MACH2系统板卡程序下装平台的研制

国网河南电力公司直流运检分公司 任舟启 杜康平 罗朝华 聂 晶 王晓鹏

MACH2系统（Modular Advanced Control HVDC and SVC 2nd edition）是ABB公司的一种基于软硬件结合的直流输电系统级解决方案。其在硬件层面主要由标准工业计算机、PCI板卡、I/O及通讯专用电路板、辅助电路板等组成。由于目前国内应用该系统的换流站多为早期直流工程，经过长时间运行板卡故障率显著提高，现场进行故障处理时需对更换后的板卡下装对应的应用程序。

本文从便于现场运维人员使用且安全可靠的方面出发，深入研究MACH2系统板卡软件下装逻辑与实现方法。最后根据现场实际消缺检修应用需求，研发了一种MACH2系统板卡程序下装平台。

1 功能要求

下装平台需要完整支持MACH2系统所有I/O及通讯板卡的程序且内置电源，填补了目前离线装载板卡程序的空白。同时也要满足人机交互便捷、操作简单、易于使用，达到提高现场消缺工作效率的目的。

1.1 现有装载过程的不足

目前板卡下装方式为就地在屏柜使用笔记本电脑直接进行下装。该方式依赖就地屏柜供电，因此需提前将故障板卡拆下，若相邻卡槽内插有板卡，也需同时将该板卡拆下。步骤复杂，增加了检修消缺时间。

目前需使用Windows系统笔记本直连板卡，存在安全风险。

现有下装软件操作步骤繁多，且需人工对板卡断电重启，无法实现全自动下装功能。

1.2 下装平台的设计目标

新研制下装平台的功能应满足如下要求：

（1）不依赖就地屏柜供电，独立完成所有I/O及通讯板卡程序下装。

（2）系统采用嵌入式平台。

（3）无需人工干预下装过程，可通过人机交互界面实现一键全自动下装功能。

2 硬件设计

2.1 总体设计

下装平台为一体化设计，整体大小与普通继保测试装置近似。下装平台采用基于ARM架构的STM32主控制器，负责整个平台的监视与运行。其系统框图如图1所示。

图1 下装平台系统框图

2.2 硬件设计原则

下装平台硬件应满足以下要求：

（1）易用性

直流控保系统是由互为冗余备用的A、B系统组成，当系统的其中一块板卡发生故障时，若该故障不能及时消除，将造成冗余系统出现异常，可能导致互为备用的两套系统均崩溃，致使换流站极闭锁。因此换流站运行过程应尽量避免单系统长时间运行，该平台设计的第一原则就是方便易用，不依赖背板及屏柜供电。现场在故障消缺过程中可在屏柜拆除故障板卡的同时，使用该装置对新板卡进行应用程序下载，大幅度的减少故障处理时间与单系统运行时长。

（2）集成性

该平台可适用于多种类型板卡，即MACH2系统所有I/O板卡和通讯板卡；为满足现场便携性的要求，装置硬件设计要做到高度集成，电源设计要考虑到装置的工作电源和板卡的供电电源。

（3）电磁兼容性

换流站的设备众多，运行环境复杂，直流控保系统所在的区域可能存在着较强的电磁场。因此要求该装置要通过严格的EMC测试，具有较强的EMS能力，同时对控制器等关键元件增加电磁屏蔽罩等抗干扰措施。

2.3 板卡供电设计

通过对MACH2系统使用的板卡进行分析及测试，结果表明板卡内部供电仅需直流5V，最大工作电流为1A。因此，下载平台需满足利用市电220V转换成直流5V，同时为抑制纹波应设计完善的滤波电路，使纹波不大于50mV。

2.4 机箱及接口设计

为实现下装平台对所有MACH2系统板卡均具备应用程序下装条件，就必须保证所有板卡均能够安装。经过统计，MACH2系统I/O板卡和通讯板卡尺寸均为3U，通讯采用96芯欧式接头。因此，下装平台要满足3U板卡96芯欧式接头接入的条件。

3 软件设计

3.1 下装平台通讯接口设计

控保板卡下载程序本质为通过异步串行通信接口UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）向MACH2系统板卡内主控制处理芯片上传对应的应用程序或BootLoader程序。

UART采用RS232总线，实现全双工通信，由两个信号通道组成，即：主通道和副通道。通常使用的是主通道，而副通道较少使用。在直流控保板卡程序下载过程中，采用三条信号线（接收线、发送线和信号地）即能实现全双工通信功能。

Bootloader程序是指控保板卡在加电后执行的第一段代码，在它完成主控制处理器和相关硬件的初始化之后，再将内部映像或固化的嵌入式应用程序装载到内存中，启动程序运行。

由于引导程序位于Bootloader，其在板卡上电后极短的时间内即加载完毕。因此为了实现下装平台的自动应用下装功能，需要对板卡的电源状态进行监视，保证在上电后立即与板卡Bootloader进行握手，以便执行固件刷新对应代码段。下装平台接口设计流程如图2所示。

图2 下装平台接口设计流程图

3.2 下装平台调试软件选择

下装平台选用Keil MDK-Arm作为下装平台的软件编译工具，该软件具有强大的仿真调试功能，支持自动配置启动程序、集成闪存程序烧制、硬件设备仿真以及功能分析等。Keil系列调试软件用户界面友好，调试仿真功能强大，是个成熟的集成开发方案，方便易用，融合了C语言编译、宏编程工具、库文件和仿真运行等环境。Keil MDKArm与Windows系统可完美的兼容，整个菜单界面与一般的Windows软件界面相似，一目了然，易于操作。其开发流程如图3所示。

图3 Keil MDK-Arm开发流程图

4 板卡程序验证

利用MACH2测试系统可对使用该下装平台进行软件下装工作的板卡进行功能性检查，确认板卡程序是否正常下装、设计功能是否运行正常。

4.1 验证板卡选择

选择MACH2系统中使用较广I/O板卡和通讯板卡进行功能验证。其中I/O板卡选择通用数字量输入板PS851，其板卡有8路110/125V输入和1路CAN输出。通讯板卡选择PS861E，其板上有4片高速A/D转换器，4路PWM输出通道和2路TDM高速串行通信通道用于与PS803板进行高速串行通信。每块板最多可以有31路模拟信号被发往TDM总线。

4.2 板卡验证

使用该下装平台对PS851、PS861E板卡装载MACH2测试系统配套程序，下装后将板卡插入MACH2测试系统层架，启动测试系统，利用超级终端监视板卡运行情况。经实际测试验证，PS851、PS861E在MACH2测试系统上运行良好，各项功能均可正常使用，checksum值与原始程序值一致，满足使用条件，可应用于正式运行环境中。

该下装平台可实现MACH2系统板卡程序快速下载及更换。其创新点一是利用嵌入式技术将板卡程序下载所需硬件集成化、小型化；二是优化控保板卡程序下载步骤，可按板卡类型实现一键下载功能。该平台应用于所有采用MACH2系统的I/O板卡和通讯板卡程序下载，提高换流站板卡更换现场检修工作效率，减少控保设备停运时间。