基于国产 FPGA+ 龙芯2K1000处理器+翼辉国产操作系统继电保护装置测试装备解决方案

0 引言

近年来，我国自主可控芯片在国家政策和政

府的支持下发展迅速，并在电力、军工、机械、

通信、电子、医疗等领域掀起了国产化替代之

风，但在芯片自主可控和国产化替代方面还有明

显的不足之处。2022年我国集成电路进口量多

达5 384亿个，进口金额超过4 000亿美元，而同

年出口额为1 539亿美元，使得集成电路成为了

我国贸易逆差最大的商品[1]。根据国家统计局数

据，我国高端芯片大多从欧美国家进口，与政府

倡议的芯片自主可控差距较大。针对电力行业的

IED设备和测试装置，其芯片严重依赖于从国外

进口，存在一定的不可控性，若出现断供，将严

重影响现有产品的生产和供应[2]。

为了应对国外进口芯片的不可控性、订货周

期长和安全隐患对国家用电安全的冲击，积极响

应国家电网公司和南方电网公司关于推进二次设

备国产化应用的号召[3]，亟需开展变电站二次设

备国产芯片的替换工作。针对新一代自主可控继

电保护装置测试装备研制需求和现状，文献[4]

以国产芯片全志T3为核心芯片，外加紫光同创

的国产FPGA，设计并开发了手持式继电保护测

试仪；文献[5]对继电保护系统级测试关键技术

进行了探讨，并提出了继电保护在复杂工况下对

动作性能、功能交互、配置管控和虚回路可靠性

等方面的测试方法；文献[6]将CMS协议应用于

继电保护装置测试设备，并基于PLC开发了换线

及IO模块，有效解决了保护装置模拟量采样自动

测试无法实现自动换线的难题；文献[7]针对传

统串补保护测试方法操作难且功能单一的问题，

设计并开发了一款功能完善的串补装置继电保护

测试平台，实现了串补保护性能的现场自动化检

验；文献[8]设计了基于自主可控技术的智能变

电站继电保护远程智能测试方法，实现了对采样

正确性和二次回路完整性的校验功能。上述研究

成果难以满足国产化通信规约、保护功能、网络

性能和运行特性等多项目测试需求，且未对国产

通信协议CMS代替MMS的可靠性进行验证。

针对上述问题，从芯片自主化与通信协议国

产化的研究方向出发，选取国产FPGA、龙芯处

理器和翼辉操作系统，并用国产通信协议CMS代

替MMS，研制适用于新一代自主可控继电保护

装置保护功能测试和网络性能测试的装备，有效

避免国产化芯片在通信规约、功能逻辑等方面的

隐患。

1 关键器件与操作系统自主可控

1.1 处理器选型

在研制新一代自主可控继电保护装置测试装

备时，选取性能优良、安全可靠的处理器具有重

要的意义。目前国内获得授权开发CPU的厂家多

达200家，发展较好的CPU有龙芯、全志T3、申

威和飞腾等。龙芯处理器是我国最早研制的高性

能CPU系列，基于MIPS架构形成了自主指令集

LoongISA，龙芯打造了端到云开放的全产业链

生态体系，广泛应用于军工、宇航、石油勘探等

领域；全志T3芯片为四核处理器，具有稳定可

靠的工业级产品性能和低功耗的特点，适用于电

力行业和工业控制领域；申威处理器指令集基于

Alpha进行扩展，并成功应用于国产超级计算机

中，但指令集和微结构已经不再更新；飞腾处理

器由国防科技大学研究团队创造，获得了ARM

指令集授权，具备生态健全、安全性高的特点，

广泛应用于笔记本和服务器。

从芯片的性能、IP核授权形式、处理器核心

架构、指令集开放性及应用领域等方面对处理器

进行选型。并结合新一代自主可控继电保护测试

仪的应用场景和功能需求，将龙芯2K1000处理

器作为新一代自主可控继电保护装置测试装备的

核心处理器。

1.2 FPGA选型

现场可编程门阵列（FPGA）已成为数字系

统中的通用组件，其内部具有极其丰富的布线资

源。FPGA是在硅片上预先设计实现的一种半定

制电路，可根据需求配置为指定的电路结构，有

效弥补了定制电路的缺点。FPGA在数据采集、

电平接口、数字信号处理和接口逻辑等方面有着

广泛的应用，但国产FPGA在高端半导体设备和

材料领域的应用存在自主可控程度低、国产化率

不高等问题。随着国家电网公司和南方电网公司

提出全面开展安全可控智能变电站二次系统建

设，并相继颁发多个文件规范，变电站相关设备

选用国产FPGA成为一种趋势。

FPGA市场一直被国外厂家所占有，其中

Xilinx、Altera、Lattice和Microsemi四家公司

占据了全球90%以上的市场份额，且专利占总量

的60%以上，使得国内发展FPGA受到了极大的

阻碍。尽管FPGA在国内的发展存在极高的技术

壁垒，但我国从逆向设计到自主研发，逐渐实现

FPGA自主可控，并在相关的技术方面取得了巨

大的突破。目前，国产FPGA厂家主要有上海安

路科技、西安智多晶、深圳紫光同创、广州高云

半导体、复旦微电子、京微齐力科技等。其中安

路科技主要产品有SALPHOENIX®高性能产品系

列、SALEAGLE®高效率产品系列、SALELF®低

功耗产品系列；智多晶主要产品有Sealion1000

系列、Sealion2000系列和Seal 5000系列；紫光

同创主要产品有Titan-2系列、Logos-2系列和

Compa系列；广州高云主要产品有GW2A系列。

从研制新一代自主可控继电保护装置测试装备

对资源和速率的要求来看，紫光同创Logos系列

FPGA具有明显的优势，其采用先进成熟工艺和

全新LUT5结构，满足低功耗、低成本和性价比

高的需求。

1.3 自主可控操作系统

自主可控操作系统起步于“七五”计划期

间，且基于Linux内核进行二次开发，随着嵌入

式系统软件应用范围的逐渐增大，围绕嵌入式操

作系统的软件开发变得越来越普遍[9-11]。目前，

国外操作系统仍占据着主导地位，但使用国外

操作系统存在着不可控的安全风险，因此有必

要实现操作系统国产化替代。随着《自主可控

新一代变电站二次系统技术规范装置类系列规

范》《变电站安全可控时间同步系统技术规范》

《自主可控安全可靠新一代变电站二次系统系列

技术规范》等文件的发布，电力行业对操作系统

的安全性和可靠性提出了更高的要求，为了抓住

电力行业国产操作系统应用的新机遇，麒麟信安

（Kylinsec）发布了麒麟信安操作系统V3.5电力

专用版，该操作系统可兼容飞腾、龙芯、鲲鹏、

兆芯、申威等国产CPU，能满足电力行业发展

新需求；上海中标软件有限公司发布的中标麒

麟操作系统采用了强化的Linux内核，兼容了浪

潮、曙光等企业生产的服务器硬件产品，作为一

款面向桌面应用的操作系统，具有自主可控、安

全可靠的特性；翼辉信息技术有限公司发布的翼

辉SylixOS内核代码自主率达到100%，并通过

了IEC 61850(SIL3)/EN 50128(SIL4)国际安全认

证，为电力行业二次设备的开发提供了理想的开

发平台。从功能、性能及性价比等方面综合考

量，本文选择翼辉SylixOS来开发新一代自主可

控继电保护装置测试装备。

2 国产通信协议CMS代替MMS

2.1 变电站通信协议

IEC 61850使智能变电站的过程运作标准

化，具有面向对象建模、面向实时服务和抽象通

信服务接口、面向通信系统的ACSI及各种特定通

信服务映射SCSM、面向应用的自描述等特点[12]，

可通过SCD文件了解整个变电站的结构和布局，

并在不同制造商的智能电子设备（IED）之间实

现良好的互操作性。

IEC 61850标准的服务实现主要包括MMS服

务、GOOSE服务和SMV服务。由于MMS协议不

属于国家标准，在电力行业的广泛使用可能存在

安全隐患，因此，本文将采用国产通信协议CMS

代替MMS，并基于抽象通信服务接口完成通信

协议与通信介质的分离，以及通信协议与应用的

分离。图1为IEC 61850的抽象通信服务模型，通

过采用抽象通信服务接口技术和特定通信服务映

射，解决了IEC 61850的抽象通信服务模型的稳

定性问题，实现了功能与通信的解耦。

国家电网公司新制定的国产61850（CMS）

协议采用PER编解码规则，且具有无须对象模型

映射、服务接口一一对应和数据变量一一对应

的特点，可实现IEC 61850通信协议栈的完全自

主可控。为了提高CMS协议服务的可靠性，将

ACSI映射到TCP/IP协议栈，并采用标准化ACSI

的语法定义，确保客户端与服务端之间信息传

输的安全性和可靠性。在编码方面，CMS协议

与MMS协议所采用的编码规则有着本质区别：

MMS协议采用BER编码规则，而CMS协议采用

PER编码规则。PER通过紧缩型对齐的编码方式

和PLV格式，显著增强了其编解码效率和数据传

输能力。

CMS通信协议包括应用协议数据单元、应

用服务数据单元、分帧传输方式和数据对象映射

等，其中应用协议数据单元（APDU）的结构如

图2所示，由应用协议控制头（APCH）和应用

服务数据单元（ASDU）组成；应用服务数据单

元（ASDU）由服务请求序号（ReqID）和服务

数据区组成。

MMS与CMS均可对IEC 61850的抽象通信

服务接口（ACSI）实现完备映射的特定协议，

但MMS协议与CMS协议具有显著的区别见表1。

通过将国产通信协议CMS代替MMS协议，实现

了ACSI定义的所有通信服务原语，解决了原有

MMS协议实现难度大、通信效率低和安全隐患

高的问题。CMS通过扩展方式读取所有数据定义

的服务，实现某个LD或者LN下全部数据定义的

一次性上送。

2.2 协议替换的适应性与可靠性分析

将MMS协议替换为CMS协议，分析协议替

换的适应性与可靠性，并开展基于协议替换的一

致性测试，一致性测试切换过程如图3所示。基于

测试用例脚本，调用抽象通信服务，并应用ACSI

抽象服务设计思维，在底层通过协议选择开关选

择MMS协议插件或CMS协议插件进行测试。

基于CMS协议插件替换MMS协议插件的形

式，对ACSI与具体协议实现解耦，满足对新一

代自主可控继电保护装置的测试需要。采用协议

插件的通信协议测试技术，并以测试用例为对

象，实现以系统引擎控制测试流程完成协议替换

的一致性测试。

基于协议替换的一致性测试架构如图4所

示。新一代自主可控继电保护装置测试装备软件

平台面向测试用例进行软件功能设计；硬件平台

提供模拟量与开关量输出，也支持面向通用对象

的变电站事件GOOSE等提供数字量输出，并向

软件平台提供调用接口。同时，软件平台接收外

部对象时，实现与新一代自主可控继电保护装置

的时间同步。

3 测试装备系统架构设计

3.1 硬件系统设计

基于国产通信协议CMS，研制新一代自主

可控继电保护装置测试装备，硬件框图如图5所

示，采用国产FPGA+龙芯处理器+翼辉操作系

统，硬件系统包括国产PHY、国产ADC、国产

FPGA、龙芯处理器、PCIE的MAC（PHY）。

龙芯2K1000采用嵌入式双核心精简指令集架

构，运行南京翼辉操作系统（SylixOS），该操

作系统为实时嵌入式操作系统。龙芯处理器外接

PCIE扩展网口，并在龙芯与FPGA之间直接预留

通信网口作为备用。

FPGA本地采用国产DDR3（紫光DDR3），

用来存储前端采集的数据，缓存到本地，以便

PCIE上传到芯片处理器。龙芯处理器与FPGA的

PCIE通过DMA通信。其中，PCIE的DMA系统

分为两部分：一部分为CPU与DDR3组成的CPU

侧子系统；另一部分为FPGA及相关接口逻辑组

成的FPGA侧子系统，两者采用PCIE总线连接。

此外，增加一个GPIO的外部中断INT到CPU，作

为系统4K中断源。

3.2 软件系统设计

新一代自主可控继电保护装置测试装备软件

系统由网络性能测试和保护功能测试两大功能模

块及系统配置、数据总线、业务应用数据和数据

存储服务等公共服务组件构成，实现了系统的数

据共享和高度集成。软件系统架构如图6所示。

其中发送控制模块的主要功能是通过PC端的配

置来对发送的数据进行速率、时间以及帧长的控

制，网络性能测试涉及不同帧长下不同传输速率

的测试，需要将这些配置好的信息传送至包产生

模块，以便测试系统能够对待测试网络进行相关

性能的检测。