保护控制装置虚拟运行平台设计与实现

陈宏君, 周 强, 文继锋,徐东方, 李九虎, 周 磊

( 南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

保护控制装置开发正往平台化、可视化、智能化等方向发展，需要设计开发通用硬件、软件平台，以提高应用开发效率和装置集成能力[1-5]。文献[1]介绍了统一先进控制保护平台(unified advanced protection control,UAPC)的硬件结构，提出了基于分布式多处理器和组件化硬件平台，并设计了一种分布式总线的通信架构，提高装置内数据交换效率和灵活性。文献[2]设计的平台采用PowerPC处理器作为保护和管理通信的主控芯片，板间采用高速以太网和低电压差分信号(low-voltage differential signaling,LVDS)进行数据交换。文献[3]设计了智能变电站保护测控装置通用平台，并基于该平台实现了二次设备装置的重构和动态配置。文献[4]提出了基于嵌入式可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)软核的配网保护硬件平台设计方案，实现了面向配网主设备保护功能。文献[5]介绍了可视化配置软件的设计思路，基于模块化元件进一步提升了装置可配置能力。

在装置的开发过程中，应用程序开发调试往往依赖于装置硬件和测试设备，串行开发的周期长，有时不能满足快速响应市场的需求。例如:就地化保护装置的开发，项目立项、装置研发、入网测试、实际投运只有8个月的时间，硬件设计、系统软件、驱动开发、应用程序和配置的移植等工作是由多个团队同时进行，研发人员在装置尚不具备的条件下就需进行保护功能和配置建模验证，故有必要实现个人计算机(personal computer,PC)快速构建等同架构的虚拟装置，除特殊硬件性能测试外，保护功能和人机接口通信功能可以在虚拟装置上进行测试验证。文献[6]介绍了基于风和公司开发的嵌入式实时操作系统( wind river workbench’s real time operating system, Vxworks)的微机保护装置仿真平台，能完成保护功能的静态测试，但不具备基于波形输入测试功能，并仅限于固定硬件架构。文献[7]基于变电站配置语言(substation configuration language, SCL)模型，实现基于IEC 61850标准的智能电子设备(intelligent electronic device, IED)仿真系统，可模拟IED的制造报文规范(manufacturing message specification, MMS)和面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation events, GOOSE)通信行为及时间响应机制。文献[8]提出了一种平台化的继电保护数字仿真系统，实际使用取得较好效果。文献[9]通过实时数字仿真仪(real time digital simulator, RTDS)闭环实时数字仿真验证了融冰控制保护策略的可行性和有效性。文献[10—12]介绍了装置实时系统部分的虚拟同步方法，未涉及非实时通信系统的仿真实现。而一台装置的调试除应用功能的验证外，还需进行各种版本的通信规约、人机交互显示组件的测试。随着应用的复杂度、集成度提高和芯片级系统(system on chip, SOC)多核插件的应用，虚拟仿真平台需要适应不同的硬件架构，可灵活加载新的服务组件。

文中基于UAPC平台的硬件、软件的架构，通过对硬件能力进行抽象建模，构建了虚拟数据总线，可灵活配置不同插件的通信方式；通过串行执行和虚拟时标机制，实现了多块多核CPU/DSP的实时任务虚拟运行；通过构建Linux的虚拟接口和组件通信机制，可将Linux的实时、非实时进程等重构为Windows下的动态链接库，实现装置的整机仿真功能，文中介绍了虚拟运行平台的架构和关键模块设计实现思路。

1 虚拟运行平台架构设计

1.1 概念定义

元件(component)：是完成特定应用功能的面向对象的一组数据和对数据进行处理的过程，处理完后输出的数据供其它元件进一步使用，元件包含输入、输出、参数、逻辑节点等内容。例如过流保护功能可以通过一个过流元件的设计来完成，其输入是采样元件的采样数据，输出是过流标志，参数是过流门槛值。

组件(package)：是可独立发布的二进制单元。组件是1个黑盒子，对外的接口主要有API功能和端口，其中API是组件对外提供的功能，端口表示组件内部调用外部其它组件功能的函数[13]。

1.2 功能设计

虚拟运行平台支持单处理器单步调试、整机仿真运行功能，支持处理器多级任务执行和虚拟数据总线交换，并满足实际装置的数据总线同步机制[14]；支持Linux相关进程的等价移植重构，支持虚拟液晶调试、IEC 61850调试、IEC 103调试及可视化调试；支持将应用程序形成VisualStudio工程并编译为动态链接库。仿真输入文件包括可视化配置工具PCS-Explorer形成的驱动包[14](config.txt、device.cid等装置接口文件)、应用程序库、波形文件等，输出结果包括事件记录、波形文件等。在虚拟运行平台中的配置驱动包和下载到实际装置运行的文件完全一致，而应用程序只需修改AD采样的通道映射代码和部分硬件接口代码，面向应用的接口函数和系统变量保持和实际装置一致。通过条件编译，可实现装置运行和仿真运行所需的程序和配置同源维护。虚拟运行平台支持如下3个功能：

(1) 面向应用的单处理器的单步调试功能。基于VisualStudio开发环境，提供单处理器的开发库，支持输入波形文件，通过采样通道重映射，逐点读取波形数据进行运算。

(2) 面向应用的整装置虚拟运行功能。支持输入波形、数据阵列或空跑运行模式，指定PC机装置配置文件路径、应用程序目标路径后，启动虚拟主进程( master process, Master)，加载数字信号处理器(digital signal processor, DSP)、输入输出(input ouput，IO)、子进程(slave process，Slave)、通信服务等组件并进行初始化，启动任务调度和通信处理线程，通过串行执行，支持实时任务虚拟微妙级的时间精度、非实时任务的100毫秒级调度。仿真界面可显示上电初始化的提示信息。

(3) 面向平台开发人员的公共服务单步调试功能。 提供测试程序和测试驱动包，通过操作系统适配层，虚拟了同步动态存储器(synchronous dynamic random access memory，SDRAM)、共享内存、先进先出(first in first out，FIFO)通信、pthread接口，可基于Win7+VisualStudio单步调试Master、Slave、IEC 61850、LCD、IEC 103、DSP等组件的主体功能。

1.3 系统组成

UAPC平台架构如图1所示, 包括硬件平台、系统软件和可视化集成工具。所有插件按照标准化、模块化、可扩展思想设计，采用自主设计的高速总线实现装置内部高性能CPU插件的横向扩展。平台系统软件包括基于嵌入式操作系统开发的若干主CPU服务进程、DSP和IO插件的通用功能模块、驱动程序，底层驱动屏蔽硬件差异，面向应用提供完善的功能和稳定的接口，支持平滑升级。各个方向的应用人员通过可视化集成工具开发和调试应用程序。主CPU的进程采用一主多从架构，Master为管理主进程，负责启动运行Slave子进程、液晶显示进程LCD、通信服务IEC 61850等多个子进程，其中Slave用于处理事件、录波、LED灯刷新、统计等功能。

图1 UAPC平台系统框架Fig. 1 System framework of UAPC platform

虚拟运行平台包括：可视化配置工具、仿真主界面、调试客户端、虚拟数据处理、虚拟管理进程、实时组件、非实时组件及平台接口库，其结构如图2所示。

图2 虚拟运行平台结构Fig. 2 System framework of virtual operating platform

(1) 可视化集成工具。用于嵌入式装置的硬件和软件功能配置，采用图形化符号、可视化页面搭建装置应用功能，形成装置驱动包和配置文件, 和UAPC平台装置开发工具软件相同。

(2) 仿真主界面。用于仿真信息设置、启动停止仿真、虚拟装置输出信息和任务统计展示、应用程序自动编译等功能。仿真界面子系统支持设置仿真模式和仿真数据源，启动虚拟管理进程，获取虚拟管理进程的输出信息并展示。

(3) 调试客户端。包括可视化调试、虚拟液晶调试、IEC 61850调试、IEC 103调试等。

(4) 虚拟数据处理。为虚拟装置提供数据源，支持波形读取解析和通道映射，支持第三方仿真软件，例如直流电磁暂态计算程序/电力系统分析仿真软件(electro-magnetic transient in DC system/power system computer aided design, EMTDC/PSCAD)的输出数据，支持自定义格式的数据阵列等。

(5) 虚拟管理进程Master。对应装置主CPU的管理进程Master，读取装置配置文件，加载装置实时、非实时组件，进行实时任务、非实时任务调度，创建释放共享内存。

(6) 实时组件。对应装置各个处理器的程序功能，编译为动态链接库，此外主CPU的Slave进程也重构为实时组件。

(7) 非实时组件。对应装置主CPU基于操作系统开发的通信、人机交互等服务进程，包括IEC 61850、IEC 103、LCD等，独立编译为若干动态链接库。

(8) 平台接口库。包括DSP/IO实时库、主CPU实时库以及主CPU非实时库，提供装置平台化公共接口和服务，定义实时组件、非实时组件的导出接口函数，提供数据注册、变量管理、总线通信等功能。

在图2中标示了虚拟运行平台和装置实际运行平台的模块映射关系：虚拟管理进程Master从主CPU的Master进程中移植重构，并增加了组件加载管理等内容。实时组件对应DSP/IO/主CPU的Slave 程序，根据配置的插件数量创建对应的实时组件实例。非实时组件对应主CPU的IEC 61850、IEC 103、LCD等程序，根据配置的服务进程功能列表创建对应的非实时组件实例。虚拟平台接口库包括驱动层和操作系统适配层的封装接口、公共数据管理等功能。

1.4 虚拟运行“等价”实现技术

虚拟运行平台的“等价”实现技术如图3所示。通过管理进程Master加载各类组件，完成虚拟装置的创建和初始化过程。实时组件之间通过实时多路同步高速传输串行总线协议(high performance time determinate multiplexed synchronous serial bus , HTM)/控制器局域网络(controller area network, CAN)数据总线交互数据， Master与Slave、主CPU非实时组件之间通过共享内存交互数据，通过虚拟FIFO交互报文。Master和DSP/IO实时组件之间通过CAN总线交互数据。图3中， Slave从功能隶属关系上划分为主CPU的模块，从任务执行方式上划分为实时组件，在虚拟的实时任务中完成跨插件交换的数据帧缓存功能，并检测动作、自检、变位引用表中的变量翻转变化，形成事件记录和波形文件。

虚拟装置等价运行的关键步骤如下：

(1) PC机仿真主界面进程获取仿真设置信息，启动嵌入式装置的虚拟管理进程。虚拟管理进程读取装置配置文件，获取硬件配置信息，加载各个处理器的实时组件，获取主CPU的进程配置信息，加载对应的非实时组件；管理进程读取配置文件中人机通信配置信息，创建配置共享内存；管理进程在加载组件时，提取并记录预定义的组件导出函数地址。

(2) 虚拟管理进程按照硬件声明顺序，通过虚拟CAN总线和实时组件进行初始化交互，管理进程汇总各个实时组件的数据交换信息，创建数据总线。虚拟管理进程按照配置文件中的非实时进程声明顺序，通过虚拟FIFO和非实时组件进行初始化交互。

(3) 虚拟管理进程启动虚拟实时任务调度线程，调用实时组件预定义的导出接口，串行执行各个等级的实时任务。虚拟管理进程启动多个非实时线程，调用非实时组件周期任务，实现和多个调试客户端的并发通信。

图3 虚拟运行平台等价实现示意图Fig.3 Equivalent realization schematic diagram of virtual operating platform

(4) 虚拟装置运行过程中，实时组件基于数据总线获取处理器之间的交互数据，实时组件和非实时组件基于共享内存交互数据。实时SLAVE组件将非实时组件的变量代理刷新到共享内存。

2 虚拟运行平台关键模块设计

2.1 组件接口设计

实际装置可以等效为若干独立运行的进程，通过硬件中断或系统调用触发任务执行和数据同步，而虚拟装置中，如果采用若干进程模式，基于管道通信进行每个周期的同步，处理复杂度高，开销大。而若采用单个进程模式，在1个进程中集成多个CPU的程序，需要避免变量命名和函数重复，即需修改各个CPU的程序，增加1层数据封装，导致嵌入式应用程序和仿真程序有较大差异，无法实现同源维护。为降低实现复杂度，文中采用了组件模式，即将各个处理器的应用程序和Linux下Slave进程、通信进程重构改造为组件，Master进程在初始化过程中加载组件，各个组件有独立的数据和函数空间，可解决变量空间冲突，组件之间通过预设的导出接口进行功能调用。在Windows下组件编译为动态链接库(dynamic load lidrary,DLL)，DLL是一组源代码模块，每个模块包括一组可被外部模块调用的函数，模块的变量作为私有数据，只能通过接口函数访问和修改。文中通过LoadLibrary接口显示加载方法，在Master初始化过程中将DLL文件映射到该进程的地址空间中，操作系统为DLL实例分配相关变量对应的存储器，保留一段独立区域直到进程运行终止时释放。以实时组件为例，组件模型如图4所示。

图4 组件模型Fig.4 Modeling of package

组件的导出接口均在系统库中定义，Master在启动过程中调用组件的导出接口，完成组件的构造过程，系统库通过预设的appNewComponet、appInitComponent接口，在组件的初始化过程中调用应用级元件构造、初始化接口。

2.2 平台库设计

UAPC平台上运行的程序分为应用程序和系统程序两部分，平台系统程序为控制保护应用程序执行构建了完整的环境。在虚拟运行平台库中定义和实现组件导出接口。平台库的功能设计如下:

(1) 元件管理功能。 所有应用按照元件的概念进行封装，应用功能结构清晰，具有重用性，为可视化编程配置提供了基础。基于统一的系统程序和标准化的应用程序接口，应用元件与硬件脱离，提高了应用元件的通用性，为虚拟运行创造了必要条件。

(2) 变量注册功能。提供输入、输出变量注册接口，管理平台和应用的对外变量，支持通过层次变量名、Hash键值快速查找获取变量属性。

(3) 参数管理功能。为了实现应用元件的可重用，同时又能够适应不同的工程的需求，通常给元件设计参数，通过改变参数的值改变元件的特性。应用元件将参数的名字、属性注册到装置的参数数据库中，装置管理程序从装置配置文件中读取定值组信息，以平台结构化的参数名为索引，建立起两者之间的映射关系。

(4) 任务管理功能。平台提供任务管理和调度功能，支持应用程序创建、添加、删除、运行各个级别的任务和设置周期。应用开发人员无需关心底层任务调度，只需选择合适任务优先级即可满足各种应用的灵活需求。

(5) 平台调试功能。包括文件下载、上装、查询变量、查询内存等功能。其中查询变量的关键是获取变量的类型和地址。对于元件的注册变量，通过层次变量名在注册变量库中可获取变量信息。对于全局变量，调试客户端从编译器生成的符号表中提取。对于元件内部的静态变量，则结合元件首地址加分析元件头文件的获取的相对偏移，可得到变量信息[14]。

虚拟运行平台库基于UAPC嵌入式装置系统库进行重构，其中DSP库可高比例复用，并统一了各种CPU/DSP的字长、大小端。装置为了提高运行效率，对于不同处理器采用条件编译方式静态适应部分硬件差异。在仿真模式下，构建了硬件能力描述文件，不同插件类型可灵活配置数据总线的读写能力、交换方式，根据插件型号可动态执行相关分支代码，实现仿真模式下1个DSP平台库适配多种硬件。

装置主CPU运行嵌入式Linux环境，移植到Windows操作系统时，关键修改有：基于开源pthreadVC库，原生态支持了Linux的线程、信号量等接口；使用共享内存模拟了SDRAM实时文件系统，确保了Slave的录波、事件等应用层代码无缝迁移；基于windows的确定一个或多个套接字的状态接口(winsock API to simplify porting poll, WSAPoLL)等应用程序编程接口(application programming interface, API)实现了非实时模块事件触发响应功能。移植过程中，对gettimeofday、localtime_r、vfscanf等系统服务均进行了等价实现。

2.3 数据交换设计

保护控制装置的插件包括：管理CPU插件、计算处理插件、IO插件。管理插件和计算处理插件之间通过高速大容量实时的HTM总线作为数据传输的通道[15]，这些插件与IO插件之间则提供了CAN总线作为数据传输的通道。HTM总线上采用的是定周期传送机制，CAN总线上采用的则是面向事件的变化传输机制。在PC机虚拟运行模式下，对于CAN总线，应用层报文保持不变，链路层通过Master进行中转，采用回调函数，实现接收侧直接响应。对于HTM总线，虚拟装置无法实现现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)微秒级的快速交换周期，但需保证虚拟时间的精度以及各个组件之间的数据交换同步机理和实际装置一致。数据交换和任务调度周期存在对应关系，HTM0、HTM1交换周期和任务1、任务2周期一致，其余等级的任务周期则基于HTM0、HTM1扩频实现。

仿真模式下，HTM总线基于全局共享内存实现，其原理如图5所示。

图5 虚拟运行数据总线原理Fig.5 Virtual operation principle of the data bus

每块插件在HTM周期中从共享内存读取数据，并将本插件的输出写到共享内存。实现过程如下：

(1) 每个元件在初始化阶段向系统数据库注册该应用元件可用于跨插件交换的输入、输出变量，在制作元件符号库阶段，根据输入输出接口函数，从C文件中提取相关信息，形成输入输出管脚。

(2) 通过可视化集成工具，从元件库中挑选元件以图形化方式搭建嵌入式装置应用程序，并通过跨页面输入、输出符号和连接线配置插件之间数据流关系，形成装置的程序驱动包。

(3) 可视化集成工具读取页面文件，根据设置的页面和元件执行顺序，依次提取插件间跨页面连接符号的连接信息(变量名、变量注册类型、变量字节、数据总线类型), 形成用于插件间信号交换的输出-输入列表。

(4) 可视化集成工具离线分配变量传输地址。对各块插件以插件编号升序紧凑排序，依次处理。对单块插件的输出变量，按照页面内元件执行顺序和变量注册类型，以自然边界对齐的原则分配变量在数据总线上的传输地址，输入变量则记录源输出变量对应的传输地址。以插件为单位，形成配置文本，记录元件实例、输出变量地址和输入变量关联地址信息。

(5) 将配置文本下载到各个插件后，由插件系统引导程序解析地址信息，在周期任务中将输出变量值刷新到对应的总线传输地址，将总线地址上数据刷新给对应的输入变量，完成变量交换。

2.4 任务执行设计

嵌入式装置基于优先级的抢占式任务调度管理，严格保证高等级任务优先执行。中断源由多个外部IO、内部定时器和软中断组成，任务调度程序在中断驱动下，有选择地执行任务链中的任务。由于高优先级任务会打断低优先级任务执行，系统软件还提供关中断、信号量等多种手段以保证数据安全和对资源有效访问。

虚拟运行模式下，由于PC机定时器只能实现毫秒级的精度，并且主要目的是进行应用逻辑和装置配置的仿真，故未构建等价实时仿真系统，而是采用了串行执行和虚拟时标机制(不模拟中断嵌套)，如图6所示，各个实时组件的相同等级任务是串行执行，以微秒为刻度更新虚拟时间，按照HTM0周期为步长校准虚拟微秒值、毫秒值，并将当前虚拟时间刷新到共享内存。应用程序对于展宽、延时的操作是微秒级，虚拟时标精度能够满足要求，插件间的虚拟数据交换周期和装置的实际数据总线机制是一致的，所以不需要修改数据插值同步的代码。串行执行算法在PC机仿真、EMTDC/PSCAD第3方软件混合仿真中都进行了应用，基于波形验证仿真结果、EMTDC一次/二次系统混合仿真结果和实际装置一致。

图6 虚拟运行任务执行原理Fig.6 Virtual operation task execution principles

2.5 实时组件设计

实时组件包括DSP应用组件、IO程序组件和平台Slave组件。应用组件是各个DSP运算组件，是进行保护控制运算和逻辑处理的组件，应用组件基于实时库开发，基于元件动态注册技术[16]，通过调用应用级元件构造、初始化函数完成应用层功能实例构建。仿真设置界面支持导入嵌入式程序目录，自动形成Makefile和VCProj工程编译。装置运行程序切换到仿真模式下，需修改采样元件，调用波形通道访问接口，逐点读取数据。对于数字化GOOSE接收输入，则从虚拟GOOSE仿真输入元件中获取数据。

虚拟平台IO程序组件基于实时库开发，在任务队列2中执行，支持CAN数据交换功能，在可视化调试时可修改输出变量值。

虚拟平台Slave组件提供如下功能：FPGA的HTM数据3 s缓存功能，通过循环读写缓冲区，缓存累计3 s的HTM0、HTM1的数据帧，用于装置启动录波时记录故障触发前数据；HTM代理发送接收功能，代理非实时组件的跨插件交换变量的数据发送、接收，将数据刷新到共享内存；事件报告和录波功能，在实时任务中检测信号变位，形成报文记录；检测触发录波变量，启动录波线程，形成波形文件；LED灯状态刷新功能、状态统计功能等。

2.6 非实时组件设计

非实时组件包括平台的公共服务，例如LCD液晶、IEC 61850通信、IEC 103通信等，在Linux下对应独立的进程，和Master、Slave通过FIFO交互报文。在虚拟运行模式下，上述公共服务进程改造为主CPU的非实时组件。将原先在main中主循环执行的select-poll任务封装为组件导出接口函数，在管理进程中启动线程执行。各非实时组件的任务线程并发执行，并根据共享内存中当前虚拟时标从Slave创建的HTM缓存区中读取数据，上送给客户端。在Windows下构建了基于MMS库的IEC6 1850服务器端，将MMS库中侦听、接收的socket统一纳入平台的fd管理集，在非实时线程中处理网络通信报文，支持模型读取、数据集显示、报告上送、文件传输等服务功能[17]。

2.7 管理进程设计

虚拟运行平台基于一主多从模式，管理进程Master主要功能如下：

(1) 配置解析。分2次解析过程，第1次是快读config.txt，获取装置信息、插件配置信息、信号个数、引用表个数、定值组个数等统计内容，为分配共享内存做准备。第2次是详细读取任务周期、信号描述、定值、数据交换配置信息、引用表等内容；

(2) 装置初始。在初始化过程中创建共享内存和数据总线，形成定值库和信号库，根据硬件配置和进程配置信息，加载相关组件，调用组件构造、初始化等接口，完成组件的数据创建和功能初始化过程。

(3) 装置运行维护。启动实时任务调度线程、非实时任务调度线程，运行过程中可视化调试通信功能；运行过程中信息显示、状态监测；运行结束后组件卸载、资源释放等。

2.8 应用实例

以保护装置PCS-974为例，使用SOC多核插件，通过平台软件PCS-Explorer和模块化元件库完成应用程序和HMI功能的配置。PCS-Explorer形成的驱动包可下载到装置运行，也可在虚拟环境下运行，实现应用可视化程序和配置的同源开发维护。虚拟液晶调试如图7所示，LCD组件增加了TCP通信功能，和LCD调试客户端通过报文交互，实现了物理液晶的显示和键盘操作响应的模拟功能。可视化调试如图8所示,双击连接线即可进行可视化程序页面的在线调试，提高了调试效率。

图7 虚拟液晶调试Fig. 7 Virtual LCD debug

图8 虚拟可视化调试Fig.8 Virtual visual graph debug

3 结语

通过将虚拟装置划分为管理进程、实时模块和非实时模块，支持装置整机功能的模拟和测试。基于平台化的开发方法，装置研发人员的配置和程序可在实际装置和虚拟装置中运行，并进行程序配置的同源维护，支持单步调试, 提高了开发效率。装置研发人员在出差过程中、装置不具备的条件下，也能开发调试应用程序和验证配置，缩短了开发周期，保护控制装置虚拟运行平台在部分PCS装置开发中进行了应用验证。

需要指出的是，虽然虚拟运行平台通过输入波形文件、EMTDC混合仿真进行保护逻辑验证，其仿真验证结果和装置动作结果一致，但由于仿真忽略了与功能无关的硬件特性[18]，并且由于不同编译器的优化方法存在差异，不同硬件在存储结构、数据指令预取、Cache参数也存在差异，在并发操作、时间性能评估方面，仿真运行测试无法替代实际装置运行测试。通过虚拟运行平台验证的程序和配置，归档前仍然需要进行严格的自动化测试和部分动模测试。本文下一步的研究方向是评估近似计时的仿真架构可行性，从而给出可信的程序性能统计分析信息。

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