MACH2系統板卡程序下裝平臺的研制

國網河南電力公司直流運檢分公司 任舟啟 杜康平 羅朝華 聶 晶 王曉鵬

MACH2系統（Modular Advanced Control HVDC and SVC 2nd edition）是ABB公司的一種基于軟硬件結合的直流輸電系統級解決方案。其在硬件層面主要由標準工業計算機、PCI板卡、I/O及通訊專用電路板、輔助電路板等組成。由于目前國內應用該系統的換流站多為早期直流工程，經過長時間運行板卡故障率顯著提高，現場進行故障處理時需對更換后的板卡下裝對應的應用程序。

本文從便于現場運維人員使用且安全可靠的方面出發，深入研究MACH2系統板卡軟件下裝邏輯與實現方法。最后根據現場實際消缺檢修應用需求，研發了一種MACH2系統板卡程序下裝平臺。

1 功能要求

下裝平臺需要完整支持MACH2系統所有I/O及通訊板卡的程序且內置電源，填補了目前離線裝載板卡程序的空白。同時也要滿足人機交互便捷、操作簡單、易于使用，達到提高現場消缺工作效率的目的。

1.1 現有裝載過程的不足

目前板卡下裝方式為就地在屏柜使用筆記本電腦直接進行下裝。該方式依賴就地屏柜供電，因此需提前將故障板卡拆下，若相鄰卡槽內插有板卡，也需同時將該板卡拆下。步驟復雜，增加了檢修消缺時間。

目前需使用Windows系統筆記本直連板卡，存在安全風險。

現有下裝軟件操作步驟繁多，且需人工對板卡斷電重啟，無法實現全自動下裝功能。

1.2 下裝平臺的設計目標

新研制下裝平臺的功能應滿足如下要求：

（1）不依賴就地屏柜供電，獨立完成所有I/O及通訊板卡程序下裝。

（2）系統采用嵌入式平臺。

（3）無需人工干預下裝過程，可通過人機交互界面實現一鍵全自動下裝功能。

2 硬件設計

2.1 總體設計

下裝平臺為一體化設計，整體大小與普通繼保測試裝置近似。下裝平臺采用基于ARM架構的STM32主控制器，負責整個平臺的監視與運行。其系統框圖如圖1所示。

圖1 下裝平臺系統框圖

2.2 硬件設計原則

下裝平臺硬件應滿足以下要求：

（1）易用性

直流控保系統是由互為冗余備用的A、B系統組成，當系統的其中一塊板卡發生故障時，若該故障不能及時消除，將造成冗余系統出現異常，可能導致互為備用的兩套系統均崩潰，致使換流站極閉鎖。因此換流站運行過程應盡量避免單系統長時間運行，該平臺設計的第一原則就是方便易用，不依賴背板及屏柜供電?，F場在故障消缺過程中可在屏柜拆除故障板卡的同時，使用該裝置對新板卡進行應用程序下載，大幅度的減少故障處理時間與單系統運行時長。

（2）集成性

該平臺可適用于多種類型板卡，即MACH2系統所有I/O板卡和通訊板卡；為滿足現場便攜性的要求，裝置硬件設計要做到高度集成，電源設計要考慮到裝置的工作電源和板卡的供電電源。

（3）電磁兼容性

換流站的設備眾多，運行環境復雜，直流控保系統所在的區域可能存在著較強的電磁場。因此要求該裝置要通過嚴格的EMC測試，具有較強的EMS能力，同時對控制器等關鍵元件增加電磁屏蔽罩等抗干擾措施。

2.3 板卡供電設計

通過對MACH2系統使用的板卡進行分析及測試，結果表明板卡內部供電僅需直流5V，最大工作電流為1A。因此，下載平臺需滿足利用市電220V轉換成直流5V，同時為抑制紋波應設計完善的濾波電路，使紋波不大于50mV。

2.4 機箱及接口設計

為實現下裝平臺對所有MACH2系統板卡均具備應用程序下裝條件，就必須保證所有板卡均能夠安裝。經過統計，MACH2系統I/O板卡和通訊板卡尺寸均為3U，通訊采用96芯歐式接頭。因此，下裝平臺要滿足3U板卡96芯歐式接頭接入的條件。

3 軟件設計

3.1 下裝平臺通訊接口設計

控保板卡下載程序本質為通過異步串行通信接口UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）向MACH2系統板卡內主控制處理芯片上傳對應的應用程序或BootLoader程序。

UART采用RS232總線，實現全雙工通信，由兩個信號通道組成，即：主通道和副通道。通常使用的是主通道，而副通道較少使用。在直流控保板卡程序下載過程中，采用三條信號線（接收線、發送線和信號地）即能實現全雙工通信功能。

Bootloader程序是指控保板卡在加電后執行的第一段代碼，在它完成主控制處理器和相關硬件的初始化之后，再將內部映像或固化的嵌入式應用程序裝載到內存中，啟動程序運行。

由于引導程序位于Bootloader，其在板卡上電后極短的時間內即加載完畢。因此為了實現下裝平臺的自動應用下裝功能，需要對板卡的電源狀態進行監視，保證在上電后立即與板卡Bootloader進行握手，以便執行固件刷新對應代碼段。下裝平臺接口設計流程如圖2所示。

圖2 下裝平臺接口設計流程圖

3.2 下裝平臺調試軟件選擇

下裝平臺選用Keil MDK-Arm作為下裝平臺的軟件編譯工具，該軟件具有強大的仿真調試功能，支持自動配置啟動程序、集成閃存程序燒制、硬件設備仿真以及功能分析等。Keil系列調試軟件用戶界面友好，調試仿真功能強大，是個成熟的集成開發方案，方便易用，融合了C語言編譯、宏編程工具、庫文件和仿真運行等環境。Keil MDKArm與Windows系統可完美的兼容，整個菜單界面與一般的Windows軟件界面相似，一目了然，易于操作。其開發流程如圖3所示。

圖3 Keil MDK-Arm開發流程圖

4 板卡程序驗證

利用MACH2測試系統可對使用該下裝平臺進行軟件下裝工作的板卡進行功能性檢查，確認板卡程序是否正常下裝、設計功能是否運行正常。

4.1 驗證板卡選擇

選擇MACH2系統中使用較廣I/O板卡和通訊板卡進行功能驗證。其中I/O板卡選擇通用數字量輸入板PS851，其板卡有8路110/125V輸入和1路CAN輸出。通訊板卡選擇PS861E，其板上有4片高速A/D轉換器，4路PWM輸出通道和2路TDM高速串行通信通道用于與PS803板進行高速串行通信。每塊板最多可以有31路模擬信號被發往TDM總線。

4.2 板卡驗證

使用該下裝平臺對PS851、PS861E板卡裝載MACH2測試系統配套程序，下裝后將板卡插入MACH2測試系統層架，啟動測試系統，利用超級終端監視板卡運行情況。經實際測試驗證，PS851、PS861E在MACH2測試系統上運行良好，各項功能均可正常使用，checksum值與原始程序值一致，滿足使用條件，可應用于正式運行環境中。

該下裝平臺可實現MACH2系統板卡程序快速下載及更換。其創新點一是利用嵌入式技術將板卡程序下載所需硬件集成化、小型化；二是優化控保板卡程序下載步驟，可按板卡類型實現一鍵下載功能。該平臺應用于所有采用MACH2系統的I/O板卡和通訊板卡程序下載，提高換流站板卡更換現場檢修工作效率，減少控保設備停運時間。