美蘭尼爾電子-基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)數(shù)字變電站可編程的IED

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作者：北京美蘭尼爾電子技術(shù)有限公司王海吉李春久劉海波魏樹立

來源：賽爾電力自動化總第71期

【文章轉(zhuǎn)載請注明出處】DSI-5000系列微機保護(hù)裝置是為滿足數(shù)字化變電站的整體要求而策劃設(shè)計的，采用通用的軟硬件平臺。本文主要介紹了平臺的軟硬件特點，比較了采用單CPU和多CPU方案實現(xiàn)IEC6180通訊協(xié)議的優(yōu)缺點，給出了可編程模塊的建模實例和實現(xiàn)方法。闡述了在VxWorks操作系統(tǒng)下任務(wù)優(yōu)先級、中斷優(yōu)先級的分配方法以及任務(wù)調(diào)度機制。介紹了IEC61850通訊規(guī)約的實現(xiàn)過程。1引言IEC制定的變電站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)體系IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮了變電站自動化系統(tǒng)的功能和要求，為不同廠商的智能設(shè)備IED實現(xiàn)互操作和系統(tǒng)無縫集成提供了有效的途徑。它采用分層分布式體系、面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，使得數(shù)據(jù)對象能夠自描述。目前基于IEC61850通訊協(xié)議建設(shè)數(shù)字化變電站的技術(shù)研究正在逐步深入，也上馬了許多試點工程，各家的實現(xiàn)方法和特點各異。IEC61850通訊協(xié)議硬件是基于工業(yè)以太網(wǎng)，軟件是基于TCP/IP的MMS（制造報文規(guī)范）協(xié)議集的通訊協(xié)議。硬件上要求CPU的處理速度更高、存儲器容量更大，軟件平臺也要有操作系統(tǒng)的支持。多數(shù)廠家的IED采用2至3個CPU結(jié)構(gòu)，一個CPU用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和保護(hù)功能，一個用來實現(xiàn)IEC61850的通訊功能，另一個實現(xiàn)人機界面。這樣做的優(yōu)點是功能獨立，通訊不影響保護(hù)，提高了保護(hù)的可靠性。在邏輯上相當(dāng)于在傳統(tǒng)的微機保護(hù)裝置上增加了一個規(guī)約轉(zhuǎn)換板，這樣做能夠加快廠家推出基于IEC61850通訊規(guī)約的保護(hù)裝置的速度，迅速在市場上占據(jù)一席之地。IEC61850除了通訊上能夠互聯(lián)實現(xiàn)互操作之外，更核心的思想是面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，并給出了各種常用保護(hù)和控制功能邏輯節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)建模模型（IEC61850-7-4）。所以實現(xiàn)61850通訊互聯(lián)只是第一步，只有保護(hù)和控制的各個功能模塊也是按照邏輯節(jié)點模型建立起來的才是真正的完全基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的微機保護(hù)裝置。如果采用多CPU方案，即使保護(hù)和控制功能是按邏輯節(jié)點建模實現(xiàn)的，在通訊CPU上也必需存在一個邏輯節(jié)點的映象模型，并要通過兩個CPU之間的數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，多采用雙端口RAM或串行總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這必然影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩裕瑫r增加了軟硬件的復(fù)雜性。GOOSE數(shù)據(jù)傳輸要求在事件發(fā)生后4ms的時間內(nèi)發(fā)送出去，可見對通訊快速性的要求是相當(dāng)高的。采用單個CPU結(jié)構(gòu)，避免了多CPU之間的通訊帶來的軟硬件開銷，降低了裝置成本，使得事件響應(yīng)的時間縮短了，提高了通訊響應(yīng)的快速性和可靠性。但所面臨的問題就是“保護(hù)的可靠性是否會受到通訊模塊的影響”、“CPU的負(fù)荷率是不是太高”等疑問。要想克服上述問題的困擾，需要相對較快的CPU、穩(wěn)定可靠的操作系統(tǒng)、合理的分配保護(hù)和通訊任務(wù)的優(yōu)先級、有效的內(nèi)存管理機制做保證。經(jīng)過對多款CPU的評估之后，選用了飛思卡爾MCF5275單片機。該芯片采用第二代ColdFire?V2內(nèi)核，可在166MHz的時鐘頻率下提供高達(dá)159MHz的處理能力（Dhrystone2。1），且低功耗。MCF5275較先前的器件增添了一些模塊：包括第二個10/100M以太網(wǎng)通訊控制模塊和硬件加密模塊，一個增強型乘加運算單元（eMAC），再加上64KB片內(nèi)靜態(tài)存儲器和用戶可定義的16KB片內(nèi)高速緩存，這些可以使系統(tǒng)性能大幅度提高而成本全面降低。MCF527x系列單片機在工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)安全加密設(shè)備、Internet網(wǎng)絡(luò)通話等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在決定采用VxWorks操作系統(tǒng)之前，做了廣泛的調(diào)研。和其他操作系統(tǒng)相比，VxWorks的健壯性、實時性、組件的豐富性無疑是最適合本項目的開發(fā)了，應(yīng)用實踐也證明了這一點。DSI-5000系列采用通用軟硬件平臺設(shè)計，是為了適應(yīng)半導(dǎo)體制造業(yè)和通訊技術(shù)的日益快速發(fā)展需要。使用VxWorks操作系統(tǒng)，基于柔性設(shè)計思想開發(fā)硬件、可編程組態(tài)程序模塊、通訊協(xié)議程序模塊，很好地協(xié)調(diào)了產(chǎn)品的高質(zhì)量、高靈活性、低成本之間的矛盾，易于實現(xiàn)向新平臺系統(tǒng)的移植和升級?；贗EC61850GOOSE協(xié)議可以實現(xiàn)的IED之間的快速數(shù)據(jù)交換，使得全站的防誤操作、備用電源自投、失靈保護(hù)等功能可以采用分布方式實現(xiàn)。2DSI5000系列通用軟硬件平臺的特點2。1硬件特點?CPU采用MCF5275，150MHz主頻，片上具有16K數(shù)據(jù)/指令cache、64Ksram，雙以太網(wǎng)、i2c、qspi、3×uart、USB2。0FULL-SPEEDDEVICE等通訊接口；?核心CPU板6層PCB布線，外擴(kuò)16MFLASH、32MDDR、2Mnvram、實時時鐘等；?16ch、14BIT、250KSPSA/D轉(zhuǎn)換器；?14路開關(guān)量輸出；?16路開關(guān)量輸入；?兩路100/100M以太網(wǎng)通訊接口，RJ45或FX100光纖接口可選；?兩路RS485通訊接口；?320×240高清晰度大屏幕藍(lán)屏液晶顯示器；?18路可編程顯示LED指示器；?6U1/319英寸前插式機箱結(jié)構(gòu)，交流插件也可后插。2。2軟件特點?采用C++和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法實現(xiàn)了IEC61131標(biāo)準(zhǔn)中所有基本PLC可編程模塊、保護(hù)可編程模塊和自動化控制功能模塊以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展邏輯節(jié)點類的設(shè)計；?保護(hù)和自動化功能模塊在開發(fā)和工程兩個級別上實現(xiàn)了可編程配置，開發(fā)和工程人員只需根據(jù)用戶的功能要求將各個標(biāo)準(zhǔn)模塊輸入輸出連接起來，新的裝置即可設(shè)計完成了；?COMTRADE錄波格式，錄波長度、內(nèi)容、啟動方式可配置；?采用VXWORKS操作系統(tǒng)；?全面實現(xiàn)IEC61850通訊協(xié)議。3可編程組態(tài)功能的實現(xiàn)方法和模塊建模采用可編程的方法實現(xiàn)保護(hù)功能，是保護(hù)軟件編程的最新技術(shù)，被ABB、西門子等廠家廣泛采用。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，將每一個模塊對象獨立封裝起來，易于實現(xiàn)軟件的維護(hù)、調(diào)試和封裝，提高了編程的可靠性。同時使得保護(hù)裝置的功能實現(xiàn)變成了在圖形組態(tài)輔助工具軟件上模塊之間的簡單連線。圖形組態(tài)工具軟件將設(shè)計員完成的連線圖，經(jīng)過編譯之后生成配置文件（M15xxx_dev。cfg），下載到裝置上。裝置上電時，解釋該配置文件，動態(tài)創(chuàng)建各個功能模塊并實現(xiàn)輸入輸出連接。根據(jù)執(zhí)行速度要求，操作系統(tǒng)分時掃描調(diào)用各模塊的執(zhí)行函數(shù)，從而實現(xiàn)了裝置的各種功能。圖1配置接線圖（2。jpg）3。1可編程模塊和邏輯節(jié)點類的建模方法可編程模塊實現(xiàn)了IEC61131所定義的所有標(biāo)準(zhǔn)PLC可編程模塊。定義了標(biāo)準(zhǔn)基類CPlcBase，所有模塊是由CPlcBase基類繼承而來，如邏輯門元件、算術(shù)運算元件等。所有實現(xiàn)保護(hù)和自動化功能的邏輯節(jié)點模塊盡量在IEC61850中找到匹配的邏輯節(jié)點模型，并在類定義中擴(kuò)充有組態(tài)特點的屬性和行為，將IEC61850的邏輯節(jié)點通訊建模、保護(hù)功能、組態(tài)功能有機的結(jié)合成一個模塊類整體，使得模塊具有面向不同功能的輸入輸出端口，這類模塊的繼承基類是CLNodeBase。在CLNodeBase基類中實現(xiàn)了IEC61850邏輯節(jié)點的定值管理、控制服務(wù)等虛函數(shù)。同時還針對61850的通用屬性項定義了大量的宏函數(shù)，輕松實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用。每一個模塊有一個屬性項Id（標(biāo)識號碼），模塊組態(tài)時由設(shè)計員分配給其一個在整個裝置中唯一的標(biāo)號，LNRef屬性則在邏輯節(jié)點的服務(wù)函數(shù)中用到。3。2可編程模塊建模實例：邏輯門（LogicGate）邏輯門模塊可以完成與、或、非、與非、或非、異或及同或的邏輯運算，非門僅支持一個輸入，其它運算最多允許12個輸入。表1邏輯門可編程模型Logic-Gate屬性名

類型

說明

M/O基類CPlcBase繼承屬性Id

INT32U

標(biāo)識號碼

Name[]

INT8

名稱

特有基本屬性Type

INT8U

邏輯類型AND、OR、NOT、NAND、NOR、XNOR、XOR

InputNum

INT8U

輸入量數(shù)量

M輸入信號InputA[]

INT32U

模擬量輸入

輸出信號m_Result

BOOLEAN

邏輯輸出

3。3邏輯節(jié)點建模實例：延時過流保護(hù)（PTOC）使能輸入端主要用于軟壓板、電壓閉鎖，分相閉鎖信號可用于方向閉鎖等。動作曲線枚舉類型定義與IEC61850的相關(guān)規(guī)定保持一致，包括定時限、反時限及特定曲線模式。時間定值在定時限中為延時定值，在反時限中為時間常數(shù)，特殊動作曲線中此定值無特定意義。表2PTOC可編程接口模型PTOC類屬性名

類型

說明

M/O基類CLNodeBase繼承屬性Id

INT32U

標(biāo)識號碼

Name[]

INT8

名稱

LNRef[]

INT8

描述

特有基本屬性InputNum

INT8U

輸入量數(shù)量

輸入信號InputA[]

INT32U

模擬量輸入

MBlock[]

BOOLEAN

分項閉鎖信號輸入

OEnable

BOOLEAN

使能輸入

M輸出信號Str

BOOLEAN

元件總啟動

Op

BOOLEAN

延時元件總動作

OpPh[]

BOOLEAN

元件動作

表3PTOC的通訊模型PTOC類屬性名

屬性

說明

TLNRef

邏輯節(jié)點名

數(shù)據(jù)公用邏輯節(jié)點信息（基類CLNodeBase成員）Mod

INC

模式

Beh

INS

性能

Health

INS

健康

NamPlt

LPL

銘牌

狀態(tài)信息Str

ACD

啟動

Op

ACT

動作

T定值TmACrv

CURVE

動作曲線類型

StrVal

ASG

啟動值

OpDlTmms

ING

動作延時時間

數(shù)據(jù)集Op

ST

保護(hù)動作數(shù)據(jù)集成員

緩存報告控制塊BRCBOp

ST

動作

日志報告控制塊LCBOp

ST

日志數(shù)據(jù)集成員

定制控制塊SGCBTmACrv

SGSE

SGCB數(shù)據(jù)集成員

StrVal

SGSE

SGCB數(shù)據(jù)集成員

OpDlTmms

SGSE

SGCB數(shù)據(jù)集成員

服務(wù)GetLNDirectory

讀目錄

GetAllDataValues

讀數(shù)據(jù)

4中斷、任務(wù)優(yōu)先級分配為了保證繼電保護(hù)動作的快速性和可靠性，同時兼顧通訊響應(yīng)的快速性，必須合理的安排中斷優(yōu)先級以及任務(wù)的優(yōu)先級和任務(wù)調(diào)度周期。4。1中斷優(yōu)先級分配在系統(tǒng)中中斷優(yōu)先級的次序依次是：?定時采樣啟動中斷；?測頻中斷定時采樣啟動中斷；?VxWorks系統(tǒng)時鐘中斷；?16通道AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷；?VxWorks系統(tǒng)輔助時鐘中斷；?以太網(wǎng)中斷；?串行通訊中斷。4。2任務(wù)優(yōu)先級和任務(wù)分時調(diào)度機制任務(wù)的優(yōu)先級分配：VxWorks內(nèi)核有256個任務(wù)優(yōu)先級，0最高，255最低。VxWorks內(nèi)核的任務(wù)優(yōu)先級分配是：系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)0、調(diào)試任務(wù)3、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)50～60、USB和圖形60～80、shell100，用戶的任務(wù)安排在100～255之間。VxWorks同一任務(wù)優(yōu)先級可以安排多個任務(wù)，所以并不是說內(nèi)核占用了用戶就不能用了。但是如果用戶任務(wù)優(yōu)先級設(shè)置高于內(nèi)核任務(wù)的優(yōu)先級，要注意任務(wù)的執(zhí)行時間不能過長，否則可能造成任務(wù)隊列阻塞溢出等異常情況發(fā)生，使得系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。DSI5000系統(tǒng)軟件任務(wù)根據(jù)功能分類分為：保護(hù)任務(wù)、人機接口任務(wù)、通訊任務(wù)。根據(jù)響應(yīng)速度保護(hù)任務(wù)分為：快速任務(wù)、中速任務(wù)、慢速任務(wù)三個級別?？焖?、中速、快速任務(wù)的調(diào)度周期依次是2ms、6ms、100ms。任務(wù)調(diào)度采用信號量（semaphore）機制，在采樣定時中斷中定時發(fā)放信號量，以保證任務(wù)響應(yīng)的快速性。快速任務(wù)：（優(yōu)先級120）主要完成傅立葉計算、啟動條件及閉鎖條件計算、瞬時過流（PIOC）、距離保護(hù)速斷（PDIS）、差動保護(hù)（PDIF）、故障錄波（RADR．、RBDR、RDRE）、TV/TA斷線判據(jù)、保護(hù)跳閘條件判據(jù)（PTRC）等模塊的執(zhí)行。中速任務(wù)：（優(yōu)先級121）主要完成延時保護(hù)及部分輔助功能。如：過流保護(hù)（PTOC，含定時限、反時限過流、過負(fù)荷保護(hù)），定時限距離保護(hù)（PDIS）以及重合閘（RREC）等。慢速任務(wù)：（優(yōu)先級160）主要完成過負(fù)荷、熱保護(hù)等延時較長的保護(hù)任務(wù)。人機接口任務(wù)：（優(yōu)先級140）主要完成液晶顯示控制及鍵盤處理等，具有較低的執(zhí)行優(yōu)先級，采用定時及信號量觸發(fā)的綜合執(zhí)行方式。通訊任務(wù)：（優(yōu)先級130）完成通訊請求服務(wù)及主動事件的發(fā)送等，采用定時及信號量觸發(fā)的綜合執(zhí)行方式。4。3各任務(wù)的CPU實測負(fù)荷率應(yīng)用VxWorks的系統(tǒng)負(fù)荷分析工具SpyChart可以測定系統(tǒng)的CPU使用狀況，測試結(jié)果表明正常運行并觸發(fā)事件的情況下，系統(tǒng)綜合負(fù)荷率<50％。任務(wù)或中斷

負(fù)荷率系統(tǒng)綜合中斷INTERRUPT

10％VxWorks內(nèi)核及系統(tǒng)任務(wù)KERNEL

6％快速保護(hù)任務(wù)

12％中速保護(hù)任務(wù)

4％慢速保護(hù)任務(wù)

0。5％人機接口任務(wù)

2％通訊服務(wù)任務(wù)

8％空閑任務(wù)IDLE

57。5％測試方法：在線路保護(hù)裝置正常運行和通訊的情況下，在1分鐘的時間內(nèi)模擬系統(tǒng)的瞬時性故障，裝置速斷及距離I段動作后重合等。5IEC61850Server通訊規(guī)約實現(xiàn)5。1IEC61850通訊協(xié)議棧初始化裝置啟動時讀取裝置配置文件（ICD）M15xxx_icd。xml，然后完成VMD的創(chuàng)建，包括邏輯節(jié)點、數(shù)據(jù)集、日志、緩存報告控制塊、GOOSE控制塊、定值控制塊等功能塊的創(chuàng)建。同時把VMD中的數(shù)據(jù)區(qū)與實際邏輯節(jié)點中的通訊數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行映射。利用邏輯節(jié)點的相應(yīng)接口函數(shù)，如數(shù)據(jù)的讀寫操作來實現(xiàn)與VMD中的信息同步。這樣在使用MMS與VMD進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，實際完成的是與保護(hù)裝置的信息交換。5。2IEC61850通訊服務(wù)線程IEC61850的通訊功能的實現(xiàn)是由ML850_Comm_Server()線程完成的。通訊服務(wù)有定時和事件觸發(fā)兩種執(zhí)行機制，定時時間是1秒，事件觸發(fā)方式是當(dāng)監(jiān)視量狀態(tài)發(fā)生改變時會發(fā)出信號量從而觸發(fā)通訊服務(wù)。事件觸發(fā)方式對于Goose報文的快速發(fā)送是非常必要的。5。3控制（遙控）、報告控制塊、定值控制塊、GOOSE控制塊的實現(xiàn)方法不同的應(yīng)用要求使用不同的遙控模型，共有四種：常規(guī)安全的直接控制、常規(guī)安全的操作前選擇控制、增強安全的直接控制、增強安全的操作前選擇控制。每種遙控模型使用其特定的狀態(tài)機，在設(shè)計裝置時已經(jīng)對要使用的遙控模型進(jìn)行了定義，遙控操作方式必須和遙控類型相符合。遙控操作都映射到了MMS服務(wù)的讀寫操作中，因此IED在收到讀寫命令時要對讀寫操作的名稱進(jìn)行區(qū)分，來對這種特殊類型的“讀寫”操作進(jìn)行區(qū)別處理，遙控控制塊在收到遙控命令時只需要看當(dāng)前狀態(tài)來決定下一步的操作。通訊配置文件里對報告控制塊要使用