基于SOC平台的数字站SCD管控模块设计

冯豆　杨光辉　田正山

摘 要：数字化变电站是我国当前以及未来电力建设的主导方向。针对数字化变电站测试设备对便携性要求逐步提高的情况，该文提出一种基于SOC结构的测试平台，并简单介绍了其功能模块。该平台以FPGA为核心器件，具有接收和解析SMV以及GOOSE报文的功能，同时还可以方便地进行用户应用程序开发。此外，针对现在SCD管控类软件只是简单存放文件，不能进行SCD文件在线一致性检查等问题，该文根据SCD管控的特性，设计出利用FGPA进行在线SCD一致性比较，同时还实现了利用网存存储SCD文件以及数据库管理。经过现场应用测试，该方案完全达到电力用户的需求。

关键词：数字站 SOC FPGA SCD管控

中图分类号：TP216+.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0178-03

数字化变电站是我国当前以及未来电力建设的主导方向。数字站的主要特点在于一次设备的智能化和二次系统的网络化[1-3]。数字化变电站中，采用IEC61850标准组建在线监测网络，可方便地实现不同设备在线监测，相关信息整合以及智能电气设备之间的信息共享和互操作[4-6]。随着人们对测试设备使用方便性要求的提高，各类针对数字站的便携式、手持式测试设备开始出现。该文设计了一种基于System On Chip（SOC）结构的数字站测试平台，该平台系统结构简单，集成度高，性能优异，非常适合用作便携设备[7-8]。此外，由于整个变电站装置的配置信息都包含在了SCD文件中。如果要对智能站装置进行测试，必须先对SCD文件进行管理和解析。针对目前大多数SCD管控软件不能进行SCD文件在线一致性检查等不足，该文在此平台上，还设计并实现了一种优化后的SCD文件管理模块。主要包含文件可视化管理、SCD文件进行检查、IED设备图形化的查看等功能。

1 系统结构

不同于传统变电站在进行测量时需要进行AD采样，将模拟电气信号转换为数字量后再进行处理。数字化变电站的电气信息等参数都是通过IEC61850报文传递，即送入测量系统的参数已经是数字信号，这使得数字站的测量系统可以省去模数转换这部份硬件资源开销以及相应的外围电路设计，从而实现系统结构的简化。

针对数字站测量系统的特征，该文采用一种System On Chip（SOC）结构的平台，并在此平台上设计实现了测量系统的主要功能。其中，SOC平台采用的核心器件是Altera公司的Cyclone V芯片。该芯片是一款高性能的大规模集成模块，它集FPGA和双核ARMCortex-A9硬核为一体，具有强大的逻辑和数据处理能力。采用Cyclone V高度集成芯片，可使得本装置的主要测试、计算等实时性要求较高的功能均在FPGA中实现，这使得设计可以更加紧凑，并能提高系统的可靠性。此外，ARM处理器主要承担管理和交互功能，其采用WinCE嵌入式操作系统，可以便于传统windows应用程序在此平台上的移植，并为用户提供熟悉的交互操作界面。本SOC平台运行的主要功能模块结构如图1所示：

系统启动时，由FPGA完成对各测试模块，包含报文处理，IRIG-B编码解析等功能模块的初始化，通过以太网光口接收来数字站链路层自合并单元的IEC61850数据包，并通过时钟模块打上时标，再由SV、GOOSE在线分析模块完成报文分析。所获得信息交由在ARM运行的用户程序做进一步的处理，如SCD管控中的在线检查，SCD文件存储等。

2 SCD管控设计

如第1节中提到的，由于本SOC平台具有ARM硬核，配合嵌入式操作系统可以方便地进行用户程序开发。其中，变电站的SCD管控是一类重要的程序。这是由于变电站配置描述文件（SCD）的正确性对智能变电站的安全运行至关重要，尤其SCD文件中的虚端子以及虚端子连接涉及到智能电子设备的跳合闸、采样回路。目前已投运行了大量智能变电站，随着这些变电站陆续进入维护周期，将发生诸如增减间隔、更换智能装置、IED固件升级以及IED检修等涉及到SCD文件管控的操作[9-12]。目前对SCD文件的管理存在许多不规范行为，主要表现在以下几个方面。

（1）目前SCD文件由不同的集成商配置，配置的规范性有待提高。

（2）目前很多的SCD文件都没有按照“六统一”的规范配置。

（3）各供电单位习惯于常规变电站模式，对智能化变电站理解还不够深刻，对SCD文件的管理带来了难度。

针对以上情况，该文在嵌入式操作系统上开发了一种优化的SCD管控软件，主要功能包含以下几点。

（1）SCD文件图形化查看模块可以读取并分析SCD文件，以图形化的方式展现给用户。用户可以以图形化的方式查看各IED设备的GOOSE、SV虚端的对应关系。此外，用户还可以按SV发送、GOOSE发送、SV接收、GOOSE接收和MMS数据集的分类，以列表形式查看IED设备的控制块、通道和虚端子。同时，用户还可以通过IED名称或APPID查询需要查看的IED设备。

（2）SCD文件对比模块可以打开新旧两个不同版本的SCD文件，分析两个SCD文件的不同点。用户可以以图形化和列表的方式查看新版本文件相对于旧版本文件新增、修改、刪除的报文控制块、虚连接等信息。

（3）SCD检查模块可以分析当前打开的SCD文件中各IED设备控制块是否被正确引用、APPID、GOID、SVID是否重复等。

（4）SCD六统一检查，根据六统一规范对当前SCD文件进行检查。

（5）SCD文件检查结果导出模块可将SCD文件的检查结果导出为xls文件，供进一步分析使用。

整体软件模块结构如图2所示。

3 SCD管控应用

本SCD管控软件在国内部分变电站进行了实际应用，效果良好。以部分核心功能为例，图3为SCD管控总体图形化界。

其中，在窗口右侧的“装置列表”中可以选择不同的IED设备以查看其对应的信息，在右侧窗口看到该设备的连接示意图，包含需端子信息。

SCD文件的检查功能。可以查看当前已导入的SCD文件配置是否符合”六统一”规范的要求可以实现比较新旧两个不同版本的SCD文件，解析两个SCD文件并将两个文件的不同之处列举出来。可以按示意图、SV发送、GOOSE发送、SV接收、GOOSE接收、MMS数据集的分类来查看两个版本的SCD文件的新增、修改、删除情况。

综上所述，本软件完全达到了设计要求，即遵循IEC 61850标准，对SCD文件进行解析、检查、比对。提供对IED设备图形化的查看、报文控制块、通道和虚端子的配置功能。

4 结语

该文设计并实现了一种基于SOC平台的数字站SCD管控软件。其特征在于，利用SOC器件的FPGA和ARM资源，分别承担对IEC61850协议报文的处理以及面向用户的软件执行。这种方式的优点在于，无需在FPGA中设计NIOS CPU，从而节约了FPGA资源。而采用ARM硬核，对系统性能也有一定程度提高。以上设计方式对其它应用领域也有一定借鉴。此外，软件设计方面，该文针对传统SCD管控的不足之处进行了一定程度的优化。经现场使用检验，完全达到用户需求，可以继续向市场推广。

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