本文將信息工程領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)——信息重構(gòu)技術(shù)引入智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，闡述了動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于智能變電站二次系統(tǒng)的適用性，提出了可用于二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。
1智能變電站動(dòng)態(tài)重構(gòu)
1.1系統(tǒng)配置原理
系統(tǒng)重構(gòu)在開發(fā)早期是作為信息工程領(lǐng)域的技術(shù)，主要用于修改代碼結(jié)構(gòu)和流程設(shè)計(jì)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷形成系統(tǒng)，目的在于不改變已有系統(tǒng)功能的情況下，通過修改系統(tǒng)的運(yùn)行方式來滿足需求變化。
動(dòng)態(tài)重構(gòu)是指在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的過程中對(duì)功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。其實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。
圖1動(dòng)態(tài)重構(gòu)方式
動(dòng)態(tài)重構(gòu)在現(xiàn)階段功能實(shí)現(xiàn)主要包括軟件重構(gòu)、硬件重構(gòu)以及二者的協(xié)同。軟件部分屬于軟件工程研究領(lǐng)域范疇；硬件重構(gòu)技術(shù)多基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（fpga）實(shí)現(xiàn)，可重構(gòu)控制模塊能夠驅(qū)動(dòng)fpga實(shí)現(xiàn)資源的高速功能變換，目前fpga越來越成為可重構(gòu)技術(shù)的熱點(diǎn)；軟硬件的協(xié)同技術(shù)指根據(jù)系統(tǒng)功能需求，統(tǒng)籌考慮性能、成本等因素合理配置軟硬件功能，可以有效提高效率，節(jié)約成本。
1.2基本框架
二次監(jiān)測(cè)評(píng)估及重構(gòu)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)行設(shè)備與重構(gòu)設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息采集、根據(jù)規(guī)則庫(kù)評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、匹配重構(gòu)控制策略、管控主運(yùn)行設(shè)備與重構(gòu)設(shè)備的切換等任務(wù)。同時(shí)，二次監(jiān)測(cè)評(píng)估及重構(gòu)管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及監(jiān)控信息傳給站控層監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)站控層監(jiān)控系統(tǒng)的一體化信息采集。
動(dòng)態(tài)重構(gòu)基礎(chǔ)按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為過程層、間隔層和站控層，在這一點(diǎn)上與智能變電站相配合，所不同之處在于間隔層增加了備用的ied，站控層增加了管控主機(jī)。如圖2所示。
圖2二次系統(tǒng)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)圖
管控主機(jī)可以監(jiān)視全站ied的狀態(tài)變量，在線評(píng)估ied運(yùn)行狀態(tài)，而管控主機(jī)可以控制和管理全站ied。在某個(gè)ied故障時(shí)，給予告警并記錄信息，同時(shí)顯示故障ied的歷史運(yùn)行信息，對(duì)故障進(jìn)行分析，并指導(dǎo)運(yùn)行人員做出判斷，這樣實(shí)現(xiàn)ied重構(gòu)。
2重構(gòu)設(shè)備
目前的動(dòng)態(tài)重構(gòu)設(shè)備多采用主cpu和fpga共同組成的多處理器做為硬件平臺(tái)，通過運(yùn)行操作系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的硬功功能。硬件平臺(tái)基于嵌入式計(jì)算機(jī)，通信協(xié)議包括mms、goose、ieee1588等通信服務(wù)，可以滿足智能變電站即插即用的要求；軟件平臺(tái)采用操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。
2.1軟件平臺(tái)
cpu板的軟件包括硬件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)、通信、應(yīng)用、人機(jī)、測(cè)試及自檢等幾大部分，操作系統(tǒng)選用嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)vxworks，利用中斷機(jī)制及任務(wù)機(jī)制，來協(xié)調(diào)處理不同功能。硬件驅(qū)動(dòng)部分主要包括與硬件有關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序及硬件管理程序，包括內(nèi)存分配、網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)、人機(jī)接口收發(fā)、維護(hù)接口驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)管理、信號(hào)燈、對(duì)時(shí)驅(qū)動(dòng)等的管理等。
系統(tǒng)軟件平臺(tái)的功能主要包括系統(tǒng)管理、硬件自檢、軟件校驗(yàn)、時(shí)間處理、以及必要的信息打印輸出等。
軟件系統(tǒng)作為一個(gè)平臺(tái)，組織結(jié)構(gòu)上具有相當(dāng)?shù)纳炜s性、靈活性，因此采用當(dāng)前主流的、具有多進(jìn)程/多線程、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件的結(jié)構(gòu)組成采用了多進(jìn)程和共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，各個(gè)進(jìn)程以共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)為中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和消息交換，由管理進(jìn)程進(jìn)行各個(gè)應(yīng)用進(jìn)程的協(xié)調(diào)啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)護(hù)。
利用共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，管理進(jìn)程程序通過搭配不同的應(yīng)用進(jìn)程，可以靈活的實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用系統(tǒng)。增加新的功能，就增加啟動(dòng)一個(gè)相應(yīng)的進(jìn)程；不需要的功能，只是簡(jiǎn)單的不啟動(dòng)一個(gè)相應(yīng)的進(jìn)程；這些都由配置通過管理進(jìn)程程序來實(shí)現(xiàn)，具有很好的開放性、靈活性。一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程的出錯(cuò)，不會(huì)影響到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行，具有良好的可靠性、安全性。
其應(yīng)用功能主要包括通信處理、重構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)、配置參數(shù)等管理以及裝置的整體校驗(yàn)測(cè)試等。
設(shè)備數(shù)據(jù)及信息的流向如圖3所示。設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀入goose報(bào)文，解析后處理成開關(guān)量輸入，存入“原始數(shù)據(jù)緩沖區(qū)”。配置、參數(shù)的修改維護(hù)由就地人機(jī)或通信完成，存放于“配置、參數(shù)區(qū)”。
設(shè)備根據(jù)預(yù)設(shè)的配置、參數(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能，由此而產(chǎn)生的設(shè)備狀態(tài)及輸入狀態(tài)的標(biāo)志等置入“設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)狀態(tài)標(biāo)志區(qū)”，產(chǎn)生的各種報(bào)文置入“soe報(bào)文緩沖區(qū)”，發(fā)出的控制指令置入“goose報(bào)文緩沖區(qū)”。
通信和人機(jī)從各緩沖區(qū)中獲得所需的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)就地顯示、控制或傳向其他設(shè)備交互信息。
圖3數(shù)據(jù)及信息流
2.2重構(gòu)硬件設(shè)備
目前的重構(gòu)設(shè)備主要由cpu板主板和網(wǎng)絡(luò)接口板組成。
2.2.1cpu板
cpu板包括cpu主板和cpu的fpga板
1）cpu板主板
cpu插件的主cpu采用mpc8377e。mpc8377e處理器采用e300core，主頻可達(dá)667mhz；帶mmu，ddr2內(nèi)存最高400mhz；32位localbus，最高133mhz，支持nandflash啟動(dòng)；32位pci總線，最高66mhz；2個(gè)pci-e接口；2個(gè)sata接口；2個(gè)10/100/1000mbit的以太網(wǎng)接口；1個(gè)usb2.0接口；2個(gè)uart；2個(gè)i2c；1個(gè)spi。如圖4所示。
圖4cpu板插件硬件框架
cpu板主變的主要資源如圖5所示。
圖5mpc8377模塊框圖
2）cpu板的fpga板
cpu板的fpga實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，為數(shù)據(jù)處理的核心部分。
fpga同時(shí)接收左向和右向網(wǎng)絡(luò)板fpga的數(shù)據(jù)，并按照相應(yīng)的順序填寫到sdram中，并使能中斷信號(hào)，提示cpu可以接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
由于sdram不能同時(shí)讀寫。當(dāng)cpu響應(yīng)fpga中斷接收數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)同時(shí)占用fpga和一片sdram的localbus，如果此時(shí)網(wǎng)絡(luò)板fpga有數(shù)據(jù)包傳遞進(jìn)來的話，就只能緩沖到第二塊sdram。然后發(fā)起中斷，提示數(shù)據(jù)到來，cpu將會(huì)讀取第二塊sdram，以此類推，由兩塊sdram實(shí)現(xiàn)了雙口ram的功能。
由于cpu與fpga之間只有一個(gè)localbus接口，當(dāng)cpu與sdram進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，localbus會(huì)被占用，此時(shí)cpu無法訪問fpga，最好增加一個(gè)spi接口，cpu可以通過spi接口適時(shí)訪問fpga。
2.2.2網(wǎng)絡(luò)接口板
每個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口板配置8個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。每個(gè)以太網(wǎng)口均有l(wèi)ink及act指示燈，用于表征各網(wǎng)絡(luò)接口及接口板的工作狀態(tài)。通過更換元器件可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的電接口或光接口。網(wǎng)絡(luò)接口板通過fpga實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)接口板與cpu板的通信。網(wǎng)絡(luò)接口板與背板聯(lián)絡(luò)，為光纖接口和cpu通信傳遞信息。網(wǎng)絡(luò)接口板與cpu板之間采用光纖通信。
網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)板硬件框圖如圖6所示，主要由以下三部分組成：（1）fpga模塊，主要實(shí)現(xiàn)fpga封包解包邏輯、8個(gè)10/100mmacs、lvds高速總線控制器以及sdram存儲(chǔ)器控制器。（2）sdram模塊，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。（3）phys模塊，包括8個(gè)10/100m以太網(wǎng)phy芯片。phy芯片建議選rtl8208b，該芯片為8路10/100base-t/tx和100base-fxphy，也可以選擇rtc8201或ip101a等芯片。板采用子母板設(shè)計(jì)方式。
圖6網(wǎng)絡(luò)板fpga功能模塊
2.3fpga功能設(shè)計(jì)
2.3.1系統(tǒng)邏輯
fpga設(shè)計(jì)包括cpu板fpga設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)板fpga設(shè)計(jì)兩部分。網(wǎng)絡(luò)板的fpga主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的解碼功能；cpu板的fpga主要實(shí)現(xiàn)cpu與fpga之間的數(shù)據(jù)通信以及與網(wǎng)絡(luò)板fpga的交互數(shù)據(jù)的功能。功能如圖7所示。
圖7fpga系統(tǒng)連接圖
2.3.2fpga邏輯功能
其主要功能是完成8個(gè)以太網(wǎng)mac與串行的高速lvds總線之間的通信。可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)10/100mmac與8個(gè)phy芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為每一個(gè)mac設(shè)計(jì)兩個(gè)幀的緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)大小為2048字節(jié)；同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)lvds本方案考慮使用lvds接口實(shí)現(xiàn)fpga之間的互聯(lián)。fpga收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包之后，通過8b/10b編碼轉(zhuǎn)換成（至少）1gbps的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，將其傳輸?shù)絚pu板的fpga。
但由于封包解包邏輯8個(gè)以太網(wǎng)mac的數(shù)據(jù)是并行的，而lvds總線是串行的，所以還要考慮：lvds選擇性的從8個(gè)mac讀取數(shù)據(jù)傳輸。其選擇mac的順序是1至8，而后繞回到1；其選擇依據(jù)是當(dāng)前mac的緩沖區(qū)是否有合法的數(shù)據(jù)幀，如果有則發(fā)送，沒有則直接跳過。lvds傳輸?shù)膸袷饺鐖D8所示。
圖8lvds幀格式
結(jié)論
本文根據(jù)智能變電站二次功能實(shí)現(xiàn)的工程設(shè)計(jì)，研究了智能變電站二次系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，提出了動(dòng)態(tài)重構(gòu)功能的硬件及軟件解決方案。在研究過程中，以智能變電站二次功能實(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，研究了智能變電站基于信息共享的二次設(shè)備功能軟件構(gòu)造技術(shù)及功能軟件組件實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
重構(gòu)技術(shù)在智能變電站運(yùn)行及維護(hù)工作中的自愈、自適應(yīng)、自恢復(fù)等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，為智能變電站二次系統(tǒng)提供了新的手段，增加了二次系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，有利于推動(dòng)變電站智能化進(jìn)程。