摘 要： 介紹一種新型的變壓器保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置結(jié)構(gòu)上采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以ARM＋DSP的多CPU架構(gòu)為硬件核心，以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線為通信總線，以μClinux和C語言為軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所主變壓器的保護(hù)、測(cè)量、控制、通信等功能，具有可靠性高、智能化程度高、結(jié)構(gòu)合理、成本低等特點(diǎn)，適合作為牽引變電所的新型主變間隔裝置。
關(guān)鍵詞： IED ARM DSP CAN μCLinux
隨著鐵路電力牽引向高速、重載的發(fā)展，使得牽引變電所和供電系統(tǒng)容量增大，對(duì)控制保護(hù)功能" title="保護(hù)功能">保護(hù)功能、監(jiān)控的精度與分辨率、控制自動(dòng)化與智能化程度等多方面提出更高的要求。因此必須提高變電站運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平，變電站自動(dòng)化技術(shù)得到了迅速發(fā)展。對(duì)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)" title="變電站自動(dòng)化系統(tǒng)">變電站自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)，分層分布式結(jié)構(gòu)是目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]，在這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，每一個(gè)間隔擁有自己的智能間隔裝置(IED)，該裝置需要實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測(cè)量、通信、錄波等所有功能，這就對(duì)這些間隔裝置提出了很高要求。近年來微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)這種裝置提供了條件。
1 總體設(shè)計(jì)
1.1 一體化結(jié)構(gòu)
在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，智能化的保護(hù)和測(cè)控單元也稱為IED，通常系統(tǒng)中的這些單元都是獨(dú)立的，每個(gè)單元各自實(shí)現(xiàn)一種功能，例如主保護(hù)單元、后備保護(hù)" title="后備保護(hù)">后備保護(hù)單元、測(cè)控單元等，或者至多是信息與控制結(jié)合成為綜合測(cè)控裝置，而保護(hù)裝置依然獨(dú)立，這最主要的原因是出于對(duì)保護(hù)的可靠性要求。但隨著硬件技術(shù)水平的提高，可靠性問題可由硬件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)來解決。
另外，IED的一體化設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)減少硬件開支，降低成本。(2)減小占地面積，節(jié)省空間。(3)減少連接電纜，簡(jiǎn)化接線，提高可靠性。(4)容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
一體化設(shè)計(jì)的方法很多，一般來說，有三種可以選擇的方案[2]：(1)將控制系統(tǒng)功能擴(kuò)展，以包含保護(hù)功能。(2)將保護(hù)功能擴(kuò)展，以包含控制和信息功能。(3)保護(hù)、控制和信息功能設(shè)備依然獨(dú)立，它們之間采用通信方式聯(lián)結(jié)。
工程實(shí)際中三種都有應(yīng)用。但目前國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都傾向于第(2)種方案。本設(shè)計(jì)即采用該方案。此方案以保護(hù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展控制、信息功能。以保護(hù)為重，保證了其系統(tǒng)的完整性和可靠性，利用先進(jìn)的硬件、電路設(shè)計(jì)技術(shù)，擴(kuò)展測(cè)控功能，實(shí)現(xiàn)裝置的監(jiān)視和控制。這種方案既實(shí)現(xiàn)了保護(hù)、測(cè)控的一體化設(shè)計(jì)，又保證了保護(hù)的可靠性，相對(duì)比較合理。當(dāng)然，它也有缺陷：強(qiáng)調(diào)了保護(hù)功能，難免影響控制，使得控制復(fù)雜化，如何更協(xié)調(diào)地處理好保護(hù)與測(cè)控的關(guān)系，使系統(tǒng)合理地工作，這也是今后一體化裝置要解決的一個(gè)重要問題。
1.2 多CPU結(jié)構(gòu)
由于裝置實(shí)現(xiàn)的功能多，必須實(shí)現(xiàn)變壓器的主保護(hù)、后備保護(hù)和測(cè)控通信功能，而根據(jù)繼電保護(hù)原則，主保護(hù)與后備保護(hù)要求硬件上獨(dú)立以滿足可靠性要求，保護(hù)與測(cè)控?zé)o關(guān)，完全不受通信測(cè)控影響；同時(shí)裝置要求有較強(qiáng)的通信和管理功能和人機(jī)交互功能。因此，單獨(dú)使用一種CPU難以實(shí)現(xiàn)所有功能，不能滿足需求[3]，所以決定采用多CPU架構(gòu)，由單獨(dú)的CPU實(shí)現(xiàn)主保護(hù)功能，另外一個(gè)CPU實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)和測(cè)控功能，它們之間再由一個(gè)主CPU進(jìn)行管理，并負(fù)責(zé)通信、維護(hù)等功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在裝置結(jié)構(gòu)中，差動(dòng)主保護(hù)與后備保護(hù)在同一機(jī)箱內(nèi)，但分別由各自的DSP承擔(dān)其保護(hù)功能，相互獨(dú)立，并且它們的保護(hù)出口跳閘回路也互相獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)的獨(dú)立性，結(jié)構(gòu)緊湊，接線簡(jiǎn)單；后備保護(hù)DSP兼具測(cè)控功能；通信和管理由ARM實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)與兩個(gè)保護(hù)DSP的數(shù)據(jù)交換、向站控層上傳數(shù)據(jù)與接受命令、顯示與人機(jī)交互功能，系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)都由ARM進(jìn)行,其與站控層的連接采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線。
軟件上，在ARM上安裝μClinux操作系統(tǒng)，各應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，采用C語言進(jìn)行程序的編寫。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 總體結(jié)構(gòu)
本裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括：通信管理ARM主板模塊、主保護(hù)DSP模塊、后備保護(hù)DSP模塊、電源模塊、液晶觸摸顯示模塊、各輸入輸出模塊等。每個(gè)模塊作為一個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一塊印制板上，各模塊都插在同一個(gè)底板上，通過底板進(jìn)行互連，最后安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中。這樣做，一方面使各模塊之間空間上相互獨(dú)立，便于調(diào)試、安裝以及維護(hù)工作，提高裝置的可靠性和可維護(hù)性；另一方面，充分利用了有限的機(jī)箱空間，使裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于分散安裝于現(xiàn)場(chǎng)，體現(xiàn)分散分布的特點(diǎn)。
2.2 電源模塊
電源模塊負(fù)責(zé)給各板提供合適的電源，根據(jù)各板上器件所需電源情況，將輸入的交流220V轉(zhuǎn)換成直流±5V、±12V、24V等，作為主板工作電源、輸入輸出驅(qū)動(dòng)電源、液晶觸摸屏電源及信號(hào)顯示電源等。
2.3 液晶觸摸顯示模塊
裝置要求能夠當(dāng)?shù)仫@示和維護(hù)，即人機(jī)交互，因此設(shè)計(jì)了液晶觸摸顯示模塊，用于顯示裝置工作狀態(tài)、采集到的各種信息及操作記錄等，包括：遙測(cè)、遙信、遙控、保護(hù)動(dòng)作信息等；還具有參數(shù)輸入功能，可以修改裝置的整定值等參數(shù)，方便當(dāng)?shù)夭僮?、調(diào)試和維護(hù)。
2.4 通信管理ARM主板模塊
通信管理ARM主板模塊是本裝置的核心部分，負(fù)責(zé)與兩個(gè)DSP保護(hù)主板的信息交換、與液晶顯示模塊通信、與上層的CAN通信等，還帶有調(diào)試用的串口" title="串口">串口及網(wǎng)口。該模塊起到主控與通信的作用，管理著其他各個(gè)模塊。各DSP板采集的數(shù)據(jù)都傳給該主板，再由它統(tǒng)一上傳和顯示；從上層或觸摸屏輸入的整定值都由本主板輸給相應(yīng)的DSP板，進(jìn)行修改維護(hù)。該模塊的硬件結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)如圖3所示。
該主板以ARM處理器S3C4510B為核心。該處理器內(nèi)核ARM7TMDI是低功耗、高性能無MMU的16/32位內(nèi)核，是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。它可以應(yīng)用于工業(yè)控制場(chǎng)合，適合于實(shí)時(shí)環(huán)境，對(duì)于裝置的環(huán)境能夠適應(yīng)。處理速度塊、價(jià)格低，可以安裝操作系統(tǒng)(μClinux)。設(shè)計(jì)中根據(jù)需要擴(kuò)展了接口電路，包括：時(shí)鐘電路、JTAG及看門狗復(fù)位電路、存儲(chǔ)電路、CAN接口、串口、網(wǎng)口和LCD顯示電路等。
2.5 主保護(hù)DSP模塊
主變主保護(hù)功能由主保護(hù)DSP模塊獨(dú)立完成，保護(hù)功能完全獨(dú)立，不依賴于ARM板，保護(hù)動(dòng)作信息實(shí)時(shí)傳給ARM板，整定值的修改通過接收ARM板傳輸?shù)男畔韺?shí)現(xiàn)，如圖4所示。
該主保護(hù)板以TMS320LF2407為CPU。TMS320系列的DSP的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列的DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)" title="外設(shè)">外設(shè)功能集于一身，通過將外設(shè)、存儲(chǔ)器集成到控制器內(nèi)部，減少了成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性[4]。
設(shè)計(jì)中對(duì)TMS320LF2407擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串口電路、JTAG電路及電源復(fù)位電路等，并根據(jù)需要適當(dāng)擴(kuò)展了I/O端口。TMS320系列的DSP體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列的DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，通過將外設(shè)、存儲(chǔ)器集成到控制器內(nèi)部，減少了成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性[4]。
2.6 后備保護(hù)DSP模塊
后備保護(hù)功能由后備保護(hù)DSP板獨(dú)立完成，保護(hù)功能同樣完全獨(dú)立，不依賴ARM板，保護(hù)動(dòng)作信息實(shí)時(shí)傳給ARM板，整定值也是由ARM板傳輸修改。同時(shí)該DSP板還具有測(cè)控功能。其結(jié)構(gòu)與主保護(hù)主板大致相同，主要是存儲(chǔ)容量、信號(hào)接口數(shù)量上有所增加。
2.7 信號(hào)預(yù)處理模塊
硬件結(jié)構(gòu)中，除了上述的各主板外，還有信號(hào)調(diào)理、繼電輸出等信號(hào)處理電路。主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以供給DSP板采集，接收DSP板控制信號(hào)進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)，通過繼電器控制各斷路器、隔離開關(guān)，達(dá)到保護(hù)跳閘或遙控的目的。
3 軟件平臺(tái)建立
ARM通信管理主板功能復(fù)雜，執(zhí)行任務(wù)較多，涉及到進(jìn)程調(diào)度、通信等，需要安裝嵌入式操作系統(tǒng)。針對(duì)S3C4510B處理器沒有MMU模塊特點(diǎn)，選擇了源碼開放的μClinux操作系統(tǒng)，它繼承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)性好等特點(diǎn)，還具有內(nèi)核小、工具完備等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)。
將μClinux移植到S3C4510B板上，主要包括以下幾個(gè)步驟：構(gòu)造交叉編譯環(huán)境、引導(dǎo)裝載程序移植、μClinux內(nèi)核配置和編譯。
本系統(tǒng)ARM主板上有串口、CAN總線接口、雙口RAM 等外設(shè)，這些硬件都需要在操作系統(tǒng)軟件上提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的支持，從而可以為上層應(yīng)用軟件所訪問，因此還要開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，由于μClinux不支持模塊化加載，因此只能將設(shè)備驅(qū)動(dòng)(.0)靜態(tài)地編入內(nèi)核，并修改內(nèi)核驅(qū)動(dòng)部分編譯時(shí)的Makefile。
應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想,采用C語言進(jìn)行程序的編寫。DSP保護(hù)主板上直接采用C語言進(jìn)行編寫，而在ARM主板上開發(fā)時(shí)應(yīng)注意：
(1)μClinux系統(tǒng)中由于內(nèi)存管理問題，沒有fork()函數(shù)，用vfork()代替；
(2)μClinux中編程可能遇到庫不支持的函數(shù)；此時(shí)需要自己把函數(shù)的實(shí)現(xiàn)做成另外一個(gè)庫供應(yīng)用程序使用。如果是μClinux本身不支持的調(diào)用，那么就需要改寫代碼。
本研究開發(fā)針對(duì)目前發(fā)展形勢(shì)，采用先進(jìn)的ARM+DSP的多處理器一體化結(jié)構(gòu)和開源的μCLinux操作系統(tǒng)，研制開發(fā)了適合作為牽引變電所主變壓器保護(hù)測(cè)控裝置的新型IED。作為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的間隔層智能裝置，該IED實(shí)現(xiàn)了主保護(hù)、后備保護(hù)和測(cè)控功能的一體化，為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展提供了先進(jìn)的設(shè)備條件。
參考文獻(xiàn)
1 丁書文.變電站綜合自動(dòng)化原理及應(yīng)用.北京：中國(guó)電力出版社，2004
2 Jones D D.A New Proposal to the Implementation of Substa-tion Integrated System.第七屆電力系統(tǒng)保護(hù)進(jìn)展國(guó)際會(huì)議論文全集
3 江春林.高速電鐵牽引供電自動(dòng)化系統(tǒng)方案研究.電力自動(dòng)化設(shè)備.2000；(10)
4 劉和平.TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002
5 毛德操，胡希明.Linux內(nèi)核源代碼情景分析.杭州：浙江大學(xué)出版社，2001