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1、第32卷第24期Vol.32No.242008年12月25日Dec.25,2008一种基于嵌入式系统的线路保护新平台伍小刚,沈健,俞波,刘浩,姚吉文,戴列峰,苏理,嵇翔(国电南瑞科技股份有限公司,江苏省南京市210003)摘要:目前线路保护装置的硬件平台种类繁多,文中介绍了当今几种流行的硬件架构。结合数字化变电站标准IEC61850的应用,提出了一种基于嵌入式实时操作系统的线路保护新平台,重点介绍了保护模件和管理模件的软硬件框架。该平台采用了网络通信技术和光纤通信技术,能很好地满足线路保护发展的要求
2、,且模件的软硬件架构得到了复用,极大地减轻了开发工作量。关键词:嵌入式实时操作系统;VxWorks;平台;PowerPC;线路保护中图分类号:TM7730引言接在操作系统上编写。自20世纪70年代出现微机保护以来,微机继电保护装置已由第1代单中央处理器(CPU)硬件结构、第2代多CPU硬件结构发展为第3代以32位数字信号处理器(DSP)为核心,结合现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SOC)和专用集成电图1DSP+ARM构成的硬件平台Fig.1Hardwareplatformconstructe
3、dbyDSP+ARM路(ASIC)的硬件结构,而今又将发展为带嵌入式实[123]时操作系统的硬件平台。1.2CPU+FPGA硬件平台目前,继电保护硬件平台种类繁多,有DSP+由于DSP及微处理器的速度不能完全满足不ARM(advancedRISCmachine)架构、CPU(DSP)+断出现的新算法和理论的要求,使得越来越多的设FPGA架构、DSP+CPU或者双DSP+CPU(DSP[8]计人员转向可编程方式实现。FPGA近几年以惊作为协处理器)架构等。人的速度发展,片内可以集成高速CPU、存储器和
4、随着通信技术的发展,网络通信和光纤通信技通信接口等,因此也成为微机保护硬件架构的一种[425]术在微机线路保护中得到越来越广泛的应用。很好的选择。如图2所示,FPGA完成数据采集、数更重要的是,新的变电站自动化系统标准IEC据处理、保护算法、保护逻辑以及部分通信功能;61850正逐步推广。[9210]CPU主要完成管理、通信、人机交互的任务。本文在简要介绍上述几种硬件平台的基础上,针对数字化变电站的要求,提出了一种基于嵌入式实时操作系统的线路保护新平台。1微机保护的几种典型硬件平台1.1DSP+AR
5、M硬件平台近年来ARM处理器发展比较突出。利用拥有图2CPU+FPGA构成的硬件平台强大的以太网等外设通信功能的ARM,加上具备Fig.2HardwareplatformconstructedbyCPU+FPGA高效快速的数据处理能力的DSP搭建而成的主平台,是目前比较流行的一种线路保护硬件架构[627],该硬件平台中最关键的是FPGA内大量复杂如图1所示。IP核的设计。一个复杂IP核的设计、实现、验证是该架构中ARM处理器可带嵌入式操作系统,一项艰巨的任务。另外,FPGA虽具有可编程和可通信模块、
6、RAM数据交换、人机交互等应用程序直配置模式,但不利于现场故障的再现分析。1.3DSP+CPU硬件平台DSP+CPU构成的硬件平台的简单示意图如收稿日期:2008207203;修回日期:2008208227。—65—2008,32(24)图3所示。主CPU承担模拟量、数字开关量的采集的实时性、可靠性,还可以大大提高继电保护软件系[3]工作,以及所有对外操作命令、故障录波的显示和打统的扩展性以及开发和维护的效率。因此,本文印;DSP作为协处理器,主CPU把采集到的原始数选择VxWork作为软件开发平台
7、。据直接写入共享双口RAM中,并以中断方式通知2.2硬件平台的选择DSP进行信号处理、计算、逻辑判断等,当协处理器多芯片结构并不代表主芯片越多越好,随着芯产生报告或有数据需传送时,马上申请主CPU进片数量和种类的增加,出错概率随之增加。在满足[11212]行处理。设计和扩展要求的情况下,系统应尽量简洁化和最小化,因此,保护主模件采用一种主芯片。另外,数字化变电站要求保护装置具备丰富的网络通信功能。基于以上考虑,选择PowerPC+PowerPC(简称PPC)作为嵌入式网络化线路保护硬件平台。主芯片选
8、择PPC系列中的MPC83XX,它是Freescale公司开发的应用于高端通信系统的嵌入图3DSP+CPU构成的硬件平台式通信微处理器(MPU),集成了PowerQUICCⅡFig.3HardwareplatformconstructedbyDSP+CPUPro内核和通信处理模块(CPM),具备强大的信息处理和通信功能。该平台类似于DSP+ARM平台,但是DSP不表1中对MPC83XX与各类常用DSP的浮点负责数据采集,只负责数据计算,然后把计算结果和运算性能进行了比
