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GIS (gas insulated switchgear) 是輸配電和變電領(lǐng)域有著(zhù)廣泛和重要應用的電力設備。GIS的封閉性結構加大了運行維護的難度，其故障隱患更難發(fā)現，可能造成的損失會(huì )更大。為了能夠實(shí)時(shí)地、準確地了解GIS 運行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現和消除故障隱患，對GIS 實(shí)行在線(xiàn)監測就顯得尤為重要。 為了規范電力行業(yè)自動(dòng)化系統發(fā)展，國際電工委員會(huì )提出IEC61850 標準，它針對變電站自動(dòng)化系統及智能設備提出了互操作性和穩定性的要求�；ゲ僮餍允侵冈趦蓚�(gè)或兩個(gè)以上的系統之間可以直接、有效地共用數據和信息。另外，該體系還要求自動(dòng)化系統在通信功能上具備長(cháng)期穩定性，可在較長(cháng)時(shí)間內適應通信技術(shù)的快速發(fā)展。 鑒于IEC61850 體系對變電站自動(dòng)化系統提出的確要求，本文對國內主要幾種變電站在線(xiàn)監測系統進(jìn)行了研究。在現有在線(xiàn)監測系統中，通常采用現場(chǎng)總線(xiàn)CAN (controller area network) 作為系統的主通信方式，裝置中多采用16 位單片機為核心。該模式在運行中已顯示出局限性，例如CAN 作為主通信方式限制了本系統與其他系統進(jìn)行深層次的互操作; 其次，芯片對外接口相對單一，難以保證系統功能的自由配置，局部功能調整往往要影響到整個(gè)系統。研究表明，在ARM (advanced RISC machine)上運行的嵌入式操作系統uClinux 實(shí)現以太網(wǎng)通信，能夠保證GIS在線(xiàn)監測系統的互操作性和在通信功能上的長(cháng)期穩定性，故將ARM 嵌入式系統引入GIS 在線(xiàn)監測研究領(lǐng)域。 基于A(yíng)RM 的嵌入式系統 ARM 采用先進(jìn)微控制器總線(xiàn)結構AMBA (advanced microcontroller bus architecture) 的模塊化設計，具有綜合、快速和高性能價(jià)格比的優(yōu)點(diǎn) 。在A(yíng)RM 處理器中具備ICE-RT 功能單元，通過(guò)它可以在代碼的任何部分，甚至于在ROM 中設置斷點(diǎn)，這就降低了裝置調試難度，為裝置的穩定性奠定了基礎。 在A(yíng)RM 處理器中，采用32b定長(cháng)指令和三段流水線(xiàn)指令操作(如圖1所示) ，指令執行分為3 個(gè)階段：取指、譯碼和執行。流水線(xiàn)允許幾個(gè)操作同時(shí)進(jìn)行，在執行第1條指令期間，第2條指令開(kāi)始譯碼，同時(shí)第3條指令從存儲器中被取出，故取指、譯碼和執行3部分可以同時(shí)進(jìn)行，這就保證了處理器的高速處理性能。 圖1三段流水線(xiàn)操作 微控制器性能的提高，為操作系統的引入奠定了基礎。傳統的嵌入式系統一般不用操作系統，故操作系統的引入就為嵌入式系統賦予新的內涵，也成為區別于傳統嵌入式系統的一個(gè)明顯特征。嵌入式操作系統將替代傳統的由手工編制的監控程序或調度程序，成為重要的基礎組件，使程序員只需面向操作系統進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)。嵌入式操作系統正在轉變成為ARM 應用軟件的基礎。 系統在GIS 在線(xiàn)監測上的應用 基于A(yíng)RM嵌入式系統，GIS 在線(xiàn)監測裝置的設計主要包括裝置的內部框架、硬件配置和軟件配置等�；贗EC61850 標準的變電站自動(dòng)化系統(如圖2 所示) 具有一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)：在自動(dòng)化系統中，層與層之間都采取以太網(wǎng)通信的方式(基于TCP/IP) ，取代了傳統系統中的各種現場(chǎng)總線(xiàn)通信方式(如Lonworks，CAN 以及RS-485 等)。 圖2在線(xiàn)監測系統框圖 基于A(yíng)RM 嵌入式系統的硬件框架 采用ARM 嵌入式系統之后，硬件電路原理圖(如圖3 所示) 按照功能主要分為以下幾個(gè)模塊： 1) ARM CPU 模塊該部分電路是嵌入式系統的核心，本系統采用AT91M40800，它基于A(yíng)RM7TDMI 內核，其專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制而制造，各項指標均能達到工業(yè)級別。 2) CPLD 擴展電路 該電路的主要功能是對CPU 芯片的外圍功能進(jìn)行擴充。對于功能要求比較復雜的電路，一般都采用CPU+CPLD 的模式，采用該模式的原因主要有兩個(gè)方面：a) CPU 作為系統的核心，無(wú)法、也沒(méi)有必要滿(mǎn)足所有用戶(hù)的具體功能要求，只需給用戶(hù)以標準的外部總線(xiàn)接口EB I (external bus interface)即可，讓用戶(hù)根據自己的需要進(jìn)行必要的功能擴展；b) CPLD 用在電路設計中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：可方便地實(shí)現地址譯碼；編程方式簡(jiǎn)便，可方便地通過(guò)軟件編程實(shí)現各種邏輯器件的功能; 時(shí)鐘延遲可達納秒級，特別適合在線(xiàn)監測領(lǐng)域的應用，具有高可靠性。 3) 閃存FLASH 模塊 閃存芯片在系統斷電之后，能夠永久保存系統進(jìn)行重新啟動(dòng)所需的原始軟件設置和數據。本文選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT49BV1614 閃存芯片，該芯片容量為2MB，芯片上存儲嵌入式操作系統uClinux 內核、系統啟動(dòng)程序以及用戶(hù)程序等。 圖3基于A(yíng)RM 的嵌入式系統原理圖 4) 現場(chǎng)總線(xiàn)CAN 接口電路 這部分電路是用于裝置內部主板與其他數據采集板之間的通信。CAN 的通訊速度可以高達1Mb/s (距離在40m以?xún)? ；CAN 對通信介質(zhì)沒(méi)有苛刻的限制，可以為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或者光纖等，比較靈活；其中，最重要的是CAN 通信具有很高的穩定性和性?xún)r(jià)比，所以在裝置的內部采用CAN 實(shí)現主板與輔板之間的通信是工業(yè)控制裝置中最流行的方法。CAN 總線(xiàn)作為ARM 的外圍電路，采用了雙CAN 模式，這在快速通信的基礎上增強了裝置內部通信的穩定性。裝置中CAN 總線(xiàn)通信電路如圖4 所示，SJA1000 為工業(yè)級的CAN 通信控制器，82C250 是CAN 總線(xiàn)驅動(dòng)器，其中4 個(gè)光耦是用于光電隔離，以達到減小通信干擾，同時(shí)可以實(shí)現通信板的帶電插拔。 圖4雙CAN 通信接口電路 5) 以太網(wǎng)模塊 電路中采用CS8900A 工業(yè)級以太網(wǎng)芯片，可以達到10Mb/s 的網(wǎng)絡(luò )速度，在線(xiàn)監測裝置通過(guò)這部分接口電路與系統的高層(如上位機等) 和其他監測裝置進(jìn)行數據的傳輸共享，實(shí)現互操作。 基于A(yíng)RM 嵌入式系統的軟件框架 系統的軟件主要包括3 方面：uCbootloader、uClinux 和應用軟件。uCbootloader 用于硬件系統初始化，uClinux 是嵌入式操作系統，而應用程序是用戶(hù)根據具體要求開(kāi)發(fā)出來(lái)實(shí)現特定功能的程序模塊。硬件系統上電后，運行uCbootloader 對硬件系統配置進(jìn)行初始化，將檢測到的硬件轉交給操作系統，由它進(jìn)行統一支配; 用戶(hù)程序是建立在uClinux之上，并由它負責引導啟動(dòng)。 1) 嵌入式操作系統uClinux 本裝置選用uClinux 作為嵌入式操作系統主要考慮到以下幾個(gè)因素： a) 選用的AT9M40800 沒(méi)有內存管理單元； b) 對Linux- X 裁剪得到的uClinux 內核很小(約900 kB) ，但仍保留了Linux 系統的穩定性、強大的網(wǎng)絡(luò )功能和出色的文件系統等優(yōu)點(diǎn)； c) uClinux 擁有一個(gè)完整的TCP/IP 協(xié)議棧，使GIS 監測裝置能夠實(shí)現標準的以太網(wǎng)通信功能�？紤]到系統的實(shí)時(shí)性要求，本系統采用內核加載方式，將內核的壓縮文件放在FLASH 上，系統啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內存中解壓，然后運行。 2) 用戶(hù)程序 本嵌入式系統中的所有應用程序是采用標準C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯的過(guò)程是在Linux 系統下建立的交叉編譯器中進(jìn)行。根據嵌入式系統要實(shí)現的功能，應用程序主要分為以下幾部分：以太網(wǎng)通信、CAN 總線(xiàn)通信和串口通信程序等。下面仔細討論一下以太網(wǎng)通信和CAN 總線(xiàn)的通信： a) 以太網(wǎng)通信 TCP/IP 協(xié)議是一種成熟的、廣泛使用的高層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，因為它具有良好的開(kāi)放性，在變電站通信系統中廣泛采用�；赥CP/IP 的通信程序主要有兩部分：服務(wù)器和客戶(hù)端。服務(wù)器和客戶(hù)端可以運行于上位機與監測裝置上，用于收集數據，并發(fā)送相應的網(wǎng)絡(luò )報文。以客戶(hù)端程序為例，客戶(hù)端程序主要包括以下功能環(huán)節：建立socket 套接字、向server請求連接、封裝數據、接收數據和發(fā)送數據，最后釋放套接字，如下面的程序片斷所示。 main ( int argc，char 3 argv[ ]) {. sockfd= socket (A F- IN ET，SOCK- STREAM ，0) ; connect (sockfd，&their- addr，sizeof (st ructsockaddr) ) ; send (sockfd，buf,MAXDA TA S IZE，0) ; recv (sockfd，buf,MAXDA TA S IZE，0) ; clo se (sockfd) ;} b) CAN 總線(xiàn)通信 CAN 總線(xiàn)通信軟件主要由初始化程序、發(fā)送程序和接收程序3 部分組成。初始化程序設置CAN控制器中的各個(gè)寄存器，包括模式寄存器、時(shí)分寄存器和輸出控制器等。由于這些寄存器只能在復位期間設置，故必須在通信開(kāi)始之前就對CAN 控制器進(jìn)行初始化。CAN 發(fā)送程序主要是將要發(fā)送的信息幀送到發(fā)送緩沖區中去，再啟動(dòng)發(fā)送命令即可(如圖5 所示)； 接收程序與發(fā)送程序類(lèi)似，只需要將數據從接收緩沖區中取出即可。 在設計CAN 通信模式的時(shí)候，采用多主的通信方式，即CAN 總線(xiàn)上每個(gè)節點(diǎn)都可以任意地向其他節點(diǎn)發(fā)送和接收報文，每個(gè)節點(diǎn)上的通信程序具有相似性，故只要把一個(gè)節點(diǎn)的通信程序調通后，其他的節點(diǎn)上的通信程序可以仿效之。 圖5CAN 總線(xiàn)發(fā)送程序流程圖 系統應用測試 1) 系統的互操作性 在GIS 監測裝置中建立設備狀態(tài)數據庫，開(kāi)設服務(wù)器和客戶(hù)端，并實(shí)時(shí)地更新數據庫的狀態(tài)值。然后啟動(dòng)GIS 在線(xiàn)監測系統，在系統運行中進(jìn)行互操作性測試，測試得出：a) 以太網(wǎng)的數據傳送速度可以達到10Mb/s；b) 監測系統的上位機能夠通過(guò)以太網(wǎng)對監測裝置發(fā)送請求和接收數據，實(shí)現上位機與監測裝置之間的數據共享，即互操作；c) 兩臺或多臺監測裝置之間能夠通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)現必要的數據交換。 2) 監測裝置的穩定性 根據IEC1000 標準推薦，采用4 級試驗等級對GIS 監測裝置進(jìn)行穩定性的測試。試驗內容主要包括工頻磁場(chǎng)、高頻干擾、靜電放電干擾和浪涌干擾等9 項測試，測試結果表明監測裝置存在部分電磁兼容設計缺陷。但是，經(jīng)過(guò)裝置結構局部調整之后，可以達到IEC1000 的4 級標準；另外，對裝置進(jìn)行了溫度特性測試、機械特性測試和穩定性測試，試驗結果表明，GIS 監測裝置能夠達到電力系統二次設備穩定性的要求，其穩定性得到檢驗。 3) 系統的開(kāi)放性與可擴充性 GIS 在線(xiàn)監測系統運行之后，對系統的開(kāi)放性與可擴充性進(jìn)行測試。通過(guò)以太網(wǎng)對監測系統增設一臺工作站，并將該工作站用于與其他系統的通信。擴充之后，監測系統工作正常，并能夠利用擴充的工作站與其他系統進(jìn)行通信。 結語(yǔ) 在A(yíng)RM 處理器上運行嵌入式操作系統uClinux，可以實(shí)現以太網(wǎng)通信功能；將ARM 嵌入式系統應用于GIS 在線(xiàn)監測系統中，可以滿(mǎn)足IEC61850標準提出的互操作性和穩定性要求；利用以太網(wǎng)和CAN 總線(xiàn)通信的GIS 在線(xiàn)監測系統具有開(kāi)放性和可擴充性。 |
