电力 FTU 的单核心解决方案

时间:2017-12-27 15:44来源:ZLG致远电子

摘要:我们是否可以把MCU+MPU的结构用一个MPU来替代呢?答案是完全可以,这里大家介绍一种单处理核心的FTU实现方案。

目前市面上大多电力 FTU 产品均采用 MCU+MPU 双处理器架构,以利用 MCU 的实时性和 MPU 上运行的稳定的网络协议和文件系统资源。那么,我们是否可以把 MCU+MPU 的结构用一个 MPU 来替代呢?答案是完全可以,这里大家介绍一种单处理核心的 FTU 实现方案。

FTU 全名是馈线终端设备,是配电自动化系统中重要的监控设备。具有遥控、遥信,故障检测功能,并与配电自动化主站通信,提供配电系统运行情况和各种参数即监测控制所需信息,包括开关状态、电能参数、相间故障、接地故障以及故障时的参数,并执行配电主站下发的命令,对配电设备进行调节和控制,实现故障定位、故障隔离和非故障区域快速恢复供电等功能,FTU 照片如图1。

 
图 1 FTU
 
FTU 硬件需要符合《DL/T721-2000 配电网自动化系统远方终端》标准,软件需要符合《IEC 60870-5-104:2009》传输规约。从以上2份标准和规约中可以提炼出 FTU 的3个关键实现技术点:

 遥信 SOE 分辨率需要达到 1ms 以内;
 软件协议要求数据采用文件系统存储方式,存储空间需求数量级在 50M 字节左右;
 要求最少2路以太网接口。

以上三点中即有实时性要求,又有比较丰富的数据处理和通信能力要求,所以常规情况会采用 MCU+MPU 的方案,常规硬件方案框图如图2。

 
图 2 FTU 框图
 
下面我们就三个关键点逐一讨论 FTU 的 MCU+MPU 替代为 AW280 单核心方案的可行性。

一、1ms 的 SOE 分辨率
从电力自动化装置事件顺序记录过程来看,影响装置 SOE 分辨率的主要因素有事件处理时间和装置时间精度。事件处理时间取决于装置状态量处理方式及硬件处理速度;装置时间精度取决于装置时钟芯片的准确度及装置时钟处理方式。装置最佳状态量处理方式为中断响应方式,以保证状态量可打断其它任务以最高优先级立即执行。

常规 MPU 运行的 linux 系统由于任务负载的不确定性,会导致中断响应时间的不确定性,这样就会造成装置状态量处理不及时,所以常规 FTU 方案中必须有一颗 MCU 运行的实时操作系统核心来处理状态量,以达到 1ms 以内的 SOE 分辨率。 

AW280 核心板搭载的 AWorks 操作系统为实时操作系统,其中断处理方式和 MCU 中常用的 RTOS 近似,这样就可以保证中断响应时间不低于常规方案;另外 AW280 核心板采用的 MPU 的运行速度为 454MHZ,是常规的 MCU 主频的2倍以上,这就让 AW280 的中断响应会优于常规 MCU 处理方案,性能可以满足之前 MCU+MPU 才能实现的 SOE 分辨率。

二、文件系统。
IEC 60870-5-104:2009 规定装置需要提供文件服务,有详细规定需要提供文件系统目录查询、文件读写、文件传输等功能。常规 MCU 对于文件系统操作的支持有限,所以常规方案中均会采用一颗 MPU 搭载 linux 系统来提供文件服务。

 AW280 区别于普通 MCU,可以支持 NAND 型 FLASH,低成本实现大容量存储;
 AW280 核心板搭载的 AWorks 操作系统具有完善稳定的文件系统;
 AW280 的硬件和软件性能决定了可以满足之前 MCU+MPU 才能实现的文件系统服务;

文件系统在 AWorks 系统中的位置如图3。
 
图 3 文件系统在 AWorks 系统中的位置
 
三、以太网需求。
FTU 至少需要2路以太网来完成不同对象之间的通信,常规方案中 MCU 一般只具备一个网口,导致必须要多加一颗 MPU 来增加网络接口。

AW280 搭载的 IMX280 芯片本身具有2路以太网,并且 AWorks 系统默认支持双网口。这在常规 MCU 上没有,在常规的 RTOS 上也少见双路以太网的支持。所以 AW280 可以满足之前 MCU+MPU 才能实现的多网口功能。

另外,AW280 具有 SPI 可以连接国家电网加密 IC,AW280 具有5路 UART 可以满足周边设备通信需求。

综上所述,AW280 核心板完全可以胜任 FTU 的功能需求,可以取代传统 MCU+MPU 方案。

 
图4  AW280 系列核心板的评估板
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