芯片化保护测控装置方案研究

习伟，姚浩，蔡田田，陈波，陈浩敏，王跃强，陈秋荣，徐万方

（1.南方电网科学研究院有限公司，广东广州 510080；2.广东电网佛山供电局，广东佛山 528000；3.北京四方继保自动化有限公司，北京 100085）

芯片化保护测控装置方案研究

习伟1，姚浩1，蔡田田1，陈波1，陈浩敏1，王跃强2，陈秋荣3，徐万方3

（1.南方电网科学研究院有限公司，广东广州 510080；2.广东电网佛山供电局，广东佛山 528000；3.北京四方继保自动化有限公司，北京 100085）

为解决当前数字化变电站建设中的二次设备的复杂性、可靠性、安全性、长寿命、低成本等问题，提出了一种芯片化保护测控装置方案，用1个片上系统SOC芯片加以必要的接口、存储外围回路实现了数字化保护测控装置的功能。110 kV试点工程的展开将科研成果转化为实际应用，结果表明，芯片化保护装置整组性能及可靠性显著提升。

片上系统；继电保护；数字化；IP核；全可编程

继电保护技术经过百年的发展，在特定的领域对原理还在进行探索[1-3]但原理本身的潜力已经得到了充分的开发[4-6]。经过多年的积累，应用于工程的继电保护装置在定值、端子等方面已走上标准化道路，国网和南网均有相应的标准规范发布并实施[5-8]。其中，定值标准化说明同一类型的保护装置实现的原理趋于标准化。从软件和硬件角度提高继电保护设计、制造和运行水平，是继电保护装置发展的方向[9-10]。多年来专家学者对保护的软件平台[11-12]和硬件平台[13-14]和进行了研究，基于平台而不是单一产品型号开发已成为业内共识。多核处理器在二次设备中已经有成功应用[13]，然而，装置的硬件构架仍然采用多板卡组合方式通过总线交互信息。即使是数字化装置也只是用SV（sample value，SV）采样插件、GOOSE（generic object oriented substation event，GOOSE）插件代替了常规装置的交流采样和开入开出插件，用光纤接口代替了常规端子接线，CPU插件和人机接口方式未发生根本改变。大量的光电器件导致装置越来越复杂，单个装置元器件数量达到几千上万种，装置可靠性并没有得到显著提升，全生命周期成本也没有得到显著下降。既然这些问题是多插件结构所固有的，那么要解决这些问题必然要针对结构探索其他的途径。

作为集电力、微电子、材料、信息等技术之大成者，新技术、新材料、新理论的涌现为继电保护技术的不断完善提供了技术基础。SOC（system on chip，SOC）技术在通信、视频等领域得到了成熟的商业应用，是可能给继电保护技术带来突破的潜在因素。继电保护领域开展过定制专用芯片的研究，文献[15-18]在国内首次提出继电保护级专用芯片的概念，但是受限于当时的软硬件水平，未能实现工程应用。目前多个公司推出的半定制芯片技术既具有定制芯片的集成度与可靠性，又为用户提供一定的开发空间，可满足不同电压等级不同类型保护测控装置的应用需求。将SOC技术的成果与当前二次设备开发所积累的经验相结合，形成芯片保护装置，从技术上是可行的。

较之于常规的单一保护装置或测控装置，用于数字化变电站的集保护测控一体化装置是当前继电保护装置功能的最高体现，对软硬件要求更为苛刻。本文选取110 kV数字化保护测控装置作为芯片化二次设备的研究对象，用一个集成ARM硬核的SOC芯片Zynq-7000加以必要的接口、存储外围回路实现实现了多个插件传统装置的功能。

1 片上系统SoC简介

片上系统SOC被广泛认同的一种涵义是指在单个芯片上集成一个包括微处理器、存储器以及采集、处理等外围电路的完整系统，各个功能模块在微处理器的协调下共同完成芯片的系统功能。SOC具有3大技术特征：

1）采用深亚微米工艺技术。

2）IP核复用。

3）软硬件协同设计。

SOC的开发是利用IP复用和深亚微米技术，采用软件和硬件结合的设计和验证方法设计出满足性能要求的高效率、低成本的软硬件体系结构。SOC设计综合并全盘考虑整个系统的各种情况，较之IC组成的系统可以在同样的工艺技术条件下可以实现更高的系统指标。

目前主要有2种SOC系统的设计方法：一种是自上向下与自底向上相结合的系统设计方式，采用此方式设计者可以根据所设计的系统灵活选择结构和IP核，在成本、功耗和性能上有一定的优势，但风险和难度较高。另一种是基于设计平台，充分利用平台公司所提供的软硬IP核和体系结构设计系统根据自身需要进行裁剪和应用扩充，设计时间较短，风险低，适用于系统集成度高、功能复杂灵活和开发周期短等场合。

作为嵌入式系统技术的风向标杆，SOC是集成电路发展的必然趋势。更智能的专业化软硬件平台，将是嵌入式系统的未来。电力系统稳定关系国计民生，基于嵌入式系统开发的电力二次设备作为电力系统的保障，同时也是电子工业自动化的一环，亦应将电子工业发展的成果纳为己用，实现产业融合从而更好的服务于电力系统。

2 芯片化保护测控装置方案设计

数字化测控装置兼具继电保护、测量、控制和电能量分析等功能以适应运行需求。常规装置由通过背板总线相连的多个独立板卡组成：

1）电源板。

2）DSP板完成保护计算。

3）管理CPU板实现人机界面、数据通信、打印和时钟对时。

4）SMV板接收处理SV采样值报文。

5）GOOSE板负责采集现场开关、刀闸等位置信息及控制现场开关、刀闸分合。测控功能由DSP板或管理CPU板实现均可。

SOC设计强调在更高的抽象层次上进行设计开发，同时还提倡尽可能利用已有的资源。芯片化保护并不是全新的保护，在功能上它与常规装置并无二致，区别仅在于将所有功能集中于一块板卡上完成。芯片化保护测控装置采用了同样的继电保护原理，继承了现有保护软件对安全性、可靠性的处理原则。和标准的数字化保护一样，它通过和MU、智能操作箱之间的通信，实现保护功能。

2.1 核心芯片选型

继电保护装置面临高度复杂的系统功能和越来越紧的产品开发周期的压力，设计者必须借鉴和利用已经成熟的设计为自己的产品开发服务。在这种思想指导下，采用第三方IP核基于设计平台进行设计成为SOC设计的必然。一款具备操作系统、中间件及应用在内的丰富生态系统并且能够方便的开展嵌入式硬件系统的构建、操作移植、应用软件设计3部分工作，是芯片选型的着眼点。综合实现难度和经济性等因素，本文通过半定制芯片Zynq-7000 SOC实现了装置开发。

集成了双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器与Xilinx 28 nm FPGA的Zynq-7000 SOC带来了软件和硬件全面可编程的SOC平台[19-21]，一经问世即被誉为“为嵌入式行业和FPGA业打开新的篇章”。其生产公司是可编程控制技术和器件的全球领先企业，可提供软硬IP核和体系结构设计系统。运行速率高达1GHz的Cortex-A9内置Neon/VFP协处理器再结合基于FPGA的硬件加速可以提供前所未有的DSP性能，Zynq-7000的性能达到甚至超越了其他厂商采用更高处理器频率的双核解决方案，而且在很多情况下其功耗更低。处理器与片上FPGA之间的紧密集成使得能够添加几乎所有外设或创建定制加速器扩展系统性能，并满足继电保护及测控的各种应用需求，这是芯片化保护装置得以展开的基础。

选定嵌入式系统平台之后，继电保护装置开发者关心的是如何借助于该平台实现保护和辅助功能。Zynq-7000芯片独特之处在于它是FPGA和处理器的有机结合，可以由处理器而非可编程逻辑元件对芯片进行控制。ARM处理器业界领先，已在电力二次设备领域广泛采用，在软件编程模式下Zynq-7000芯片和全功能的标准ARM处理器芯片毫无区别。作为某种意义上“以软件为核心的仪器”，该公司提供与芯片配套的嵌入式开发工具及平台，使系统设计流程得到简化，可将C/C++语言编写的高级算法转化为FPGA硬件实现方案。这些特点非常适合习惯C/C++语言和对ARM处理器较为熟悉的继电保护开发工程师，从而让研发工作集中在算法而不是硬件上，是芯片化保护装置得以快速进行的有力保障。

2.2 基于ZYNQ芯片的架构设计

如何在一个芯片上高效、安全、可靠地实现通讯、数据预处理、算法实现、保护逻辑、计量、录波报告等全部功能，系统架构设计异常关键。不同于以往的开发模式，芯片化保护测控装置的软硬件设计不是2个独立的设计单元，二者在设计之初便交织在一起，相互提供设计平台，相互作用实现了并行性，是真正意义上的软硬件协同设计。

系统架构设计的目的是对硬件和软件进行任务分割，这是Zynq-7000应用中最难的部分，也是实现最优化设计的关键。具体到芯片化测控保护装置来说，需要解决2个问题，一是明确CPU与FPGA的工作分配；二是双CPU之间的任务分配。FPGA擅长并行处理可以针对不同功能建立特定模块，装置从外部接收的SV/GOOSE等数据具有并行特性，通过FPGA进行算法设计，实现数据接收和预处理的底层操作提升算法的执行效率，不仅节约预处理时间，而且能够有效降低处理器的运算量，使其可以有更多的时钟周期处理更为复杂的逻辑操作。保护逻辑和人机交互程序的开发方面，擅长高层次处理的ARM处理器相对于FPGA有着先天的优势。

继电保护经过了多年的实践，对于多CPU协同合作、功能模块划分、时序配合等已经有一套行之有效的原则和实施方案值得借鉴和吸收。当前主流厂家保护装置的通用做法是实时性要求高的功能模块，如保护等由一个CPU完成，非实时性任务如通讯等其他辅助功能由另一个CPU完成。参考这种方式，芯片化保护装置将处理器与FPGA的分工如下：

1）一个A9内核采用Bare metel模式完成实时性要求高保护计算，主要包括数据处理和保护算法。

2）另一个A9内核运行Linux操作系统处理测控、人机界面、网络通信等非实时任务。Linux核具备丰富的网络支持资源，如带有TCP/IP协议栈，这给开发具有以太网通信能力的数字化继电保护设备带来极大的便捷。同时Linux产业链越来越成熟，基于Linux的开发成本相对于vxWorks来说也更低。

3）FPGA中实现软IP核：网络风暴抑制、加解密、SV/GOOSE、插值模块、滤波模块（向量生成）、以太网模块等。智能的系统、灵活的软件、紧密配合擅长实时处理的硬件，辅之以优化的接口，组成了基于Zynq-7000的系统架构如图1所示。

图1 系统架构图Fig.1 Architecture block diagram of the system

2.3 软件方案

数字化测控装置功能复杂，不同电压等级和不同型号装置版本多。为了便于扩展和定制化升级，本文以层次化、模块化为主导思想提出一种芯片化保护测控装置通用软件平台，如图2所示。应用层、系统层、驱动层和前端处理层的4层软件架构使各层开发能够并行开展，加快了开发效率。公共软件部分抽象为系统层、驱动层和前端处理层3个部分实现，应用层主要完成保护逻辑相关的功能。

图2 软件平台示意图Fig.2 Schematic diagram of the software platform

2.3.1 系统层软件构成

系统层主要完成：

1）LINUX操作系统程序。

2）驱动管理、内存管理、时间服务。

3）标准化应用数据接口。

Linux内核是硬件和软件之间的一个中间层，拥有受保护的内存空间和访问底层硬件设备的权限。Linux内核一方面充当底层驱动程序，对系统中的各种设备和组件进行寻址；另一方面将应用程序的请求传递给硬件。

对传统保护测控装置已经成熟的功能进行沉淀，通过归纳、总结和提炼，形成不同的模块，这部分的工作成果具体体现在应用层。应用层各模块严格按照IEC61850规约标准定义实现完成保护逻辑、测控逻辑、通信模块实现以及录波功能：

1）保护元件。差动保护、距离保护和零序过流保护等。

2）测控元件。遥信、遥测、遥控等连锁功能。

3）通信模块。与后台监控、调试工具等接口。

4）录波功能。标准comtrade格式录波。

测控、通信、录波等模块则属于继电保护通用功能，可根据不同保护对象（如线路、变压器、发电机等）选择相对应的若干个保护元件进行组态和配置最终输出符合要求的应用层软件。应用层软件的模块划分提高了不同保护对象代码的复用率和可移植性。

2.3.3 驱动层

完成Zynq各外设功能驱动设计。

1.2.1X线检查 采用日立公司Radnext 50 DR检查仪，扫描参数：55～80kV，200mA。拍摄正位、侧位X线片，所有X线片均由主治医师阅片，并经高年资医师审核。

2.3.4 前端处理层

针对数字化变电站数据传输速率快、实时性要求高的特点，前端处理层充分利用芯片大容量FPGA的并行处理技术，实现与外部通讯、数据采集和预处理功能：

1）SV报文解码，实现对订阅SV报文的电气量解析、低通滤波和插值同步等功能。

2）GOOSE报文的订阅、解析，并把解析数据量上送。

3）接收开关量信息，依据GOOSE发布模板进行GOOSE报文发送。

4）负责前端报文分发功能，对SV/GOOSE/MMS进行不同的处理。

5）网络风暴抑制，并具有对订阅的SV/GOOSE报文统计、告警的功能输出。

2.4 关键技术

芯片化保护测控装置的开发结合了二次设备开发的模块划分、安全防护等经验和Zynq-7000的特点，开发过程得益于以下的一些关键技术。

2.4.1 基于ARM Cortex-A9 MPCore双核硬化实现的AMP处理器架构

多处理器的系统结构主要有2类：对称多处理（symmetrical multi-processing，SMP）和非对称多处理（asymmetrical multi-processing，AMP）。1 GHz双核硬化实现的ARM Cortex-A9 MPCore微处理器是Zynq-7000平台的核心，在物理上双核共享4 GB地址空间，每个核都能访问所有的地址空间。不同于Zynq-7000工业应用中双核大部分采用SMP架构，芯片化保护测控装置双核处理器沿袭继电保护装置的安全和高效相结合的处理原则，采用AMP架构，保护核作为主核，操作系统为次核。主核和次核均开启各自的L1 cache地址空间，通过设置保证主核和次核只能访问属于自己的地址空间。双核共享中断控制器、512 kB的L2 cache、SCU、程序FLASH等资源，主核管理共享资源，次核对共享资源只有使用权。双核软件无需对cache做特殊操作即可实现高速数据共享，从根本上解决了常规装置采用CPU核与DSP核实现的时存在的数据共享效率及带宽问题。只有主核具有共享资源的配置和管理权限，有效保证了装置的安全性。双核使用DDR（double date rate，DDR）共享数据，相对多芯片架构的数据共享方式抗干扰能力更强。

2.4.2 基于AXI4连接总线的高速通讯

检验新一代系统的处理能力的不仅仅只是CPU的性能，还包括接口的处理能力，后者在很大程度上决定了整个系统的应用能力。Zynq-7000采用了AXI4连接总线，如图3所示，这样的布局在FPGA与处理器之间形成很宽的带宽，从而具备惊人的数据吞吐能力，提升了数据的交互处理能力。FPGA和ARM之间基于ACP的高速流数据通信可以达到8 GB速率，远高于目前数字化测保装置内约为100 MB的通讯总线。FPGA内定制的GOOSE/MMS/1588报文处理等软IP均使用标准或轻量级的AXI总线接口，通用性强便于扩展。高速通讯保障了SV+GOOSE+MMS数据可以并行处理，继而实现将SV+GOOSE+MMS三网合一数据合并到一个千兆光纤以太网介质。

图3 SoC总线图Fig.3 Bus Figure of SoC

2.4.3 适合保护测控装置的IP核的设计和复用

IP核的设计和复用是决定SOC系统高效的关键因素，芯片化保护装置中使用的如以太网控制器等硬IP遵循数据手册用来实现通用功能，软IP灵活性大，可移植性好，可以实现各种逻辑功能是应用的重点。本文形成了具备自主知识产权的SV、GOOSE等的RTL级描述文件IP核。

2.4.4 高效代码处理与实现设计流程

目前电力设备二次设备的软件开发大多是基于C/C++程序语言进行的，架构设计中为提高运算效率，将部分算法采用FPGA实现。C/C++语言编写的高级算法如果采用常规的FPGA硬件实现方案需要逻辑设计人员在VHDL或Verilog中对算法重新编码，这个过程需要手工操作，效率低且容易发生错误。芯片化保护测控装置借助于Zynq-7000平台将基于C/C++代码实现的已经成熟的算法如FFT等定制化并转换为硬件描述语言（HDL），通过AXI接口插入Zynq SOC的FPGA架构，利用FPGA进行硬件加速。同时，平台可以将运行于处理器的C语言代码和FPGA编码编译成统一的BIT文件，下载到芯片上运行，缩短开发时间。

2.4.5 独特的安全保障技术

设备的安全运行和信息的安全维护是电力系统安全运行的基础[20-21]。芯片化保护继承了传统保护对定值处理、存储等环节的自检技术，但基于SOC平台的硬件是将一个系统的功能集成到一个芯片来完成的，容错问题具有一些不同以往的特点，如何保证芯片自身可靠工作就成了需要研究的新问题。Zynq-7000具有独特的防篡改（AT）技术，可充分利用这个特性来采取措施。Zynq-7000平台总是先启动处理器端然后再启动FPGA，利用Zynq-7000内含的AES-256解密引擎和HMAC认证引擎保护芯片化保护装置软件的二进制可执行代码、固化数据以及FPGA的bitstream编程文件不被窃取和使用。另外，修改次核操作系统核心代码，保证其复位，不影响保护ARM的运行。通过这些措施，既保证了芯片运行程序不会被篡改，又保证了即使管理ARM核出现故障，也不影响保护功能的运行，从而满足智能化保护装置高可靠性的要求。

3 结语

SOC强调的系统级的综合设计及软硬件的更紧密联系与当前电力二次设备开发追求的理念完美契合。在芯片主频提高FPGA应用成熟的背景下，以单个核心芯片研制高度集成、信息交互灵活、小型化、就地化的保护装置直接安装于一次设备旁，可以达到安全高效、降低成本和简化运维的目的。本文结合先进的SOC技术和成熟的数字化测控一体化保护装置原理，完成了芯片化保护测控装置的开发。选取某110 kV数字化变电站广东佛山110 kV瑞颜站开展试点建设，所研发装置已于2015年12月挂网运行。该装置的开发取得了如下成效：

1）遵循保护测控装置功能分布式、实现集成化的技术路线，二次设备的功能组件将大幅减少，所用材料数量将会大幅减少，以器件为统计单位的系统复杂度将会降低。

2）半定制芯片内部IP自主设计、仿真验证。芯片内每行代码，每个处理模块都自主掌握，芯片信息安全隐患将得到根除。

3）将成熟的软件算法、功能实现进行抽象可简化软件代码沉淀知识产权，防止因开发不当导致的波及影响。装置的缺陷维护、功能升级造成的风险大大降低，可提高专业人员对设备的信任度。

4）通过半定制芯片设计逐步增加专用功能为后续有针对性的功能应用创造了有利条件，解决了多板卡装置可靠性低、成本高的问题。为二次设备就地化、一二次设备融合等打下了坚实的基础。

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Research on Chip-Based Protection and Measuring and Control Devices

XI Wei1，YAO Hao1，CAI Tiantian1，CHEN Bo1，CHEN Haomin1，WANG Yueqiang2，CHEN Qiurong3，XU Wanfang3
（1.CSG Electric Power Research Institute，Guangzhou 510080，Guangdong，China；2.Foshan Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Corp，Foshan 528000，Guangdong，China；3.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

To address issues of complexity，reliability，safety，long life and low cost and other issues of the secondary equipment in the construction of digitalized substations at present，this paper proposes a chip-based protection，measuring and control scheme.By adding the necessary interfaces and peripheral storage circuits to a SOC chip Zynq-7000，function of the digitalized protection，measuring and control device can be realized.A 110 kV Pilot is launched to translate the research achievement into practical applications and the results of the project will have rewarding significance.The result shows that the performace of protection on chip promote obviously.

System-on-a-chip；protection relay；digital；Intellectual Property core；All Programmable

2016-06-11。

习 伟（1980—），男，硕士，高级工程师，从事分布式新能源、电力系统继电保护和数字化变电站等方面的研究工作。

（编辑 董小兵）

南方电网公司科技项目（K-KY2014-041）。

Project Supported by the Science and Technology Program of China Southern Power Grid Co.，Ltd.（K-KY2014-041）.

1674-3814（2016）11-0091-07

TM403.5

A