電力系統(tǒng)中嵌入式通信控制系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵要點及前置機的應(yīng)用

一、嵌入式系統(tǒng)概述

目前，嵌入式系統(tǒng)（Embedded Systems）已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造、過程控制、通信、儀器、儀表等眾多領(lǐng)域。嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating Systems，EOS）的出現(xiàn)大大簡化了應(yīng)用程序設(shè)計，并可有效地保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。

業(yè)界推出的EOS產(chǎn)品歸納起來應(yīng)具有以下幾個特點：小巧、實時性、可裝卸、固化代碼、弱交互性、強穩(wěn)定性和統(tǒng)一的接口。目前使用最多的EOS產(chǎn)品有：VxWorks、QNX、PalmOS、WinCE、PSOS、國內(nèi)自主HopenOS等。其中，VxWorks使用最為廣泛、市場占有率最高，其突出特點是實時性強（采用優(yōu)先級搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度等機制），除此之外，其可靠性和可剪裁性也相當不錯。QNX是一種伸縮性極佳的系統(tǒng)，其核心加上實時POSIX環(huán)境和一個完整窗口系統(tǒng)還不到一兆。相比之下，Microsoft WinCE的核心體積龐大，實時性能也差，但由于Windows系列友好的用戶界面和為程序員所熟悉的API，并捆綁IE、Office等應(yīng)用程序，正逐漸獲得更大的市場份額。而與這些商業(yè)化的操作系統(tǒng)相比，Linux已經(jīng)越來越受到人們的注意。

嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機控制系統(tǒng)相比，具有以下特點：低功耗、體積小、集成度高；是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)；具有較長的生命周期；嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中；嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力。

二、電力系統(tǒng)對嵌入式的特殊需求

電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性、高維、互聯(lián)大系統(tǒng)，不同的應(yīng)用場所需求各異?；谇度胧较到y(tǒng)特有的優(yōu)點，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要多用于底層來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制與儀表計量、通信控制等功能，而上層應(yīng)用由于對數(shù)據(jù)處理與存儲能力、人機交互（HMI）、網(wǎng)絡(luò)通信等方面要求甚高，一般都是由PC系統(tǒng)或局域網(wǎng)（LAN）的形式實現(xiàn)。總體來說，嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有以下幾個方面的要求更為迫切：

（一）實時性更強

以電力系統(tǒng)的穩(wěn)定觀測與控制為例，實時性就是其首先要解決的問題。這是因為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性通常在事故后幾十到幾百毫秒內(nèi)就有可能受到嚴重威脅，并且過遲的穩(wěn)定控制措施不僅起不到預(yù)想的作用，造成經(jīng)濟上的損失，甚至可能引起其他的安全問題。這里的實時性不僅指獲得數(shù)據(jù)的實時性，而且還包括數(shù)據(jù)處理、分析、決策的實時性。因此，這對嵌入式系統(tǒng)的硬件與軟件都是一個較為苛刻的要求。

（二）可靠性更高

現(xiàn)代化大生產(chǎn)與居民生活中電能的使用是最普遍的，因此在利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的控制時硬件與軟件的可靠性也就成為人們極為關(guān)注的問題。通常，人們不僅希望嵌入式系統(tǒng)能按照預(yù)先設(shè)計好的流程正常工作，而且也對嵌入式系統(tǒng)的抗干擾能力與智能性提出了一定的要求，例如加入Watchdog自恢復(fù)與自診斷功能，采用容錯設(shè)計與數(shù)據(jù)辨識校驗等。嵌入式的軟件平臺在應(yīng)用于關(guān)鍵場合時還需經(jīng)受強電磁干擾等考驗。

（三）可擴展性更好

目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)語言都采用C/C++（也包括少量的匯編語言），因此靈活性好，可移植性強，擁有較多的使用者；另外，盡量采用模塊化設(shè)計與工業(yè)組態(tài)軟件，這不僅可方便生產(chǎn)調(diào)試廠家，而且可解放用戶。當一個模塊出現(xiàn)問題時，只需要換一塊新的；當需要增/減某項功能時，也只需要增/減相應(yīng)的模塊即可。

（四）網(wǎng)絡(luò)通信能力更強

一般來說，嵌入式系統(tǒng)所具備的網(wǎng)絡(luò)通信能力相對于PC系統(tǒng)是較弱的，這是制約嵌入式系統(tǒng)在電力系統(tǒng)上層應(yīng)用的主要因素之一。電力系統(tǒng)地理上的分散性（橫向）是其主要的外部特征，一條長距離的輸電線可能跨越幾個地區(qū)，因此地區(qū)與地區(qū)之間的通信與聯(lián)絡(luò)就顯得十分重要。加之電力系統(tǒng)各級調(diào)度之間（縱向）的協(xié)調(diào)，因此電力系統(tǒng)的通信能力在很大程度上制約著聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模與控制方式。

三、電力系統(tǒng)中嵌入式通信控制系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵

（一）硬件平臺的選擇

1．嵌入式處理器內(nèi)核選擇

嵌入式開發(fā)硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇，使用什么樣的嵌入式處理器內(nèi)核主要取決于應(yīng)用領(lǐng)域、用戶需求、成本、開發(fā)的難易程度等因素。嵌入式系統(tǒng)的處理器可分為兩大類：一類是低功耗基于X86架構(gòu)的通用計算機的CPU為處理器；另一類為微控制器和DSP。微控制器具有單片化、體積小、功耗低、可靠性高、芯片上的外設(shè)資源豐富等特點，成為嵌入式系統(tǒng)的主流器件。特別要指出，RISC技術(shù)為計算機體系結(jié)構(gòu)帶來了一次重大的變革。簡單的、固定長度的、單周期執(zhí)行指令的RISC計算系統(tǒng)，與傳統(tǒng)、復(fù)雜、可變長度指令并行執(zhí)行的CISC計算機系統(tǒng)相比較，在相同的條件下，RISC技術(shù)的速度快2～5倍，具有巨大的性價比優(yōu)勢。RISC技術(shù)推動著計算機體系結(jié)構(gòu)從封閉的CISC向開放的結(jié)構(gòu)發(fā)展。因此，世界上各大CPU芯片制造廠商爭相開發(fā)生產(chǎn)RISC芯片，目前的典型結(jié)構(gòu)為ARM系列、MIPS和SH，具有32位字長，最高時鐘速率可達400MHz。多種嵌入式實時操作系統(tǒng)大都支持上述RISC處理器。

基于X86的計算機CPU的運行速度越來越快，同時CPU消耗的功率也越來越大，隨之而來的發(fā)熱量也越來越高，最新的Intel P4 CPU的功耗已經(jīng)超過了100W。系統(tǒng)的散熱性能成了影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要指標，如果系統(tǒng)散熱性能不好，就會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在電力工業(yè)控制領(lǐng)域，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，但并不需要特別強大的CPU計算能力。低功耗CPU在這方面很符合電力行業(yè)工控系統(tǒng)的要求，因為這類CPU在提供必要的計算能力的同時發(fā)熱量很小，只需合適的散熱片就可以正常工作，無需使用風扇主動散熱，減少了故障發(fā)生的幾率，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在低功耗CPU方面，工控領(lǐng)域使用最多的是Intel、Transmate、VIA、AMD的CPU，主要使用在一些Fanless（無風扇）主板上。一方面提供強大的運算能力，另一方面又具有很好的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在低功耗CPU中又有了一些新的產(chǎn)品，提供更為強大的性能，比如IntelPentium/Celeron M系列、AMD的Geode NX系列、VIA Eden ESP系列等。

2．外圍設(shè)備的選擇

確定了使用哪種嵌入式處理器內(nèi)核以后，必須綜合考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的需求情況以滿足和發(fā)揮處理器的作用。重點考慮系統(tǒng)外圍設(shè)備的一些因素：總線的需求；有沒有通用串行接口；是否需要USB總線；有沒有以太網(wǎng)接口；系統(tǒng)內(nèi)部是否需要I2C總線和SPI總線；外設(shè)接口；系統(tǒng)是否需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換器；系統(tǒng)是否需要I/O控制接口。

另外，還要考慮處理器的尋址空間，有沒有片上的Flash存儲器，處理器是否容易調(diào)試和仿真及調(diào)試工具的成本和易用性等相關(guān)的信息。在實際過程中，挑選最好的硬件是一項很復(fù)雜的工作，充滿著各種顧忌和干擾，包括其他工程的影響以及缺乏完整或準確的信息等。

（二）操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式操作系統(tǒng)大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠，有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，但往往價格昂貴。免費型的實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，目前主要有Linux和PSOS，但是不管選用什么樣的系統(tǒng)，都要考慮以下幾點：操作系統(tǒng)的硬件支持；開發(fā)工具的支持程度；能否滿足應(yīng)用需求。由此可見，選擇一款既能滿足應(yīng)用需求，性價比又可達到最佳的操作系統(tǒng)，對開發(fā)工作的順利開展意義重大。

針對電力而言，系統(tǒng)的可靠性和實時性是關(guān)鍵。Linux是個與生俱來的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開放的軟件，不存在黑箱技術(shù)，任何人都可修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可定制的，系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可做得很小。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源，因此，Linux作為嵌入式系統(tǒng)新的選擇，在電力嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用已成必然。

Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)在電力行業(yè)應(yīng)用具有的優(yōu)勢主要有以下幾點：

1．可應(yīng)用于多種硬件平臺，正好滿足電力系統(tǒng)中控制平臺多樣性的要求，這對于經(jīng)費、時間受限制的電力研究與開發(fā)項目是很有吸引力的。原型可在標準平臺上開發(fā)后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。Linux采用一個統(tǒng)一的框架對硬件進行管理，從一個硬件平臺到另一個硬件平臺的改動與上層應(yīng)用無關(guān)。Linux可隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關(guān)系，源代碼可免費得到。這使得采用Linux作為操作系統(tǒng)不會遇到任何關(guān)于版權(quán)的糾紛。毫無疑問，這會節(jié)省大量的開發(fā)費用。本身內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)支持，而目前嵌入式系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)支持要求越來越高。Linux的高度模塊化使添加部件非常容易。

2．Linux是一個和Unix相似、以內(nèi)核為基礎(chǔ)的、具有完全的內(nèi)存訪問控制，支持大量硬件（包括X86，Alpha、ARM和Motorola等現(xiàn)有的大部分芯片）等特性的一種通用操作系統(tǒng)。其程序源碼全部公開，任何人可以修改并在GUN通用公共許可證下發(fā)行。這樣，開發(fā)人員可對操作系統(tǒng)進行定制，適應(yīng)其特殊需要。

3．Linux帶有Unix用戶熟悉的開發(fā)工具，幾乎所有的Unix系統(tǒng)應(yīng)用軟件都已移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網(wǎng)絡(luò)功能，有多種可選擇窗口管理器。其強大的語言編譯器等也可很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。

四、變電站綜合自動化系統(tǒng)中的嵌入式通信前置機

變電站綜合自動化系統(tǒng)是利用計算機控制、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)代通信等技術(shù)將變電站所有二次設(shè)備（包括控制、信號、測量、保護、自動裝置及遠動裝置等），經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計，對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)來提高變電站運行效率和管理水平的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。它完全取代了常規(guī)監(jiān)視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統(tǒng)、變送器及常規(guī)遠動裝置等設(shè)備，提高了變電站的安全與經(jīng)濟運行水平。變電站綜合自動化系統(tǒng)取代或更新傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)已成為目前電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢之一。

變電站綜合自動化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)按設(shè)計思想分可分為集中式、分布式和分散（層）分布式，其中，集中式結(jié)構(gòu)的功能模塊與硬件無關(guān)，各功能模塊的連接通過模塊化軟件實現(xiàn)，信息是集中采集、處理和運算的。受計算機硬件水平的限制，該結(jié)構(gòu)在早期自動化系統(tǒng)中應(yīng)用較多，此類結(jié)構(gòu)對監(jiān)控主機的性能要求較高，且系統(tǒng)處理能力有限，開發(fā)手段少，系統(tǒng)在開放性、擴展性和可維護性等方面較差，抗干擾能力不強。分布式結(jié)構(gòu)采用主從CPU協(xié)同工作方式，各功能模塊如智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式結(jié)構(gòu)有助于系統(tǒng)擴展和維護，可靠性好，局部故障不影響系統(tǒng)其他模塊正常運行，較適合于中低壓變電站。

而分散分布式結(jié)構(gòu)是目前的主流結(jié)構(gòu)，由于計算機、通信及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展使變電站信息綜合管理成為可能。分散分布式結(jié)構(gòu)將計算機局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)引入變電站綜合自動化管理系統(tǒng)，已成為現(xiàn)在的研究熱點。該結(jié)構(gòu)引入信息管理方案，它將變電站各IED通過專用網(wǎng)關(guān)設(shè)備直接接入以太網(wǎng)，站內(nèi)各監(jiān)控機、服務(wù)器、工作站接入同一網(wǎng)絡(luò)。但這種方案價格昂貴，對不同接口需要進行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。其中如何引入LAN進行信息管理和處理電力通信規(guī)約轉(zhuǎn)換是兩個焦點問題，參照IEC提出的3層標準結(jié)構(gòu)，可將原有的過程層、間隔層、站級層細化為過程層、二次設(shè)備控制層、通信管理層和信息管理層4層，可重點解決通信管理層中的電力通信規(guī)約轉(zhuǎn)換問題和信息管理層中的變電站信息綜合管理問題。其系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在：實現(xiàn)底層二次設(shè)備的控制智能化和數(shù)字化；實現(xiàn)變電站常規(guī)遠動功能；實現(xiàn)變電站的信息集中管理和監(jiān)控。

整個系統(tǒng)的核心在于通信前置機，如圖1所示。系統(tǒng)共分4層，即信息管理層、通信管理層、二次分散設(shè)備控制層和生產(chǎn)過程層。生產(chǎn)過程層由變電站一次設(shè)備組成，是系統(tǒng)的最底層；二次設(shè)備控制層則由各智能設(shè)備（IED）組成，實現(xiàn)對各自對象（母線、饋線、主變壓器、電容器等）的控制和保護功能；通信管理層由連接IED的現(xiàn)場總線和作為通用網(wǎng)關(guān)的主/備前置機系統(tǒng)組成，如研華的UNO-2668，是系統(tǒng)的通信樞紐，負責站內(nèi)信息采集、連接站級計算機、連接遠動系統(tǒng)等；信息管理層是系統(tǒng)的最高層，主要由站級計算機組成，包括服務(wù)器、工作站等，形成站內(nèi)計算機局域網(wǎng)，運行變電站SCADA/EMS（Super-visory Control and Data Acquisition/Energy Management System）系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、站級控制、人機接口等功能；面向變電站所有設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)在主/備服務(wù)器中的創(chuàng)建，而每個操作員工作站節(jié)點中均建有實時數(shù)據(jù)庫，可采用雙以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)構(gòu)建。

二次設(shè)備控制層中的IED與生產(chǎn)過程中的一次設(shè)備接口，按相應(yīng)的規(guī)約直接實現(xiàn)信息的采集與控制調(diào)節(jié)，進行存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，IED可通過光纖或現(xiàn)場總線與通信管理層連接，實現(xiàn)信息的收集與分配，不同類型的IED在二次設(shè)備控制層中不能直接進行信息交換，而是經(jīng)不同的現(xiàn)場總線通過前置機這個網(wǎng)關(guān)來進行信息交換。通信管理層中的前置機系統(tǒng)可同時接入多種電力通信規(guī)約的總線設(shè)備，并向上掛接在信息管理層網(wǎng)絡(luò)上，是局域網(wǎng)中的重要節(jié)點，起著收集站內(nèi)生產(chǎn)信息上傳和下發(fā)管理層控制信息的作用。變電站二次設(shè)備的各種數(shù)據(jù)測量、事件記錄、故障錄波與控制等所有功能全部在二次設(shè)備控制中實現(xiàn)，不依賴于站級計算機。在前置機系統(tǒng)中還可接入全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）對時信號和串行Modem，以實現(xiàn)遠動功能。在此情況下，前置機系統(tǒng)相當于遠方終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）的功能。信息管理層中的SCADA系統(tǒng)通過參數(shù)數(shù)據(jù)的定義建立各節(jié)點的實時數(shù)據(jù)庫并從前置機獲得實時數(shù)據(jù)，另由專門的線程分析實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)后再寫入歷史數(shù)據(jù)庫，各工作站節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)查詢則通過C/S模式從主/備服務(wù)器獲取。如果需要遠程瀏覽，則可設(shè)置Web服務(wù)器，利用Modem與公用電話網(wǎng)撥號登錄站內(nèi)局域網(wǎng)，通過Web瀏覽器進行瀏覽和查詢。此外，可在站內(nèi)設(shè)置遠程網(wǎng)橋，遠程工作站通過該遠程網(wǎng)橋獲取本地局域網(wǎng)（LAN）信息等。

在信息管理層中，基于所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，也可在其中置入變電站綜合多媒體管理信息系統(tǒng)，通過專用網(wǎng)關(guān)和標準數(shù)據(jù)接口與SCADA系統(tǒng)交換生產(chǎn)信息。

作為通信前置機，其必須以嵌入式控制系統(tǒng)，且免風扇設(shè)計，必須具有較強的抗電磁干擾能力、低功耗以及實時性等特性。研華的UNO-2668內(nèi)嵌低功耗Celeron 400MHz CPU，內(nèi)嵌WinCE或者Linux操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的實時性，是業(yè)界一塊高檔的嵌入式通信前置機。

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