电力系统嵌入式通信前置机的架构及其应用

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满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A/D或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，处理器是否容易调试和仿真及调试工具的成本和易用性等相关的信息。在实际过程中，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整或准确的信息等。

（二）操作系统的选择

嵌入式操作系统大体上可分为两种：商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，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：操作系统的硬件支持；开发工具的支持程度；能否满足应用需求。由此可见，选择一款既能满足应用需求，性价比又可达到最佳的操作系统，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作系统，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，或者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，是发展未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作为嵌入式操作系统在电力行业应用具有的优势主要有以下几点：

1．可应用于多种硬件平台，正好满足电力系统中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项目是很有吸引力的。原型可在标准平台上开发后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。Linux采用一个统一的框架对硬件进行管理，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，不需要任何的许可证或商家的合作关系，源代码可免费得到。这使得采用Linux作为操作系统不会遇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容易。

2．Linux是一个和Unix相似、以内核为基础的、具有完全的内存访问控制，支持大量硬件（包括X86，Alpha、ARM和Motorola等现有的大部分芯片）等特性的一种通用操作系统。其程序源码全部公开，任何人可以修改并在GUN通用公共许可证下发行。这样，开发人员可对操作系统进行定制，适应其特殊需要。

3．Linux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，有多种可选择窗口管理器。其强大的语言编译器等也可很容易得到，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信前置机

变电站综合自动化系统是利用计算机控制、网络、数据库、现代通信等技术将变电站所有二次设备（包括控制、信号、测量、保护、自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、控制和协调来提高变电站运行效率和管理水平的一种综合性的自动化系统。它完全取代了常规监视仪表、操作控制屏柜、模拟屏柜、中央信息系统、变送器及常规远动装置等设备，提高了变电站的安全与经济运行水平。变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统已成为目前电力系统的主要发展趋势之一。

变电站综合自动化系统体系结构按设计思想分可分为集中式、分布式和分散（层）分布式，其中，集中式结构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，信息是集中采集、处理和运算的。受计算机硬件水平的限制，该结构在早期自动化系统中应用较多，此类结构对监控主机的性能要求较高，且系统处理能力有限，开发手段少，系统在开放性、扩展性和可维护性等方面较差，抗干扰能力不强。分布式结构采用主从CPU协同工作方式，各功能模块如智能电子设备（Intelligent Electronic Device，IED）之间采用网络技术或串行方式实现数据通信。分布式结构有助于系统扩展和维护，可靠性好，局部故障不影响系统其他模块正常运行，较适合于中低压变电站。

而分散分布式结构是目前的主流结构，由于计算机、通信及网络数据库技术的发展使变电站信息综合管理成为可能。分散分布式结构将计算机局域网（LAN）技术引入变电站综合自动化管理系统，已成为现在的研究热点。该结构引入信息管理方案，它将变电站各IED通过专用网关设备直接接入以太网，站内各监控机、服务器、工作站接入同一网络。但这种方案价格昂贵，对不同接口需要进行通信协议转换。其中如何引入LAN进行信息管理和处理电力通信规约转换是两个焦点问题，参照IEC提出的3层标准结构，可将原有的过程层、间隔层、站级层细化为过程层、二次设备控制层、通信管理层和信息管理层4层，可重点解决通信管理层中的电力通信规约转换问题和信息管理层中的变电站信息综合管理问题。其系统功能主要体现在：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管理和监控。

整个系统的核心在于通信前置机，如图1所示。系统共分4层，即信息管理层、通信管理层、二次分散设备控制层和生产过程层。生产过程层由变电站一次设备组成，是系统的最底层；二次设备控制层则由各智能设备（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；通信管理层由连接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，是系统的通信枢纽，负责站内信息采集、连接站级计算机、连接远动系统等；信息管理层是系统的最高层，主要由站级计算机组成，包括服务器、工作站等，形成站内计算机局域网，运行变电站SCADA/EMS（Super-visory Control and Data Acquisition/Energy Management System）系统，实现数据库管理、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/备服务器中的创建，而每个操作员工作站节点中均建有实时数据库，可采用双以太网冗余结构构建。

二次设备控制层中的IED与生产过程中的一次设备接口，按相应的规约直接实现信息的采集与控制调节，进行存储、转发，IED可通过光纤或现场总线与通信管理层连接，实现信息的收集与分配，不同类型的IED在二次设备控制层中不能直接进行信息交换，而是经不同的现场总线通过前置机这个网关来进行信息交换。通信管理层中的前置机系统可同时接入多种电力通信规约的总线设备，并向上挂接在信息管理层网络上，是局域网中的重要节点，起着收集站内生产信息上传和下发管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，不依赖于站级计算机。在前置机系统中还可接入全球定位系统（Global Positioning System，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（Remote Terminal Unit，RTU）的功能。信息管理层中的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则通过C/S模式从主/备服务器获取。如果需要远程浏览，则可设置Web服务器，利用Modem与公用电话网拨号登录站内局域网，通过Web浏览器进行浏览和查询。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。
在信息管理层中，基于所构建的网络，也可在其中置入变电站综合多媒体管理信息系统，通过专用网关和标准数据接口与SCADA系统交换生产信息。

作为通信前置机，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能力、低功耗以及实时性等特性。研华的UNO-2668内嵌低功耗Celeron 400MHz CPU，内嵌WinCE或者Linux操作系统，保证了系统的实时性，是业界一块高档的嵌入式通信前置机。