摘 要： 介紹一種新型的變壓器保護(hù)測控裝置,。該裝置結(jié)構(gòu)上采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,，以ARM＋DSP的多CPU架構(gòu)為硬件核心,，以CAN現(xiàn)場總線為通信總線，以μClinux和C語言為軟件開發(fā)平臺,，實現(xiàn)對牽引變電所主變壓器的保護(hù),、測量、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，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)行管理的自動化水平,，變電站自動化技術(shù)得到了迅速發(fā)展。對于變電站自動化系統(tǒng)" title="變電站自動化系統(tǒng)">變電站自動化系統(tǒng)(SAS),，分層分布式結(jié)構(gòu)是目前變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向[1],，在這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，每一個間隔擁有自己的智能間隔裝置(IED),，該裝置需要實現(xiàn)保護(hù),、控制、測量,、通信,、錄波等所有功能,，這就對這些間隔裝置提出了很高要求。近年來微電子技術(shù),、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)這種裝置提供了條件,。
1 總體設(shè)計
1.1 一體化結(jié)構(gòu)
在變電站自動化系統(tǒng)中,，智能化的保護(hù)和測控單元也稱為IED，通常系統(tǒng)中的這些單元都是獨立的,，每個單元各自實現(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,、測控單元等,，或者至多是信息與控制結(jié)合成為綜合測控裝置，而保護(hù)裝置依然獨立,，這最主要的原因是出于對保護(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,、制造技術(shù)來解決,。
另外，IED的一體化設(shè)計有以下優(yōu)點：(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,，簡化接線，提高可靠性,。(4)容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,。
一體化設(shè)計的方法很多，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)備依然獨立,，它們之間采用通信方式聯(lián)結(jié),。
工程實際中三種都有應(yīng)用。但目前國際上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都傾向于第(2)種方案,。本設(shè)計即采用該方案,。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)計技術(shù),，擴(kuò)展測控功能，實現(xiàn)裝置的監(jiān)視和控制,。這種方案既實現(xiàn)了保護(hù),、測控的一體化設(shè)計，又保證了保護(hù)的可靠性,，相對比較合理,。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重要問題。
1.2 多CPU結(jié)構(gòu)
由于裝置實現(xiàn)的功能多,，必須實現(xiàn)變壓器的主保護(hù),、后備保護(hù)和測控通信功能，而根據(jù)繼電保護(hù)原則,，主保護(hù)與后備保護(hù)要求硬件上獨立以滿足可靠性要求,，保護(hù)與測控?zé)o關(guān)，完全不受通信測控影響,；同時裝置要求有較強(qiáng)的通信和管理功能和人機(jī)交互功能,。因此，單獨使用一種CPU難以實現(xiàn)所有功能,，不能滿足需求[3],，所以決定采用多CPU架構(gòu)，由單獨的CPU實現(xiàn)主保護(hù)功能,，另外一個CPU實現(xiàn)后備保護(hù)和測控功能,，它們之間再由一個主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,，相互獨立，并且它們的保護(hù)出口跳閘回路也互相獨立,，實現(xiàn)了保護(hù)的獨立性,，結(jié)構(gòu)緊湊，接線簡單,；后備保護(hù)DSP兼具測控功能,；通信和管理由ARM實現(xiàn)，負(fù)責(zé)與兩個保護(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)計思想,，采用C語言進(jìn)行程序的編寫。
2 硬件設(shè)計
2.1 總體結(jié)構(gòu)
本裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化結(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,。每個模塊作為一個子系統(tǒng)設(shè)計在一塊印制板上，各模塊都插在同一個底板上,，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,，體現(xiàn)分散分布的特點,。
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)動電源,、液晶觸摸屏電源及信號顯示電源等。
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、遙信,、遙控,、保護(hù)動作信息等；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)夭僮鳌⒄{(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)控制場合，適合于實時環(huán)境,，對于裝置的環(huán)境能夠適應(yīng),。處理速度塊、價格低,，可以安裝操作系統(tǒng)(μClinux),。設(shè)計中根據(jù)需要擴(kuò)展了接口電路，包括：時鐘電路,、JTAG及看門狗復(fù)位電路,、存儲電路、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模塊獨立完成,，保護(hù)功能完全獨立,，不依賴于ARM板，保護(hù)動作信息實時傳給ARM板,，整定值的修改通過接收ARM板傳輸?shù)男畔韺崿F(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)是專為實時信號處理而設(shè)計，該系列的DSP控制器將實時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)計中對TMS320LF2407擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲器,、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)是專為實時信號處理而設(shè)計,，該系列的DSP控制器將實時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板獨立完成，保護(hù)功能同樣完全獨立，不依賴ARM板,，保護(hù)動作信息實時傳給ARM板,，整定值也是由ARM板傳輸修改。同時該DSP板還具有測控功能,。其結(jié)構(gòu)與主保護(hù)主板大致相同,，主要是存儲容量、信號接口數(shù)量上有所增加,。
2.7 信號預(yù)處理模塊
硬件結(jié)構(gòu)中,，除了上述的各主板外，還有信號調(diào)理,、繼電輸出等信號處理電路,。主要是對輸入信號進(jìn)行調(diào)理以供給DSP板采集，接收DSP板控制信號進(jìn)行放大驅(qū)動,，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S3C4510B處理器沒有MMU模塊特點,，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,，還具有內(nèi)核小,、工具完備等優(yōu)點，非常適合本系統(tǒng),。
將μClinux移植到S3C4510B板上,，主要包括以下幾個步驟：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)動程序,，由于μClinux不支持模塊化加載,，因此只能將設(shè)備驅(qū)動(.0)靜態(tài)地編入內(nèi)核，并修改內(nèi)核驅(qū)動部分編譯時的Makefile,。
應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計思想,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),；此時需要自己把函數(shù)的實現(xiàn)做成另外一個庫供應(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)針對目前發(fā)展形勢,，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)測控裝置的新型IED,。作為變電站自動化系統(tǒng)中的間隔層智能裝置,，該IED實現(xiàn)了主保護(hù)、后備保護(hù)和測控功能的一體化,，為變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)和發(fā)展提供了先進(jìn)的設(shè)備條件,。
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