发变组保护装置界面&通信管理单元的设计与实现

崔殿彬

(国电南京自动化股份有限公司，南京 210032)

0 引言

在发电厂中，发电机、变压器的安全可靠运行和事故的正确处理对电厂乃至电力系统安全经济运行起着重大作用。发电机变压器组(以下简称发变组)保护装置是发电厂最重要的继电保护设备之一，为适应数字化电厂的发展趋势，在保证其可靠性的前提下，提供完善的人机交互界面以及高速可靠的通信处理能力是十分必要的[1-2]。

继电保护装置的界面及通信功能通常由独立的界面&通信管理单元(以下简称管理单元)实现。管理单元作为继电保护装置的重要组成部分，独立于装置的保护单元，是保护装置对外联系的桥梁。最近几年，由于电力系统自动化技术发展迅速，对继电保护装置管理单元的要求也在逐步提高，如丰富的人机界面功能、大量通信数据的处理、快速的界面及通信响应、长期连续稳定运行、安全的文件存储等[3]。鉴于上述原因，本文结合发变组保护装置的特点，提出了一种管理单元设计方案。

1 功能需求

1.1 管理单元在电力通信系统中的作用

管理单元从整体的角度对保护装置进行统一管理，对内与保护单元进行信息交互，获得装置的实时保护数据及运行状态信息，对外提供装置的人机界面、后台通信、数据打印、装置对时等功能。管理单元在电力通信系统中的位置如图1所示(图中：DCS为分散控制系统；USB为通用串行总线；DIO为数字输入输出；GPS为全球定位系统)。

1.2 功能需求分析

图1 管理单元在电力通信系统中的位置 Fig.1 Location of the management unit in the power communication system

综合分析发变组保护的发展现状，同时结合发变组保护装置的特点，保护装置的管理单元应实现的功能如下。

(1)人机界面功能。人机界面提供保护装置各种信息的显示和操作功能，主要包括保护配置信息显示、模拟量显示、开关量显示、定值显示及整定、保护投退状态显示及投退操作、事件记录等；辅助功能主要包括通信参数设置、密码修改、保护版本显示、保护单元地址设置、打印设置、语言版本切换等。

(2)通信功能。管理单元通过串口或以太网口与电厂的监控系统或DCS通信，支持的通信规约主要包括103规约、ModBus规约以及IEC 61850规约；管理单元与保护单元之间的内部通信可以采用已有的标准规约，也可以根据装置需求自定义通信规约。

(3)对时功能。管理单元同时支持脉冲对时与规约对时：脉冲对时包括秒脉冲对时、分脉冲对时、IRIG-B码(有源与无源两种方式)；规约对时包括103规约对时、ModBus规约对时及简单网络时间协议(SNTP)对时。

(4)打印功能。管理单元通过串口驱动针式打印机，如EPSON的LQ300-K+、OKI的MICROLINE 1190CS等，打印装置的定值清单、保护动作事件及动作参数、通信参数、录波波形等。

(5)录波数据处理功能。管理单元通过与保护单元通信获得保护录波数据，生成标准Comtrade格式的录波文件并存储，以实现波形界面显示、波形打印、录波数据后台上传等录波相关功能。

2 软、硬件平台

2.1 软件平台

现阶段，对管理单元的技术要求包括丰富的界面功能、大量通信数据的处理、快速的界面及通信响应、长期连续稳定运行等，这些目标的实现与其操作系统的稳定性、可靠性、实时性等密不可分。目前，自动化领域比较常见的嵌入式操作系统包括VxWorks，Linux，WinCE，QNX。从管理单元开发及应用的角度考虑，综合比较各操作系统的实时性、可靠性、价格、图形界面支持等，管理单元的软件平台选择QNX嵌入式操作系统。QNX是一个微内核的硬实时操作系统，其优势如下。

(1)QNX内核大小只有十几kB，运行于独立的内核空间，系统的实时性和可靠性高；同时，微内核也使其具有高度的裁剪性。

(2)QNX遵循可移植操作系统接口(POSIX)规范，支持ANSI C，移植性强[4]，在不同目标机之间移植工作量小。

(3)QNX提供基于 Eclipse的QNX集成开发环境QNX Momentics IDE，程序开发和调试方便；自带图形界面开发工具PhAB，图形界面程序开发效率高。

2.2 硬件平台

管理单元的硬件平台一般采用嵌入式平台，其硬件主要由嵌入式处理器、内存、外围电路、存储系统及对外接口等几个部分组成。对外接口通常包括CAN接口、RS485接口、RS232接口、以太网接口、显示接口、输入接口、对时接口等[5]。结合本文1.2章节中管理单元功能需求分析相关内容，从运行速度、可靠性、经济性多方面综合考虑，管理单元硬件平台采用AM3352芯片与EP4CE6F芯片组合的系统架构，其中AM3352为主芯片(ARM Cortex-A8)，EP4CE6F为辅助芯片(现场可编程门阵列FPGA)。管理单元硬件平台的配置参数见表1。

表1 管理单元硬件平台配置Tab.1 Hardware platform configuration of management unit

表2 管理单元软件模块说明Tab.2 Description of software module in management unit

3 软件设计与实现

3.1 软件模块

管理单元软件采用多进程的体系结构对其功能模块进行划分，软件由9个进程模块组成，各进程的名称及功能描述见表2。

ADMIN进程通过配置QNX操作系统的启动脚本加载，其他进程则由ADMIN进程加载，SC的加载依赖ICS的运行，而MMI，OCS，NS，PRN等进程的加载则依赖SC的运行。

3.2 进程间通信

管理单元软件的各个进程之间采用QNX进程间通信(IPC)的消息队列方式进行数据交换。除管理监视进程(ADMIN)和对时进程(GPS)之外，其他各进程之间的通信关系如图2所示(图中：→表示进程之间的消息流向)。

3.3 进程的设计与实现

管理单元软件的进程较多，限于篇幅，本章节仅对ADMIN，ICS，SC，MMI 这4个典型进程的设计与实现进行阐述，其他进程的设计与实现方式和典型进程基本相同。

3.3.1 ADMIN进程

ADMIN进程加载其他进程并显示加载界面，之后对各个进程的运行状态进行实时监视；同时，ADMIN进程负责定时喂狗和维护平台软、硬时钟。ADMIN进程仅包含主线程，其程序流程及说明如图3所示。

图2 进程间通信关系Fig.2 Relationship of interprocess communication

3.3.2 ICS进程

ICS进程负责与装置的保护单元进行内部通信，以获得装置的配置及实时数据。ICS进程由主线程和串口通信线程组成。主线程完成程序初始化操作，并从消息队列接收并处理来自SC进程的消息；串口通信线程接收来自主线程的消息，并组通信帧发送到对内串口，即保护单元；接收来自对内串口的通信帧，并组消息发送给SC进程。主线程、串口通信线程的程序流程及说明分别如图4、图5所示。

图3 ADMIN进程主线程程序流程Fig.3 ADMIN process main thread program flow

图4 ICS进程主线程程序流程Fig.4 ICS process main thread program flow

图5 ICS进程串口通信线程程序流程Fig.5 ICS process serial communication thread program flow

3.3.3 SC进程

SC进程是管理单元软件的消息收发、处理中心，它接收来自各个进程的消息，并对接收的消息进行规约转换，然后发送给消息的目的进程。SC进程仅包含主线程，其程序流程及说明如图6所示。

图6 SC进程主线程程序流程Fig.6 SC process main thread program flow

3.3.4 MMI进程

MMI进程实现装置人机界面，其界面窗口设计通过QNX的图形开发工具PhAB完成,并由PhAB自动生成程序框架及其控件的响应函数。MMI进程由主线程和消息处理线程组成：主线程负责管理单元的人机界面功能，并将界面请求组消息发送给SC进程；消息处理线程负责处理来自SC进程的数据消息。主线程与消息处理线程程序流程如图7、图8所示。

图7 MMI进程主线程程序流程Fig.7 MMI process main thread program flow

图8 MMI进程消息处理线程程序流程Fig.8 MMI process message processing thread program flow

4 结束语

管理单元作为发变组保护装置的重要组成部分，负责实现装置的人机界面、对外通信、对时、打印等功能，是装置的对外窗口，因此对管理单元设计与实现的研究和探讨具有重要意义。本文提出的发变组保护装置的管理单元功能丰富、性能优越，其设计满足工程应用需求，符合电力通信的发展趋势。目前，管理单元的开发工作已经完成且已通过系统测试，在江阴苏龙热电有限公司、江苏华电句容发电有限公司等工程中试点应用，取得了理想的效果。