DSI-5000系列微机保护装置采用单CPU和多CPU方案实现IEC6180通讯协议的优缺点分析

作者/张玉豹、昝洪良，国网山东省电力公司德州供电公司

DSI-5000系列微机保护装置采用单CPU和多CPU方案实现IEC6180通讯协议的优缺点分析

作者/张玉豹、昝洪良，国网山东省电力公司德州供电公司

DSI-5000系列微机保护装置的应用是构建数字化变电站的基础，要根据变电站整体要求进行设计。本文将对单CPU和多CPU的实现方案进行比较，分析利用单CPU和多CPU实现IEC6180协议的优缺点和具体实现过程，包括软硬件平台设计、模块建模、中断优先级设置和通信服务的实现。

微机保护装置；CPU；通讯协议

前言

IEC6180是变电站通信网络的标准协议体系，为变电站自动化系统的实现、各种智能设备IED的交互操作提供了无缝集成途径。随着相关研究的不断深入，各试点工程提出了不同的实现方案，在硬件上要求CPU具有足够快的处理速度，软件也需要操作系统的支撑。CPU方案主要可分为单CPU方案和多CPU方案，各有各的优缺点，通过对两者进行比较，可以为IEC6180通信协议实现的方案选择提供参考。

1. DSI-5000系列微机保护装置的单CPU和多CPU实现方案的优缺点比较

微机保护系统主要由高集成度单片机、电压电流互感器、中间继电器、开关电源模块等基础部分组成，适用于110kV发电厂和变电站，可以为系统电压电流提供保护，并实现测控功能。随着基于IEC6180通信协议数字化变电站建设研究的不断深入，相关技术逐渐成熟，能够实现对各厂商提供的智能设备IED进行无缝集成。该通信一些的硬件设备以工业以太网为基础，软件主要基于MMS协议集进行设计。在硬件上主要对CPU处理速度有较高要求，而且存储器容量要足够大。软件平台需要由操作系统提供支持，目前多数厂家采用2到3个CPU的设计方案，其中一个用于实现IEC6180通信功能，一个用于实现人机交互功能，另外一个则用于数据采集和系统保护。

多CPU方案应用较多时由于基于多CPU的系统各功能模块可以独立运行、互不干扰，能够提升系统保护的可靠性，因此在市场上占据主流地位。而且IEC6180采用面向对线高的建模技术，提供了保护逻辑节点的建模模型，保护装置的功能模块均按照标准模型进行设计。采用多CPU方案，需要在实现各逻辑控制节点的基础上，增加一个映像模型，通过两CPU的数据通信实现数据传输功能。这回映像数据传输速率，而且会增加软硬件设计的复杂性。但是GOOSE的数据传输速度要求是在事件发生4ms内完成信息发送。

针对于这一问题，拟采用单CPU设计方案进行解决。单CPU设计方案的优势是软硬件开销低，事件响应速度快但其保护可靠性难以保证。而且单CPU的负荷率较高，对CPU性能提出了更高要求。经多方面综合考虑，现采用飞思卡尔MCF5275单片机作为系统处理器，该CPU添加了增强行乘加运算单元、静态存储器、以及高速缓存，可以满足保护设备的通信需要[1]。

2. DSI-5000系列微机保护装置实现IEC6180通讯协议

■2.1 软硬件平台设计

DSI–5000系列微机保护装置的软硬件设计是其功能得以实现的基础。硬件方面，CPU采用MCF5275,150MHZ主频片上具有16K数据/指令，能够满足双以太网通讯，实时时钟、A/D转换器应保证功能正常，开关量输入为16路，开关量输出为14路，光纤接口方面，应为RJ45或FX100，为便于进行观察，采用清晰度达到240P的显示器，并以LED灯作为指示器，该指示器设计时需具备基本的编程功能。软件方面，采用C++作为基本语言，所有基本PLC可编程模块以及其他可编程模块、自动化模块、节点均采用IEC61131标准设计。作为设备的核心模块，自动化模块、安全模块等必须具备基本的编程功能，各个模块之间需保证基本的功能性连接。设备还需具备录波能力，包括录波的长度、格式等可采用COMTRADE格式，并根据具体需要设定参数。操作系统方面，经测试以VXWORKS操作系统为宜。

■2.2 模块建模

建模工作具体进行前，首先要明确标准，如前文所说，采用IEC61131所定义的标准对各模块进行建设。其中的重点是PLC可编程模块。CPicBase是各模块的基本原型，具体建模时，可以在IEC61131标准下，寻找与CPicBase匹配的节点，以便进行调整。以延时过流保护为例，输入端的功能是软压板、电压闭锁，方向闭锁则通过分相闭锁信号控制。由于节点是在IEC61131标准下寻找、与CPicBase匹配的，定时限、反时限以及特定曲线均与动作曲线要求相同而时间定值在定时限中会出现延时的状况，作为时间常数，其在反时限中也具备时间常数的基本特点，因此特殊动作曲线中，时间定值没有特别的意义。

此外，包括逻辑门编程模型以及其他逻辑节点、可编程模块的建模工作也要在IEC61131标准下，尽量寻找与CPicBase匹配的节点，以实现对模块功能的精准把控。

■2.3 中断优先级设置

为了能够提高继电保护的可靠性以及效率，应该兼顾通讯设备的反应时间，做出合理的安排。任务优先以及分时调度的机制分为两个部分：首先是优先等级的分配。内核的工作内容包括网络任务、调试任务、调度任务、shell 100、用户任务安排等。在VxWorks系统中，同一个任务可以同时安排多项任务，也就是说如果内核被占用了则用户便无法使用了。但是，如果用户的优先级别高于内核，则可能会造成任务队列紊乱等现象，严重影响系统运行的稳定性。其次就是对DSI 5000系统的功能进行分类，具体可以分为通讯任务、人机接口任务、保护任务等。同时采用信号量的机制，在采样定时中发放信号量，进而保障内核能够快速响应。

另外，当CPU处于运行的状态中，可以对其负荷率进行检测。根据表1中的内容可以发现不同的工作状态下，CPU的负荷具有明显的差异。表1为CPU的实际负荷率。

表 1 CPU不同状态的负荷率

■2.4 IEC6180通讯协议的实现

装置系统在启动读取文件以后，会自动创建VMD，包括定值控制块、GOOSE控制块、缓存报告块、日志、数据集、逻辑节点等内容，同时还会映射出VMD中的逻辑点与数据区。利用逻辑点的接口函数，应该按照数据的读写操作以及VMD的信息来实现，以此实现各项数据的交换以及信息的保护。

IEC6180通讯协议的实现主要是由ML850–Comm–Server来实现的。事实上，通讯服务可以分为事件触发、定时触发两种机制，事件触发就是根据监视的状态为发出信号，而定时触发的时间为1秒。对于不同的保护装置需要使用与之相对的控制模型，具体可以分为四种，即提高安全性能的操作选择、增强安全的直接控制、常规安全的操作选择、常规安全直接控制。每一种控制与遥控的模型都是待机的状态，并且能够将相关的数据保护映射给MMS的读写操作中，并对相关的操作进行区别性的处理。当满足基本保护装置的基本要求以后，通信系统会自动将报告发送给内核处理器，进而实现通讯协议[2]。

3.结语

综上所述，微机保护装置的单CPU方案和多CPU方案各有各的优势和不足，采用性能符合要求的CPU实现单CPU方案，可以满足IEC61880通信协议要求，提升保护系统的响应速度。而且采用单CPU方案能够有效降低通信过程中的软硬件开销，降低建设成本，提高数字变电站建设的经济效益。

＊ [1]聂飞.基于FPGA的电力系统微机保护装置的设计与研究[D].安徽理工大学,2016.