一种基于CPCI总线的智能故障信息系统子站

引言

    智能故障信息系统(以下简称系统)负责在电网故障时故障信息的采集和分析工作,为运行调度人员提供准确的故障诊断,以利于故障的快速处理,减少故障造成的损失。如图1所示,系统可分为主站、分站和子站的三层结构。其中子站安装在变电站内,负责数据采集和预处理任务。

    图1电网故障信息系统结构图

    在分析了智能电网对故障信息系统子站(以下简称子站)装置新需求的基础上，本文提出了一种基于CPCI总线的嵌入式装置作为子站的硬件平台，该硬件平台具有易扩展、功能强、兼容性好等特点，能满足新一代子站对硬件的要求。

1 子站硬件的现状及要求

    智能电网的提出对子站提出了更高的要求。智能电网的目标是依靠先进的计算机控制技术，通过发输配用各个环节将电力精确输送给用户，提高能源的利用效率和能源供应的安全水平。智能电网要求调度系统对故障具有快速响应能力，在短时间内得到故障的详细情况，制定相应的控制决策，正因如此，传统的人工处理方式无法满足智能电网的需求。

    智能电网技术提高了变电站的观测能力，子站在故障发生时需要处理的数据量显著提升，同时智能电网的渐进实施使得子站硬件必须能够兼容传统装置的接入，这就需要采用功能强大又可灵活组态的子站硬件以完成变电站层的故障信息采集和智能预处理任务。

    数字化变电站是实现智能电网的基础，其遵循的新一代通信标准IEC61850指出变电站内的装置应满足互操作性，并最终实现不同厂家装置具备互换性。目前变电站内的硬件装置分为两大类：一类是工控机(IPC)，另一类是各厂家自行开发的装置。这两类装置都无法完全满足智能电网对子站硬件的要求，这体现在以下几个方面：

    1)工控机存在着功耗大、扩展困难、旋转配件易损耗等缺点。而各厂家自行开发的装置虽然多数采用了总线技术并以插件形式使装置具备了一定的扩展性，但厂家自定义的背板总线和插件没有遵循相同的国际标准，限制了各个厂家装置之间的通用性，装置无法做到插件级互换。

    2)变电站内不同的硬件造成了变电站工程实施的复杂性。由于硬件原理和操作方法差别大，在变电站施工以及维护过程中用户必须熟悉不同厂家不同型号装置的硬件配置方法和性能指标，这增加了施工难度，提高了出错概率，降低了可靠性。

    3)变电站内厂家自开发装置软件和硬件关联

    程度高，造成软件硬件分离困难。用户只能从少数几个行业厂家采购硬件，不仅采购成本高，而且无法选购非行业厂家生产的先进技术设备，硬件升级缓慢，不能适应智能电网时代对大数据量、高可靠等不断增长的需要。

    4)在电力技术发展的过程中，新老装置并存的局面将长期存在，对硬件的性能改进和新功能开发也将持续进行。由于工控机和厂家自定义装置硬件接口固定，扩展能力较差，因此在升级过程中经常整体更换，这增加了用户成本而且容易造成装置工作不稳定。

2 CPCI技术介绍

    Compact PCI(Compact Peripheral ComponentInterconnect，CPCI)，是PCI国际工业计算机制造者联合会(PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PICMG)于1994提出来的一种总线接口标准，是以PCI电气规范为标准的高性能工业用总线。一个CPCI系统由一个或多个CPCI总线段组成。每个总线段又由8个CPCI插槽组成(33 MHz情况)，每个CPCI总线段包括一个系统槽和最多7个外围设备槽。图2给出了一个33 MHz的CPCI总线段结构图。

    图2 一个CPCI总线段结构图

    与IPC相比，CPCI系统具有明显的优势：

    1)CPCI系统采用欧洲卡结构，具有较好的散热性能和抗振动冲击能力。CPCI板卡上的ESD(Electro．Static Discharge)静电导出条可以满足电磁兼容性要求。同时CPCI总线标准定义的冗余设计、故障切换和故障管理等内容，非常符合IEC61850标准中系统的可扩展性、高可靠性要求，和IEC61850的模块化概念吻合。

    2)CPCI系统以针孔连接器代替金手指，CPCI卡通过连接器固定在背板上，顶端和底部均有导轨支持，即使在剧烈的冲击和震动场合，也能保证持久连接而不会接触不良。安装、更换CPCI板卡非常简单。此外，CPCI系统引脚长短针交错以支持热插拔功能。

    3)CPCI系统具有足够的带宽，如PICMG 2．x版本在64位／66 M总线接口下能提供每秒高达512 MB的带宽，而PICMG 3．0版本总线速度可达每秒2 Tb以上。[page]

    4)CPCI系统充分考虑了向后兼容性。CPCI系统的CPU及外设同标准PCI是相同的，并且使用了与PCI系统相同的芯片和软件。PCI和CPCI本质上是一致的，操作系统、驱动和应用程序都感觉不到两者的区别，这减轻了各种PCI板卡的开发和移植工作量。

    正因为具备以上特点，CPCI技术广泛应用在军事、航空航天、高速数据通信等需要高速运算以及具有高可靠度要求的应用领域。

3 子站CPC I装置的结构

    通过以上介绍，CPCI系统在电磁兼容、总线速率、可靠性和可扩展性等方面都适合于智能电网对子站硬件的需求。图3给出了采用CPCI总线技术的子站装置结构图。

    3．1系统板

    装置的系统板可根据变电站规模、对功耗的要求等灵活选择X86架构的或PPC架构的CPU。配合适当的内存和接口，可以满足子站对数据处理的

    图3 采用CPCI总线的子站硬件结构图

    本文装置的系统板采用Pentium M 1G CISCCPU，带32K一级缓存，512K二级缓存，前端数据总线速度266／333 MHz。采用无风扇表贴散热片散热结构，消除风扇故障的风险。系统板使用板载表贴内存512 M，比以往的卡式内存降低了接口风险，提高系统可靠性。另外系统板上提供普通IPC标准配置中的所有接口，如VGA、LAN、USB、RS232等，通用性好，能够像普通IPC一样使用，操作人员上手快，维护简便。系统板占用系统槽的J1、J2接口，可以从后IO扩展所需的接口，本装置使用J2扩展人机接口。系统板安装了电子盘作为系统启动盘兼数据存储，也可选装固态硬盘作为数据存储后备。此外，系统板具有2个100 M或1 000M的以太网口用于接入主站或接入站内的装置。

    3．2网口板

    根据图1，子站运行时与多个分站或主站通信，把故障信息上送给调度人员并接受主站下发的查询命令。同时子站还要与变电站内的保护、录波器相连，采集需要的信息。一般情况下，分站、主站以及变电站内的装置分处不同的网段，因此需要子站硬件具备多网口通信能力。

    本文装置设计的电网口板一个可扩展4个网口，采用4片Intel82551作为网络通信芯片，分别连接4个10／100 Mb自适应网口，自动识别交叉或直连线，该芯片支持多优先级传输队列和VLAN，可以满足IEC61850对虚拟网的要求。芯片采用BGA封装有利于散热。网口板上的4片82551通过PCI—PCI桥芯片连接到背板总线。

    为了适应数字化变电站对光网口的需求，本文装置还配备光网口板，每个光网口板包含3个光网口，采用Intel82551与DM9301配合实现光网接入任务。

    3．3 Gps对时板

    数字化变电站中的带时标数据通过以太网以数字方式传输，站内装置对时是非常重要的。子站属于变电站通信逻辑的间隔层，应该执行与保护和控制事件用时间同步要求。T1时间性能类的精度要达到1 ms，而T2时间功能类的对时精度要达到0．1 ms。

    Gps对时板能接收来自TTL／RS485／AC电气形式的IRIG．B码时钟信号，通过智能解码，校对系统时间。对时卡采用现场可编程门阵列(FPGA)进行解码，FPGA具有逻辑单元灵活、集成度高、能随意添加和扩展功能模块、编程简单、升级方便等优点，对于IRIG．B解码仅用简单逻辑电路就可以完成，FPGA采用并行流程解码，速度能达到100MHz。板卡还增加了时间自动修正功能，其对时精度达T3级以上，能完全满足数字化变电站对子站对时T2级精度的要求。

    3．4串口板

    在对传统变电站的数字化改造过程中，站内存在大量传统的装置，这些装置很多并不具备以太网通信能力，而是通过串口输出信息的。为了接入这些装置，予站需要具备串口通信能力，串口板就是负责完成这一任务的。

    对比工控机扩展串口时使用IO访问方式的UART，由于其工作方式是查询发送接收，进入发送接收进程时CPU会处于等待状态，因而CPU占用高，影响系统整体性能。本文装置使用PCI总线芯片扩展串口，含有比以往串口芯片多3倍的FIFO。通过中断方式发送接收，发送数据后释放CPU，降低了CPU占用率，经过实际测试，同时以9 600波特率向一个板卡上8个串口发送1 Mbytes大小的文件，装置接收并显示接收内容，CPU占用资源小于1％。

    每个串口板采用标准CPCI接口与母板连接，能够很方便灵活地在任意槽位任意扩展串口板。通过在软件上修改底层串口驱动并辅以跳针，串口板上的任意一个串口都能够独立地切换成RS232／RS485通信方式，提高了串口板的适应能力。

    3．5人机接口

    本子站装置设计了人机接口板，负责前面板装置指示灯的显示。同时为了满足不同地区用户需求的差异，人机接口板还可接入液晶显示器和按键，以实现对信息的直接查询，如查询修改其他装置IP地址、查询其他装置当前事件、查询与其他装置通信状态等。

    人机接口使用ARM7芯片作为CPU，内嵌小型实时系统UCOS．II，人机接口板与系统板通过串口通信获取需要的信息。人机交互面板隔离芯片和静电释放电路，保障系统的安全运行。[page]

    3．6存储

    配合子站的存储要求，本文装置可扩展固态硬盘作为数据后备，硬盘同样以板卡形式插接，方便用户更换。

    子站装置可根据需要采用不同的操作系统，如Linux、Windows、VxWorks等，本文装置采用Linux操作系统，精简高效，同时提供串口终端供调试用。此外，为适应各种不同的变电站，本文装置还专门开发了可接入CAN总线、LAN总线等的扩展板。

4 装置性能测试

    为了测试装置性能，针对子站可能遇到的情况进行了充分的测试，限于篇幅，现将对总线通信能力要求最高的网口板的测试情况说明如下。

    以太网口是挂载在CPCI总线上的设备。设33 MHz CPCI总线能够挂载网口数目为N。由于装置扩展的其他设备如CPCI串口卡、IDE存储设备等也会占用总线带宽，设这部分设备总共占用总线2 M带宽，则

    100M×N=(33 M一2M)×32 (1)

    可得N≈10。即理论上33 MHz CPCI总线可承载10个100 M网口同时进行最大容量数据传输。需要注意的是，网络数据传输速度不仅与总线类型相关，而且与系统板资源及芯片类型、网口板芯片类型等都有密切关系。为降低生产成本，本文装置采用中档系统板。

    对图1所示子站，其既要与变电站内的装置通信，又要与各级调度中心的主站和分站通信。根据实际工程经验，子站配置6个网口即可满足需求，其中2～3个用于子站与变电站内的装置通信，2-3个用于子站与各级分站和主站通信。子站与变电站内装置相连的网口一般为10 M／100 M自适应，而子站与主站和分站相连的网口数据传送速率较小，一般为2 M。作为准实时系统，子站装置各个网口不会同时达到最大数据传输速率，实际应用中对子站的网络传输速率要求并不如测试条件极端。

    测试模拟现场设备与子站装置通信网口之间进行点对点通信，对被测子站装置的多个网口测试其满负荷工作时的吞吐量和系统开销。测试端在两台多网口的den服务器上运行专业软件IxChariot，子站装置运行对端软件endpoint和cpu占用率检测程序top。测试端运行测试脚本，使用TCP协议每次传输交易向所测试网口发送10 MB数据包，测试100次。

    测试针对几种典型的子站应用情况，表1和图5、图6给出了在2网口、4网口、6网口、8网口满负荷情况下的网络传输吞吐量与CPU占用率曲线。

    图4网络测试接线图

    表1网络平均速度测试结果

    图5网口吞吐量

    图6网口测试中CPU占用率

    从测试结果看，子站装置可以6个网口同时进行满负荷数据传输。但在8网口试图同时满负荷数据传输时，由于系统资源消耗已达极限，吞吐量曲线一致性变差，网络速度下降。综合起来，本文装置完全可以满足子站对网络数据传输的需求。

    从测试结果还可看出，本文设计的以太网卡使用芯片是采用NAPI方式处理的网络芯片，能够缓解老式以太网芯片(如8139)通信消耗CPU资源的矛盾。图6中对网口的测试表明以100 M速率存取数据时CPU占有率仍较低，平均每个网口仅10％左右，相比老式网络芯片通信CPU占有率最大可达30％，性能提高两倍多。

5 结论

    电力系统智能化的发展对装置硬件提出了更高的要求，具备采购方便、配置灵活、升级迅速、工程维护成本低、具备可互换性等特点的装置硬件是未来发展方向。本文提出的基于CPCI的嵌入式硬件平台不仅可应用于故障信息系统子站，也可以全面替换变电站中的工控机。对装置的实验结果验证了装置的传输速率、处理速度等性能指标。