多CPU內部通信測試技術研究及應用

韓 悅，張 文，馬全霞，李娟娟，信亞磊

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

在電力系統變電站自動化技術領域，多CPU協同控制技術已經得到了廣泛的應用，為了保證數據通信的實時性和可靠性，各CPU之間主要通過以太網進行通信。同時以太網通訊技術廣泛應用于現代社會生產生活的各個環節，通過專用網絡設備配合交換機、路由器等能夠對外部通信接口的各種正常和異常數據進行全面的測試和驗證。繼電保護裝置調試口和應用網口分離，硬件回路、協議棧在設計上實現分離，提供給應用的有站控層接口和過程層接口，滿足站控層網絡和過程層網絡的冗余要求。其中裝置調試口既是管理CPU的調試口，也可以通過該調試口實現對各個CPU板卡的訪問需求，板卡之間的網卡點對點連接。在各種工程應用中，由于運行環境復雜、內部通信數據通過總線直連，對內部數據驗收不充分，實際運行中就會出現各類小概率事件，無法有效的進行問題分析和排查，關鍵的保護裝置在內部數據處理錯誤時，可能會導致死機、響應能力變差等功能異常，給電網的運行安全帶來隱患。

對于多CPU內部通信測試，本文針對繼電保護裝置的內部CPU之間的數據通信，開發了一種真實高效的測試方法，設置專用內部檢測模塊，加載在各CPU程序運行模塊中，該檢測模塊能夠在不影響各CPU其他功能的情況下，對實際工程應用的各種正常和異常數據處理能力進行充分驗證，不會對正常運行的其他數據造成任何干擾，可以保證繼電保護裝置在各種運行環境下數據交互的可靠性，提高設備抗干擾和異常處理性能。

1 檢測模塊的工作原理及功能

1.1 嵌入式平臺架構

智能變電站保護裝置通常采用分層、模塊化的嵌入式平臺架構設計原則，主要分為硬件、軟件平臺和應用三層。硬件層有處理器、通信接口等通用模塊組成，能根據不同需求進行配置；軟件平臺模塊有硬件驅動、嵌入式操作系統、功能塊庫等組成；其中功能塊庫為應用程序提供人機接口、通信類等功能塊，為開發人員調用；應用層是一個圖形化的應用開發環境，提供設置、編譯和在線調試等所需功能。

1.2 檢測模塊的工作原理

結合實際的嵌入式平臺架構并針對智能變電站繼電保護裝置內部通信特點，設計了一個檢測模塊，嵌入到軟件平臺內部，通過它可以在不同的互聯CPU板卡之間實現實時網絡報文交換。

檢測模塊抽象、隱藏了各種板卡以及鏈路鏈接端口的多樣性，應用程序僅需知道通訊對端的CPU板卡ID，以及建立通訊的報文類型，就可以和目標板卡對應報文類型的應用程序建立點對點通訊，不用關心板子間的鏈路層、物理層等底層實現以及聯網關系。

檢測模塊通訊服務承載于以太網鏈路層之上，和TCP/IP通訊共享以太網接口，通過使用不同的以太網報文類型來實現數據分流，和TCP/IP之間互不影響，沒有耦合。TCP/IP主要是用于板子和外部進行通訊，如和各種后臺、各種調試工具之間的通訊等。檢測模塊是設計在程序內部的私有通訊服務模塊，TCP/IP協議棧各種運行狀態，對裝置內部基于檢測模塊之上的通訊不會產生任何影響，如圖1所示。

圖1 以太網通訊數據流示意圖

在檢測模塊內部設計一個ID表，類似于交換機內部的MAC表，用于記錄不同ID的板卡所在的通訊接口，該表是在系統初始化時創建的，工作機制和交換機的MAC表相同。

通訊報文類型為16位數，類似于TCP/IP中的端口，CPU之間的應用程序如果需要進行通訊，需指定相同的報文類型，即兩端的程序必須在相同的端口號上收發數據。發送報文可以指定優先級，優先級定義為0～3，其中優先級0最低。優先級高的報文會被優先發送、轉發和處理；優先級高會搶占優先級低的報文的處理流程，從而保證實時性高的報文的通訊需求。

檢測模塊設置TTL參數，根據需求缺省值設置為4，報文被轉發一次，其生成周期會減1，變為0時如果還沒有到達目標板卡，報文會被丟棄，從而避免了風暴是回環報文的形成。

檢測模塊內部傳輸層報文頭記錄目標板卡ID、源板卡ID、TTL、報文類型、報文優先級等信息。鏈路層頭部記錄目的MAC地址、源MAC地址等信息。檢測模塊報文結構如圖2所示。

圖2 檢測模塊報文結構示意圖

多CPU板卡內部通信均是通過背板直連，CPU間的內部交互通過專用數據表進行交互，通過調試工具對測試狀態進行控制和設置。設置在CPU內部的專用檢測模塊能夠根據不同應用下的數據結構，自動識別內存數據區，從而按照測試需要對各CPU的通信交互數據進行修改，不會對正常運行的其他數據造成任何干擾。

CPU專用檢測模塊由調試工具進行使能，能夠重新初始化各種內部數據以及網絡接口，網絡連接方式等，每個CPU檢測模塊對收發到的數據進行拷貝，然后根據調試工具預設后的數據進行替換，最后傳遞給調用接口進行發送。如圖3為一個管理CPU、兩個應用CPU的典型應用結構。

圖3 各CPU內部通信圖

各CPU通過管理CPU進行統一控制，通過對外通信接口與PC端專用調試工具進行連接，測試時通過專用調試工具對各CPU內部通信數據進行修改和驗證。專用調試工具通過加載檢測模塊對應程序獲取內部CPU號識別板卡信息，根據起始函數和全局數據表識別具體數據字段。每個CPU具備唯一的ID，每個管理CPU最多可以管理8個應用CPU板。每個應用CPU板可以處理32種報文類型，發送報文時可以指定其優先級，兩個板卡之間通過訂閱的報文類型和通信端口進行數據收發。

1.3 檢測模塊接口設計

檢測模塊由軟件平臺負責初始化，相關接口不開放給應用層，應用層看到的是一個已經可用的通訊系統。該模塊提供了兩組應用層可用的API(Application Programming Interface)接口，分為基于回調模式的接口和基于句柄模式的接口，兩者接收報文的機制不同。

基于回調模式的API。當本地收到報文后，對于已注冊處理函數的報文類型，其處理函數會被直接調用，這樣做的優點就是能以最快的速度完成報文的接收處理，適合對實時性有很高要求報文處理。

基于句柄模式的API。該模式的API基于回調模式的API工作，每創建一個句柄會添加一個對應類型報文處理函數回調接口，收到報文時回調接口把報文取出放到句柄對應的報文緩沖區中，然后應用程序可以從緩沖區把數據取走。

兩種通訊模式的選擇。基于回調模式處理的報文主要用于實時性能要求比較高的場合。回調函數要求要有盡量少的處理時間，否則會影響相同優先級后續報文的處理。由于目前采用的CPU一般已經比較強勁，這個過程幾乎可以忽略不計，報文處理的實時性主要取決于調用這些接口的任務優先級以及報文創建時的指定的報文優先級，基于句柄的報文傳輸基本上能夠滿足大部分環境實時報文交互的需求。這種工作模式由于每個創建的句柄都有獨立的緩沖區，所以相同優先級的報文不會相互影響。

1.4 檢測模塊的功能

檢測模塊對CPU間的應用數據進行控制，模擬各種應用工況下各CPU對數據處理的正確性。正常情況下測試各CPU間的心跳報文、突發機制、狀態數據和非狀態數據等，異常情況下測試數據風暴、寫字段被誤改、連接狀態不穩定等。在正常測試時，各CPU應能正確處理交互信息并進行存儲應用，在異常測試時，各CPU應能對異常數據進行正確識別，不影響正常通信數據，同時不出現誤發信號或誤存儲的情況。

2 多CPU通信機制及數據交互流程

2.1 通信數據類型及通信方式

為了保證數據處理的快速和高效，多CPU通信數據僅設置了兩種類型，一種為狀態量，一種為非狀態量，兩者的通信上送方式不同，狀態量數據需要在變化時突發，非狀態量數據為定時發送。狀態量數據變位時連發3次，間隔2 ms，正常時的心跳報文間隔為5 s，非狀態量數據的發送間隔根據實際應用情況進行控制。

雙CPU交互狀態量通過數據表進行交互。在無變化時，檢測模塊定時(5 s)發送數據把要發送的狀態量狀態刷新到數據表，發送接口檢測到數據表變化時突發3次數據；檢測模塊接收到另一塊CPU發送的數據后，把數據刷新到數據表，后續保護裝置的應用在數據表獲取數據。

雙CPU交互非狀態量數據功能由檢測模塊通過兩個元件完成，一個元件為數據發送元件，一個元件為數據接收元件。數據發送元件定時發送數據給另一塊CPU，時間間隔通過元件的屬性進行設置，屬性為空，則認為間隔為0；數據接收元件連續獲取另一塊CPU的數據，刷新到數據表。

通信異常判斷是通過元件接收數據量進行判別，CPU在接收元件連續10 s未收到對端CPU的數據且無心跳報文時，置通信異常標志，收到報文后立即返回。

2.2 多CPU內部通信的數據處理特征

多CPU內部通信的數據處理，存在兩個特征，一是在交互數據方面，內部通信數據僅在各板卡間進行交互，外部不可見；二是在空間和安全方面，各CPU通過背板直連，僅對通信數據內存進行安全高效處理，不會對CPU的其他功能和性能造成影響。

根據這兩個特征，專用檢測模塊通過全局數據結構自動識別通信數據所屬內存，對內存中所有通信數據進行實時控制和修改，從而按照測試需要對各CPU的通信交互數據的每個字段進行測試驗證。

在實際應用過程中，理論上存在裝置收到干擾后，數據被干擾導致誤改或數據丟失的情況，所以需要對內部通信數據的每個字段進行正常和異常測試，保證在內部通信出現異常時，不影響保護裝置的其他功能。

2.3 內部數據的收發流程

內部數據的收發測試是在發送CPU加載檢測模塊后，通過內部通信數據的結構體進行內存的自動解析和識別，確定每個數據字段定位對應的內存地址。

查看當前內存中的數據內容，同時記錄修改前后的3組數據進行緩存，能夠完成記錄單次內存修改的數據。根據測試數據類型是否為狀態量，狀態量需要突發時按照2 ms間隔連續發送3幀測試數據，若為非開關量則按照設定的周期要求進行發送。接收CPU收到內部數據后，根據應用程序設定要求進行判別是否為需要的應用數據。當判定接收數據為需要的接收數據時，開始按照內部協議進行數據解析，同時將收到的數據刷新到應用數據表，接收CPU總接收數據統計進行累加。如果經過數據判別，數據類型或格式與需要的數據不一致，則丟棄該通信數據，錯誤統計累加，同時總接收幀數累加。如果接收到的數據為周期發送數據初步判別后屬于需要數據時，總接收幀數累加，同時更新接收數據表中的數據。內部數據收發流程圖如圖4所示。

圖4 內部數據收發流程圖

3 多CPU通信驗證結果及分析

以智能變電站線路保護裝置為例，使用專用調試工具對雙CPU內部通信狀況、通信數據、通信中斷閉鎖及雙CPU之間的通信機制進行測試。檢查CPU之間的通信狀況是否正常、通信數據是否正確、CPU異常導致發送中斷后，是否會導致保護誤動及CPU之間的通信機制是否符合設計。

3.1 通信狀態測試

檢查雙CPU之間的通信機制是否符合設計及通信狀況是否正常。通過調試變量檢查發送端發送計數與接收端接收計數是否一致，采用增量判斷，統計10分鐘內發送計數的增量與接收計數的增量差不超過1%。

首先使用專用調試工具同時連接CPU1和CPU2的平臺程序，輸入變量CExchange，該變量下面的RxdMsgCount為接收報文統計數據，TxdMsgCount為發送報文統計數據如圖5所示。

圖5 CPU變量收發數據

分別記錄CPU1和CPU2當前的接收報文統計數據和發送報文統計數據；

10分鐘后再次統計CPU1和CPU2的接收報文統計數據和發送報文統計數據。

計算10分鐘內測試通信數據是否符合設計，查看10分鐘后CPU1的接收報文數據增加是否與CPU2在10分鐘內發送報文增加數據相等，CPU1在10分鐘的發送報文是否與CPU2在10分鐘內接收報文的增加數據相等。

將驗證數據計入表1中，并對記錄數據進行計算，10分鐘后CPU1的接收報文數據增加(7 575-6 975=600)，發送報文數據增加(7 557-6 958=599)。CPU2的接收報文數據增加(11 549-10 950=599)，發送報文數據增加(11 783-11 183=600)。從計算結果可以得出結論：CPU1在10分鐘內的接收報文數量等于CPU2在10分鐘內的發送報文數量；CPU1在10分鐘內的發送報文數量等于CPU2在10分鐘內接收報文數量，經過驗證可以看出雙CPU之間的通信機制符合設計要求，發送端發送計數與接收端接收計數增量差相同及通信狀況正常，滿足10分鐘內發送計數的增量與接收計數的增量差不超過1%的要求。若10分鐘內CPU1接收報文數據與發送報文數據與CPU2數據增量不同，則說明CPU1和CPU2通信狀態異常。

表1 10分鐘內CPU1和CPU2接收/發送數據

3.2 通信中斷閉鎖測試

檢查當單個CPU異常導致發送中斷后，是否會導致保護誤動，驗證該項目時可通過插拔CPU插件模擬單個CPU異常，驗證通信中斷閉鎖正確性。

測試步驟如下：投入差動保護硬壓板，差動保護軟壓板，差動保護控制字，變化量啟動電流定值0.1 A，差動動作電流定值0.2 A，通道自環。兩個CPU均正常運行，施加A相電流0.11 A，通過查看裝置差動保護是否動作，檢查裝置是否可正常跳閘出口，驗證通信中斷閉鎖功能正確性。

測試時，在保護CPU1與啟動CPU2通信中斷前后，分別模擬啟動CPU2異常(如拔掉該插件)，查看裝置差動保護動作情況及裝置是否跳閘出口；模擬保護CPU1異常，查看裝置差動保護動作情況及裝置跳閘出口是否異常。

拔掉CPU2插件，在CPU1報出CPU2通信中斷前，施加A相電流0.11 A，測試正確結果應為CPU1報差動保護動作，CPU2應不啟動跳閘，裝置不應跳閘出口。

拔掉CPU2，在CPU1報出CPU2通信通斷后，施加A相電流0.11 A，測試結果應為CPU1應報差動保護動作，測試正確結果應為CPU2不啟動跳閘，裝置不應跳閘出口。

拔掉CPU1，施加A相電流0.11 A，測試正確結果應為差動保護不動作，跳閘不出口。

若模擬以上測試項目的測試結果與上述結果不一致，則說明該裝置通信中斷閉鎖功能有問題。正確測試結果如表2所示。

表2 通信中斷閉鎖測試

3.3 通信數據測試

檢查CPU之間的通信數據是否正確，通過修改一個CPU的數據，檢查另外一個CPU對應的數據是否有效。下面以CPU1傳給CPU2數據和CPU2傳CPU1狀態為例驗證CPU之間數據通信正確性。

3.3.1 CPU1傳給CPU2數據內容測試

CPU1傳給CPU2數據主要用于CPU的啟動邏輯判斷，具體數據的內容如表3所示，CPU1傳給CPU2數據測試步驟為：

1)修改CPU1的CT一次額定值為2 500 A，CT二次額定值為1 A，PT一次額定值220 kV，施加三相正常電壓，1 A電流，查看CPU2的采樣值，同時查看CPU2的錄波文件中的采樣數據是否正確。

2)修改突變量啟動定值，施加電流突變量大于突變量啟動定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。施加電流突變量小于突變量啟動定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。

3)修改零序啟動定值，施加零序電流大于零序啟動定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。施加零序電流小于零序啟動定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。

4)修改振蕩閉鎖過流定值，施加三相正序電流大于振蕩閉鎖過流定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。施加三相正序電流小于振蕩閉鎖過流定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。

5)修改過電壓定值，施加相電壓大于過電壓定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。施加相電壓小于過電壓定值，同時施加故障，查看保護跳閘是否出口。

6)修改過壓保護動作時間定值，施加相電壓大于過電壓定值，時間大于過壓保護動作時間定值，查看裝置是否啟動；施加相電壓大于過電壓定值，時間小于過壓保護動作時間定值，查看裝置是否啟動。

7)投入過壓遠跳保護，差動保護有效，施加遠傳1開入，查看裝置是否收信啟動，遠傳是否出口。

8)投入過負荷、過負荷跳閘，施加相電流大于過負荷定值，查看裝置是否過負荷跳閘；施加相電流小于過負荷定值，查看裝置是否過負荷跳閘。

9)投入重合閘，三相或單相啟重合，單相跳位啟重合閘，三相跳位啟重合閘，采用跳位啟重合閘，查看裝置重合閘是否出口。

10)施加一相電流小于0.04 A，時間13 s，裝置報出CT斷線，查看裝置零序電流是否啟動。

由于以上測試項目數據較多，具體驗證結果可通過專用調試工具查看。在此不再詳述。

表3 CPU1傳給CPU2數據內容

3.3.2 CPU2傳給CPU1狀態數據測試

CPU2傳給CPU1的狀態數據主要用于觸發裝置自檢，如FLASH自檢出錯、開出擊穿、開入擊穿、開出斷線、保護程序校驗出錯、通信中斷等，此類功能對于裝置異常重要，其中部分功能在裝置運行中不易出現，驗證該項目時可利用專用裝置調試分析工具加載相應平臺程序，通過修改變量，模擬平臺自檢位發生改變來驗證CPU2傳給CPU1狀態數據的正確性以及裝置自檢功能正確性。模擬裝置FLASH自檢出錯、保護程序校驗出錯等自檢功能后，如圖6所示，查看裝置是否彈出裝置故障報告，后臺是否有裝置故障報文，自檢報文，運行是否燈滅。當裝置出現自檢出錯時，說明裝置裝置已經有故障，裝置運行燈應熄滅，相關自檢出錯報文在裝置界面彈出，并將自檢出錯報文上送后臺。

圖6 CPU2傳給CPU1狀態數據

4 結束語

多CPU協同工作是常見的應用模式，對多CPU內部通信管理、數據異常處理需要進行充分驗證，才能保證多CPU裝置或系統的穩定運行。本文設計的在CPU內部設置的專用檢測模塊，不依賴外部設備，不改變原有接線布局，測試方法簡單，可以模擬CPU間各類數據通信及對異常數據的處理，使用該專用檢測模塊能夠及早發現和解決智能變電站相關產品在可靠性和長時間運行下可能存在的問題，改進了測試方法，提高了測試效率，保證了智能變電站繼電保護裝置的運行可靠性，在許繼電氣股份有限公司智能變電站繼電保護產品的質量保障過程中發揮了重要作用。