（电力系统及其自动化专业论文）变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制.pdf

变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 接收线程流程图6 2 发送线程流程图6 3 上行报文处理线程流程图6 3 下行消息处理线程流程图6 4 s c l 8 0 1 规约帧格式6 5 s c l 8 0 1 规约处理初始化流程图6 6 s c l 8 0 1 规约处理串口数据接收流程图6 7 s c l 8 0 1 规约处理上行数据处理流程图6 7 s c l 8 0 1 规约处理下行命令流程图6 9 附表索引 表3 1p c i 0 4 连接器针脚定义2 9 表3 2 串口连接器针脚对照表3 1 表3 3 太网口针脚定义3 2 表3 4 并行接口针脚定义3 3 表3 5u s b 接口针脚定义3 4 表3 6c f 卡管脚定义3 6 表4 1 操作系统的组件列表4 3 表4 2 主要配置文件列表4 5 表4 3 配置文件的合并表4 9 n hm博d加” 5 5 5 5 5 5 5 5 5 图图图图图图图图图 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：谰塌日期：细牛勒月哪 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：垌r r 剔程名。阀咯茯 日期：z c r o 斗年f 月，j 、曰 日期：? d 。牛年i1 月1 歹日 同等学力硕士学位论文 摘要 变电站自动化系统从上个世纪9 0 年代初在国内应用以来，在电力系统的中、 低压变电站中已经得到了普及，目前在高压以及超高压变电站也得到了广泛应用。 随着变电站自动化技术的不断发展，变电站自动化的一个突出的技术热点就是如 何将站内各种智能电子设备以及变电站和远方调度中心通过适当的通信方式有机 的联接起来。 嵌入式系统在工业控制领域成功而广泛的应用为上述问题提供了一种很好的 解决方案。嵌入式系统是一种具有特种功能的专用计算机系统，它与通信和网络 技术的结合可以极大地增强网络的智能性、灵活性以及拓展通信功能，实现各种 通信系统之间的互联互通。 本文为c b z ：8 0 0 0 变电站自动化系统设计的嵌入式通信平台，以功能强大的微 处理器芯片g x l 为核心，系统资源丰富，提供的外围接口包括串口、1 0 1 0 0 m 以 太网接口以及用于扩展c a n 、l o n w o r k s 等网络接口的通用工业总线；并为硬件量 身定制了w i n d o w sc e n e t 实时多任务操作系统。其应用软件采用易于扩展的模 块化设计。在整个设计的过程中充分考虑到硬件抗干扰和软件纠错、容错的处理。 陔嵌入式通信平台能够实现低速的串行总线、现场总线网络和高速以太网之间的 互联，以及串行总线协议和现场总线协议到t c p i p 协议的转换，从而实现不同厂 商的异种网络互联，构建出高速、可靠、开放的变电站通信平台。 全文共分五章，主要包括：嵌入式技术和w i n d o w sc e n e t 实时多任务操作 系统简介、嵌入式平台的硬件研制、w i n d o w sc e n e t 的定制、应用软件的设计等 几个部分。文章的末尾对论文进行了总结并给出了进一步研究的方向。 关键词：变电站自动化；嵌入式系统；通信平台；通信规约 变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 a b s t r a c t s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm v l vs u b s t a t i o ns y s t e m i nc h i n as i n c el a s t9 0 s n o wi th a sb e e nd e v e l o p m e n tt oh v u h vs u b s t a t i o ns y s t e m w i t ht h eg r a d u a li m p r o v e m e n to ft h es u b s t a t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，i tr a i s e st h e p r o b l e mo fh o wi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ( i e d s ) o fa l lk i n d si ns u b s t a t i o n ，a sw e l la s d i f f e r e n ts y s t e m so ft h es a sa n dr e m o t ec o n t r o lc e n t e r s ，s h o u l db ei n t e r c o n n e c t e da n d i n t e r o p e r a b l e 。 t h ec o n u n d m mc a nb es o l v e db ye m b e d d e dt e c h n o l o g yw h i c hh a sb e e nw i d e l y a n ds u c c e s s f u l l yu s e di n i n d u s t r yc o n t r 0 1 e m b e d d e ds y s t e mi s ak i n do fs p e c i a l c o m p u t e rs y s t e mw i t hs p e c i a lf u n c t i o n s c o m b i n i n gw i t hc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k t e c h n o l o g yc a ng r e a t l ye n h a n c e st h ei n t e l l i g e n c e a n df l e x i b i l i t yb e t w e e nm a n y c o i u n l u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , ac o m m u n i c a t i o np l a t f o r mf o rc b z - 8 0 0 0 s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi sp r e s e n t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i tt a k e sap o w e r f u l m i c r o p r o c e s s o r a st h ec e n t r a l p r o c e s s i n g t r a i t b e s i d e su n i v e r s a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eo ft w os e r i a lp o r t sa n dt w of a s te t h e m e tc h i p s ，t h ee m b e d d e dc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mp r o v i d e sap c 1 0 4s o c k e tw h i c hi so n ek i n do fi n d u s t r y s t a n d a r db u sf o r p r a c t i c a le x p a n s i o n i t sa p p l i c a t i o ns o f i w a r eo nt h et a i l o r e dr t o sw i n d o w sc e n e ti s d e s i g n e di nm o d u l a r i z a t i o ns oa st ob eu p d a t e de a s i l y f u r t h e r m o r e ，m e a s u r e sf o r a n t i i n t e r f e r e n c ea n da d m i s s i b l ee r r o ra r ef u l l yt a k e ni n t oa c c o u n td u r i n ga l lt h ec o u r s e o fd e s i g n t h r o u g ht h i sc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ，t h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nl o w s p e e ds e r i a lb u so rf i e l d b u sa n dh i g hs p e e de t h e r n e ta n dt h ec o n v e r s i o nf r o ms e r i a lb u s a n df i e l d b u sp r o t o c o lt ot c p i pp r o t o c o lc a nb er e a l i z e de a s i l y t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e s ：t h eb r i e f i n t r o d u c t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dr t o sw i n d o w sc e n e t ，d e s i g no ft h e h a r d w a r e ，t h ec u s t o m i z a t i o no fw i n d o w sc e n e t ，d e s i g no ft h es o f t w a r ee t e a tl a s t ， t h es u m m a r i z a t i o na n dt h ed i r e c t i o no nd e e p e n i n gi n t or e s e a r c hi sg i v e n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n a u t o m a t i o n s y s t e m ( s a s l ；e m b e d d e ds y s t e m ； c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i i 同等学力硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 变电站自动化技术概况 1 1 1 国内变电站自动化技术 当前在我国，“变电站自动化”被定义为：将变电站的二次设备，包括测量仪 表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等，经过功能组合和优化设计， 利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变 电站的主要设备和输配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与 调度通信等综合性的自动化功能；而“变电站自动化系统”则是：利用多台微型 计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，代替常规二次系统的测量和监视仪 表，代替常规二次系统控制屏、中央信号系统和远动屏，用微机保护代替常规二 次系统的继电保护屏，改变常规二次系统的继电保护装置不能与外界通信的缺陷 【j 一。 变电站自动化是自动化技术、计算机技术和通信技术等高科技在变电站领域 的应用。变电站自动化系统可以采集到比较齐全的数据和信息，利用计算机的高 速计算能力和逻辑判断功能，可方便地监视和控制变电站内各种设备的运行操作。 其优越性主要有以下几个方面： 1 提高供电质量，提高电压合格率： 2 提高变电站的安全、可靠运行水平； 3 提高电力系统的运行、管理水平； 4 缩小变电站占地面积，降低造价，减少总投资；。 5 减少维护工作量，减少值班员劳动，实现减员增效。 近几年来，随着国家对电网进行了大规模的改造，变电站自动化系统也得到 了广泛的应用，极大地提高了电力系统的运行水平，并为电网自动化的进一步发 展留下空间。 1 1 2 国外变电站自动化技术 “变电站自动化( s u b s t a t i o na u t o m a t i o n ) ”和“变电站自动化系统( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ，s a s ) ”的概念已经被国际电工委员会( i e c ) 的t c 5 7 技术委员 会( 电力系统控制和通信技术委员会) 录入了i e c 的术语定义3 1 。国外有专家将“变 变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 电站自动化系统”定义为【4 ：在数字信息传输和处理的基础上，实现变电站控制、 保护和监视功能的一个协调的数字系统( t h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi s d e f i n e da si m p l e m e n t i n gc o n t r o l ，p r o t e c t i o na n dm o n i t o r i n gf u n c t i o n sb yac o n s i s t e n t d i g i t a ls y s t e ma n do nt h eb a s i so f t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n go f d i g i t a li n f o r m a t i o n ) 。 而i e c 将变电站自动化系统的功能指定为变电站必须完成的任务。这些功能包括 控制、监视和保护变电站的设备及其馈线；同时，还包括变电站自动化系统的维 护功能，即系统组态、通信管理和软件管理等功能。i e c 将变电站自动化系统的功 能从逻辑上划分为三个层次，即变电站层( s t a t i o nl e v e l ) 、间隔层( b a yl e v e l ) 和过程层( p r o c e s sl e v e l ) 。其中变电站层使用站内多个间隔或整个变电站的数据 对多个问隔或整个变电站的一次设备进行监视和操作，对外提供与调度控制中心 的接口( t e l e c o n t r o li n t e r f a c e ，t c i ) 或与远方监视和维护工程师站的接口 ( t e l e m o n i t o r i n gi n t e r f a c e ，t m i ) ；间隔层主要使用一间隔的数据和对该间隔的一次 设备进行操作，间隔层设备由每个间隔的控制、保护和监视单元组成；过程层是 所有与过程接口的功能，典型的过程层设备为远方i o 、智能传感器和执行元件【5 ，6 j 。 文献【7 从经济条件和技术条件两个角度分析实施变电站自动化的优势，对变 电站自动化的内容进行了全面地分析，并提供了西班牙、日本、西欧等世界各地 的变电站自动化系统结构示例。 1 1 3 变电站自动化技术的发展特点 变电站自动化技术的发展最明显的特点有几个方面【2 月】： 1 功能综合化 变电站自动化技术是建立在计算机硬件技术、数据通信技术、模块化软件技 术上发展起来的。它综合了变电站内部除一次设备和交、直流电源外的全部二次 设备。微机监控子系统综合了原来的仪表屏、操作屏、模拟屏和变送柜、远动装 置、中央信号系统等功能，微机保护代替了电磁式或晶体管式保护，还可根据用 户的需要，微机保护子系统和监控子系统结合，综合了故障录波、故障测距和小 电流接地选线等自动装置的功能。近年来，正在将设备状态监测子系统功能综合 在变电站自动化内。 2 分级分布式、微机化 自动化系统内各个子系统和功能模块由不同配置的单片机或微型计算机组 成，采用分布式结构，通过网络、总线等将微机保护、数据采集、控制等各子系 统联接起来，构成一个分级分布式的系统。一个自动化系统可以有十几甚至几十 个微处理器同时并行工作，从而实现各种功能。 3 实现数字化、智能化 长期以来，变电站采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便。 同等学力硕十学伉论文 采用微机监控系统后，彻底改变了原来的测量手段，常规二次系统指针式仪表被 c r t 显示器上的数字显示所代替，直观、明了。而原来的人工抄表记录、统计计 算则完全由打印机打印的报表所代替。这不仅减轻了值班员的劳动，而且提高了 测量精确度和管理的科学性。智能化不仅表现在常规二次系统的自动化功能上， 如自动报警、自动报表，电压无功自动调节，小电流接地自动选线，事故判别与 处理等方面；还表现在能够在线自诊断并不断将白诊断结果送向远方的主控端， 这是区别常规二次系统的重要特征。简而言之，常规二次系统只能监测一次设备， 而自身的故障必须依靠维护人员去检查，去发现；自动化系统不仅监测一次设备， 还每时每刻进行自检，这就充分体现了其智能性。 4 操作监视屏幕化 不管有人值班还是无人值班，操作人员不是在变电站内就是在主控站内面对 彩色大屏幕显示器进行变电站的全方位监视与操作。常规二次系统方式下的指针 式仪表读数被屏幕数据显示所代替；常规二次系统庞大的模拟屏被c r t 显示器上 的实时接线画面取代；常规二次系统在操作屏上进行的跳合闸操作被c r t 屏幕上 光标操作取代；常规二次系统光字牌报警被c r t 屏幕画面闪烁、文字和语音提示 取代；简而言之，面对计算机的彩色屏幕可以监视偌大变电站内的瞬变万化。 5 通信网络化 网络技术在变电站自动化中的普遍应用，实现了数据高速传送，满足实时性 要求，组态更灵活，易于扩展，方便施工。 1 2 变电站自动化系统通信网络的发展 自动化变电站站内通信网是随着通信技术的发展而发展的。变电站站内通信 网作为变电站自动化系统的一部分，在整个系统中起着重要的作用。下面介绍一 下变电站通信网发展过程中的几种通信方案 9 1 。 1 2 1 星型通信系统 星型通信系统以安装于控制室的站级计算机为中心点，通过通信介质与分散 在每一个开关柜上的监控i o 和保护设备相连，形成l ：n 的连接方式。星型通信 系统的特点是： 1 通常使用光纤作为通信介质，因此具有光通信的高抗干扰性、高安全性的 特点，适合变电站恶劣的电磁环境； 2 各i o 单元及保护单元都与站级计算机独立通信，可靠性高、可维护性好； 3 采用串行通讯实现互联，比较简单； 4 星型连接连线较多，特别是站级计算机端接线较多，施工复杂； 3 变电站白动化系统嵌入式通信平台的研制 5 各i o 单元之间及保护设备之间的横向通信必须通过站级计算机来完成 复杂且效率不高。 1 2 2r s 4 8 5 串行总线 r s 4 8 5 是一种串行总线型通信网络，主要应用于国内早期的变电站自动化系 统，采用使用一个主站对多个从站的通信方式，在应用中主要存在以下缺陷： 1 只能有一个主站，无法实现多主站互为备份的冗余设计； 2 从站无法主动上送报文，实时性较差： 3 各从站之间无法直接通信，只有通过主站中继才1 能相互通信； 4 对于小规模的应用，实时| 生可以得到保证，但是随着系统规模的扩大，系 统的实时性会急剧下降； 5 通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在需实时传输大量数据时力不从心； 6 抗干扰能力较差。 1 2 3 现场总线网络 现场总线是一种工业数据总线，主要解决现场的智能化仪表、控制器、执行 机构等现场设备之间的数字通讯以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信 息传递问题。其主要目的是实现测控网络的开放性，不同厂家设备的互操作性以 及测控网络构成的简单、方便、可靠。由于基于网络技术的现场总线无论在通信 速率和实时性，可靠性和组网的灵活性上均远高于简单的串行通信技术，在很短 时间内便成为变电站自动化系统主流通信技术。国内外己将现场总线应用于变电 站控制系统。如我国的h a t h a w a y 一- 四方公司在1 9 9 3 年已推出基于l o n w o r k s 总线 的c s c 2 0 0 0 型变电站自动化系统；国外a b b 公司于1 9 9 4 年在其s c s l 0 0 型变电 站控制系统中使用l o n 总线，更新原有s p a 总线”。国内也已有单位开发出基 于p r o f i b u s 和c a n 总线的变电站自动化系统旧。 现场总线技术的局限性： 1 电站通信节点超过一定数量后，网络性能迅速下降，不能适应曰益增长的 自动化系统对网络的要求； 2 有限的带宽不能满足通信速率的要求； 3 总线型拓扑结构在网络的任一点故障时均可能导致整个系统崩溃，且难以 诊断故障点； 4 由于强调专用性而忽略了通用性，长期缺乏统一的国际标准，许多网络设 备和软件需专门设计，因此系统是一个封闭的系统。即使采用同一种现场总线， 4 同等学力硕+ 学位论文 如c a nb u s ，由于该现场总线没有定义完备的应用层通信标准，各生产厂家采用 自己的应用层通信协议，不同厂家基于c a nb u s 的智能设备互连也同样没有可 能。 1 2 4 工业以太网 随着变电站电压等级的升高，变电站中需要测控的节点数大大增加，对站内 通讯网的通讯能力提出了更高的要求，此时沿用现场总线做作为电站的内部通讯 网则难以达到通讯能力的要求。嵌入式以太网的出现解决了这个问题。以太网是 一种应用十分广泛的信息网络通信技术，它采用c s m a c d 介质访问协议，以其 协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持。 与现场总线相比，以太网具有以下优点： 1 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎 所有的编程语言都支持e t h e m e t 的应用开发，如j a v a 、v i s u a lc + + 及v i s u a lb a s i c 等。这些编程语言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发 展前景。因此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环 境供选择。尤其是随着嵌入式系统的不断发展，现在许多嵌入式微处理器都内置 了以太网的m a c ，可以方便的使嵌入式系统实现以太网的接入。 2 成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广 泛支持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。 目前以太网网卡的价格只有p r o f i b u s 等现场总线的十分之一，并且随着集成电路技 术的发展，其价格还会进一步下降。 3 通信速率高 目前以太网的通信速率为1 0 m ，1 0 0 m 的快速以太网也开始广泛应用，1 0 0 0 m 、 1 0 g 以太网技术也逐渐成熟，其速率比目前的现场总线快得多。另外以太网可以 满足对带宽的更高要求。 4 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验， 对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培 训i 费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 5 可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和吸引大量的技术 投入。并且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于 一个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更 变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 加成熟，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。另外，可以避免变电站站 内通信网发展游离于计算机网络技术的发展主流之外，从而其与信息网络技术互 相促进，共同发展，并保证技术上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研 究投入。 6 易于与i n t e m e t 连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝 集成。 另外，i e c 国际标准化组织，为使不同厂商的自动化产品具有互操作性，在制 定的变电站自动化系统的网络通信体系中，已经明确定义了以太网络通信技术作 为唯一的变电站自动化领域的通信网络，这将是技术发展的国际大趋势。关于以 太网在变电站自动化的应用比较大的争议在于：以载波监听多路访问冲撞监测 ( c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，c s m a c d ) 为介质访问 机制的早期的以太网技术，其竞争机制导致数据传输的不确定。胜( n o n d e t e r m i n a c y ) 是否满足电力系统对数据实时性的要求? 美国电科院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e ，e p r i ) 的试验表明【l3 ：在极坏的条件下，通过1 0 0 m 的共享式h u b 或1 0 m 的交换式h u b 的网络通信时间满足4 m s 的传送要求；类似的结果在文献 6 】也得到 验证，并进一步表明带宽越高，网络通信时间将明显减小。随着交换式以太网技 术的成熟，传递的碰撞问题得到根本地解决。通过交换式以太网，所有的节点之 间均是点对点的通讯，避免了共享以太网产生的碰撞问题；同时交换式以太网还 具有全双工通讯能力，即可以同时进行发送和接收，从而保证传送的实时性。 因此，采用工业以太网作为变电站的监控主网，大大提高了网络的通信速度 和网络带宽，适用于高电压等级变电站大数据量的传输。变电站自动化通信网从 现场总线到工业以太网的发展，体现了作为现代工业自动化一个分支的变电站自 动化一方面满足电力系统对抗干扰、安全性和可靠性特殊的要求，另一方面又顺 应了自动化技术发展的一般规律。 接下来介绍的许继公司的c b z 一8 0 0 0 变电站自动化系统即采用以太网作为变 电站内通信网，极大的提高了变电站自动化系统的通讯能力。 1 3c b z 一8 0 0 0 变电站自动化系统简介 c b z - 8 0 0 0 变电站自动化系统( 其结构如图1 1 ) 是许继公司借鉴了业界许多 优秀自动化系统的成熟经验，结合最新信息技术发展，综合了国内外先进技术及 人力资源倾力打造的。c b z 一8 0 0 0 变电站自动化系统站内局域网通信采用光纤自愈 式环型以太网( s e l f - h e a l i n gf i b e r - o p t i cn e t w o r kr i n g ) ，网络布线简洁，抗故障能 力强，可靠性高。从2 0 0 2 年起全面推向市场，到目前为止c b z 一8 0 0 0 系统已经在 江西顺外和湖南祁阳等2 2 0 k v 变电站以及2 0 多个1 1 0 k v 变电站投入运行。 一6 同等学力硕十学位论文 h 囊 芸 _ 口日 隅 | 茁 图1 1c b 7 8 0 0 0 变电站自动化系统结构 整个系统采用分层分布式结构，按功能划分为站控层和间隔层。站控层与间 隔设备间直接以以太网通信，网络层协议为开放性很好的基于t c p i p 的i e c l 0 4 规约。所有保护、测控功能均可分散安装到电气间隔或继电小室中，测控装置直 接接入通信网络，支持i e c l 0 4 规约的保护装置直接上网。 但对于不支持i e c l 0 4 通信的众多其它l e d 需要通过各种各样的规约转换( 一 对一或一对多) 接入c b z 一8 0 0 0 系统；同时在站控层需要提供与不同的调度中心通 信的接口，以满足变电站无人值班的要求。本文正是为了解决以上问题，采用嵌 入式设计技术，为c b z 一8 0 0 0 自动化系统提供灵活、开放的通信平台。 1 4 本文研究课题的背景、概述及意义 本课题是许继电气公司c b z 一8 0 0 0 变电站自动化系统科研攻关项目的一个分 支，负责c b z 一8 0 0 0 变电站自动化系统同其它系统的接入、接出，以实现互操作性。 目前我国电力系统中存在着多种通信规约。一方面，厂站端与远方调度中心 的远动数据传输协议称为远动通信规约。远动通信规约有基于载波通道的常用串 行规约如d l t4 5 1 - 1 9 9 1 ( 即c d t 规约) 、n 4 f 、s c l 8 0 1 、d n p 3 0 、d l t 6 3 4 5 1 0 1 2 0 0 2 ( 即1 0 1 规约) 等等，即使是同一种规约，也由于理解上的差异等 原因，导致有许多变种，如c d t 规约在国内的应用版本不下十余种；而在早期引 进的调度系统中，存在着许多国外的串行规约如西门子公司的c d c8 8 9 0 、a b b 公 司的r p 5 7 0 5 7 1 以及f e r r a n t i 公司v a nc o m m 规约等。近年来伴随网络技术 的发展，基于网络的远动通信规约也种类繁多，如部颁的d l t4 7 6 1 9 9 2 、d l t 7 - 变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 6 3 4 5 1 0 4 2 0 0 2 ( 即1 0 4 规约) 和国外引进的t a s e 2 、m o d b u s 等规约。变电站自 动化系统面临着随时都可能出现的新的远动通信规约，往往投入大量人力、财力 并且丌发周期长。另一方面，由于在变电站自动化发展初期以及直到很长的一段 时期，没有关于变电站自动化通信网络和协议统一的国际性标准和规范，国内外 各变电站自动化系统生产厂家都在定义自己的通信网络和协议，这些通信网络和 协议各式各样、互不兼容，特别是变电站自动化通信网经历了星型、串行总线型、 现场总线型和工业以太网等不同的物理结构，于是不同生产厂家之间甚至同一生 产厂家的不同代的系统之间缺乏互操作性。在1 1 0 k v 及以下的变电站一般采用同 一生产厂家的自动化系统，很少存在类似问题；而在2 2 0 k v 及以上的变电站往往 出于可靠性等因素考虑，通常采用多个生产厂家的自动化设备，站内有多家l e d 设备需要进行系统集成，因此通信规约不一致的问题就凸现出来了。 根据分析通信规约转换的功能，结合变电站自动化系统发展的需要，提出建 立变电站自动化系统的通信平台的构架：它将屏蔽各通信对象之间通信协议、通 信方式上的差异，为系统中的通信对象提供透明的网络传输。任何一台上位机可 以使用任何一种标准协议，可以任何一种标准通信方式与任何一台下位机通信， 而不用关心对方的任何情况。 与此同时，嵌入式技术的发展为变电站自动化间隔层以及网络通信创造了高 起点的技术平台，采用实时嵌入式系统开发的智能电子设备不仅使软件的通用性 设计成为可能，而且使得硬件扩展性也被大大加强，系统灵活性得到了保证；另 一方面，嵌入式系统所具备的以太网通信能力( 支持t c m p 协议族) 使得变电站 网络通信从鱼龙混杂的专有技术状态使用进入标准以太网通信时代，未来变电站 自动化系统可以充分享受以太网通信的高速度、易维护、易扩展等诸多优点。因 此，变电站自动化系统的通信平台有必要采用成熟的嵌入式技术进行软件、硬件 设计，以适应不同的工程应用。 本文研究和设计的变电站自动化系统的通信平台硬件上采用功能强大、高可 靠的微处理器芯片作为c p u ，除了常用的串行口、以太网等基本通信接口配置， 还提供通用工业总线用于各种应用灵活地扩展；软件上，选用的实时多任务操作 系统w i n d o w sc e ，n e t 可以根据硬件配置量身定制，模块化设计的应用程序易于 扩展到更广泛的应用，另外还提供界面友好的的组态工具包。它在变电站自动化 系统有着多种应用，具体如下： 1 用于变电站自动化系统与调度中心之间通信接口，完成调度对变电站的“四 遥”功能( 如图6 1 所示的远动接口) ； 2 用于保护通信管理机，将c b z 一8 0 0 0 的保护设备接入其它的变电站自动化 系统当中： 3 用于将其它厂家的i e d 设备接入到c b z 8 0 0 0 变电站自动化系统，实现互 8 同等学力硕十学位论文 操作性( 如图6 1 所示的规约转换器) ； 4 对于在设计时就没有操作员站的无人值班3 5 k v 或1 1 0 k v 变电站，可以利 用其丰富的人机界面，在调试和维护时兼作变电站的实时监控系统。 需要说明的是，由于采用实时多任务处理机制，以上功能并非必须是单一的， 可以是组合甚至全部功能的综合，都能够保证电力系统对数据实时性的要求。 1 5 本文所做的工作 本文所做的主要工作是： 1 硬件的设计和外围工业扩展卡的选型，硬件的型式试验。 2 比较深入地研究嵌入式系统的设计方法和w i n d o w sc e n e t 实时多任务操 作系统，对w i n d o w sc e n e t 的结构、特点以及在工业控制领域的应用进行探究 和分析。 3 运用p l a t f o r mb u i l d e r4 1 工具定制、裁减平台所需要的w i n d o w sc e n e t 操作系统。 4 研究了w i n d o w sc e n e t 上应用编程；在深入地研究了i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规 约和s c l 8 0 1 规约的基础上，开发出这两种规约的应用解析软件。 9 一 变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 第2 章嵌入式实时操作系统w i n d o w sc e n e t 2 1 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 2 1 1 嵌入式系统的定义 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已经成为了计算机领域的一个重要组成 部分。所谓嵌入式系统，就是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件 可裁减，符合应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机 系统【1 4 1 。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、 显示器、网卡、m o d e m 、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是 由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船 舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，1 9 9 7 年来自美国嵌 入式系统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e1 的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式 计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场。 美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的计算能力已超过了 i b m ”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1 9 9 8 年1 1 月在美国加 州何塞举行的嵌入式系统大会上，基于实时多任务操作系统( r e a lt i m e m u l t i t a s k i n go p e r a t i n gs y s t e m 简称r t o s ) 的e m b e d d e di n t e m e t 成为一个技术新 热点。 美国著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智 能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪 榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展 与技术一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的隔 述和展望。 嵌入式产品可分为如下几类： 一1 0 同等学力硕十学位论文 1 信息家电 后p c 机时代，计算机将无处不在，家用电器将向数字化和网络化发展。电视 机、电冰箱、微波炉、电话等都将嵌入计算机并通过家庭控制中心与i n t e r n e t 相连， 转变为智能家电。届时，人们在远程用手机等就可以控制家里的电器，还可以实 现远程医疗、远程教育等。目前，智能小区的发展打开了市场，机顶盒将成为网 络应用的终端，它不仅可以使模拟电视接收数字电视节目，而且还可以上网。 2 移动计算设备 移动计算设备包括手机、p d a 等各种移动设备。中国拥有最大的手机用户， 而掌上电脑或p d a 由于易于使用、携带方便、价格便宜等特点，未来几年将在我 国得到快速发展。 3 网络设备 网络设备包括路由器、交换机、w e bs e r v e r 、网络接入盒等网络设备。 4 工控、仿真等 在工业控制领域，嵌入式设备早已经得到了广泛应用。我国的工业生产需要 完成智能化、数字化改造，智能控制设备、智能仪表自动控制等为嵌入式系统提 供了很大的市场。而工控、仿真、数据采集等军用领域一般都要求操作系统支持。 2 1 2 嵌入式系统的特点 2 1 2 1 嵌入式系统工业是不可垄断的高度分散的工业 从某种意义上来晚，通用计算机行业的技术是垄断的。占整个计算机行业9 0 的p c 产业，8 0 采用i n t e l 的x 8 6 体系结构，芯片基本上出自i n t e l ，a m d ，c y r i x 等几大家公司。在几乎每台计算机必备的操作系统和文字处理器方面，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 及o f f i c e 占8 0 9 0 ，凭借操作系统还可以搭配其它应用程序。因此 当代的通用计算机工业的基础被认为是由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和i n t e l9 0 年代初建立 的联盟1 垄断的工业。 嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有 哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系结构上存在着主 流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场。 因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业的中小规 模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展 的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展 的强大动力。 嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面向应用的软件产 品开发。 1 1 变电站自动化系统嵌入式通信平台的研制 2 1 2 2 嵌入式系统具有的产品特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展， 则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、 电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的 热点。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁 衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用 对处理器的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯 片配置进行裁剪和添加才能达到理想的性能；但同时还受用户订货量的制约。因 此不同的处理器面向的用户是不一样的，可能是一般用户，行业用户或单一用户。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统 中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换， 所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的 应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统 中的软件也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。 一个体系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套 复杂的知识系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 2 1 2 3 嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系 统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 嵌入式系统软件的主要特征有： 1 软件要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 2 软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断增加，