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1、电力系统嵌入式通讯前置机的架构及其应用dujing导语：嵌入式系统EmbeddedSystems已被广泛地应用于工业制造、经过控制、通讯、仪器、仪表等诸多领域。嵌入式操纵系统的出现大大简化了应用程序设计一、嵌入式系统概述目前，嵌入式系统EmbeddedSystems已被广泛地应用于工业制造、经过控制、通讯、仪器、仪表等诸多领域。嵌入式操纵系统EmbeddedOperatingSystems，EOS的出现大大简化了应用程序设计，并可有效地保障软件质量和缩短开发周期。业界推出的EOS产品归纳起来应具有以下几个特点：小巧、实时性、可装卸、固化代码、弱交互性、强稳定性和统一的接口。目前使用最多的EOS
2、产品有：VxWorks、QNX、PalmOS、WinCE、PSOS、国内自主HopenOS等。其中，VxWorks使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是实时性强采用优先级抢占和轮转调度等机制，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相当不错。QNX是一种伸缩性极佳的系统，其核心加上实时POSIX环境和一个完好窗口系统还不到一兆。相比之下，MicrosoftWinCE的核心体积庞大，实时性能也差，但由于Windows系列友好的用户界面和为程序员所熟悉的API，并捆绑IE、Office等应用程序，正逐渐获得更大的市场份额。而与这些贸易化的操纵系统相比，Linux已经越来越受到人们的留意。嵌入式计算机系统
3、同通用型计算机控制系统相比，具有以下特点：低功耗、体积小、集成度高；是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统；具有较长的生命周期；嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或者单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中；嵌入式系统本身不具备自主开发才能。二、电力系统对嵌入式的特殊需求电力系统是一个复杂的非线性、高维、互联大系统，不同的应用场所需求各异。基于嵌入式系统特有的优点，其在电力系统中的应用主要多用于底层来实现数据收集、监视控制与仪表计量、通讯控制等功能，而上层应用由于对数据处理与存储才能、人机交互HMI、网络通讯等方面要求甚高，一般都是由PC系统或者局域网LAN的形式实现。
4、总体来讲，嵌入式系统在电力系统中的应用有以下几个方面的要求更为迫切：一实时性更强以电力系统的稳定观测与控制为例，实时性就是其首先要解决的问题。这是由于电网的平安稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有可能受到严重威胁，并且过迟的稳定控制措施不仅起不到料想的作用，造成经济上的损失，甚至可能引起其他的平安问题。这里的实时性不仅指获得数据的实时性，而且还包括数据处理、分析、决策的实时性。因此，这对嵌入式系统的硬件与软件都是一个较为苛刻的要求。二可靠性更高当代化大消费与居民生活中电能的使用是最普遍的，因此在利用嵌入式系统实现对电力系统的控制时硬件与软件的可靠性也就成为人们极为关注的问题。通常，人们不仅希
5、望嵌入式系统能按照预先设计好的流程正常工作，而且也对嵌入式系统的抗干扰才能与智能性提出了一定的要求，例如参加Watchdog自恢复与自诊断功能，采用容错设计与数据辨识校验等。嵌入式的软件平台在应用于关键场合时还需经受强电磁干扰等考验。三可扩展性更好目前大多数嵌入式系统的开发语言都采用C/C+也包括少量的汇编语言，因此灵敏性好，可移植性强，拥有较多的使用者；另外，尽量采用模块化设计与工业组态软件，这不仅可方便消费调试厂家，而且可解放用户。当一个模块出现问题时，只需要换一块新的；当需要增/减某项功能时，也只需要增/减相应的模块即可。四网络通讯才能更强一般来讲，嵌入式系统所具备的网络通讯才能相对于P
6、C系统是较弱的，这是制约嵌入式系统在电力系统上层应用的主要因素之一。电力系统地理上的分散性横向是其主要的外部特征，一条长间隔的输电线可能跨越几个地区，因此地区与地区之间的通讯与联络就显得特别重要。加之电力系统各级调度之间纵向的协调，因此电力系统的通讯才能在很大程度上制约着联网的规模与控制方式。三、电力系统中嵌入式通讯控制系统设计关键一硬件平台的选择1嵌入式处理器内核选择嵌入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择，使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用领域、用户需求、本钱、开发的难易程度等因素。嵌入式系统的处理器可分为两大类：一类是低功耗基于X86架构的通用计算机的CPU为处理器；另一
7、类为微控制器和DSP。微控制用具有单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点，成为嵌入式系统的主流器件。十分要指出，RISC技术为计算机体系构造带来了一次重大的变革。简单的、固定长度的、单周期执行指令的RISC计算系统，与传统、复杂、可变长度指令并行执行的CISC计算机系统相比拟，在一样的条件下，RISC技术的速度快25倍，具有宏大的性价比上风。RISC技术推动着计算机体系构造从封闭的CISC向开放的构造开展。因此，世界上各大CPU芯片制造厂商争相开发消费RISC芯片，目前的典型构造为ARM系列、MIPS和SH，具有32位字长，最高时钟速率可达400MHz。多种嵌入式实时操纵
8、系统大都支持上述RISC处理器。基于X86的计算机CPU的运行速度越来越快，同时CPU消耗的功率也越来越大，随之而来的发热量也越来越高，最新的IntelP4CPU的功耗已经超过了100W。系统的散热性能成了影响系统稳定性的一个重要指标，假如系统散热性能不好，就会影响整个系统的稳定性。在电力工业控制领域，对系统的稳定性要求很高，但并不需要十分强大的CPU计算才能。低功耗CPU在这方面很符合电力行业工控系统的要求，由于这类CPU在提供必要的计算才能的同时发热量很小，只需适宜的散热片就可以正常工作，无需使用风扇主动散热，减少了故障发生的几率，大大进步了系统的稳定性。在低功耗CPU方面，工控领域使用最
9、多的是Intel、Transmate、VIA、AMD的CPU，主要使用在一些Fanless无风扇主板上。一方面提供强大的运算才能，另一方面又具有很好的稳定性。如今低功耗CPU中又有了一些新的产品，提供更为强大的性能，比方IntelPentium/CeleronM系列、AMD的GeodeNX系列、VIAEdenESP系列等。2外围设备的选择确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后，必须综合考虑系统外围设备的需求情况以知足和发挥处理器的作用。重点考虑系统外围设备的一些因素：总线的需求；有没有通用串行接口；是否需要USB总线；有没有以太网接口；系统内部是否需要I2C总线和SPI总线；外设接口；系统是否需要
10、A/D或者D/A转换器；系统是否需要I/O控制接口。另外，还要考虑处理器的寻址空间，有没有片上的Flash存储器，处理器是否轻易调试和仿真及调试工具的本钱和易用性等相关的信息。在实际经过中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，充满着各种顾忌和干扰，包括其他工程的影响以及缺乏完好或者准确的信息等。二操纵系统的选择嵌入式操纵系统大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的实时操纵系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后效劳，但往往价格昂贵。免费型的实时操纵系统在价格方面具有上风，目前主要有Linux和PSOS，但是不管选用什么样的系统，都要考虑以下几点：操纵系统的硬件支持；开发工具的支持程度；能否知
11、足应用需求。由此可见，选择一款既能知足应用需求，性价比又可到达最正确的操纵系统，对开发工作的顺利开展意义重大。针对电力而言，系统的可靠性和实时性是关键。Linux是个与生俱来的网络操纵系统，成熟而且稳定。Linux是源代码开放的软件，不存在黑箱技术，任何人都可修改它，或用它开发自己的产品。Linux系统是可定制的，系统内核目前已经可做得很小。Linux作为一种可裁减的软件平台系统，是开展将来嵌入设备产品的绝佳资源，因此，Linux作为嵌入式系统新的选择，在电力嵌入式系统中应用已成必然。Linux作为嵌入式操纵系统在电力行业应用具有的上风主要有以下几点：1可应用于多种硬件平台，正好知足电力系统中
12、控制平台多样性的要求，这对于经费、时间受限制的电力研究与开发工程是很有吸引力的。原型可在标准平台上开发后移植到详细的硬件上，加快了软件与硬件的开发经过。Linux采用一个统一的框架对硬件进展治理，从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关。Linux可随意地配置，不需要任何的答应证或者商家的合作关系，源代码可免费得到。这使得采用Linux作为操纵系统不会碰到任何关于版权的纠纷。毫无疑问，这会节省大量的开发费用。本身内置网络支持，而目前嵌入式系统对网络支持要求越来越高。Linux的高度模块化使添加部件非常轻易。2Linux是一个和Unix相似、以内核为根底的、具有完全的内存访问控制，支持
13、大量硬件包括X86，Alpha、ARM和Motorola等现有的大局部芯片等特性的一种通用操纵系统。其程序源码全部公开，任何人可以修改并在GUN通用公共答应证下发行。这样，开发人员可对操纵系统进展定制，适应其特殊需要。3Linux带有Unix用户熟悉的开发工具，几乎所有的Unix系统应用软件都已移植到了Linux上。Linux还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口治理器。其强大的语言编译器等也可很轻易得到，不但成熟完善，而且使用方便。四、变电站综合自动化系统中的嵌入式通讯前置机变电站综合自动化系统是利用计算机控制、网络、数据库、当代通讯等技术将变电站所有二次设备包括控制、信号、测量、保护、自
14、动装置及远动装置等，经过功能组合和优化设计，对变电站执行自动监视、测量、控制和协调来进步变电站运行效率和治理程度的一种综合性的自动化系统。它完全取代了常规监视仪表、操纵控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器及常规远动装置等设备，进步了变电站的平安与经济运行程度。变电站综合自动化系统取代或者更新传统的变电站二次系统已成为目前电力系统的主要开展趋势之一。变电站综合自动化系统体系构造按设计思想分可分为集中式、分布式和分散层分布式，其中，集中式构造的功能模块与硬件无关，各功能模块的连接通过模块化软件实现，信息是集中收集、处理和运算的。受计算机硬件程度的限制，该构造在早期自动化系统中应用较多，此类构造
15、对监控主机的性能要求较高，且系统处理才能有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较差，抗干扰才能不强。分布式构造采用主从CPU协同工作方式，各功能模块如智能电子设备IntelligentElectronicDevice，IED之间采用网络技术或者串行方式实现数据通讯。分布式构造有助于系统扩展和维护，可靠性好，部分故障不影响系统其他模块正常运行，较合适于中低压变电站。而分散分布式构造是目前的主流构造，由于计算机、通讯及网络数据库技术的开展使变电站信息综合治理成为可能。分散分布式构造将计算机局域网LAN技术引入变电站综合自动化治理系统，已成为如今的研究热门。该构造引入信息治理方案，它
16、将变电站各IED通过专用网关设备直接接入以太网，站内各监控机、效劳器、工作站接入同一网络。但这种方案价格昂贵，对不同接口需要进展通讯协议转换。其中怎样引入LAN进展信息治理和处理电力通讯规约转换是两个焦点问题，参照IEC提出的3层标准构造，可将原有的经过层、间隔层、站级层细化为经过层、二次设备控制层、通讯治理层和信息治理层4层，可重点解决通讯治理层中的电力通讯规约转换问题和信息治理层中的变电站信息综合治理问题。其系统功能主要表达在：实现底层二次设备的控制智能化和数字化；实现变电站常规远动功能；实现变电站的信息集中治理和监控。整个系统的核心在于通讯前置机，如图1所示。系统共分4层，即信息治理层、
17、通讯治理层、二次分散设备控制层和消费经过层。消费经过层由变电站一次设备组成，是系统的最底层；二次设备控制层那么由各智能设备IED组成，实现对各自对象母线、馈线、主变压器、电容器等的控制和保护功能；通讯治理层由连接IED的现场总线和作为通用网关的主/备前置机系统组成，如研华的UNO-2668，是系统的通讯关键，负责站内信息收集、连接站级计算机、连接远动系统等；信息治理层是系统的最高层，主要由站级计算机组成，包括效劳器、工作站等，形成站内计算机局域网，运行变电站SCADA/EMSSuper-visoryControlandDataAcquisition/EnergyManagementSystem
18、系统，实现数据库治理、站级控制、人机接口等功能；面向变电站所有设备的历史数据、参数数据在主/备效劳器中的创立，而每个操纵员工作站节点中均建有实时数据库，可采用双以太网冗余构造构建。二次设备控制层中的IED与消费经过中的一次设备接口，按相应的规约直接实现信息的收集与控制调节，进展存储、转发，IED可通过光纤或者现场总线与通讯治理层连接，实现信息的采集与分配，不同类型的IED在二次设备控制层中不能直接进展信息交换，而是经不同的现场总线通过前置机这个网关来进展信息交换。通讯治理层中的前置机系统可同时接入多种电力通讯规约的总线设备，并向上挂接在信息治理层网络上，是局域网中的重要节点，起着采集站内消费信
19、息上传和下发治理层控制信息的作用。变电站二次设备的各种数据测量、事件记录、故障录波与控制等所有功能全部在二次设备控制中实现，不依靠于站级计算机。在前置机系统中还可接入全球定位系统GlobalPositioningSystem，GPS对时信号和串行Modem，以实现远动功能。在此情况下，前置机系统相当于远方终端单元RemoteTerminalUnit，RTU的功能。信息治理层中的SCADA系统通过参数数据的定义建立各节点的实时数据库并从前置机获得实时数据，另由专门的线程分析实时数据库中的数据后再写入历史数据库，各工作站节点的历史数据查询那么通过C/S形式从主/备效劳器获取。假如需要远程阅读，那么可设置Web效劳器，利用Modem与公用网拨号登录站内局域网，通过Web阅读器进展阅读和查询。此外，可在站内设置远程网桥，远程工作站通过该远程网桥获取本地局域网LAN信息等。在信息治理层中，基于所构建的网络，也可在其中置入变电站综合多媒体治理信息系统，通过专用网关和标准数据接口与SCADA系统交换消费信息。作为通讯前置机，其必须以嵌入式控制系统，且免风扇设计，必须具有较强的抗电磁干扰才能、低功耗以及实时性等特性。研华的UNO-2668内嵌低功耗Celeron400MHzCPU，内嵌WinCE或Linux操纵系统，保证了系统的实时性，是业界一块高档的嵌入式通讯前置机。