DSI-5000系列微機保護裝置采用單CPU和多CPU方案實現IEC6180通訊協議的優缺點分析

作者/張玉豹、昝洪良，國網山東省電力公司德州供電公司

DSI-5000系列微機保護裝置采用單CPU和多CPU方案實現IEC6180通訊協議的優缺點分析

作者/張玉豹、昝洪良，國網山東省電力公司德州供電公司

DSI-5000系列微機保護裝置的應用是構建數字化變電站的基礎，要根據變電站整體要求進行設計。本文將對單CPU和多CPU的實現方案進行比較，分析利用單CPU和多CPU實現IEC6180協議的優缺點和具體實現過程，包括軟硬件平臺設計、模塊建模、中斷優先級設置和通信服務的實現。

微機保護裝置；CPU；通訊協議

前言

IEC6180是變電站通信網絡的標準協議體系，為變電站自動化系統的實現、各種智能設備IED的交互操作提供了無縫集成途徑。隨著相關研究的不斷深入，各試點工程提出了不同的實現方案，在硬件上要求CPU具有足夠快的處理速度，軟件也需要操作系統的支撐。CPU方案主要可分為單CPU方案和多CPU方案，各有各的優缺點，通過對兩者進行比較，可以為IEC6180通信協議實現的方案選擇提供參考。

1. DSI-5000系列微機保護裝置的單CPU和多CPU實現方案的優缺點比較

微機保護系統主要由高集成度單片機、電壓電流互感器、中間繼電器、開關電源模塊等基礎部分組成，適用于110kV發電廠和變電站，可以為系統電壓電流提供保護，并實現測控功能。隨著基于IEC6180通信協議數字化變電站建設研究的不斷深入，相關技術逐漸成熟，能夠實現對各廠商提供的智能設備IED進行無縫集成。該通信一些的硬件設備以工業以太網為基礎，軟件主要基于MMS協議集進行設計。在硬件上主要對CPU處理速度有較高要求，而且存儲器容量要足夠大。軟件平臺需要由操作系統提供支持，目前多數廠家采用2到3個CPU的設計方案，其中一個用于實現IEC6180通信功能，一個用于實現人機交互功能，另外一個則用于數據采集和系統保護。

多CPU方案應用較多時由于基于多CPU的系統各功能模塊可以獨立運行、互不干擾，能夠提升系統保護的可靠性，因此在市場上占據主流地位。而且IEC6180采用面向對線高的建模技術，提供了保護邏輯節點的建模模型，保護裝置的功能模塊均按照標準模型進行設計。采用多CPU方案，需要在實現各邏輯控制節點的基礎上，增加一個映像模型，通過兩CPU的數據通信實現數據傳輸功能。這回映像數據傳輸速率，而且會增加軟硬件設計的復雜性。但是GOOSE的數據傳輸速度要求是在事件發生4ms內完成信息發送。

針對于這一問題，擬采用單CPU設計方案進行解決。單CPU設計方案的優勢是軟硬件開銷低，事件響應速度快但其保護可靠性難以保證。而且單CPU的負荷率較高，對CPU性能提出了更高要求。經多方面綜合考慮，現采用飛思卡爾MCF5275單片機作為系統處理器，該CPU添加了增強行乘加運算單元、靜態存儲器、以及高速緩存，可以滿足保護設備的通信需要[1]。

2. DSI-5000系列微機保護裝置實現IEC6180通訊協議

■2.1 軟硬件平臺設計

DSI–5000系列微機保護裝置的軟硬件設計是其功能得以實現的基礎。硬件方面，CPU采用MCF5275,150MHZ主頻片上具有16K數據/指令，能夠滿足雙以太網通訊，實時時鐘、A/D轉換器應保證功能正常，開關量輸入為16路，開關量輸出為14路，光纖接口方面，應為RJ45或FX100，為便于進行觀察，采用清晰度達到240P的顯示器，并以LED燈作為指示器，該指示器設計時需具備基本的編程功能。軟件方面，采用C++作為基本語言，所有基本PLC可編程模塊以及其他可編程模塊、自動化模塊、節點均采用IEC61131標準設計。作為設備的核心模塊，自動化模塊、安全模塊等必須具備基本的編程功能，各個模塊之間需保證基本的功能性連接。設備還需具備錄波能力，包括錄波的長度、格式等可采用COMTRADE格式，并根據具體需要設定參數。操作系統方面，經測試以VXWORKS操作系統為宜。

■2.2 模塊建模

建模工作具體進行前，首先要明確標準，如前文所說，采用IEC61131所定義的標準對各模塊進行建設。其中的重點是PLC可編程模塊。CPicBase是各模塊的基本原型，具體建模時，可以在IEC61131標準下，尋找與CPicBase匹配的節點，以便進行調整。以延時過流保護為例，輸入端的功能是軟壓板、電壓閉鎖，方向閉鎖則通過分相閉鎖信號控制。由于節點是在IEC61131標準下尋找、與CPicBase匹配的，定時限、反時限以及特定曲線均與動作曲線要求相同而時間定值在定時限中會出現延時的狀況，作為時間常數，其在反時限中也具備時間常數的基本特點，因此特殊動作曲線中，時間定值沒有特別的意義。

此外，包括邏輯門編程模型以及其他邏輯節點、可編程模塊的建模工作也要在IEC61131標準下，盡量尋找與CPicBase匹配的節點，以實現對模塊功能的精準把控。

■2.3 中斷優先級設置

為了能夠提高繼電保護的可靠性以及效率，應該兼顧通訊設備的反應時間，做出合理的安排。任務優先以及分時調度的機制分為兩個部分：首先是優先等級的分配。內核的工作內容包括網絡任務、調試任務、調度任務、shell 100、用戶任務安排等。在VxWorks系統中，同一個任務可以同時安排多項任務，也就是說如果內核被占用了則用戶便無法使用了。但是，如果用戶的優先級別高于內核，則可能會造成任務隊列紊亂等現象，嚴重影響系統運行的穩定性。其次就是對DSI 5000系統的功能進行分類，具體可以分為通訊任務、人機接口任務、保護任務等。同時采用信號量的機制，在采樣定時中發放信號量，進而保障內核能夠快速響應。

另外，當CPU處于運行的狀態中，可以對其負荷率進行檢測。根據表1中的內容可以發現不同的工作狀態下，CPU的負荷具有明顯的差異。表1為CPU的實際負荷率。

表 1 CPU不同狀態的負荷率

■2.4 IEC6180通訊協議的實現

裝置系統在啟動讀取文件以后，會自動創建VMD，包括定值控制塊、GOOSE控制塊、緩存報告塊、日志、數據集、邏輯節點等內容，同時還會映射出VMD中的邏輯點與數據區。利用邏輯點的接口函數，應該按照數據的讀寫操作以及VMD的信息來實現，以此實現各項數據的交換以及信息的保護。

IEC6180通訊協議的實現主要是由ML850–Comm–Server來實現的。事實上，通訊服務可以分為事件觸發、定時觸發兩種機制，事件觸發就是根據監視的狀態為發出信號，而定時觸發的時間為1秒。對于不同的保護裝置需要使用與之相對的控制模型，具體可以分為四種，即提高安全性能的操作選擇、增強安全的直接控制、常規安全的操作選擇、常規安全直接控制。每一種控制與遙控的模型都是待機的狀態，并且能夠將相關的數據保護映射給MMS的讀寫操作中，并對相關的操作進行區別性的處理。當滿足基本保護裝置的基本要求以后，通信系統會自動將報告發送給內核處理器，進而實現通訊協議[2]。

3.結語

綜上所述，微機保護裝置的單CPU方案和多CPU方案各有各的優勢和不足，采用性能符合要求的CPU實現單CPU方案，可以滿足IEC61880通信協議要求，提升保護系統的響應速度。而且采用單CPU方案能夠有效降低通信過程中的軟硬件開銷，降低建設成本，提高數字變電站建設的經濟效益。

＊ [1]聶飛.基于FPGA的電力系統微機保護裝置的設計與研究[D].安徽理工大學,2016.