作者/ 任华锋 王晋华 孙振华 许继电气股份有限公司(河南 许昌 461000)
摘要：本文介绍了一种运用在智能变电站中全新的嵌入式小型化继电维护渠道的规划，该规划选用片内集成双ARM内核和FPGA的Xilinx Zynq系列芯片，在本钱、数据处理速度、功耗及可扩展性方面可以满意就地化设备继电维护设备的需求。全文从软件和硬件方面具体论述了嵌入式小型化继电维护渠道的规划办法。
导言
跟着加强智能电网建造的深化推动，网络信息技能、电子传感技能、数字变电技能、广域丈量技能、主动化操控技能等多种先进技能在智能继电维护设备中的运用日趋老练。在此布景下，智能电网建造对继电维护设备的软硬件规划也提出了更高的要求。继电维护设备的小型化规划和就地化设备便是其间的一种发展趋势。针对这些要求，本文介绍了一种依据Xilinx Zynq 7000系列片上体系(SoC)的嵌入式小型化继电维护渠道的规划办法，就该渠道的全体结构、硬件规划、渠道树立等方面进行了具体的论述。
1 渠道全体结构
依照国家电网的规划，小型化继电维护设备直接设备在户外一次设备旁，对设备的电磁搅扰、作业环境和结构强度等方面提出了更高的要求。本方案选用Xilinx的Zynq 7000系列芯片为主CPU，芯片片内集成了主频800MHz的ARM双核处理器、FPGA、PCIe、I2C、SD/MMC等常用通讯接口，具有强壮的数据处理和外设扩展才能，特别是功耗低，抗搅扰才能强的特色，十分合适作为就地化设备继电维护设备的硬件渠道。该渠道的全体结构如图1所示。
2 渠道硬件完结
Xilinx Zynq 7000依据功用划分为可处理体系(PS)ARM及其外设，可编程逻辑(PL)FPGA。硬件规划首要环绕这两部分打开。
2.1 PS侧
PS侧由ARM核办理、装备I/O外设、DDR操控等。ARM核的运用十分广泛，可供参阅的典型硬件规划材料十分多，限于篇幅，只对小型化继电维护渠道运用到的部分进行介绍。
2.1.1 DDR内存操控器
大多数智能继电维护设备运转嵌入式实时操作体系，由实时操作体系完结继电维护算法、人机交互，以及依据IEC61850的网络通讯等功用。实时体系对DDR内存的容量和处理速度有很高的需求。在规划中运用了两片Micron公司的DDR内存MT41K256M16HA-125-IT:E ，容量到达1G，与ARM核650MHz时钟匹配作业在 525MHz时钟速率。经过Nucleus实时操作体系的测验，体系运转正常。为确保继电维护设备数据的可靠性，DDR内存操控器可增加ECC功用，位宽降为16bit，内存容量降为512M。
2.1.2 I/O外设装备
Zynq 的I/O引脚选用多路复用外设接口方法，PS侧的MIO共有54路I/O，可用Xilinx 供给的硬件规划东西Vivado把I/O功用灵敏界说成MAC、UART、I2C、CAN、SDIO等渠道中需求的外设接口，一起装备外设的作业时钟。图2为继电维护渠道在Zynq SoC芯片PS侧的功用模块示意图，其描绘了外设和内核之间的数据通道和ARM内核的根本构成。
2.2 PL侧FPGA规划
当时干流继电维护设备厂家出产的智能维护设备硬件渠道根本选用“处理器+FPGA” 形式，由FPGA完结人机交互、网络拓宽、扩打开入开出、AD采样等功用。这种形式下FPGA和处理器是两个独立运转的体系，完结数据同步和协同作业上处理杂乱，在变电站电磁环境恶劣的作业地址简略出现问题。
Zynq将处理器和FPGA集成在芯片内部，ARM双核和FPGA的数据交互经过高功用、高带宽、低延时的AXI总线完结，消除了处理器和FPGA经过扩展总线数据传输速度低的瓶颈。特别是以ARM为主，FPGA为辅的片内协作作业形式，为渠道供给了丰厚的外设扩展功用。
2.2.1 FPGA网络功用规划
为了规划简化和施工便利，智能变电站进程层在IEC61850 规范下，SV和GOOSE网络报文由点对点传输方法转向共网方法传输。在Zynq渠道上由FPGA的MAC IP核经过以太网PHY扩展出的网口接纳兼并单元或智能终端发送的SV和GOOSE报文，经过MAC IP核完结报文类型鉴别、单播、组播播送报文的过滤，并对SV和GOOSE报文的特点进行解析。为了按捺共网传输的网络风暴，可参加风暴按捺判据，过滤掉反常报文，减轻ARM处理器的作业载荷，进步数据处理的实时性。
2.2.2 继电维护功用模块规划
Zynq充沛考虑到在Xilinx FPGA产品上规划的移植性，可将本来“处理器+FPGA”形式下FPGA完结的功用模块便利便利地移植到Zynq渠道上，节约开发时间，坚持产品稳定性。
2.2.2.1 人机接口功用完结
因为小型化维护设备选用就地化设备方法，直接暴露在风吹日晒、雨雪环境中，设备密闭性要求到达IP67的防护等级，无法设备液晶、键盘等人机交互器材。差异于经过FPGA扩展液晶和键盘外设的智能维护设备，就地化维护设备人机功用是经过设备在主控室或维护小室的就地化维护智能办理单元来完结设备的界面会集展现、装备办理、备份办理、在线监督和确诊功用，一切数据由就地化维护的网口经过光纤网络上传，抗搅扰才能强。
2.2.2.2 惯例互感器维护采样功用完结
小型化维护的采样方法有两种：惯例互感器采样经过电缆直接衔接到小型化维护设备;电子式互感器SV和GOOSE共网经过光纤以太网接入小型化维护设备。在惯例互感器采样方法中，小型化维护渠道运用两片AD7606共16路采样通道，收集电压、电流等模拟量供维护或测控运用。
AD7606芯片经过串行SPI 和FPGA衔接，由FPGA坚持采样时序和AD数据正确性，ARM核完结对FPGA采样功用的参数，如每周波采样点数、通道个数、预采样时间等进行设置，FPGA经过中止方法告诉ARM核收取采样数据。这部分功用可由在“处理器+FPGA”形式下用Verilog HDL编写的FPGA代码稍作改动后移植到Vivado Zynq硬件规划工程中。
2.2.2.3 继电维护开入开出回路完结
小型化维护设备因为机箱尺度受限，不能装设太多的开入开出回路。考虑与非智能的一次开关设备接口，保留了8路遥信开入和8路出口回路来收集信息和操控一次开关设备。Zynq的PS侧的复用MIO多用做外设接口，数量较少，无法完结16路I/O。开入开出规划由PL侧的EMIO来完结，外部开入和PL侧开出都经过总线收发器SN74LVC245，由FPGA编写简略的I/O硬件驱动，经过中止或查询方法告诉ARM。
3 软件结构和运用功用完结
嵌入式小型化继电维护渠道的软件结构首要包括渠道的底层硬件驱动、引导程序、嵌入式实时操作体系和运用功用模块。
3.1 底层硬件驱动
Xilinx 的SDK开发东西供给了针对Zynq的BSP包，BSP包括ARM的外设接口驱动，并供给丰厚的测验例程供开发者参阅。BSP供给的ARM外设驱动代码用C编写，移植便利，改动量小。FPGA部分规划的网口和AD收集等模块需求在PS偏重新开发相应的驱动。
3.2 渠道引导
Zynq是以ARM为中心的FPGA，渠道引导时，先引导ARM核，由ARM装备引导其他部分。引导的首要内容是引导ARM的实时操作体系和FPGA的BIT装备文件。图3是引导和装备进程的具体列表。
在渠道的引导进程中，FSBL加载Uboot到ARM来运转，Uboot供给了ARM外设接口的驱动并完结操作体系启动前有必要的硬件初始化，之后将操控权移交给操作体系。启动时烧写到FLASH中的镜像文件可由Xilinx SDK生成，镜像文件包括FSBL的ELF格局可履行文件，FPGA代码编译生成的BIT文件和穿插编译生成Uboot的ELF格局可履行文件。
3.2 渠道嵌入式实时操作体系
嵌入式操作体系选用国外引入的支撑Zynq 7000系列芯片的嵌入式实时操作体系Nucleus Plus，Nucleus Plus具有实时的、抢先的、多任务的内核。95%的内核代码由C言语编写，移植性好，今后可以滑润移植到功用更好的渠道之上。开发人员可对Nucleus Plus操作体系进行定制修正，以习惯小型化继电维护渠道的特别需求。
考虑到Zynq 7000 ARM双内核的作业方法，在操作体系选型时，挑选了支撑双核SMP(对称式)的Nucleus Plus。现在，Zynq ARM双核在继电维护设备运用规划中，有的选用AMP(非对称式)方法，即核0树立 Linux操作体系，处理实时性不高的运用，如IEC61850中的协议解析，设备特点数据处理等;核1处理高实时性的继电维护算法等功用，满意继电维护设备的实时性。相对AMP、SMP形式的操作体系具有可同享内存、较高的功用和功耗比，以及易完结负载均衡等长处，更能发挥多核处理器的硬件优势，并且在跨处理器硬件渠道的移植开发上，更简略和便利。
3.3 运用功用模块
小型化继电维护软件渠道选用多模块主动加载办理体系，彻底完结通讯办理模块、人机接口、体系渠道、设备驱动和运用模块的独立编译和下载，并在初始上电进程中，主动识别各软件模块，树立各模块的初始作业环境，主动履行软件模块的相关操作。这样，调试晋级或体系功用变化时，只要对相关功用模块进行晋级、编译和下载，然后将规划、调试、测验等缩小到一个有限的规模，既缩短了开发周期，又下降了软件开发的难度和杂乱度。渠道根本功用模块组成如图5所示。
4 结束语
就地设备的小型化维护设备现已在智能变电站中有了试点运用。为了便利设备，设备尺度规划大约是260mm×180mm×100mm，可以两台并排设备在一次设备汇控柜旁边面，不需求专用屏柜。整设备实测功耗最大不超越11W，约是惯例智能维护设备的1/4。全密闭式金属机壳结构和免维护规划是智能变电站就地化维护设备发展趋势。
Xilinx Zynq系列芯片现已广泛运用在嵌入式产品的各个领域，在稳定性和可靠性上得到了多种相关产品的验证。在此基础上规划的小型化继电维护渠道具有低功耗、低本钱、高度集成的长处。特别是片内ARM+FPGA的架构，让该渠道可以灵敏地拓宽外设功用，使体系速度和体系资源得到充沛的使用。依据该渠道的继电维护产品可以较好地满意当时智能变电站维护丈量设备就地化设备的需求，下降智能变电站的建造本钱。
参阅文献：
[1]刘振亚.智能电网技能[M].我国电力出版社,2010.
[2]王莹.Xilinx可扩展处理渠道：ZYNQ嵌入式处理器与FPGA集成的共同壮举[J].电子产品世界,2014(2):27-32.
[3]Xilinx Inc.Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual(v1.0),2015.
[4]何宾. Xilinx all programmable Zynq-7000 SoC[M].北京:清华大学出版社,2013.
[5]陆佳华.嵌入式体系软硬件协同规划实战攻略[M].机械工业出版社, 2013.
本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第68页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
