一、嵌入式系統概述

目前，嵌入式系統（Embedded Systems）已被廣泛地應用于工業制造、過程控制、通信、儀器、儀表等眾多領域。嵌入式操作系統（Embedded Operating Systems，EOS）的出現大大簡化了應用程序設計，并可有效地保障軟件質量和縮短開發周期。

業界推出的EOS產品歸納起來應具有以下幾個特點：小巧、實時性、可裝卸、固化代碼、弱交互性、強穩定性和統一的接口。目前使用最多的EOS產品有：VxWorks、QNX、PalmOS、WinCE、PSOS、國內自主HopenOS等。其中，VxWorks使用最為廣泛、市場占有率最高，其突出特點是實時性強（采用優先級搶占和輪轉調度等機制），除此之外，其可靠性和可剪裁性也相當不錯。QNX是一種伸縮性極佳的系統，其核心加上實時POSIX環境和一個完整窗口系統還不到一兆。相比之下，Microsoft WinCE的核心體積龐大，實時性能也差，但由于Windows系列友好的用戶界面和為程序員所熟悉的API，并捆綁IE、Office等應用程序，正逐漸獲得更大的市場份額。而與這些商業化的操作系統相比，Linux已經越來越受到人們的注意。

嵌入式計算機系統同通用型計算機控制系統相比，具有以下特點：低功耗、體積小、集成度高；是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統；具有較長的生命周期；嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中；嵌入式系統本身不具備自主開發能力。

二、電力系統對嵌入式的特殊需求

電力系統是一個復雜的非線性、高維、互聯大系統，不同的應用場所需求各異。基于嵌入式系統特有的優點，其在電力系統中的應用主要多用于底層來實現數據采集、監視控制與儀表計量、通信控制等功能，而上層應用由于對數據處理與存儲能力、人機交互（HMI）、網絡通信等方面要求甚高，一般都是由PC系統或局域網（LAN）的形式實現。總體來說，嵌入式系統在電力系統中的應用有以下幾個方面的要求更為迫切：

（一）實時性更強

以電力系統的穩定觀測與控制為例，實時性就是其首先要解決的問題。這是因為電網的安全穩定性通常在事故后幾十到幾百毫秒內就有可能受到嚴重威脅，并且過遲的穩定控制措施不僅起不到預想的作用，造成經濟上的損失，甚至可能引起其他的安全問題。這里的實時性不僅指獲得數據的實時性，而且還包括數據處理、分析、決策的實時性。因此，這對嵌入式系統的硬件與軟件都是一個較為苛刻的要求。

（二）可靠性更高

現代化大生產與居民生活中電能的使用是最普遍的，因此在利用嵌入式系統實現對電力系統的控制時硬件與軟件的可靠性也就成為人們極為關注的問題。通常，人們不僅希望嵌入式系統能按照預先設計好的流程正常工作，而且也對嵌入式系統的抗干擾能力與智能性提出了一定的要求，例如加入Watchdog自恢復與自診斷功能，采用容錯設計與數據辨識校驗等。嵌入式的軟件平臺在應用于關鍵場合時還需經受強電磁干擾等考驗。

（三）可擴展性更好

目前大多數嵌入式系統的開發語言都采用C/C++（也包括少量的匯編語言），因此靈活性好，可移植性強，擁有較多的使用者；另外，盡量采用模塊化設計與工業組態軟件，這不僅可方便生產調試廠家，而且可解放用戶。當一個模塊出現問題時，只需要換一塊新的；當需要增/減某項功能時，也只需要增/減相應的模塊即可。

（四）網絡通信能力更強

一般來說，嵌入式系統所具備的網絡通信能力相對于PC系統是較弱的，這是制約嵌入式系統在電力系統上層應用的主要因素之一。電力系統地理上的分散性（橫向）是其主要的外部特征，一條長距離的輸電線可能跨越幾個地區，因此地區與地區之間的通信與聯絡就顯得十分重要。加之電力系統各級調度之間（縱向）的協調，因此電力系統的通信能力在很大程度上制約著聯網的規模與控制方式。

三、電力系統中嵌入式通信控制系統設計關鍵

（一）硬件平臺的選擇

1．嵌入式處理器內核選擇

嵌入式開發硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇，使用什么樣的嵌入式處理器內核主要取決于應用領域、用戶需求、成本、開發的難易程度等因素。嵌入式系統的處理器可分為兩大類：一類是低功耗基于X86架構的通用計算機的CPU為處理器；另一類為微控制器和DSP。微控制器具有單片化、體積小、功耗低、可靠性高、芯片上的外設資源豐富等特點，成為嵌入式系統的主流器件。特別要指出，RISC技術為計算機體系結構帶來了一次重大的變革。簡單的、固定長度的、單周期執行指令的RISC計算系統，與傳統、復雜、可變長度指令并行執行的CISC計算機系統相比較，在相同的條件下，RISC技術的速度快2～5倍，具有巨大的性價比優勢。RISC技術推動著計算機體系結構從封閉的CISC向開放的結構發展。因此，世界上各大CPU芯片制造廠商爭相開發生產RISC芯片，目前的典型結構為ARM系列、MIPS和SH，具有32位字長，最高時鐘速率可達400MHz。多種嵌入式實時操作系統大都支持上述RISC處理器。

基于X86的計算機CPU的運行速度越來越快，同時CPU消耗的功率也越來越大，隨之而來的發熱量也越來越高，最新的Intel P4 CPU的功耗已經超過了100W。系統的散熱性能成了影響系統穩定性的一個重要指標，如果系統散熱性能不好，就會影響整個系統的穩定性。在電力工業控制領域，對系統的穩定性要求很高，但并不需要特別強大的CPU計算能力。低功耗CPU在這方面很符合電力行業工控系統的要求，因為這類CPU在提供必要的計算能力的同時發熱量很小，只需合適的散熱片就可以正常工作，無需使用風扇主動散熱，減少了故障發生的幾率，大大提高了系統的穩定性。在低功耗CPU方面，工控領域使用最多的是Intel、Transmate、VIA、AMD的CPU，主要使用在一些Fanless（無風扇）主板上。一方面提供強大的運算能力，另一方面又具有很好的穩定性。現在低功耗CPU中又有了一些新的產品，提供更為強大的性能，比如IntelPentium/Celeron M系列、AMD的Geode NX系列、VIA Eden ESP系列等。

2．外圍設備的選擇

確定了使用哪種嵌入式處理器內核以后，必須綜合考慮系統外圍設備的需求情況以滿足和發揮處理器的作用。重點考慮系統外圍設備的一些因素：總線的需求；有沒有通用串行接口；是否需要USB總線；有沒有以太網接口；系統內部是否需要I2C總線和SPI總線；外設接口；系統是否需要A/D或D/A轉換器；系統是否需要I/O控制接口。

另外，還要考慮處理器的尋址空間，有沒有片上的Flash存儲器，處理器是否容易調試和仿真及調試工具的成本和易用性等相關的信息。在實際過程中，挑選最好的硬件是一項很復雜的工作，充滿著各種顧忌和干擾，包括其他工程的影響以及缺乏完整或準確的信息等。

（二）操作系統的選擇

嵌入式操作系統大體上可分為兩種：商用型和免費型。商用型的實時操作系統功能穩定、可靠，有完善的技術支持和售后服務，但往往價格昂貴。免費型的實時操作系統在價格方面具有優勢，目前主要有Linux和PSOS，但是不管選用什么樣的系統，都要考慮以下幾點：操作系統的硬件支持；開發工具的支持程度；能否滿足應用需求。由此可見，選擇一款既能滿足應用需求，性價比又可達到最佳的操作系統，對開發工作的順利開展意義重大。

針對電力而言，系統的可靠性和實時性是關鍵。Linux是個與生俱來的網絡操作系統，成熟而且穩定。Linux是源代碼開放的軟件，不存在黑箱技術，任何人都可修改它，或者用它開發自己的產品。Linux系統是可定制的，系統內核目前已經可做得很小。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統，是發展未來嵌入設備產品的絕佳資源，因此，Linux作為嵌入式系統新的選擇，在電力嵌入式系統中應用已成必然。

Linux作為嵌入式操作系統在電力行業應用具有的優勢主要有以下幾點：

1．可應用于多種硬件平臺，正好滿足電力系統中控制平臺多樣性的要求，這對于經費、時間受限制的電力研究與開發項目是很有吸引力的。原型可在標準平臺上開發后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發過程。Linux采用一個統一的框架對硬件進行管理，從一個硬件平臺到另一個硬件平臺的改動與上層應用無關。Linux可隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關系，源代碼可免費得到。這使得采用Linux作為操作系統不會遇到任何關于版權的糾紛。毫無疑問，這會節省大量的開發費用。本身內置網絡支持，而目前嵌入式系統對網絡支持要求越來越高。Linux的高度模塊化使添加部件非常容易。

2．Linux是一個和Unix相似、以內核為基礎的、具有完全的內存訪問控制，支持大量硬件（包括X86，Alpha、ARM和Motorola等現有的大部分芯片）等特性的一種通用操作系統。其程序源碼全部公開，任何人可以修改并在GUN通用公共許可證下發行。這樣，開發人員可對操作系統進行定制，適應其特殊需要。

3．Linux帶有Unix用戶熟悉的開發工具，幾乎所有的Unix系統應用軟件都已移植到了Linux上。Linux還提供了強大的網絡功能，有多種可選擇窗口管理器。其強大的語言編譯器等也可很容易得到，不但成熟完善，而且使用方便。

四、變電站綜合自動化系統中的嵌入式通信前置機

變電站綜合自動化系統是利用計算機控制、網絡、數據庫、現代通信等技術將變電站所有二次設備（包括控制、信號、測量、保護、自動裝置及遠動裝置等），經過功能組合和優化設計，對變電站執行自動監視、測量、控制和協調來提高變電站運行效率和管理水平的一種綜合性的自動化系統。它完全取代了常規監視儀表、操作控制屏柜、模擬屏柜、中央信息系統、變送器及常規遠動裝置等設備，提高了變電站的安全與經濟運行水平。變電站綜合自動化系統取代或更新傳統的變電站二次系統已成為目前電力系統的主要發展趨勢之一。

變電站綜合自動化系統體系結構按設計思想分可分為集中式、分布式和分散（層）分布式，其中，集中式結構的功能模塊與硬件無關，各功能模塊的連接通過模塊化軟件實現，信息是集中采集、處理和運算的。受計算機硬件水平的限制，該結構在早期自動化系統中應用較多，此類結構對監控主機的性能要求較高，且系統處理能力有限，開發手段少，系統在開放性、擴展性和可維護性等方面較差，抗干擾能力不強。分布式結構采用主從CPU協同工作方式，各功能模塊如智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）之間采用網絡技術或串行方式實現數據通信。分布式結構有助于系統擴展和維護，可靠性好，局部故障不影響系統其他模塊正常運行，較適合于中低壓變電站。

而分散分布式結構是目前的主流結構，由于計算機、通信及網絡數據庫技術的發展使變電站信息綜合管理成為可能。分散分布式結構將計算機局域網（LAN）技術引入變電站綜合自動化管理系統，已成為現在的研究熱點。該結構引入信息管理方案，它將變電站各IED通過專用網關設備直接接入以太網，站內各監控機、服務器、工作站接入同一網絡。但這種方案價格昂貴，對不同接口需要進行通信協議轉換。其中如何引入LAN進行信息管理和處理電力通信規約轉換是兩個焦點問題，參照IEC提出的3層標準結構，可將原有的過程層、間隔層、站級層細化為過程層、二次設備控制層、通信管理層和信息管理層4層，可重點解決通信管理層中的電力通信規約轉換問題和信息管理層中的變電站信息綜合管理問題。其系統功能主要體現在：實現底層二次設備的控制智能化和數字化；實現變電站常規遠動功能；實現變電站的信息集中管理和監控。

整個系統的核心在于通信前置機，如圖1所示。系統共分4層，即信息管理層、通信管理層、二次分散設備控制層和生產過程層。生產過程層由變電站一次設備組成，是系統的最底層；二次設備控制層則由各智能設備（IED）組成，實現對各自對象（母線、饋線、主變壓器、電容器等）的控制和保護功能；通信管理層由連接IED的現場總線和作為通用網關的主/備前置機系統組成，如研華的UNO-2668，是系統的通信樞紐，負責站內信息采集、連接站級計算機、連接遠動系統等；信息管理層是系統的最高層，主要由站級計算機組成，包括服務器、工作站等，形成站內計算機局域網，運行變電站SCADA/EMS（Super-visory Control and Data Acquisition/Energy Management System）系統，實現數據庫管理、站級控制、人機接口等功能；面向變電站所有設備的歷史數據、參數數據在主/備服務器中的創建，而每個操作員工作站節點中均建有實時數據庫，可采用雙以太網冗余結構構建。

二次設備控制層中的IED與生產過程中的一次設備接口，按相應的規約直接實現信息的采集與控制調節，進行存儲、轉發，IED可通過光纖或現場總線與通信管理層連接，實現信息的收集與分配，不同類型的IED在二次設備控制層中不能直接進行信息交換，而是經不同的現場總線通過前置機這個網關來進行信息交換。通信管理層中的前置機系統可同時接入多種電力通信規約的總線設備，并向上掛接在信息管理層網絡上，是局域網中的重要節點，起著收集站內生產信息上傳和下發管理層控制信息的作用。變電站二次設備的各種數據測量、事件記錄、故障錄波與控制等所有功能全部在二次設備控制中實現，不依賴于站級計算機。在前置機系統中還可接入全球定位系統（Global Positioning System，GPS）對時信號和串行Modem，以實現遠動功能。在此情況下，前置機系統相當于遠方終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）的功能。信息管理層中的SCADA系統通過參數數據的定義建立各節點的實時數據庫并從前置機獲得實時數據，另由專門的線程分析實時數據庫中的數據后再寫入歷史數據庫，各工作站節點的歷史數據查詢則通過C/S模式從主/備服務器獲取。如果需要遠程瀏覽，則可設置Web服務器，利用Modem與公用電話網撥號登錄站內局域網，通過Web瀏覽器進行瀏覽和查詢。此外，可在站內設置遠程網橋，遠程工作站通過該遠程網橋獲取本地局域網（LAN）信息等。

在信息管理層中，基于所構建的網絡，也可在其中置入變電站綜合多媒體管理信息系統，通過專用網關和標準數據接口與SCADA系統交換生產信息。

作為通信前置機，其必須以嵌入式控制系統，且免風扇設計，必須具有較強的抗電磁干擾能力、低功耗以及實時性等特性。研華的UNO-2668內嵌低功耗Celeron 400MHz CPU，內嵌WinCE或者Linux操作系統，保證了系統的實時性，是業界一塊高檔的嵌入式通信前置機。

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