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微机保护装置硬件平台设计的发展趋势
更新时间: 2021-08-18 11:11:45 访问次数: 0
微机保护装置硬件平台设计的发展趋势

【摘要】分析了微机保护装置对处理器、开发方式、存贮空间、数据采集和数据通信的要求,并对微机保护装置硬件平台的发展趋势进行了探讨。


Abstract:This paper analyzes the requirements of numerical protective relay on processor, development tools, memory, data acquisition and communication. The trend of hardware platform for numerical protective relay is also discussed
Key words:numerical protection embedded computer


0. 前言


微机保护的硬件平台一般由以下多个功能模块组成:(1)CPU与存储器接口;(2)定时计数器;(3)中断逻辑;(4)串并行通信接口;(5)实时时钟;(6)看门狗电路;(7)显示控制电路;(8)数据存储器;(9)固态盘或存储器A(程序);(10)固态盘或存储器B(报告);(11)固态盘或存储器C(整定值);(12)开关量光隔输入;(13)开关量光隔功放输出;(14)工业局域网接口。


随着集成电路和计算机技术的飞速发展,以及嵌入式应用的日益广泛,许多器件厂家将功能模块1~7集成到一个芯片中,而工控机厂家在此基础上,将模块8~9甚至14进一步集成到STD、PC/104、VME等总线工控机的主板或单板工控机上,基本上实现了“总线不出板”,大幅度提高了系统的性能和抗干扰能力,为微机保护装置整机性能和可靠性的增强奠定了良好基础。


本文就处理器、开发方式及存储空间、数据采集、通信方式的现状及今后的发展趋势做简短的分析和比较。


1. 处理器


目前主要有3类处理器可供高性能微机保护装置选用,即DSP、RISC和X86 3类器件。


DSP器件的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、I/O吞吐量大,尤其是采用专用硬件实现定点或浮点的乘加(矩阵)运算,极大地缩短了数字滤波、滤序和傅氏算法的计算时间,有助于保护动作速度的提高。目前,针对嵌入式应用的需求,DSP器件厂家在提高器件集成度、简化系统设计的同时大幅度降低了价格,以期替代单片机(MCU)占领嵌入式应用市场,这为继电保护厂家提高保护装置性能,进行产品更新换代提供了一个非常好的物质手段。就上述2种方案而言,较为理想的DSP器件有TI公司的TMS 320C30/31/32和AD公司的ADSP 210C60/62 2类32位浮点器件,其中TMS320C30有系统和外设2条总线,使运算和I/O可同时进行、互不影响。


RISC器件一般具有较高的主频和很强的运算能力,由于其集成度和性能价格比的提高,不仅被应用于要求较高的计算环境,而且广泛出现在各种投资类和消费类电子产品中,日本的一些电气厂商如三菱、日立、东芝等,也都利用RISC器件开发其继电保护产品。在这类器件中,日立公司SH?3系列中的7718(32位)和SH?4系列中的7750(64位)、IDT公司的79R3081(32位)和79640(64位),以及IBM和Mrtorola的Power PC系列,DEC Alpha系列中的部分产品,由于兼有嵌入式设计和出众的浮点计算能力,因而能够较好地满足微机保护的要求。然而RISC器件由于主频较高、系统设计和制造较单片机(MCU)复杂、开发工具有国内不普及等原因,目前还不易为继电保护厂家所接受。随着其在消费类电子产品和电信业中应用的日益普及,特别是随着国内计算机和家电厂商对个人数字助理(PDA)的研制开发,RISC器件必然为更多的用户所接受和熟悉,出现在微机保护装置中将不过是时间问题。


X86器件得益于Wintel体系在个人机领域的优势,为了占领嵌入式应用市场,Intel、AMD、国家半导体(NS)和ST等器件厂家均在386或486内核的基础上,通过集成外围器件和接口推出了一系列与PC软硬件兼容的嵌入式处理器,如Intel 386EX、AMD386/486E、ElanSC300、SC400系列,NS486SXF以及ST486等,国家半导体公司更是提出了“PC on a chip”的口号。尽管这类器件在性能上较前两者逊色(相同主频而言),然而由于可以利用PC丰富的开发环境、应用软件和电路设计技术,因而一经推出就得到了众多工控机厂家的欢迎,并纷纷在其基础上开发出ISA、STD、PC/104、VME、Compact PCI等总线工控主板(EPSON公司的主板仅为信用卡大小),继电器厂家也推出了基于Intel 386EX的微机发电机组保护和录波装置。就微机保护对计算精度和速度的要求而言,比较合适的是集成了浮点协处理器的486DX及以上等级的微处理器及其对应的嵌入式芯片。值得指出的是,英特尔多能奔腾、高能奔腾及奔腾两代微处理器中除集成了浮点协处理器外,还增加了以整形数乘加运算为基础的多媒体指令(MMX),而AMD公司最近推出的K6?2 3D Now!中进一步扩展和增强了以浮点数乘加运算为基础的图形操作指令,灵活运用MMX和3D Now技术可以达到DSP器件同样的效果。


除上述3类器件外,由于可编程控制器(PLC)体积小、可靠性高、扩展性强,前端可带电插拔等优点,在工业自动化领域得到了广泛应用,其中部分产品(如奥地利B&R公司的PCC)通过高速总线支持多个高性能CPU插件,内嵌实时多任务操作系统和多种通信协议并支持C语言编程。因此,用户无需任何外部软件支持即可完成应用软件的编程、调试和固化。采用这种PLC作为机组保护装置的硬件平台既可简化软硬件开发工作,又提高了装置的整体可靠性。其不足是价格较为昂贵,从而影响了其应用范围。


2. 开发方式


随着高性能处理器在微机保护装置中的采用,其开发方式与单片机时代相比有了很大的不同,其中最突出的一点是在操作系统支持下采用高级语言进行编程。对于X86器件而言,受益于Wintel体系的规模效应和丰富的软件资源,用户往往直接在MS?DOS操作系统支持下,采用编程、编译、调试集成环境进行开发。这种方式最大的优点是节省了购置专用开发装置软硬件的费用以及开发人员的培训时间,且在DOS支持下能够生成汉化人机界面和报告,然而由于是商用机的开发技术,因而必然存在着以下不足:(1)仅支持X86器件且硬件平台需与PC兼容;(2)DOS不支持多任务、多线程,对内存的管理和安全机制均有局限性,要由开发人员自己考虑所有可能发生的问题并加以解决,增加了开发的难度和周期;(3)DOS环境中,用户程序需调入内存才能运行,不仅增加了硬件开销,同时也推迟了保护功能的投入;(4)集成环境无法对硬件系统进行调试。


随着商用微机操作系统由DOS向32位的Windows 95和NT过渡,一些第三方厂家(如Phar Lap)以Windows NT的内核和Win 32API为基础推出了适应于嵌入式应用的32位实时操作系统及开发工具,有效地提供了抢先式多任务和事件驱动机制并增强了内存管理和系统运行的稳定性。


随着PDA的兴起,Windows 95/NT的袖珍版Windows CE在嵌入式应用领域也有了更高的市场占有率。相比前者,其能够支持更多的器件种类,硬件平台也不要求与PC兼容,因而具有更强的适应能力。然而对于上述(3)、(4)2点,不仅没有改进反而进一步增加了硬件开销和引导时间。


与上述借用商用操作系统和集成环境的开发方式相对应,许多实时操作系统专业厂家为嵌入式应用推出了多种实时多任务操作系统(RTOS),如QNX、PSOS、Nuleus、VRTX、VxWork等,不仅代码紧凑、对硬件资源占用少,而且与用户程序一同固化到EPROM或闪存中就地运行,无需加载至内存。此外,由于这类RTOS专门针对了工业(军事)应用的需要,而不是从商用操作系统改良而来,因而具有更强的任务切换和线程通信机能,实时性和稳定性很强且支持多种微处理器及嵌入式控制器(包括DSP),在开发或仿真系统支持下,可对硬件系统进行调试(甚至是多CPU或DSP系统)和实时仿真。当然,这种开发方式也存在需专门购置RTOS和开发工具,以及需培训开发人员等不足。


针对以上两者的不足,同时也是得益于处理器寻址空间的扩大,代码驻留或就地运行技术(XIP)得到了越来越多工控厂家的支持。该技术仍然基于ROM?DOS和X86平台,然而与第1种开发方式相比,电子盘位于其寻址空间的高端,并可在保护模式下直接寻址而不是通过I/O或页面方式访问。因此,用户程序可用文件方式固化到闪存电子盘中,上电运行后,CPU进入保护模式并直接跳转到用户程序处运行,不用再将其加载到内存空间,这种方式既利用了DOS环境丰富的资源,又节省了内存空间。此外,由于代码和数据分别在寻址空间的高端和低端,因而系统具有更好的安全性。不过,这种开发方式要求用户程序在编译连接时进行代码、数据分离和代码重新定位并以bin文件形式进行固化。


在编程语言选择方面,由于C/C++语言效率高、灵活、可移植性好,而得到了广泛使用,但安全性较差是其最为致命的缺点;PL/M?86/386语言尽管效率、安全性好但缺乏灵活性,又仅针对X86芯片,因而使用不如C/C++广泛。而兼有上述优点的Ada 95语言在安全、高效、灵活、可移植性好的基础上又增加了对面向对象程序设计的完全支持,并提供了更加有效的实时、分布式和并行程序的设计环境,已成为军事嵌入式应用的主流语言并正向工业领域扩展。采用Ada 95开发微机保护软件将有助于进一步提高代码质量、可维护性和可移植性。


此外,利用OOP技术将各种保护算法和判据编制成“标准元件”,并根据保护方案中各判据的逻辑关系将其“组态”(如SEL公司的SEL?321?5,ABB公司的REG 216中已采用这种技术),将极大地提高微机保护装置的开发效率和质量。


3. 其它相关问题


3.1 存储空间


微机保护装置的存储空间一般由5部分组成:


(1)操作系统和用户应用程序的驻留(固化)空间。对于ROM?DOS支持下的X86平台而言,该部分空间多以电子盘的形式存在,而用户程序亦以DOS文件方式固化在高速EPROM或闪存中,只是逐渐采用XIP就地运行方式取代了加载至内存运行。这部分存储空间必需直接位于CPU的寻址范围内(对高档X86芯片而言,是在保护模式下的高端寻址空间)。


(2)暂存系统参数、运算数据和中间结果的内存空间。当采用XIP技术后,这部分空间可大为减小。如果装置直接采用PC内存条,那么最好支持ECC功能以进一步提高系统的容错能力。


(3)整定值的存储空间。由于整定值在微机保护中占有特别重要的地位,因而对这部分存储空间有着特殊的要求:①由于整定值的重要性,因此必须保存在本质性的非易失性存储介质中,而单独的NVSRAM不能满足上述要求;②由于每一整定项都要求可单独访问,而目前的闪存芯片必需以页或扇区方式访问,因此E2PROM较闪存更适合整定值的保存;③由于E2PROM的写入速度很慢,因此不支持DOS环境下数据文件中的浮点数分字节快速连续写入,因而整定值不应以DOS文件方式保存在E2PROM中。此外,SRAM与E2PROM组合型器件的出现使整定值可以数据文件方式保存在电子盘中,但必须在对盘进行写操作后将整个数据文件从器件的SRAM区写回E2PROM中保存,对闪存电子盘而言,也至少须将对应扇区重写;④E2PROM有串行和并行两种,并行E2PROM访问方便,但占用一定的地址空间且被误操作的可能性亦多些;串行E2PROM通过串行通信总线或I/O口线访问,不占用地址空间且安全性亦较并行E2PROM要好,但访问不如后者便利;⑤为了提高E2PROM中数据的安全性,可设置写保护或将其安排在X86器件保护模式寻址空间的中端,与高端程序代码和低端的数据空间有足够的间隔。


此外,还可在不同的地址空间或同一E2PROM中的不同区域设置多个镜像的整定值块,并定期进行整定值自检。


(4)各类报告的存储空间。为了便于长期保存和阅读,可将报告制成DOS文本文件格式,保存在基于NVSRAM器件的电子盘中,该盘以I/O方式访问即可。


(5)其它用途的存储空间,如与数据采集系统交换数据的双口RAM等。这部分存储空间应安排在常规内存的高端以免与低端的数据空间发生冲突。


3.2 数据采集


微机保护装置中数据采集的速度、精度以及动态范围对其性能有着十分重要的影响。近年来,以ANN为代表的人工智能技术和小波分析等理论,以及瞬态保护概念等逐步引入继电保护领域,这对采样率提出了更高的要求。


由于采样率的提高导致了采样间隙的缩短,为了给CPU留出更多的时间进行数据预处理、起动计算和主保护计算,有必要大幅度压缩数据采集本身的时间开销。一种措施是增设专门的处理器,控制数据采集过程并进行预处理,然后将数据通过双口RAM、FIFO等方式传递给主CPU进行保护计算[2]。这种方式虽节省了主CPU的数据采集时间,但由于增设了采集处理器和相应的外围电路与器件,使系统的开发、调试更为复杂。另一种方法是,采用高速转换器件并减少CPU干预,以减少其数据采集时间[3]。该方案中,一轮数据采集的总时间可由下式来描述:


式中N——总的模拟通道数;M——并行设置的A/D转换器数;t0——外部采样时间;t1——通道切换与信号建立时间;t2——模数转换时间;t3——采集数据读取时间。


由此可见,要缩短ts,必须采用高速S/H、MUX、BUF和ADC,以分别缩短t0~t1;通过提高处理器的I/O速度或采用DMA来缩短t3;此外,增加ADC的数量也可减小ts(由于机组保护所需的模拟信号较多,因此通过增加M来减小ts是一个非常有效的方法)。


为了进一步简化电路设计和调试,一些半导体元件厂家将完整的数据采集系统集成到一块芯片中,其能够自动完成所有输入通道的数据采集工作而无需CPU干预。这类器件以美国MAXIM公司的MAX125/6和AD公司的AD7874为代表,其中MAX125集成了两组各4路输入通道(4个采样保持器),具有14位分辨率和3 μs的模数转换时间;4×14位双口RAM以及与多数DSP及16/32 位微处理器兼容的并行接口,因此采用多片MAX125或AD7874并行工作,将会极大地提高微机保护装置的数据采集能力,同时简化了电路设计与调试。


3.3 通信方式


为了减轻微机保护装置中微处理器的负担,一般不由它单独承担人 机交互和文档管理任务,而是通过通信接口与上层管理机或调试用微机交换,诸如整定值、采样值报告、故障报告、硬件测试命令与结果,以及一些实时测量参数等信息。目前常用的通信接口有RS-232(需光隔)、RS-422/485以及Bitbus、Arcnet、Lonworks、CAN、GPIB等工业局域网。由于后几者利用硬件自动实现检错、纠错、重发等差错控制功能,因而在具有较高传输速率的同时也有效地降低了误码率。此外、通过提供用户编程接口,极大地简化了通信软件的开发工作。在几种工业局域网中,CAN的实现方式最为简单,成本最低且作为无主网络,增减结点也非常方便,因而非常适合在机组保护装置中应用。


随着计算机技术和虚拟仪器技术的长足发展,USB和IEEE 1394高速总线已逐步成为上述领域的标准配置并受到越来越多的软硬件厂家支持,因而亦有可能在不久的将来作为X86硬件平台的一部分出现在微机保护装置中,以统一现有的各种通信方式。


此外,部分嵌入式器件或工控主板上集成有显示器接口,保护装置可以利用其将调试信息(如采样值、I/O状态等)和部分实时测量参数(如差流、绕组对地阻抗、机端视在阻抗、有功和无功功率等)以及简单故障信息进行就地显示,既减轻了网络负荷,又提供了远比面板上的LED指示更为丰富的信息,并且还方便了开发调试过程。


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