智能电子设备硬件和软件设计方案

庄 平

（国网宁夏电力公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山753000）

1 IED硬件设计方案

数字化保护装置IED的CPU板有2个处理器：DSP TMS320F2812和 ARM S3C2510。其中，DSP TMS320F2812完成与保护相关的功能，包括对模拟量和开关量数据的采集，并根据保护算法进行判断与开出动作的执行；ARM S3C2510内嵌VxWorks操作系统，完成相关任务的管理调度及MMI等功能。DSP和ARM之间的所有通信依靠一个串行通信接口，ARM为上位机，DSP为下位机，两者之间的通信遵照《现场总线CAN通讯协议》，其硬件原理框图如图1所示。

图1 A6O板硬件原理框图

CPU板中的DSP侧是实现保护功能的核心，其主要完成：采集15路模拟量（4路备用，3路保护用电流，1路保护用零序电流，3路测量用电流，UA、UB、UC、UN）、16路开关量（前5路备用，1路闭锁重合闸，2路小车工作位置／隔离开关，1路弹簧未储能，1路开关跳位，1路开关合位，1路闭锁远方操作，1路检修状态压板、信号复归）数据，然后DSP通过软件保护逻辑程序对输入模拟量和开关量进行逻辑判断、执行，并将相关数据通过DSP的串口上送ARM；而ARM主要负责液晶显示，提供精准的对时信号及与过程层／变电站层的通信接口（双以太网）、告警／复归信号、前面板用户串口。通讯回路采用双以太网，极大地提高了通讯能力和可靠性，其中NET1用于与站控层（监控系统）通信，NET2用于GOOSE通信。

数字信号处理单元与AD转换单元、开入隔离单元、开出隔离单元及实时时钟单元都有连接，接口为：

（1）与AD转换及测频单元的接口为DSP的SPI接口和事件管理器的捕获口CAP2＿QEP2、CAP3＿QEPI1；

（2）与开入隔离单元的接口为DSP的GPIOB0～GPIOB15；

（3）与开出隔离单元的接口为DSP的外设数据总线XD01～XD15；

（4）与实时时钟单元（包括实时时钟芯片DS1302、EEPROM 存储 器 AT24C256）的 接 口 为 GPIOD00、GPIOD01、GPIOA00和GPIOF08。

AD单元转换芯片采用TI公司的TLC3578。其有8个转换通道；最大数据吞吐量可达200kS／s；模拟量的幅值范围可达±10V；兼容SPI串行接口，串行接口时钟可达25MHz；单5V模拟供电，3～5V数字供电。此芯片的采样频率和通道切换命令频率相等，最大可达25MHz；转换精度为14bit，转换速度与串行时钟SCLK、转换模式有关。

ARM可作为一个功能单元来看待，其与DSP有2个接口：串行通信接口、秒脉冲信号。ARM的外围电路包括以下部分：（1）IRIG－B码解码电路；（2）串行通信接口电路（前面板ARM—用户串口、ARM调试串口以及 MCU调试串口）；（3）双以太网电路；（4）液晶显示接口电路；（5）设备运行灯驱动（及CPU板的运行灯）信号；（6）告警GJ、复归FG电路；（7）连接插座接口定义。

2 IED软件设计方案

2.1 IED软件设计总体方案

EQUIP包括保护测控装置数据、人机接口辅助数据、内部通信辅助数据和打印通信辅助数据等4部分。数据映射模块的功能就是保证保护公用数据结构EQUIP中数据和VMD数据结构中数据的双向同步，即一方数据发生变化时，另一方数据必须同步变化。具体说来就是在初始化中（动态创建对象的过程中）实现数据映射的变量地址互相备份；在保护端或MMS端有数据更新时，数据赋值操作进行双份赋值操作，对自身变量和备份对方地址所指向的变量同时赋值。赋值操作的嵌入点分别为串行通信更新保护数据、MMS收到写指示操作。VMD如果能够与EQUIP保持实时数据相互更新，那么DSP就可以只实现保护测控功能，ARM负责与站控层和间隔层通信。

2.2 IED软件流程

当IED运行时，首先创建发布者和订阅者信号量并且初始化所有MMS对象，接着读取配置文件，自动生成了IEC61850对象数据库，然后进行保护数据映射，使保护用数据结构的对象属性和IEC61850对象数据库一一对应起来，当数据映射完成后，根据订阅／发布配置文件生成GOOSE发布者和订阅者，如选择订阅者则创建GOOSE订阅线程，如选择发布者则调用GOOSE发布函数，接着进入MMS服务循环操作，当有事件需要处理时，发布61850报告服务和61850日志服务，等待各线程结束后先销毁信号量，之后销毁scl＿info和所有MMS对象，最后结束服务并记录保存，至此就完成了一个完整的IED软件流程（图2）。

图2 EN@软件主流程图

3 结语

本文介绍了基于IEC61850的数字化保护装置的硬件和软件设计方案，硬件方案中着重讲述了CPU板的硬件原理，采用DSP＋ARM作为CPU板，DSP主要负责数据采集和保护运算，ARM层负责IED之间的通信以及MMS服务和GOOSE服务的大部分工作，软件方案中设计了智能电子设备的软件架构，然后分析了IED软件流程。该方案已应用在继电保护装置中，现场运行情况良好。

［1］傅旭华，黄晓明，王松，等.数字化变电站GOOSE技术工程化应用［J］.电力自动化设备，2011（11）：112～116

［2］王志强，徐佳宇，王秀红，等.基于GOOSE的变电站保护功能应用研究与实现［J］.华北电力技术，2011（6）：41～46