的可靠性。裝置整體設計框圖如圖1所示。對于電力系統的繼電保護裝置，保護程序和原理基本沒有變化，重點是保證處理器更換后繼電保護裝置的穩定性。首先，對CPU、FPGA控制、RAM和FLASH存儲等硬件進行重新設計，其他部分根據功能需要進行調整。其次，對于裝置的boot引導程序，根據功能需要進行必要的初始化設置。最后，使用原有的成熟操作系統，可以充分利用嵌入式操作系統的可移植性對程序進行移植，從而保證程序的完整性和穩定性。

圖1 設計框圖

根據整體框圖的設計，該裝置繼承了繼電保護裝置的所有功能，包括模擬量A/D 轉換、網口擴展、保護算法運算和邏輯判斷以及與裝置外部的通信等功能，當需要更多功能時，可以根據需要通過擴展口對開入、開出、以太網等功能進行擴展。

2 BootLoader引導

在完成硬件檢測和資源分配后，將FLASH中的引導程序讀到系統的RAM中，然后將控制權交給引導程序。BootLoader的主要任務就是將內核映象從FLASH上讀到RAM中，然后跳轉到內核的入口點運行，從而開始啟動嵌入式操作系統。

在進行開發時，分兩級進行引導，一級引導程序主要用于初始化目標板硬件，二級引導程序主要用于引導用戶應用程序。

2.1 一級引導的移植

進行一級引導程序U-Boot.bin開發時，一般采用移植的方式。建立編譯環境，設置環境變量，根據所選硬件的特點進行必要的修改，如主處理器的主頻率、FPGA、FLASH、時鐘和以太網等的初始參數。設置完成后即可進行編譯和調試。

2.2 二級引導的設計

二級引導程序主要完成以下任務。

(1)引導加載程序。包括固化在固件中的boot代碼和引導2大部分。

(2)初始化操作系統內核。主要設置特定于嵌入式板子的定制內核以及內核的啟動參數。

(3)文件系統管理。包括根文件系統和建立于Flash 內存設備之上文件系統。

(4)引導用戶應用程序。

二級引導程序設計時，需要修改的是嵌入式操作系統中板級初始化函數INT_Initialize，其主要通過匯編語言編寫實現。INT_Initialize在嵌入式操作系統中最先運行，在該函數中設置處理器參數、中斷向量表、全局的C數據元素、變量和系統堆棧指針等，完成板級初始化。

板級初始化完成后，控制轉移到操作系統初始化子程序INC.Initialize，INC.Initialize調用用戶提供的初始化子程序，從而完成應用程序的引導。

3 程序設計

保護應用程序設計時，采用平臺化開發，充分利用嵌入式操作系統的可移植性，將平臺程序移植到處理器中，盡量減少對應用程序的影響，從而加快裝置的開發周期，保證裝置相關功能的完整性和穩定性。

3.1 應用程序的初始化

二級引導程序正常引導操作系統啟動后，完成所有應用程序的初始化，包括任務、隊列、信號量、事件集、內存和其他嵌入式操作系統對象等。這些初始化均在Application_Initialize中實現。如函數初始化用例Application_Initialize()：

INT Application_IniApplication( VOID )

{

Input_Initialize()；

Output_Initialize()；

ChangeTaskTimeSlice(HB_PRO,HB_TASK_TIME；

Return；

}

根據Application_IniApplication函數中創建的應用函數，即可添加響應的應用程序及相關保護邏輯，從而實現保護裝置的各種任務。

3.2 面向IEC 61850的對象建模

在保護應用程序的開發體系中，均是采用模塊化開發，裝置底層初始化成功后，進行正確應用程序設計和建模，即可實現繼電保護裝置所需的功能。

保護裝置建模是面向IEC 61850標準進行對象建模。模塊程序主要包括底層程序模塊、保護程序模塊、通信程序模塊和人機接口程序模塊。底層程序模塊主要負責處理裝置的初始化及裝置的異常自檢；保護程序模塊主要實現繼電保護裝置所需的各種保護功能；通信程序主要實現保護裝置與后臺之間、裝置與裝置之間、裝置與PC之間的通信和信息交互，同時滿足IEC 61850標準的要求；人機接口程序主要實現液晶顯示、按鍵操作等人機交互功能。

3.2.1 數據建模

面向IEC 61850標準進行對象建模時，創建公用的數據屬性表，包括：裝置公用、保護定值、軟壓板、遙信、動作報告、檢修壓板、遙測、遙控等。如軟壓板狀態表的數據模型為：

typedef struct SJUMP_STRUCT

{

UNSIGNED pro_id;

UNSIGNED inf;

RCHAR name[21];

RCHAR alias[9];

INT iType;

CHAR DO_NAME[65];

INT subEna;

INT subVal;

UNSIGNED subQ;

CHAR subID[65];

UNSIGNED q;

UNSIGNED t_sec;

UNSIGNED t_frac;

UNSIGNED t_qflag;

INT value;

};

數據屬性表中包含有IEC 61850標準需要的所有信息，然后根據數據屬性表生成所需要的數據集。

3.2.2 LN邏輯節點建模

根據每種保護裝置的功能需求，創建滿足國網標準的LN邏輯節點，如裝置參數數據集名稱為dsParameter，裝置定值數據集名稱為dsSetting，常規交流測量使用MMXU實例，單相測量使用MMXN實例，告警信號用GGIO的Alm上送，普通遙信信號用GGIO的Ind上送等。

故障錄波和故障報告模型主要是通過各個功能模塊的配合實現，首先由保護程序模塊創建所需的保護模型，設定故障錄波和故障報告類型，然后人機接口程序根據保護動作后的故障量和動作報告信息，生成符合國網IEC 61850標準要求的COM-TRADE文件，同時COMTRADE文件中包含以hdr，cfg和dat為后綴的文件。

3.2.3 菜單建模

就地化保護裝置相應的菜單功能通過IEC 61850方式(建模、通信服務)實現，通過智能管理單元對裝置進行監視和控制。通過創建MGR模型對菜單的顯示和操作進行建模，該模型下集成了原有液晶顯示的所有信息和廠家調試信息，按照標準的MMS服務協議與智能管理單元進行通信。

4 測試系統

就地化裝置研發測試過程中，主要通過結合不同應用測試各個功能模塊的正確性。通過開發該測試系統，對不同的工程應用進行了抽象和建模，針對軟件和硬件提供的功能及邊界進行量化測試，如長時間運行工況模擬、事件記錄的壓力測試、內部異常處理和任務調度管理等，從而滿足實際工程應用中的各種需求。

嵌入式平臺測試系統是結合實際的軟硬件平臺及早期自動測試的研究成果，針對內部通信特點，定制測試用例驅動，從而驗證基于ARM架構研發的就地化裝置的功能、性能和可靠性，系統結構如圖2所示。

圖2 測試系統架構

4.1 仿真管理單元

仿真管理單元包括數據仿真測試儀的控制、測試用例的生成和測試結果的生成與查詢等[5-10]。同時還能仿真智能變電站IEC 61850規約客戶端與嵌入式平臺裝置進行基于IEC 61850標準的MMS通信，對上行和下行命令進行交互和判別。

4.2 仿真虛擬機

仿真虛擬機自主設計和開發，用于模擬嵌入式平臺內部各個模塊和板卡之間專用通信協議，如內存讀寫、數據表通信命令等，提供測試需要的模擬數字量或模擬量。

4.3 功放及I/O接口

按照標準化設計，能夠適應不同類型的就地化裝置，通過航空插頭直接接入。接口類型豐富，能夠實現不同數據之間的相互轉換。

5 結束語

本文介紹了基于ARM的就地化保護裝置設計及其特點，同時對面向IEC 61850的對象建模進行了描述。其技術設計開發思想和方法對同類系統或類似相關產品的設計開發和測試提供了有益的借鑒。

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(本文責編：劉炳鋒)

2017-05-22；

2017-07-26

TP 399

A

1674-1951(2017)08-0010-03

張文(1984—)，男，安徽阜陽人，工程師，主要從事繼電保護及自動化產品的研發測試工作(E-mail:electricwen@163.com)。