李博

摘要：由于變電站內部的通信網絡以及協(xié)議給我們提出了有關于相互性操作如何實現的問題，基于IEC61850標準化的自動化系統(tǒng)不能夠在短期之內完成。對此，我們提出了一個解決的方案，在整個變電站的系統(tǒng)之中采用通信管理機。依靠著通信管理機最終實現低速串行總線、現場的總線以及高速網之間的互通。本文簡述了管理機在整個自動化運營系統(tǒng)中的優(yōu)勢，并且介紹了整個系統(tǒng)軟、硬件設計的實現。

關鍵詞：ARM；嵌入式操作系統(tǒng)；通信管理機

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）19-0175-02

IEC61850是為了實現變電站的自動化技術在其內部不同的IED裝置間的操作，本文主要基于ARM的平臺以及技術嵌入以太網，并且設計了一種可以給變電站自動化以及系統(tǒng)使用的通信管理機。通過該機器的零部件構成通信控制層，從而使得自動化的系統(tǒng)網絡從低速、專用、集中的程度向著高速、可靠、開放、分散的方向發(fā)展。

1 通信管理的設計

1.1 主要功能

通信管理機始終位于監(jiān)控的終端，并且向著調度中心發(fā)展，其位于每個IED的終端以及設置之間，是整個變電站的自動化通信系統(tǒng)的較為核心的單元，其主要的功能是：

1） 線路通信：具有非常多個可以配置的RS-485串行的通訊接口，其主要可以用來實現以及變電站測量、保護、控制等一些智能設備之間的通信，可以在現場完成數據的采集。

2） 上位機的通信功能：由于其具有RS-232以及以太網接口，并且支持IEC61850的相應標準，其向上位機提供IEC61850的相應數據并且進行發(fā)布服務，最終實現了和上位機數據的共享。

3） 規(guī)約轉換的功能：該項功能主要指的是不同的廠家對于不同的IED通訊的規(guī)則進行轉換、分析，從而完成最終所需要的功能。

4） 數據的存儲功能：作為一項變電站自動化系統(tǒng)的核心，通信管理技術需要存儲相應數量的實時、歷史、統(tǒng)計數據等，這樣可以供查詢以及調用。處理器由于自身所具有的存儲空間不足，所以通常需要進行外擴。

5） 人機交互的功能：通信管理機通常需要具有較好的人際交互的界面，并且需要清楚地顯現出來變電站自身自動化系統(tǒng)運行的參數情況以及工作的狀態(tài)。這樣才可以通過人機界面對其進行有效的調整以及配置。

6） 維護功能：由于通信管理機自身所具有的本地維護端口，其主要是用來進行通信管理機的測試、維護等，其支持相應的遠程更新。

1.2 設計原理

我們在設計通信管理機的時候，往往需要考慮到如下的幾個方面：

1） 可靠性。由于通信管理機采用了完全冗余的網絡狀結構，并且需要對其進行網絡通道冗余的配置。當某一個網絡無法正常工作的時候，我們需要通過備用網絡進行自動切換，從而保證線路的暢通，避免數據丟失的情況出現，提升數據傳輸方面的可靠性。

2） 實時性。通信管理需要具有多種能力，比如同時完成多種通信協(xié)議的轉換，保證數據的傳遞等，這樣可以滿足其自身綜合自動化的要求。

3） 可拓展性。除了在硬件上面設置相應的接口，其在軟件上面更加需要具備較強的可以拓展的性質，從而使得其可以根據現場的需求來追加新的通信規(guī)約，從而進行設置。

4） 相互操作以及開放性。通信管理機在一方面可以實現不同產商之間IED的網絡集成，實現互操作性，而且其在另一個方面需要采用國家規(guī)定的標準以及規(guī)約來滿足開放性質的要求。

1.3 通信管理機系統(tǒng)的組成

通信管理機往往是由硬件系統(tǒng)、嵌入式的操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成，主要結構如圖1 所表示的：

2 通信管理機的相應功能以及優(yōu)勢特點

由于技術的發(fā)展，自動化功能以及系統(tǒng)的增強，通信管理工作面臨的要求也是越來越高。所以，我們在通信管理機的設計方面，需要進行的方案選擇主要有：方案一，采用通用型的工業(yè)控制計算機，安裝好相應的軟件來實現最終功能；方案二，采用微處理器來對軟件進行開發(fā)，最終實現嵌入式功能。

我們來對上述的兩個方案進行分析，發(fā)現方案一在日后維護起來比較方便，并且次開發(fā)也相對容易。但是，該方案在價格上面比較昂貴，并且可靠性不高。這主要是因為通信管理機需要管理的現場其智能裝置較多，并且通用型的計算機接口比較少，通過這種方式來購買額外的通信拓展卡則變成了一種必需的工作。這樣看來，通信拓展卡、工程機、軟件等的總體費用是巨大的。這個裝置主要放置在現場，但是現場的干擾性比較強，在進入現場的時候所需要的電力系統(tǒng)的實驗很難通過，這也是該方案所欠缺的地方。在軟件方面，這種方案雖然相對較容易維護，但是在接口的地方則不是這樣的，基本上是每增加一種接口的方式都需要增加相應的接口卡。

與此相比，嵌入式系統(tǒng)的最終實現則應該具備相應的優(yōu)點：成本低、可靠性高，因為專用方案的最終實現，在接口的選擇上面需要盡量實現多樣化。如果我們采用比較合適的開發(fā)工具來進行開發(fā)，那么這種方案的軟件可維護性也是容易實現的，盡管效果不是很理想。所以，該設計采取了該種方案。

3 通信管理機軟件的設置

3.1 平臺的選擇

首先，在設計中我們需要盡量使用COS-II的操作系統(tǒng)，其具有如下的特點：

1） 源代碼公開、結構清晰，注釋相對較詳盡，可移植性能校對較好。

2） 占據公式的內核，其主要是嵌入式的應用以及設計，具有可剪裁性，模式固定。

3） 主要是基于優(yōu)先級來對任務進行管理，其主要可以管理64個任務，并且每一個任務都具有自身的優(yōu)先級別。

4） 任務具有可調度性，并且任務之間更換的速度較快，實時性有保證。

基于此，COS-II可以在最大限度上滿足系統(tǒng)實時的要求，并且其內核的使用，可以把任務分解成為若干個單元，從而簡化了程序的設計，提升了拓展性，從而更加方便新功能的增加。

3.2 設計的內容

軟件主要是采用了事件驅動的模型，并且其各個程序的進程之間都是可以通過消息來進行信息的傳遞以及數據的傳輸。單單從結構上面看，其主要可以分成三層，引導型程序、系統(tǒng)程序、用戶進程。

在系統(tǒng)上電或者是復位的時候，其最先運行引導程序，然后再將其對CPU的接口處的部件進行初始化，執(zhí)行好系統(tǒng)的自動化診斷，對系統(tǒng)的程序以及用戶的有效性進行診斷。在引導成功了以后將控制的權限轉交給系統(tǒng)程序，并且進行運行。

在自我診斷出現了錯誤的時候，其引導程序將不會再運行系統(tǒng)的程序以及用戶的進程。

2） 引導程序

該程序主要可以用來進行初始化運行，進行系統(tǒng)的自我診斷，其加載的基本輸入法可以輸入輸出程序，并且這一個部分的程序在系統(tǒng)進行引導以后可以被調用，其處理的邏輯主要可以用圖2來表示：

2）系統(tǒng)程序

監(jiān)控系統(tǒng)的程序主要位于軟件層次圖的中間位置，其主要負責通信網絡的管理以及消息的處理、轉發(fā)，數據庫的維護，用戶進程的調度等等。通常情況下，用戶的進程以及相互之間的通信需要經過系統(tǒng)化的監(jiān)控程序，并且由其進行消息的轉發(fā)。

系統(tǒng)程序是按照級別進行分類的，任務最優(yōu)的級別可以打斷其他的任務，而率先執(zhí)行其自身的操作。那些對于時間敏感的程序都放置在這個部位，比如通信的端口、物理層驅動的程序、校時子程序、軟件延時計數器等。

這中間的一部分程序所存放的時候對時間的要求非常高，比如通信的端口地方以及鏈路層面上的程序、服務主程序、時間處理程序等。相對來說，主程序的優(yōu)先級別最低，中間存放著對時間的要求不高的程序，比如數據的刷新、通信端口處出錯處理、系統(tǒng)化的三級調度等。運行該程序的時候，其有可能被最高級別的任務所打斷。

3）用戶的進程

用戶的進程是一種在系統(tǒng)程序以及引導程序上完成接口任務的程序，在這個部分中實現了現場設備的接入以及調度規(guī)約。其級別按照等級分成了三個部分，盡管進程不能夠直接運行，但是其在系統(tǒng)調度并且分配了合理的資源之后才被調度以及執(zhí)行。該進程主要面向對象的機制來生成，并且支持復制，在同一時間內可以進行多項拷貝工作，并且在系統(tǒng)化的支撐下相互發(fā)送信息。

4 總結

在變電站以及其自動化系統(tǒng)中，我們主要采用通信管理機來實現IEC61850標準化的變電站自動裝置，其主要是一種必不可少的過渡性質的措施。我們針對該項技術以及系統(tǒng)內部的要求和開放性的系統(tǒng)來對通信管理軟件、硬件進行研究，從而提出了基于ARM平臺的嵌入式操作系統(tǒng)。這可以使得通信管理機具有非常好的實時性、可操作性、可拓展性以及可推廣性。我們根據這個解決方案來對原來設計的通信管理機進行軟件、硬件的升級，從而大大提升了該裝置的效能。

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