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摘要：广域保护是近年来新兴的一个研究课题，它是建立在通信技术和计算机高速发展的基础上。越来越多数字化变电站的建设、通信技术的飞速发展，以及电力光纤通信网的推广应用，为建设基于实时广域信息的广域智能控制系统提供了物质条件。本文通过接入报文特点分析，多种CPU间通信方式比较，提出一种能够适应广域保护新要求的广域智能控制主机硬件结构。
关键词：广域智能控制主机；交换机；通信方式；硬件结构
0 引言?
随着电力系统自动化水平的进一步提高，新的设计方法不断出现，特别是对于输变电领域的微机保护装置，各个地区电力运行部门形成的运行习惯差异大，工程需求变化多，因此，开发人员必须根据工程需求频繁进行程序修改，改造任务大，后续维护麻烦，很难满足可靠性要求。
目前，国外的继电保护厂家如ABB、西门子、GE等公司已经陆续将可视化逻辑编程用于电力行业的诸多领域，例如继电保护、相量测量装置(PMU)等。目前，国内也有部分厂家在这方面进行研究。由于采用了逻辑可视化编程，使得这些产品具有很强的灵活性和可靠性。
1 硬件平台架构设计
1.1 总体架构设计
继电保护装置主要包括数据采集部分、计算和逻辑处理部分和出口执行部分。另外还要包括监控和通信部分以管理、设置和监视装置。装置的原理结构图如图1所示：
图1装置原理结构图
1.2 主CPU模块
主CPU模块是整个保护装置的核心，它完成模数变换、计算、逻辑判断等功能。主CPU模块把从交流采集模件传来的模拟信号转换成数字量，并从IO控制总线接收IO模件采集的开关量输入，汇总成装置的输入量。主CPU模块对输入量计算和分析，并根据定值判断装置应该作出的动作行为，通过IO控制总线把命令发送到IO模件执行。为了提高可靠性，主CPU模块输出一路启动开关量去控制IO模件以避免重要开关量输出误动作。在最重要得场合，还可增加一个冗余主CPU模块，用它来控制启动开关量输出，进一步提高可靠性。另外主CPU模块还要存储定值、事件信息和录波信息等输入输出信息。主模块的核心处理器采用了FREESCALE公司的MPC8313。该CPU采用了高度集成的PowerQUICC处理器，最高主频333Mhz ，16K I-Cache，16K D-Cache，提供32位的双倍数据速率(DDR1/DDR2)存储器控制器、16位局部总线和4个直接存储器访问(DMA)通道。
1.3 数据采集模块
数据采集模块由低通滤波、回路、模数转换器构、数字信号处理器(DSP)和双口RAM组成。DSP控制多路转换开关和模数转换器，将经过低通滤波的模拟量输入信号转换成数字量，DSP读取转换后的数字量并对其数字滤波后通过双口RAM传输给主CPU模块。
模数转换系统选用AD7606芯片。AD7606是16位同步采样模数数据采集系统(DAS) ，在AD7606内部的信号调理电路中，已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路，其等效输入阻抗完全独立于采样率且固定为1Mohm。同时输入端集成了具有40 dB抗混叠抑制特性的滤波器，更是简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。因此，二次互感器输出的信号无需再经过运放来缓冲就可以直接接入AD7606。
图2交流采样电路
1.4 辅助CPU模块
辅助CPU模块主要完成通信，显示以及电源监控等等辅助功能。辅助CPU模块在硬件选型上采用与主CPU模块一致。CPU本身自带2个网口，可用于双以太网通信。扩展了两个串口，一个作为装置打印，另一个作为485总线，用于与上位机系统通信。CPU支持USB Host和USB Device，USB Host主要用于程序更新以及数据备份等等，USB Device主要用于现地装置的调试测试时的高速通信。辅助CPU模块与主CPU模块采用同步串口进行通信。
2 系统软件设计
2.1 总体设计
传统的保护功能是根据单一的继电保护原理配置的，用户可以配置的参数有保护功能的使能开关、定时器参数、比较逻辑阀值、出口类型以及与其他保护、监控参量的闭锁开关。基于逻辑可编程技术平台的继电保护装置可以通过参数配置实现定制的保护原理，相对传统保护具有更大的灵活性和更强的扩展性。新技术平台在功能上支持逻辑编程，支持测量量的配置，包括信号类型为电流、电压、频率、功率（有功、无功）、开关量等；运行模式为一相或三相以及测量输出为基波幅值真有效值，正、负或零序分量等，并提供了一个通用的保护判据逻辑而且支持多种功能模块，从而可以灵活的构建用户自己的保护应用。
软件部分主要分成两部分：编程调试系统以及装置内部的执行引擎部分。
2.2 编程调试子系统
编程调试子系统是装置的开发调试平台，也是集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）由以下功能模块组成：
(1)．编辑模块：主要为装置提供一个编辑环境，可以完成功能块图的编辑修改，装置的参数配置等；
(2)．编译模块：将相关的逻辑配置编译成装置可解析的目标文件；
(3)．调试模块：调试模块用于对用户程序中可能存在的逻辑错误等进行定位、提示，以方便用户修改同时提供联机调试；
(4)．通信模块：用于负责编辑系统与运行系统的通讯；
(5)．仿真模块：对用户编制的逻辑以及相关参数进行完整的连续仿真，主要用于逻辑测试。
编辑器主要完成以下功能：
(1)．逻辑功能块图(FBD)的编辑、修改。
(2)．硬件平台的配置，如采集通道参数的配置，开入通道的防抖配置。
(3)．装置通信功能的配置，如通信规约的选择。
(4)．装置LCD显示界面的编辑修改。
编辑器中最为关键的逻辑功能块图的编辑，其中功能块图的连线采用A*寻径[11]实现自动连线，具体可以参阅相关文献，这里不在赘述。如图2所示。
2.3 执行引擎子系统
执行引擎子系统是面向继电保护装置的，运行于软件平台中间层的嵌入式实时操作系统中。嵌入式操作系统以调用任务的方式，根据编译器解析的目标程序从标准库中调用相应的功能模块，
逻辑流程从指定存储区依次读取该功能模块的二进制编码，并进行逐行解析执行，然后把所得结果保存到输出映像区或暂存区，直至该功能模块执行完毕。最后由继电保护装置中的处理器将输出映像区中的结果输出到指定通道，微机保护装置的保护功能元件可以归纳：突变量启动、稳态定值量启动、(方向)过流保护、零序(方向)过流保护、反时限过流保护、低电压保护、过电压保护、电压互感器断线、电流互感器断线、过负荷、检同期、重合闸、低频减载、全阻抗保护、方向阻抗、方向高频、纵差保护、过激励、非电量保护等。
基本保护算法元件包括：全周(半周)傅氏差分算法、递推式快速傅氏算法、谐波计算、阻抗计算、直流量计算、负序电量计算、功率计算和角度计算等。
由于CPU模块需同时处理保护算法和逻辑、数据采集、输入输出模件通信、监控及通信模件通信等任务，采用实时多任务操作系统可大大减轻软件开发负担。
图6 广域控制主机结构图
3实际工程应用
目前，微机保护在电力系统中已经得到了广泛的应用，然而在微机保护装置开发过程中却存在着一些问题，这主要表现在保护逻辑程序的设计和实现上存在重复劳动，工作量大，程序的灵活性不足。
4结论
目前，微机保护在电力系统中已经得到了广泛的应用，然而在微机保护装置开发过程中却存在着一些问题，这主要表现在保护逻辑程序的设计和实现上存在重复劳动，工作量大，程序的灵活性不足，后续版本维护困难，可靠性测试复杂等特点。针对以上问题，本文提出了保护逻辑图形化编程的解决方法，在理论方面进行深入分析的基础上，提出了可行性的设计方案，并付诸实施，取得了如下研究成果：
(1)．完成了继电保护通用逻辑开发平台的需求分析和总体设计。
(2)．采用了可视化的图形编程思想进行保护逻辑程序的设计与开发。软件平台选用IEC61131-3标准中的功能块(FBD)语言作为本文通用逻辑开发平台的编程语言。
(3)．设计和实现了软件平台的继电保护算法执行引擎。
继电保护通用逻辑开发平台的开发完成促进了图形化编程技术在电力系统中的应用，极大的提高了微机保护逻辑程序的开发效率，同时又保证了程序开发的灵活性和可靠性，在实践中证明具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]魏庆海，赵建中等. 现代电网运行与控制[M]. 北京：中国电力出版社，2010，7.
[2]刘振亚，栾军等. 智能电网知识问答[M]. 北京：中国电力出版社，2010，9.
周耀，1977.10，男，汉族，江苏省，副高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化，单位：国网江苏省电力公司宿迁供电公司。
论文作者:周耀
论文发表刊物:《电力设备》2016年第13期
论文发表时间:2016/9/30
标签：模块论文; 逻辑论文; 装置论文; 通信论文; 保护装置论文; 微机论文; 程序论文; 《电力设备》2016年第13期论文;