（电气工程专业论文）配电子站和其应用软件的设计.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说i ：l j j 并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：i ：i 堕垫d 4 年；月：，日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属两安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后以上申明同样适用) 论文作者签名：! ! i 堕垫 导师签名： 。眵年3 月j 口 摘要 题目：配电子站和其应用软件的设计 学科：电氢王猩 研究生：刻瞳龌 ( 签名： 导师：塞工塑撞 ( 签名： 董蟹皇直工( 签名： 摘要 本论文首先对配电子站在配电自动化系统中的作用和地位进行了介绍， 在此基础上，对配电子站的国内外研究现状进行了分析，针对目前已应用的 配电子站的不足之处，结合新技术提出了新一代配电子站的设计要求。根据 配电子站的性能要求，设计出了合理的配电子站硬件系统结构，选出了适合 配电子站功能需求的实时操作系统：同时根据配电子站在配电自动化系统中 的作用和地位，综合分析了配电子站的应用特点，给出了其应用软件的功能 需求和其应用指标。在此基础上采用u m l 的设计方法对配电子站的应用系 统进行了设计。建立了配电子站的对象模型，和其关键动态过程模型。 按照设计方案实现的系统，其性能指标完全达到了设计的要求，验证了 设计的可行性和有效性。设计方案有以下几个方面的优点： ( 1 ) 选用w i n d o wc e 嵌入式操作系统和其它非嵌入式操作系统相比，系 统需要更少的硬件资源，操作系统中的资源可方便裁减，能够保证系统实时 性，系统的运行更加稳定、可靠。 ( 2 ) 系统软件设计采用u m l 通用建模技术，保证了软件结构的合理性，提 高了软件的健壮性和可维护性 ( 3 ) 系统中的通道和规约采用动态绑定机制，提高了系统的灵活性。 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 采用多线程方式提高了系统的运行效率。 ( 5 ) 采样嵌入式系统构造的配电子站，系统结构紧凑成本大大降低。 关键词：配电自动化配电子站嵌入式软件通用模型语言 a b s t r a c l t i t l e ：d e s i g no fs u b c o n t r o lc o n t e r w i t ha _ p p l i e ds o f t 恰i 沲 s p e c i a l i t y ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：l i u x i a o h u i s u p e r v i s o r ：p r o f l i ud i n g a b s t r a c t舯哆 t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ef a n e t i o na n dp o s i t i o no ft h es u bc o n t r o l c e n t e ri nt h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a tt h eb a s i so f t h a t ，a n a l y z e sp r e s e n t r e s e a r c h o ft h es u bc o n t r o lc e n t e ra th o m ea n da b r o a d ，b r i n g sf c ) r w a r dn e w g e n e r a t i o nd e s i g nr e q u e s ta i m i n ga tt h ed e f e c t so f t h ea p p l i e ds u bc o n t r o lc e n t e ra t p r e s e n t a c c o r d i n gt o t h ed e s i g nr e q u e s t ，t h eh a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r ef o r r e a s o n a b l es u bc o n t r o lc e n t e ri sw o r k e do u t ，a n dt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi s c h o s e n ，f o rw h i c hs u i t st h es u bc o n t r o lc e n t e r s f u n c t i o nd e m a n d ；m e a n w h i l e s y n t h e t i c a l l ya n a l y z e st h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u bc o n t r o l c e n t e r a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dp o s i t i o ni nt h ee l e c t r i ca u t o m a t i o ns y s t e m ，t o g e t h e r w i t ht h ef u n c t i o nd e m a n da n da p p l i c a t i o nt a r g e to ft h ea p p l i e ds o f t w a r e t h e nt h e s u bc o n t r o lc e n t e ra p p l i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e do u tb yt h eu m ld e s i g nm e t h o d a n dt h eo b j e c tm o d e lo ft h es u bc o n t r o lc e n t e ri se s t a b l i s h e d ，w i t hd y n a m i c p r o c e s si ni t sk e ym o d e l a c c o r d i n gt ot h es y s t e ma c h i e v e db yt h ed e s i g ns c h e m et h ef u n c t i o nt a r g e t c o m e st ot h ed e s i g nr e q u e s tc o m p l e t e l y , w h i c hv e r i f i e st h a tt h ed e s i g ni sf e a s i b l e a n de f f e c t i v e t h ea n de f f e c t i v e t h ea d v a n t a g e so ft h ed e s i g ns c h e m ea r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) c h o o s et ou s et h ew i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，c o m p a r i n g t oo t h e ru n i s e x - t y p eo p e r a t i n gs y s t e mt h i st y p en e e dl e s sh a r d w a r ea n dr e s o u r c e s 西安理工大学3 - 程硕士学位论文 i nt h eo p e r a t i n gc a nb ec u tc o n v e n i e n t l y , w h i c hm a k et h es y s t e mh a v er e a m i m e q u a l i t ya n dt h em o v e m e n tm o v e m e n tm o r es t a b l e 、d e p e n d a b l e ( 2 ) d e s i g no f t h es y s t e ms o f t w a r ea d o p t su m i 。g e n e r a lr i s em o d e lt e c h n i q u e ， t h i sg u a r a n t e e st h es o f t w a r e s t m c t u r er e a s o n a b l e ，e r d a a n c e st h ep e r s i s t e n c ea n d p r o t e c t i o no f t h es y s t e m ( 3 1c h a n n e l sa n dr u l e si nt h es y s t e ma d o p td y n a m i cb i n d i n gm e c h a n i s mt o m a k et h es y s t e mf l e x i b l e ( 4 1t h ea d o p t i o nm u l t i - t h r e a d i n gm o d e li n c r e a s e st h em o v e m e n te f f i c i e n c y o f t h es y s t e m ( 5 ja d o p tt h ee m b e d d e db y s t e mt ot 2 k l l l s ! u c b t i bc o n t r o lc e n t e r s y s t e m s t iu c u r et i g h t l yp a c k e d 也cc g s td e c l i n e sc o n s u m e d l y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n e m b e d d e ds o f t w a te s u b ( o n f r 0 1c e i l t a r u n i t e dm o d e ll a n g u a g e 1绪论 随着国民经济的发展和人民物质文化生活的提高，社会各行业对供电质 量和供电可靠性提出了越来越高的要求。供电企业为了满足社会的需要， 需要不断改进和提高自身的管理水平和装备技术水平。配电自动化系统是 集计算机技术、现代通信技术、自动控制技术、电力系统理论和电气设备制 造的新兴的技术密集型高新技术。它通过对配电生产过程的监视和优化控 制，能大大提高配电网运行的可靠性，提高供电质量、降低线路损耗，从而对 客户和电力公司带来可观的经济效益 1 - 5 o 在国际上，由于欧美和日本等国 的工业基础好、经济发达，因此配电自动化水平较高，国外大中型城市配电 网已经普遍实现了自动化 1 - 8 由于我国的国情和配电网与国外相比有较大 差别，国外的技术不能直接采用1 9 = 1 1 1 0 随着我国城乡电网改造的深入开展， 采用现代计算机、通讯技术提高配电过程的自动化水平势在必行。配电系统 自动化系统的实施给供电企业实施现代化管理提供了技术保证。在配电自动 化系统的支持下，调度运行人员能够及时监视配电系统的运行情况，随时调 整配电系统的运行方式，有效的降低系统的运行费用和改进供电质量和可靠 性。在系统故障的情况下，能够将故障限制在一个小的范围内，及时恢复 全区域的供电，为电力公司带来可观的经济效益1 1 - 5 1 0 配电子站是配电自动 化系统中的一个重要环节 2 - 1 0 1 0 1 1 配电子站的国内外研究现状 早在4 0 年代工业发达国家开始配电自动化的研究和工业实践，到8 0 年 代，随着电子技术、计算机技术的飞速发展，配电自动化技术趋于成熟，形 成了功能齐全的配电自动化系统，发达国家开展这样配电自动化的试点和推 行工作，到9 0 年代已有多个大规模的配电自动化系统投入运行1 t = 8 1 例如意 大利的e n e l ( 国家电力公司) 系统h 1 ，在国内3 个重要城市中实施了配电 自动化系统。目前功能强大的配电自动化系统在西方发达国家应用相当普遍 【卜8 】 西安理工犬学工程硕士学位论文 目前，我国配电自动化系统还处在试点阶段，不同的供电局在管理模式、 运行模式和配电自动化系统的体系结构不尽相同 7 - 1 3 1 。但系统建设的总体目 标是一致的，既配电自动化的实施能够提高配电系统的管理水平。具体功 能为：能够对配电网进行监控，既对开闭所、1 0 k v 馈线、配电变压器和重 要用户进行监控，能进行故障识别、故障隔离和故障恢复，能进行系统运行 方式优化，和保证配电网的安全运行。 综合国外和国内的配电自动化系统，除小规模的试点系统外，配电自动 化系统的总体结构基本相同，既配电自动化系统一般分为三个层次，配电主 站层、配电子站层和终端设备层 2 - 1 3 1 配网监控设备点多面广，不可自把所 有的站拣监控设备直接连到配电主站上，设茕配电子站屡有助于系统盼性能 的提高、系统的可靠扩充性的埔强，另外，将信息进行分屡分析、蹬瑚，熊 有效的提高系统的运行效率和响应速度，因此和传统调度相比。配电调度自 二珈化系统，必规增设中间层一配电子站。配电f 站系统位于既已电主站7 配电终端层之问，冠子变电站、开闭所内，具有对变乜站、玎闭所所辖馈电 线路配电自动化管理功能，收集所管辖的终端信息并分析处理后送入配电主 站，实现配电主站与终端之问的数据传输和交换，此夕卜还具有所辖区域内故 障诊断、隔离、恢复的功能。 目前的配电子站在结构和功能上各个厂家有所不同雎1 4 。5 1 国内已实 施的系统的配电子站大部分采用通用q - _ , l k 控制计算机，操作系统平台采用 d o s 或微软w i n d o w sn t 或w i n d o w s2 0 0 0 操作系统。目前的通用标准工业 控制机采用i n t e l 系列或i n t e l 兼容芯片组，高性能的c p u 发热较严重，必须 采用相应的散热描施系统才能正常工作，系统的可靠性较低，低性能c p u 发热问题得到解决，但系统的性能较差。配电子站采用d o s 操作系统，无 论是在实时性、安全性、分布式陬络支持、可视化网络编程还是在易用性等 诸多方面随着系统的扩大都不能满足配电子站实时高可靠的要求，另一方面 d o s 为一淘汰的操作系统，没有进一步升级和为其提供技术支持的可能。基 于w i n d o w sn t 类操作系统的配电子站，其可靠性指标很难达到要求，运行 1 绪论 一定的时间系统必须进行复位。采用专用硬件和非通用嵌入实时系统的配电 子站，系统的开发难度很大，系统运行后难对其进行功能扩充及维护。配电 子站是配电自动化系统的非常重要的环节，对其功能和可扩充性、可维护性、 运行的稳定性有很高的要求，采用更加稳定的通用嵌入式平台应更合理。 配电子站除实现信息的集结和转发外，对所辖区域内特定范围的馈线自 动化功能由配电子站单独来实现。既实现特定区域的馈电线的故障诊断、隔 离、恢复。实现馈电线的故障诊断、隔离、恢复功能，需要解决以下基础问 题：1 ) 反映馈电线的基本动态信息；2 ) 馈电线的各类静态信息，包括设各 的基本参数和设备的拓扑信息；前者在建立配电子站的应用平台时，对系 统的结构进行合理的设计，在配电子站的应用系统中建立实时数据单元，系 统的各类算法通过调用实时数据的访问接口得到馈电线的实时动态数据。后 者通过建立后台静态配置数据库来完成。 目前的研究其故障隔离的方式和方法差别较大，大部分系统采用简单逻 辑的判断故障，建模缺乏系统性，不能适用较复杂的配电网“6 。1 需要对此 项工作进行更深入的研究。因此有必要根据配电网的实际情况建立通用模 型实现馈线自动化功能。 1 2 本课题研究的目标和需解决关键问题 本课题研究的目的是对配电子站进行系统分析研究，提出配电子站的完 整的功能要求，选择合理的系统结构和其支持软件，在此基础上，采用面向对 象技术皓踟建立配电子站功能的详细对象模型，和关键系统动态模型。为在 配电子站方便地扩充实现馈线故障诊断和馈线事故恢复提供标准接口。用 嵌入式软件结构实现系统。在设计中需要研究的课题如下： a 配电子站的支持环境确定 配电子站的稳定运行在整个配电自动化系统中具有非常重要的作用。 合理的硬件和支持软件是系统成功应用的根本保证，针对配电子站的特点， 对配电子站的软硬件进行设计。 j 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 对配电子站的通讯模式进行研究 配电子站在系统信息的采集处理上，与配电中心主站、所辖区域内f t u 、 开关站和环网柜f t u 、配变t t u 及其它智能设备( i e d ) 通信实现四遥数 据的收集转发、规约转换。实现主站和现场设备联络，起承上启下作用。配 电子站完成所辖区域故障识别、故障隔离和恢复供电功能。 配电子站和配电主站，通讯数据量相对较大，用常规的串行通讯方式， 带宽非常紧张，用串行通讯在通讯的处理上必须采取一定的技术措施。例如 变数据传送，压缩传送。可以用t c p i p 和主站进行通讯，t c p 为有联结通 讯，正常通讯时稳定性很好，但信道出现异常时，囡为t c p 自身设计的要求， 存在通讯不能及时得到系统的异常信息。可通过一定的方式加以解决。 配f = 窭= 子站管理多个现场设备采用总篮式的潲讯方式，每个总线联结 多个串行设备。目前比鞍适用于配i 电子站的通讯总线为4 8 5 总线。和现场逼 讯不拟采用无线力式。凼危线通汛设备固有f 勺f 等通误码率离，设器投资；汜 需要的频点多。 ( ：) 系统的软件硬件平台的选择 配电子站的运行电磁环境很恶劣，要求系统7 * 2 4 小时连续运行，因此 系统的硬件选用必须符合有关的标准。所选的通用产品，应为工业级的产品， 例如：通用工业嵌入式控制主板，比如，1 0 4 总线c p u 板。 配电子站的支持系统：选用实时性、运行稳定性、健壮性很高的产品， 例如：选用嵌入式操作系统，w i n d o w sc e 或l i n u x 。 b 配电子站的系统软件设计 配电子站需要与配电中心主站、所辖区域内f t u 、开关站和环网柜f t u 、 配变n u 及其它智能设备( 1 e d ) 通信，实现四迢数据的收集转发、规约转 换。配电主站接入的现场设备、接入主站的方式种类繁多，涉及的通讯规约 多样，对通讯规约理解的多义性，造成同一规约也会有多种变种，系统设计 时需要对系统规约的方便扩充进行深入研究，找到解决问题的办法。 4 系统的实时性保证。大多的配电子站系统低层采用多线程，对用到的端 口每一端口开一线程来处理端1 3 的收发工作，通讯规约的处理上采用函数判 断调用方式，此种处理方式随着系统功能的增多和系统支持的通讯协议的增 多，系统的可扩充性和系统的执行效率明显降低。为了保证系统的可扩充性 和系统的运行效率，需要对系统所要完成的功能进行深入分析和探索，设计 出合理、高效的配电子站运行框架。 最终的配电子站系统应能完成所辖区域故障识别、故障隔离和恢复供电 功能。建立的配电子站应用软件系统，应分为两个层次，数据采集层和区域 管理层。数据采集层应留有标准接口实现，实现配电子站所辖区域的的动态 馈线数据的共享。本论文暂不涉及配电子站中的各类算法。以后建立其各 种算法后，通过数据采集层的标准接口实现算法的嵌入。 配电子站在设备接入的过程中需要对系统的数据进行调试，设计出通用 的标准的系统测试界面接口。 根据以上关键点。进行系统的详细对象模型、和关键点的动态模型建模。 2 配电子站的功能 2 配电子站的功能 2 1 配电自动化系统 一般中小规模的配电自动化系统分为三个层次：终端设备层、集结层和 主站层。主站层实施对全配电网的监视和控制，硬件系统为一分布式的计算 机双机双网结构，软件系统为s c a d a 系统和各类分析计算软件。 集结层即 配电子站。终端设备层为各类配电监视终端，和各类i e d 终端。 2 1 1 配电主站 典型的配电自动化系统主站的计算机网络如图2 1 所示。图2 一l 中计算 机网络采用基于高档p c 机或u n i x 二 作站的交抉式以太网双网结构，设有 调度员工作站、前置机、数据库服务器。操作系统选择m sw i n d o w s2 ( 1 0 0 操侔系统或i ! n i x 操稍：系统，数据库采用越刖商刖数捌摩系统例如 s q l n e r v e r7 0 、s y b a s e 哦) r a c l e 。 蝙 。r r 。r r 一：i 凛篓氯 艘燧上炯滞i + 耵师 ：【作站 乓作斗：。f 触 = ：巡l 、 飞= ，。二 # 配也予站 n # 配电子站 图2 - 1配电自动化系统结构示意图 西安理工大学工程硕士学位论文 配电主站系统的应用软件为：基础调度s c a d a 平台，实现现场信息的采 集d m s 配电系统的和其它各类管理应用软件， 2 1 2 配电终端设备 配电自动化的终端设备单元有多种，典型的设备为用于开闭所或变电站 的r t u 或综合自动化系统，和各类柱上配电终端单元f i u 、t t u 、t q u ， 这些设备均具有三遥功能，可实现开关量、模拟量的远传，和在远方能够控制 开关设备，实现现场设备的远方遥控或远方遥调。 变电站开闭所终端单元r t u ，安装在开闭所或变电站，实现对变电站开 闭所的监视和控制。 馈线终端单元f t u ，安装在柱上开关处，完成对柱上开关的监控。f t u 的工作电源来自f t u 自身携带的免维护蓄电池；开关的操作电源以及蓄电 池的充电电源来自柱上开关两侧的电压互感器。一般的f t u 采用高性能单 片机，具有带光电隔离的多路开关量输入，多路交流采样，可远方或就地控 制一个或多个对象，具有重合闸功能，可选配过流、速断保护，具有对时功 能和定值远方下装和召唤功能；具有故障报告功能；能在恶劣环境( 高温、 严寒、防雷、防尘、防雨等) 下运行。 配电变压器监测单元刑或t q u ，安装在配电变压器处，完成对配电 变压器的监测。除能对配电变压器进行常规监测外，还具有无功电压综合控 制、分散用户集中抄表与电能核算功能。 2 2 配电子站功能概述 配电自动化系统中，配电终端监控设备点多面广，为了减少主站计算机 系统的处理负担和合理利用通讯资源，不拟将所有的终端监控设备直接连到 主站系统，在配电主站与配电终端层之间设置配电子站，通过配电子站实现 信息的分层集结，即配电子站为配电自动化系统的中间集结层。 根据分层控制思想，在配电子站层采集所管辖的终端信息，并经分析处理 后送入配电主站，同时配电主站的命令通过配电子站下达到配电监控终端设 7 2 配电子站的功能 备实现配电主站与终端之间的数据传输和交换。同时配电子站还实现所辖 区域，即接入区域的配电管理通过和主站进行信息交换，协助主站处理配电 系统的运行管理。进行所辖区域配电网的故障诊断、隔离、恢复处理。 通 过配电子站可以提高配电自动化系统的整体运行效率和响应速度。配电子站 一般设置于变电站或开闭所内。 2 2 1 通讯集结 配电子站的重要功能之一实现配电自动化系统中的终端设各的数据集 结。将所辖配电线路上的馈线终端单元( f t e t ) 和配电变压器监测单元( t t u ) 的上行信息进行集结，通过一定的通讯方式和通讯觌约，收集终端设备的信 息。集中的信息通过一定的通讯方式和通讯觇约发送到主站系统。根f 毡子站 接收主站系统的下达命令，将命令转发到棚应的蜓端设备。 般n p 蜢电j 站h 】台柄、罐啪0 t 拦：p c 机为 荔一i ) ，讣扩多通道串行卡或 其它现场总线k 及以态刚络接口。吐1 丁配1 三系统中的槛一l 川关数量少，但数 据饮输的实时性要求商；配r 乜变压器数量多，但数据传输的实时性要求低， 将f t u 和t t u 分别集结到不同的通道。 配电子站和配电终端的通讯方式可以采用有线和无线、及载波方式 “8 。2 0 j 有线方式分为架设专线和利用公用线路方式，架设的专线采用现场总 线形式，一般采用4 8 5 总线或c a n 总线；利用公用线路为专线电话和拨号电 话，有线电视网。无线方式无线扩频、v h f 电台、u h f 电台、多址微波、调 幅广播、调频广播卫星等，裁波方式为：配电线载波、低压配电线载波、脉 动控制等，光通讯方式、多模光缆单模光缆。 配电子站和配电主站的通讯所用的通道逻辑上一般采用点对点方式，通 讯采用r s 2 3 2 行标准或i p 方式。 配电系统中所用的通讯方式的特点如表2 1 所示。 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 - 1配电自动化可能用到的各种通讯方式 通信方式传输媒介传输速率传输距离 主要用途 利 配电线载波 高压配电线 5 0 1 2 0 0 b p s 1 0 k i n f t u 、t t u 与 用 配电子站通讯 配 低压载波低压配电线5 0 3 0 0 b p s台区内低压用户抄表 电 工频控制 配电线 1 0 0 0 0 b p s较短负荷控制 馈 线 脉动控制配电线5 0 6 0 b p s较短 负控和远方抄表 f t u 与配电子站及配电 电话专线公用电话网3 0 0 - - 4 8 0 0 b p s较长子站或r t u 与控制中心 利 通信 用拨号电话公用电话网 3 0 0 d 8 0 0 b p s 较长 远方抄表 公 拨号时间长与远方维护 用 i s d n 、 公用电话网 设 a t m 、 或其他数据通 9 6 0 0 b p s 以上 较长 ，d d n 、 综合应用 施 旭 i n t e r n e t 等 有线电 c a t v 通道有线电视网3 0 0 - 9 6 0 0 b p s负荷控制 视网内 专 f t u 、t t u 与配电子站通 线 现场总线 屏蔽双绞线 几十k b p s 2 k m讯、分散电能采集、设 备内部通信等 电 r s 。4 8 5 屏蔽双绞线 9 6 0 0 b p s 2 k i n同上 缆 光多模光缆多模光缆 2 m b p s s k m 同上 缆 单模光缆单模光缆 2 m b o s 5 0 k i n通讯主干线 无线扩频自由空间 1 2 8 k b p s 5 0 k m通讯主干线 无 v h f 电台自由空间 1 2 8 k b p s 5 0 k i n通讯主干线 线 u h f 电台自由空间 1 2 8 k b o s 5 0 k i n通讯主干线 通 多址微波自由空间 1 2 8 k b o s 5 0 k r n 通讯主干线 调幅广播自由空间 1 2 0 0 b p s 5 0 k i n负荷控制 道 调频广播自由空间 1 2 0 0 b o s 5 0 k i n负荷控制 卫星自由空间 1 2 0 0 b p s全球 时钟同步 9 2 配电子站的功能 以上通讯方式在配电自动化系统的实施过程中，根据其通讯的特点和通 讯数据量和实时性的要求量有所选择。现场终端的接入配电子站层，可以统 一的转为标准r s 2 3 2 串行通讯方式或c a n 网络方式和i p 网络方式三种前 者技术很成熟，后者是目前需要进一步完善的技术，是未来的发展趋势 2 2 2 3 1 ， 因此，在配电子站和现场终端设备的接入采用串行r s 2 3 2 方式或现场总线方 式。配电子站和主站系统的通讯接口普遍采用串行r s 2 3 2 方式或i p 网络方 式。 配电子站和现场的终端设备通讯采用总线方式或类似总线方式，即配电 子站和每一台终端单元通讯时，采取以配电子站的通讯端口为单位的轮询方 式，通道可以是双工也可以是单工，因此和现场设备的通讯规约选择，拟用 支持轮询方式的通讯蚬约1 2 4 1 例如，国际标准传输规约! _ f c 8 7 0 ，5 0 1 基本远 动任务配套标准，d n p 3 0 等规约。 配电子站和主站的通讯方式要求为满足实时要求的高速数蜊通道，般 为点对点的通讯方式。所要求的通讯协议需要满足传输容量的要求、当通邀为 】p 方式时，选用i e c 8 7 0 5 1 0 4 协议。 2 2 。2 配电子站通讯集结功能 配电子站的通讯榘结主要完成命令的响应，即当用户( 调试者、主站系 统前置机) 向配电子站发送各种命令时，配电子站应快速可靠的作出响应， 将主站需要的数据快速发送到主站。 配电子站为了正确完成以上任务，在系统投运或系统扩容或系统维护过 程中，需要些辅助功能，实现系统的配罨、系统按入单元的测试等。 配电子站和通讯集结关的功能描述如下： ( 1 ) 对配电子站的相关参数进行配置。这些参数包括：通道的类型、通 道的参数、通道所用的规约、通道上挂接的终端单元、各个终端单元的测控 参数。配电子站和主站通道的配鼹，通道类型、通道参数、通道的规约。配 电子站能保存配鹭信息； 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 在配电子站查看配电子站运行信息。包括配电子站通道配置、通道 运行情况、测控单元配黄、测控单元运行情况、对前嚣机及上位机、主站配 置及运行情况： ( 3 ) 可在配电子站查看测控单元运行数据及命令循环； ( 4 ) 可在配电子站对某一测控单元( 或全部) 下发命令并能得到回应； ( 5 ) 调试者更改配置后，系统应能自动适应； ( 6 ) 可手动控制某一通道、测控单元、乃至前置机及上位机的启动、运 行及停止； ( 7 ) 配电主站前置机可召唤配电子站的配置( 规约支持) ； ( 8 ) 配电主站前置机可召唤配电子站内测控单元的数据，状态等信息( 规 约支持) ； ( 9 ) 配电主站前黄机可对配电子站下发命令，并可根据需要要求回应； ( 1 0 ) 配电主站前最机可能为多个； ( 1 i ) 配电子站应能至少提供一个通道供其他主站或上位机召唤配电子 站内测控单元的数据，状态等信息( 规约支持) ： ( 1 2 ) 配电子站应能连接多个测控单元，并能自动与其通讯以收集其数 据，也能将调试者、配电主站前置机的命令自动下发到指定测控单元，并将 回应返回； 在配电系统自动化系统中配电子站和其它部分的的通讯结构示意如图2 - 2 所示： 2 2 3 配电子站的高级分析功能 配电子站管理涉及的配电馈线区域的故障诊断和实现系统的故障隔离。 现场的f t u 将检测的配电系统故障信息上传给配电子站，由配电子站针对 配电馈线的特点建立馈线静态拓扑，根据实时开关状态信息进行配电网络拓 扑变化的动态跟踪，进行配电网的实时拓扑分析，按照一定的算法进行故障 定位，然后将判断结果通知主站，同时下达命令给相关的f t u 进行故障隔离 2 配电子站的功能 1 0 , 1 7 i 。此后，配电子站和主站配合，根据配电网络过负荷，网损的大小确定恢 复方案进行故障的恢复操作。 图2 - 2 配电子站和终端单元及主站的关系示意图 配电子站涉及各类算法要求有高的效率和高的稳定性。 以上功能的实现需要建立适用于馈线自动化的各类算法模型。 3 配电子站结构和其支持系统的设计 3 配电子站结构和其支持系统的设计 3 1 配电子站对计算机系统的要求 配电子站是配电自动化系统的重要环节，它的不稳定运行将造成整个配 电自动化系统的不稳定运行，可以认为配电子站的可靠性决定了配电自动化 系统的可靠性。配电子站所处的运行环境，一般均较恶劣，配电子站对温度、 湿度、电磁干扰均由较高的要求，其环境指标可以参考远动终端通用技术条 件( g b ；r1 3 7 2 9 9 2 ) 。根据配电自动化系统的基本运行要求，设备的可用率达 到或超过9 9 9 。 根据配电子站的运行特点，对其硬件、软件有很高的可靠性要求。长期 以来，国内不同厂商开发的配电子站，其硬件一般选择基于i n t e l 架构的通用 标准p c 硬件平台，即选用标准工业控制机。在标准工业控制机上扩展出 r s 2 3 2 异步串行通讯口和以太网接口，实现和各类配电终端单元、配电主站 系统的通讯。操作系统多选用通用商用操作系统d o s 或w i n d o w s n t w i n d o w s2 0 0 0 。以上配电子站的结构很难满足可靠性的要求。 3 1 1 配电子站的硬件系统 根据配电子站的功能较复杂，和要求运行稳定和可靠的特点，兼顾到系 统的开发工具和开发过程及系统运行过程中的维护。配电子站的硬件应当选 用高可靠性的通用工业计算机系统，但目前基于i n t e l 体系的工业计算机系 统，性能和可靠性存在矛盾。高性能的芯片，发热问题很突出，一般采用风 扇进行散热；低性能的芯片，性能较难满足要求。有条件可以开发专用的计 算系统，但其通用性、开放性，和其配套开发工具开发工作量巨大，因此， 自行开发专用硬件系统并不可行。配电子站的计算机系统采用定制专用机 箱，购置通用cpu 主板的方式解决，可靠性采用双机热各方式解决。 西安理工大学工程硕士学位论文 3 1 2 配电子站的操作系统 配电子站的操作系统必须满足实时性、高效率、安全性、稳定性与可靠 性以及结构紧凑、易于剪裁和良好的开放性的要求。所谓实时性就是事件驱 动能力和时间驱动能力，其基础是其内核的结构模式与进程管理机制；高效 率包括系统的启动速度与运行速度及消息传递效率等；而稳定性与可靠性及 容错能力是此操作系统在正常和异常环境下，例如突然断电系统能正常工 作，能够保证稳定、安全的运行。系统的开放性，技术遵循通用的标准，能 及时得到相关的技术资料和技术支持，所采用的技术有广泛的群众基础。结 构紧凑、易于剪裁是指系统能够按照要求进行剪裁，从而达到小内核，有利 于提高系统的运行稳定性。 我国传统的工业操作系统都是建立在d o s 之上，但是d o s 系统，无论 是在文时性、安盒性、分如式网络支持、可 断 二网络编 翟还是在易用性等诸 多力面都小= i i 满足实时岛t j 浆昀要求，塾于d o s 的系统具玎发的效率釉软 件的性能和系统的可扩屣性很难满足要求。另一方面d o s 为一淘汰的操作 系统，没有进一步升级和为其提供技术支持的可能。 基于w i n d o w sn t 粪操作系统的配电子站出于操作系统本身一般用于办 公、离线事务，用于可靠性很高的场台，其可靠性指标很难达到要求，运行 一定的时间系统必须进行复位。 针对以上对配电子站的要求，配电子站的操作系统拟选用嵌入式的实时 操作系统心“。嵌入式操作是种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统 软件，它能够量身定制，更小的内核，保证其运行有更好的稳定性和可靠性。 嵌入式操作系统确切的定义为被描述为，以应用为梭心，软硬件可减裁的， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等要求的专用计算机系统。 嵌入式系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件，系统内核、设备驱动 接口、通讯录协议、图形界面。目前，嵌入式操作系统品种较多，其中主要 流行的有w i n d o w sc e ，r e a l t i m el i n u x 、v x w o r k s 、p s o s 等2 酗。 各类实时操作系统各有其优缺点。我们选择操作系统的原则为首先，操 3 配电子站结构和其支持系统的设计 作系统的功能和性能满足配电子站的要求；2 配套的开发工具和操作系统 的技术资料齐全，开发工具完善和易于掌握；3 操作系统的后续升级和系 统维护有保证。根据以上三点要求满足此条件的操作系统为w i n d o w sc e3 0 或以上版本的操作系统 2 7 - 3 1 1 。 3 1 3 配电子站的应用软件 设计配电子站的应用软件的设计目标是出一套、优良性能、功能齐全、 运行稳定、界面美观、操作灵活、适应性强的系统。系统应当具有标准风格 的、维护及调试界面统一、操作统一、维护性强的应用软件，能同时满足底 层通讯及控制所需要的数据量及实时性要求的一个强壮的系统。 在设计阶段将充分考虑后期安装、配置、调试、维护的需求，系统将为 安装、配置、调试和维护提供更加简便和有效的接口。使得安装、配置、调 试、维护简单易行。 3 2w ln d o w sc e 操作系统和其开发工具 w i n d o w sc e3 0 是一个3 2 位、抢占式多任务、多线程的嵌入式操作系 统c 3 1 o 实时性强，具有灵好的灵活性和可靠性，支持硬件实时处理功能， 它提供类w i n d o w s 操作系统的界面，有很强的的联网能力，w i n d o w sc e3 0 的应用程序接口( a p i ) 是w i n3 2a p i 的子集，支持a c t i v ex 控件、组件 对象模型( c o m ) 接口，活动模板( a t l ) 和微软基础类库。w i n d o w sc e3 0 具有几种新的内核服务：对中断嵌套的支持，更好的现场响应能力，更多的 任务优先级以及信号同步功能，这些服务使操作系统的实时响应速度大大提 高，w i n d o w sc e 占用空间小，由一系列独立的模块和子模块组成，每个祖 件都提供了对操作系统的主要功能完全或部分支持。通过选择最小数量的模 块和组件，设备制造商可以设计出为某种设备量身定制的操作系统。其操作 系统的结构如图3 。i 所示。 西安理工大学工程硕士学位论文 图3 1w i n d o w sc e 操作系统架构 a w in d o w sc e 操作系统有如下的特点 ( 1 ) 操作系统短小精悍，微软公司提供表明其最小系统仅为2 0 0 k 左右， 加上硬件驱动，应用程序( 不大于l m ) 及应用程序所需动态库( 不大于3 m ) ， 其总量应该不会超过1 0 m ，故可用一体化板，电子盘组建系统并运行，降低 了系统成本，提高了系统稳定性，而且嵌入式设计可免除系统维护。 ( 2 ) 操作系统因为内核小，硬件及应用均为定制，故运行稳定可靠。 ( 3 ) 处理器可采用x 8 6 兼容处理器，并支持a p , m 、m i p s 、s h x 等。 ( 4 ) 该操作系统支持i s a d p c i 标准，中断系统也是标准的。 ( 5 ) 该操作系统虽然内核小，但低层处理及通讯能力丝毫不差，不管是 串口、并口还是网络，都有全面的内核通讯支持，且支持u s b 、红外传输及 3 配电子站结构和其支持系统的设计 蓝牙通讯，便于以后扩充。实际上，所有的这些设备都将至少有内置的通讯 硬件，例如一个串行电缆或者红外( i r ) 传送器。p c 卡或者紧凑的映射卡 ( c o m p a c tf l a s hc a r d ) 支持容许广泛的各种各样的市场上的附加的通讯设备 被加在一个基本的单元之中。这样，w i n d o w sc e 就能够采用各种各样的通 讯形式，从通过电缆传送的串行通讯到采用t c p i p 协议的无线网络。 ( 6 ) 完整的w i n d o w sc e 操作系统包括硬件提取层( h a l ) 、w i n d o w sc e 内核、用户图象显示接口、文件系统和数据库，大约占1 5 兆内存。 ( 7 ) w i n d o w sc e 是一种压缩式的操作系统，便于在有限内存配置的r o m 中运行。在手提p c 中，w i n d o w sc e 的内核，用户和图象显示接口只占7 0 0 k b 。 ( 8 ) 能提供w i n d o w s 标准图形用户界面，便于操作及维护。保持一个标 准的操作系统规范可控制需要技术支持的数量和费用支出。 ( 9 ) 该操作系统是微软操作系统家族中的一员，因而可以轻松的和公司 现在或将来可能使用的设备相融合。这之中包括基于w i n d o w s 的桌面电脑， 服务器，客户终端等。 ( 1o ) 该操作系统实时性要求高，微软提供的数据表明：w i n d o w sn t 的 时序为几十毫秒级，且其不稳定变化量也在几十毫秒级；而w i n d o w sc e n e t 的时序为o 1 毫秒级，其不稳定变化量在o 1 毫秒之内，通常用到的实时硬 件的要求也不过如此。( 实时系统的广义定义是“对任何外部刺激，计算机做 出及时反应是至关重要的系统”，标准定义在i n t e r n e tn e w s g r o u pc o r pr e a l t i m e g r o u p 中。实时定义为：一个实时系统它的计算正确性，不仅依靠于计算逻 辑上的正确，还包括及时的产生结果。如果没有达到系统时间限制条件，系 统也是失效的。) ( 1 1 ) 该操作系统利用基于优先级的时间片演算法以安排线程的执行，相 同优先级的线程以循环优先级方式依次占用c p u 时间片。这种基于优先级 的多任务设计，保证运行在最低级的线程在一个预知时间段执行，保证应用 程序处理的实时性及结果的时间性。 ( 1 2 ) 该操作系统支持一个可预测的线程同步机理，包括等待对象，如互 西安理工大学_ t - 程硕士学位论文 斥体关键部分，命名或未命名的事件对象，它基于线程优先权排序。 ( 1 3 ) 该操作系统上应用程序的最小时间处理可精确到l m s 。 ( 1 4 ) 该操作系统启动快速。 ( 1 5 ) 该操作系统中应用仅可处理低层3 2 m 内存空间，但其对于应用程 序已足够。 ( 1 6 ) 有很大的用户群体第三方支持厂商。 w i n d o w s c e 支持超过1 0 0 0 个公共m i c r o s o f t w i n 3