CN109542450A

CN109542450A - 智能变电站过程层智能组件实现方法及装置

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Publication number: CN109542450A
Application number: CN201811325288.4A
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 张锋; 孔圣立; 杜兴伟; 吴春红; 刘超; 宋闯; 李琼林; 党奇; 党一奇; 段文岩
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Henan Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Henan Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2038-11-08
Also published as: CN109542450B

Abstract

本发明公开了智能变电站过程层智能组件实现方法及装置，首先根据过程层智能组件功能需求和工作流程，建立多任务***架构；分解并抽象各类智能组件功能模块，定义共享数据结构和函数调用接口；将包含智能组件完整模块和工作流程的源代码，及Lua源代码或者Lua源代码生成的目标***库，编译连接生成可执行文件，配合含由IED工具包导出的CID提取信息及智能组件具体功能定义函数的configinfo.lua脚本文件，实现各类智能组件功能。本发明通过Lua技术，将智能组件运行所需的CID文件和装置功能配置信息整合为一个文件，实现不同类型功能的过程层智能组件，增强产品适用性及降低开发成本，方便管理和运行维护。

Description

智能变电站过程层智能组件实现方法及装置

技术领域

本发明涉及智能变电站的技术领域，尤其涉及智能变电站过程层智能组件实现方法及装置。

背景技术

过程层是智能变电站区别于常规变电站的主要特征，相对于传统变电站，智能变电站的过程层能有效解决信号易干扰、高低压无法有效隔离及数据不能共享等缺点。过程层由一次设备和智能组件构成，智能组件主要有合并单元和智能终端，完成变电站电能测量、控制、状态监测等相关功能。具体的，分解功能需求，转化为设备开发需求即完成数据的接收或者采集，根据变电站配置描述文件SCL解析得到端口配置、SV和GOOSE数据集、过程层组网方式(点对点/网络)等，按照符合IEC61850-9-1/2、GOOSE协议标准编码并通过光纤以太网发送变电站实时电气量数据(包括设备自诊断运行告警信息等)，辅助需求还有采样数据插值同步、同步守时及装置界面显示。

目前过程层智能组件有合并单元、智能终端、合智一体三类。实现方法归纳为根据功能分类，开发单一功能可执行文件，配套文件有经IED配置工具导出的CID文件、厂家定值(或者映射文件)，甚至个别厂家还有软硬件配置文件。通过分析不难看出，目前这些实现方法一是功能固定和单一，二是功能实现依赖文件较多，管理和运行维护不便，增加运行出错几率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供智能变电站过程层智能组件实现方法及装置，旨在解决现有技术的过程层智能组件其实现方法功能固定和单一，功能实现依赖文件较多，管理和运行维护不便，增加运行出错几率的问题。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种智能变电站过程层智能组件实现方法，包括：

建立步骤：

根据过程层智能组件的功能需求和工作流程，建立多任务***架构；

解析步骤：

解析IED工具导出的CID文件，结合智能组件的硬件配置信息，生成智能组件运行所需的configinfo.lua脚本文件；

所述configinfo.lua脚本文件包含CID文件提取信息及智能组件各项功能函数定义；

定义步骤：

利用configinfo.lua脚本文件，分解并抽象智能组件的各功能模块，定义每个功能模块的共享数据结构和函数调用接口；功能模块和工作流程一一对应；

编译步骤：

分解智能组件多任务及工作流程要求，创建中断服务程序，分配任务优先级；

将包含各功能模块及其工作流程的源代码，以及Lua源代码，编译连接生成可执行文件；或者，

将包含各功能模块及其工作流程的源代码，以及Lua源代码生成的目标***库，编译连接生成可执行文件；

所述可执行文件用于配合configinfo.lua脚本文件实现智能组件的各项功能。

在上述实施例的基础上，优选的，所述定义步骤，具体为：

根据运行环境编译Lua源代码；

以库文件形式生成Lua编译器和Lua翻译器，链接到目标程序中，利用目标程序中的Lua解释器解析并执行configinfo.lua脚本文件；或者，直接将Lua源代码添加到项目工程文件中，生成目标可执行文件，利用目标可执行文件执行configinfo.lua脚本文件；

根据智能组件的硬件配置信息，获取智能组件各项功能函数定义、端口配置及工作流程，分解并抽象智能组件的各功能模块，定义每个功能模块的共享数据结构及Lua、C交互接口；

利用C与Lua共享数据、函数相互调用技术，在configinfo.lua脚本文件中定义功能函数；所述功能函数用于实现智能组件的各项功能。

在上述实施例的基础上，优选的，所述利用目标程序中的Lua解释器解析并执行configinfo.lua脚本文件前，还包括：

利用目标程序中的Lua编译器对configinfo.lua脚本文件进行词法、语法检查，如果文件丢失、被破坏或者存在错误，则进行告警提示。

在上述任意实施例的基础上，优选的，所述定义步骤，还包括：

结合智能组件的硬件特点合理分配各功能模块所属硬件空间。

或者，优选的，所述定义步骤，还包括：

如果智能组件的各功能模块对于某一功能函数的定义有差异，则在configinfo.lua脚本文件中进一步定义该功能函数。

或者，优选的，所述智能组件的各项功能包括初始化、读取数据、同步插值、SV/GOOSE编解码、以太网数据发送、同步守时中的一种或多种。

一种智能变电站过程层智能组件实现装置，包括：

建立模块，用于：

解析模块，用于：

定义模块，用于：

编译模块，用于：

在上述实施例的基础上，优选的，所述定义模块用于：

根据运行环境编译Lua源代码；

在上述实施例的基础上，优选的，所述定义模块还用于：

在上述任意实施例的基础上，优选的，所述智能组件的各项功能包括初始化、读取数据、同步插值、SV/GOOSE编解码、以太网数据发送、同步守时中的一种或多种。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明具备以下优点：

1、通过更改configinfo.lua脚本文件即能实现不同过程层智能组件功能。configinfo.lua脚本文件不仅包含了常规智能组件运行配置参数CID信息，还包括了智能组件功能性函数。在硬件配置满足功能需求的情况下，可执行文件解释执行configinfo.lua脚本文件，获得运行配置参数及功能性函数定义，智能组件根据信息完成定义的功能，从而实现不同类型智能组件。该技术特别适用于智能变电站过程层智能组件测试类设备，在导出仿真目标CID文件的基础上选择添加相应的智能组件类型功能性函数，即可实现不同类型仿真目标智能组件功能。

2、易于管理与维护。借助DSP和FPGA在线编程技术，整个功能实现仅依赖两个文件，一个是通用可执行文件，即不论要实现什么类型的智能组件，其文件相同，不存在与configinfo.lua脚本文件匹配出错问题；另一个即configinfo.lua脚本文件，该文件相较于常规智能组件，是CID文件的变种，是智能组件运行不可或缺的文件。

3、适用于多种目标***。由于Lua类C，Lua源代码能在各类操作***中编译链接生成目标库，也可以以源代码形式直接添加到项目工程中编译生成目标可执行文件。

4、易扩展和升级。本发明基于模块化设计，降低项目的耦合度，每个功能对应一个抽象模型(数据结构和函数)，如果需要功能扩展，则首先建立相应的抽象模型，其次分解模型中数据类型和交互、组织形式，最后编写相应的功能性子函数。本发明利于项目的开发效率和后期的维护，因此后续功能扩展及升级实质是模块类型、数量的增加和优化，建立好新功能模块的抽象模型就可以轻松实现。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了本发明实施例提供的一种智能变电站过程层智能组件实现方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种智能变电站过程层智能组件实现装置的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种智能变电站过程层智能组件实现装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

具体实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种智能变电站过程层智能组件实现方法，包括以下几个步骤。

建立步骤S101：

根据过程层智能组件的功能需求和工作流程，建立多任务***架构。

解析步骤S102：

解析IED工具导出的CID文件，结合智能组件的硬件配置信息，生成智能组件运行所需的configinfo.lua脚本文件；所述configinfo.lua脚本文件包含CID文件提取信息及智能组件各项功能函数定义。

具体的，可以采用DOM方式解析由IED配置工具导出的CID文件，首先将目标智能组件的整个CID文件读入内存生成树形结构的映象，生成了具有父子关系的一些节点；然后根据schema文件建立各元素的信息模板类，之后就可以将DOM树上的每个节点与它相应的模板类间建立一一对应关系；根据关键字如communication、dataset、input等获取过程层智能组件发布的SV、GOOSE数目，目的MAC地址，数据集，映射关系等信息，得到智能组件各项功能函数定义；最后把提取信息赋值给预定义的变量、Table，生成configinfo.lua脚本文件并保存；

由于智能组件的类型可以有多种，并且同一类型智能组件又因为工作模式及功能需求不同而不同。比如合并单元，输入端有电流电压模拟量形式接入及采集器数字量形式接入之分，输出端有以太网和FT3两种输出形式，且不论输出端口数量还有差异。为了实现不同类型的智能组件，就必须在程序实现中作相应调整。而如果想在可执行文件中实现不同功能，则需要根据变量不同值进行枚举，一方面增加代码空间，不利用程序代码阅读，另一方面也会给程序升级和维护带来不便。

定义步骤S103：

利用configinfo.lua脚本文件，分解并抽象智能组件的各功能模块，定义每个功能模块的共享数据结构和函数调用接口；功能模块和工作流程一一对应；对于不同类型的智能组件，或者同一类型功能不同的智能组件，都可以将其分解并抽象成若干个功能模块的组合，并且为每个功能模块定义其共享数据结构和函数调用接口。优选的，所述定义步骤S103，还可以包括：如果智能组件的各功能模块对于某一功能函数的定义有差异，则在configinfo.lua脚本文件中进一步定义该功能函数。这样做的好处是，针对智能组件的各功能模块都用到同一个功能函数，且对于同一个功能函数的定义有差异的情况，可以采用在configinfo.lua脚本文件中进一步定义该功能函数，例如该功能函数在被功能模块A调用时其定义为……，该功能函数在被功能模块B调用时其定义为……；同时在可执行文件中定义数据结构，比如readdata、writedata等，利用Lua与C交互技术，实现数据共享和函数相互调用，这样可以保证每个功能函数的定义不会出现模棱两可的情况、避免发生歧义。

编译步骤S104：

本发明实施例首先根据过程层智能组件功能需求和工作流程，建立多任务***架构；分解并抽象各类智能组件功能模块，定义共享数据结构和函数调用接口；将包含智能组件完整模块和工作流程的源代码，及Lua源代码或者Lua源代码生成的目标***库，编译连接生成可执行文件，配合含由IED工具包导出的CID提取信息及智能组件具体功能定义函数的configinfo.lua脚本文件，实现各类智能组件功能。本发明实施例通过Lua技术，将智能组件运行所需的CID文件和装置功能配置信息整合为一个文件，实现不同类型功能的过程层智能组件，增强产品适用性及降低开发成本，方便管理和运行维护。

优选的，所述定义步骤S103，可以具体为：

根据运行环境编译Lua源代码；本发明实施例中，运行环境可以为vxworks和/或Linux。

利用C与Lua共享数据、函数相互调用技术，也即C与Lua交互技术，在configinfo.lua脚本文件中定义功能函数；所述功能函数用于实现智能组件的各项功能。

优选的，所述利用目标程序中的Lua解释器解析并执行configinfo.lua脚本文件前，还可以包括：利用目标程序中的Lua编译器对configinfo.lua脚本文件进行词法、语法检查，如果文件丢失、被破坏或者存在错误，则进行告警提示。这样做的好处是，能够及时发现configinfo.lua脚本文件中词法、语法丢失、被破坏或者存在错误的情况，提醒用户及时处理，防止这些问题影响后续步骤的正常进行。优选的，可以在装置上电后，利用目标程序中的Lua编译器进行词法、语法检查。

优选的，所述定义步骤S103，还可以包括：结合智能组件的硬件特点合理分配各功能模块所属硬件空间。这样做的好处是，能够根据智能组件的硬件特点合理分配所占空间。例如，本发明实施例中，硬件架构可以采用ARM+DSP+FPGA组合，ARM完成界面显示、外部通信和configinfo.lua脚本文件编译、解释执行及过程层通信协议的编解码，DSP完成实时数据处理，FPGA完成AD、DI采样、采集器及以太网数据接收和光纤以太网数据发送。

本发明实施例对智能组件的各项功能不做限定，优选的，所述智能组件的各项功能包括初始化、读取数据、同步插值、SV/GOOSE编解码、以太网数据发送、同步守时中的一种或多种。所述可执行文件用于配合configinfo.lua脚本文件实现智能组件的各项功能，其中，所实现的功能可以包括上电初始化、中断服务程序、中断级任务及一般性任务。上电初始化主要完成硬件初始化及configinfo.lua脚本文件编译、解释执行，FPGA、DSP的在线编程；中断服务程序主要完成时钟同步、实时数据读(接收实时采样数据)写(发送数据更新)；中断级任务主要完成数据滤波，插值同步，SV、GOOSE、FT3数据的编解码；一般性任务主要完成人机交互及外部通信。

上电初始化除了完成常规的硬件初始化外，还涉及三个关键技术。

一是configinfo.lua脚本文件的编译及解释执行。为了实现这一目标，可以在创建可执行文件工程文件时添加lua源代码，或者链接时添加目标运行环境的lua库(内含编译器和解释器)；

二是FPGA在线编程。第一步通过硬件选择线，将FPGA设定为在线编程工作模式；第二步，将FPGA目标工作程序编译成.c文件，如fpagcode.c，将其添加到可执行文件工程文件中；第三步，在可执行文件对应的FPGA配置代码中，分配FPGA在线编程IO口线及配置地址，上电执行时，可执行代码将fpgacode.c下载到FPGA，下载过程中实时检测下载状态，出错则告警，下载完成后复位FPGA，使其转入工作状态；

三是DSP在线编程。第一步，DSP根据功能分配，编写目标工作程序，经编译、链接后生成二进制文件；第二步，准备DSP在线编程程序(相当于一个bootloader)，作为上电首先运行的程序。上电后，监听串口数据，进入升级等待状态，通信完成目标程序的接收，存入，编程成功后，进入主程序运行。

中断服务程序主要完成时钟同步、实时数据读写。其中时钟同步、守时及A/D数据采样和各类协议数据接收和发送可以由FPGA完成，充分利用其精确的时序控制能力和丰富的***可编程IO接口特点，为实现数据区的读写切换，采用RAM乒乓机制。FPGA将接收到的各类实时数据写入预先分配好的存储空间，DSP通过数据总线的方式读取并转后端中断级任务处理，ARM将编码好的准备发送的实时数据通过总线写入FPGA预先按照硬件端口分配好的存储空间，由FPGA读取后按照时序要求发送出去。

中断级任务主要完成数据滤波，插值同步，SV、GOOSE、FT3数据的编解码，利用DSP强大的处理各类数据的能力由其完成。对于模拟量接入的合并单元，通过A/D同步触发转换技术完成电流电压电气量的同步采样，DSP对读取的实时采样数据进行数字滤波处理，并根据SV目标协议和检验精度要求，转换对应数字量。对于数字接入的合并单元，无论是采集器还是以太网数据，DSP均需要进行协议解码得到原始实时数据，对于电流电压采样值，还需进一步插值同步二次重采样。ARM根据解析configinfo.lua脚本文件得到的目标协议信息和通过总线读取的DSP处理后的实时数据进行SV、GOOSE编码。

一般性任务主要完成人机交互及外部通信。人机交互除了根据configinfo.lua脚本文件配置信息决定是否启用液晶模块驱动外，与一般性装置人机交互没有区别。

本发明实施例基于模块化设计，每个功能对应一个抽象模型(数据结构和函数)，在功能扩展时，首先建立相应的抽象模型，其次分解模型中数据类型和交互、组织形式，最后编写相应的功能性子函数。因此后续功能扩展及升级实质是模块数目的增加和优化，建立好新功能模块的抽象模型就可以轻松实现。

在上述的具体实施例一中，提供了智能变电站过程层智能组件实现方法，与之相对应的，本申请还提供智能变电站过程层智能组件实现装置。由于装置实施例基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。下述描述的装置实施例仅仅是示意性的。

具体实施例二

如图2所示，本发明实施例提供了一种智能变电站过程层智能组件实现装置，包括顺序连接的以下几个模块：

建立模块201，用于：

解析模块202，用于：

定义模块203，用于：

编译模块204，用于：

优选的，所述定义模块203可以用于：

根据运行环境编译Lua源代码；

优选的，所述定义模块203还可以用于：

优选的，所述智能组件的各项功能可以包括初始化、读取数据、同步插值、SV/GOOSE编解码、以太网数据发送、同步守时中的一种或多种。

如图3所示，本发明实施例的硬件架构可以采用ARM+DSP+FPGA组合。ARM、DSP、FPGA分别实现建立模块201、解析模块202、定义模块203、编译模块204的部分或全部功能。

ARM可以采用MCIMX6U7CVM08AC，利用其四核设计具有强大的处理能力和较高的集成度，降低了***的组成开销，简化了电路板的设计，降低了功耗。主要完成configinfo.lua脚本文件编译、解释执行，DSP、FPGA在线编程，人机交互及外部通信。

DSP可以采用美国德州仪器公司(TI)TMS320C6416，利用其强大的各种复杂的数据处理能力主要完成数据处理(如数据滤波，插值同步，同步守时，SV、GOOSE编解码)。

FPGA可以采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个***门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。FPGA利用精确的时序控制能力，完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据接收和发送，A/D数据采集，同时完成高速串行数据接收发送以及开关量接收。

外部时钟晶振可以采用超低功耗DOCXO3627C，其接入FPGA，并由FPGA产生新的不同时钟频率提供给ARM和DSP，从而保证整个***时钟的一致性。A/D采集芯片采用AD公司18位AD7690芯片，该芯片1.5LSB INL、400kSPS差分ADC，其差分输入特性具有更强的抗干扰性能。

本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，己符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而己，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，待征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种智能变电站过程层智能组件实现方法，其特征在于，包括：

建立步骤：

解析步骤：

定义步骤：

编译步骤：

2.根据权利要求1所述的智能变电站过程层智能组件实现方法，其特征在于，所述定义步骤，具体为：

根据运行环境编译Lua源代码；

3.根据权利要求2所述的智能变电站过程层智能组件实现方法，其特征在于，所述利用目标程序中的Lua解释器解析并执行configinfo.lua脚本文件前，还包括：

4.根据权利要求1-3任一项所述的智能变电站过程层智能组件实现方法，其特征在于，所述定义步骤，还包括：

5.根据权利要求1-3任一项所述的智能变电站过程层智能组件实现方法，其特征在于，所述定义步骤，还包括：

6.根据权利要求1-3任一项所述的智能变电站过程层智能组件实现方法，其特征在于，所述智能组件的各项功能包括初始化、读取数据、同步插值、SV/GOOSE编解码、以太网数据发送、同步守时中的一种或多种。

7.一种智能变电站过程层智能组件实现装置，其特征在于，包括：

建立模块，用于：

解析模块，用于：

定义模块，用于：

编译模块，用于：

8.根据权利要求7所述的智能变电站过程层智能组件实现装置，其特征在于，所述定义模块用于：

根据运行环境编译Lua源代码；

9.根据权利要求8所述的智能变电站过程层智能组件实现装置，其特征在于，所述定义模块还用于：

10.根据权利要求7-9任一项所述的智能变电站过程层智能组件实现装置，其特征在于，所述智能组件的各项功能包括初始化、读取数据、同步插值、SV/GOOSE编解码、以太网数据发送、同步守时中的一种或多种。