游四海

0 引言

電氣化鐵道的快速發(fā)展，特別是近年來客運(yùn)專線和高速電氣化鐵道的建設(shè)，要求牽引供電系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化能夠?qū)崿F(xiàn)微機(jī)保護(hù)、計(jì)量、遠(yuǎn)動(dòng)等功能。而牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、方式多變，供電負(fù)荷又具有移動(dòng)性、諧波分量大等特點(diǎn)，因此要求微機(jī)保護(hù)裝置的功能更加完善。對(duì)于微機(jī)保護(hù)裝置，軟件是它的靈魂。一臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置的最基本的保護(hù)功能及各種附加的輔助功能都是通過軟件來最終實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的前臺(tái)/后臺(tái)程序機(jī)制已不能滿足日益復(fù)雜和多樣化的微機(jī)保護(hù)應(yīng)用需求。

近年來采用 RTOS來開發(fā)微機(jī)保護(hù)應(yīng)用程序已成為開發(fā)人員的發(fā)展方向。RTOS是一種實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，其最主要的特點(diǎn)就是任務(wù)執(zhí)行的確定性和執(zhí)行時(shí)間的確定性，將RTOS應(yīng)用于繼電保護(hù)中可以提高饋線保護(hù)裝置的整體性能。本文探討了一種基于 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)多任務(wù)饋線保護(hù)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)，以編寫功能復(fù)雜、多任務(wù)、設(shè)計(jì)靈活、可維護(hù)性強(qiáng)的繼電保護(hù)軟件系統(tǒng)，滿足牽引供電系統(tǒng)對(duì)饋線保護(hù)裝置的要求。

1 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

VxWorks是由美國Wind River公司開發(fā)的一套具有微內(nèi)核、高性能、可伸縮的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持廣泛的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并能夠根據(jù)用戶的需求進(jìn)行組合。VxWorks為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。

1.1 VxWorks操作系統(tǒng)組成

VxWorks操作系統(tǒng)包括進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等部分。VxWorks體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 VxWorks體系結(jié)構(gòu)框圖

1.2 VxWorks主要特點(diǎn)

1.2.1 高性能的微內(nèi)核設(shè)計(jì)

VxWorks的微內(nèi)核具有全部實(shí)時(shí)特性，包括迅速的多任務(wù)調(diào)度、中斷支持以及同時(shí)支持搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。與此同時(shí)，該內(nèi)核還具有系統(tǒng)負(fù)擔(dān)小，對(duì)外部事件的響應(yīng)時(shí)間確定等特點(diǎn)。

1.2.2 可裁剪性

VxWorks在設(shè)計(jì)之初就具有可裁剪性，使得開發(fā)者可以對(duì)操作系統(tǒng)的功能、大小進(jìn)行增減，從而為自己應(yīng)用程序保留更多的系統(tǒng)資源。

1.2.3 豐富的網(wǎng)絡(luò)支持

VxWorks是第一個(gè)集成標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

1.2.4 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)能夠在限定的時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行完規(guī)定的功能并對(duì)外部的異步事件做出響應(yīng)的能力。實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱是以完成規(guī)定功能和做出響應(yīng)的長(zhǎng)短來衡量的。VxWorks提供了多任務(wù)機(jī)制對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性。

1.2.5 多任務(wù)調(diào)度

VxWorks的任務(wù)調(diào)度主要采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度策略，最多可支持256個(gè)優(yōu)先級(jí)。為任務(wù)間通信提供了諸如消息隊(duì)列、管道、套接字、信號(hào)量等機(jī)制，它們都是快速、高效和可靠的。Wind內(nèi)核采取單一實(shí)時(shí)地址空間，任務(wù)間切換開銷非常低，基本上沒有系統(tǒng)調(diào)用的額外開銷，從而可以獲得極高的切換效率。

1.2.6 任務(wù)間的通信與同步機(jī)制

在一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，可能需要多個(gè)任務(wù)協(xié)同完成某個(gè)功能。系統(tǒng)必須提供這些任務(wù)的快速且功能強(qiáng)大的通信機(jī)制。VxWorks提供信號(hào)量、消息隊(duì)列等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信與同步。

2 保護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了更好地滿足牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)的要求，本文討論了一種在 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下以中斷資源分配開發(fā)多任務(wù)程序，CPU的運(yùn)行時(shí)間被劃分為許多小的時(shí)間片，RTOS按照某種調(diào)度算法分別分配給不同的任務(wù)，多個(gè)任務(wù)分別在各自的時(shí)間片內(nèi)訪問 CPU，達(dá)到微觀上輪流運(yùn)行，宏觀上并發(fā)運(yùn)行的多任務(wù)效果。為了讓 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)按繼電保護(hù)功能要求實(shí)現(xiàn)對(duì)各保護(hù)任務(wù)的正確調(diào)度，必須合理確定各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)及其觸發(fā)方式。程序開發(fā)流程如圖2所示。

綜合 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)特性要求和任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占的特點(diǎn)，把原來的中斷服務(wù)程序分為中斷服務(wù)程序和中斷服務(wù)任務(wù)2部分，任務(wù)的處理都在中斷服務(wù)任務(wù)中進(jìn)行，而中斷服務(wù)程序中只進(jìn)行信號(hào)量的傳遞，這樣可以有效地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此本文采用中斷資源分配進(jìn)行任務(wù)模塊的劃分，主要分為2大任務(wù)模塊：采樣中斷任務(wù)模塊和保護(hù)中斷任務(wù)模塊。

圖2 RTOS微機(jī)保護(hù)軟件程序流程圖

（1）采樣中斷任務(wù)模塊：由外部定時(shí)器觸發(fā)該中斷，定時(shí)采樣中斷中完成了牽引供電系統(tǒng)饋線電壓、電流信號(hào)量數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

（2）保護(hù)中斷任務(wù)模塊：由保護(hù)中斷任務(wù)模塊接收到以太網(wǎng)發(fā)送的預(yù)處理數(shù)據(jù)而觸發(fā)該中斷，在保護(hù)中斷任務(wù)接收到中斷觸發(fā)信號(hào)后，立即啟動(dòng)微機(jī)保護(hù)算法（遞推傅立葉算法）對(duì)接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，并計(jì)算出濾波后的電壓、電流電氣量的有效值，然后進(jìn)行各個(gè)饋線保護(hù)模塊的計(jì)算，再根據(jù)保護(hù)邏輯框圖進(jìn)行保護(hù)邏輯的判斷，判斷是否出口動(dòng)作跳閘。保護(hù)任務(wù)是微機(jī)保護(hù)最重要的任務(wù)，保護(hù)模塊中饋線保護(hù)方式有：自適應(yīng)Ⅲ段距離保護(hù)（PT斷線閉鎖）、過電流保護(hù)（PT斷線閉鎖）、電流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)、一次重合閘。中斷任務(wù)配置框架如圖3所示。

圖3 使用中斷進(jìn)行任務(wù)劃分設(shè)計(jì)框架示意圖

3 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)的前/后臺(tái)模式保護(hù)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)，基于 VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下以中斷資源進(jìn)行任務(wù)模塊劃分的牽引饋線保護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)更能適應(yīng)牽引供電繼電保護(hù)發(fā)展的要求，滿足工程需要，在該框架下進(jìn)行保護(hù)軟件開發(fā)可以提高整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

[1]陳德樹.計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)原理與技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1992.

[2]李方敏.VxWorks高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3]高仕斌.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新型保護(hù)原理研究[D].西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文，2004.

[4]孔祥營.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks及其開發(fā)環(huán)境Tornado[M].北京：中國電力出版社，2002.

[5]鄧潔清，鄭建勇.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在中低壓綜合測(cè)控保護(hù)裝置的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24（6）：85-88.

[6]魯煒，靳希.基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的繼電保護(hù)軟件設(shè)計(jì)[J].繼電器，2003，31（11）：48-51.