摘　要：為滿足IEC61850 標準對變電站自動化系統及智能設備提出的互操作性、實時性和穩定性要求，將32b處理器ARM （advanced RISC machine） 及嵌入式操作系統uClinux引入封閉式組合電器（GIS） 的在線監測領域。根據GIS在線監測的需要，設計了以太網通信和CAN （controller area network） 總線通信的硬件電路及軟件。應用測試結果表明：基于ARM 和uClinux 中TCP/IP 協議棧的以太網通信，可以實現GIS 在線監測系統的互操作性，并保證在通信功能上的長期穩定性；以ARM 為核心的嵌入式系統硬件，可以保證監測裝置的穩定性、實時性和可擴充性。故基于ARM 和uClinux 的GIS 在線監測系統可以滿足IEC61850 標準對互操作性、穩定性和實時性的要求。 關鍵詞： 斷路器 在線監測系統 嵌入式系統 互操作性 引言 GIS （gas insulated switchgear） 是輸配電和變電領域有著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，其故障隱患更難發現，可能造成的損失會更大。為了能夠實時地、準確地了解GIS 運行狀態，及時發現和消除故障隱患，對GIS 實行在線監測就顯得尤為重要。 為了規范電力行業自動化系統發展，國際電工委員會提出IEC61850 標準，它針對變電站自動化系統及智能設備提出了互操作性和穩定性的要求。互操作性是指在兩個或兩個以上的系統之間可以直接、有效地共用數據和信息。另外，該體系還要求自動化系統在通信功能上具備長期穩定性，可在較長時間內適應通信技術的快速發展。 鑒于IEC61850 體系對變電站自動化系統提出的確要求，本文對國內主要幾種變電站在線監測系統進行了研究。在現有在線監測系統中，通常采用現場總線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系統。研究表明，在ARM （advanced RISC machine）上運行的嵌入式操作系統uClinux 實現以太網通信，能夠保證GIS在線監測系統的互操作性和在通信功能上的長期穩定性，故將ARM 嵌入式系統引入GIS 在線監測研究領域。 一、基于ARM 的嵌入式系統 ARM 采用先進微控制器總線結構AMBA （advanced microcontroller bus architecture） 的模塊化設計，具有綜合、快速和高性能價格比的優點 。在ARM 處理器中具備ICE-RT 功能單元，通過它可以在代碼的任何部分，甚至于在ROM 中設置斷點，這就降低了裝置調試難度，為裝置的穩定性奠定了基礎。 在ARM 處理器中，采用32b定長指令和三段流水線指令操作（如圖1所示） ，指令執行分為3 個階段：取指、譯碼和執行。流水線允許幾個操作同時進行，在執行第1條指令期間，第2條指令開始譯碼，同時第3條指令從存儲器中被取出，故取指、譯碼和執行3部分可以同時進行，這就保證了處理器的高速處理性能。 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行應用程序的開發。嵌入式操作系統正在轉變成為ARM 應用軟件的基礎。 二、系統在GIS 在線監測上的應用 基于ARM嵌入式系統，GIS 在線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。基于IEC61850 標準的變電站自動化系統（如圖2 所示） 具有一個顯著的特點：在自動化系統中，層與層之間都采取以太網通信的方式（基于TCP/IP） ，取代了傳統系統中的各種現場總線通信方式（如Lonworks，CAN 以及RS-485 等）。 三、基于ARM 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ARM7TDMI 內核，其專門為工業控制而制造，各項指標均能達到工業級別。 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方面：a） CPU 作為系統的核心，無法、也沒有必要滿足所有用戶的具體功能要求，只需給用戶以標準的外部總線接口EB I （external bus interface）即可，讓用戶根據自己的需要進行必要的功能擴展；b） CPLD 用在電路設計中有以下幾點優勢：可方便地實現地址譯碼；編程方式簡便，可方便地通過軟件編程實現各種邏輯器件的功能; 時鐘延遲可達納秒級，特別適合在線監測領域的應用，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行重新啟動所需的原始軟件設置和數據。本文選用ATMEL公司生產的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、系統啟動程序以及用戶程序等。 4） 現場總線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以內） ；CAN 對通信介質沒有苛刻的限制，可以為雙絞線、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價比，所以在裝置的內部采用CAN 實現主板與輔板之間的通信是工業控制裝置中最流行的方法。CAN 總線作為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 總線通信電路如圖4 所示，SJA1000 為工業級的CAN 通信控制器，82C250 是CAN 總線驅動器，其中4 個光耦是用于光電隔離，以達到減小通信干擾，同時可以實現通信板的帶電插拔。 5） 以太網模塊 電路中采用CS8900A 工業級以太網芯片，可以達到10Mb/s 的網絡速度，在線監測裝置通過這部分接口電路與系統的高層（如上位機等） 和其他監測裝置進行數據的傳輸共享，實現互操作。 四、基于ARM 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，而應用程序是用戶根據具體要求開發出來實現特定功能的程序模塊。硬件系統上電后，運行uCbootloader 對硬件系統配置進行初始化，將檢測到的硬件轉交給操作系統，由它進行統一支配; 用戶程序是建立在uClinux之上，并由它負責引導啟動。 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因素： a） 選用的AT9M40800 沒有內存管理單元； 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、強大的網絡功能和出色的文件系統等優點； c） uClinux 擁有一個完整的TCP/IP 協議棧，使GIS 監測裝置能夠實現標準的以太網通信功能。考慮到系統的實時性要求，本系統采用內核加載方式，將內核的壓縮文件放在FLASH 上，系統啟動時讀取壓縮文件在內存中解壓，然后運行。 2） 用戶程序 本嵌入式系統中的所有應用程序是采用標準C語言編寫，編譯的過程是在Linux 系統下建立的交叉編譯器中進行。根據嵌入式系統要實現的功能，應用程序主要分為以下幾部分：以太網通信、CAN 總線通信和串口通信程序等。下面仔細討論一下以太網通信和CAN 總線的通信： a） 以太網通信 TCP/IP 協議是一種成熟的、廣泛使用的高層網絡協議，因為它具有良好的開放性，在變電站通信系統中廣泛采用。基于TCP/IP 的通信程序主要有兩部分：服務器和客戶端。服務器和客戶端可以運行于上位機與監測裝置上，用于收集數據，并發送相應的網絡報文。以客戶端程序為例，客戶端程序主要包括以下功能環節：建立socket 套接字、向server請求連接、封裝數據、接收數據和發送數據，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 總線通信 CAN 總線通信軟件主要由初始化程序、發送程序和接收程序3 部分組成。初始化程序設置CAN控制器中的各個寄存器，包括模式寄存器、時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，故必須在通信開始之前就對CAN 控制器進行初始化。CAN 發送程序主要是將要發送的信息幀送到發送緩沖區中去，再啟動發送命令即可（如圖5 所示）； 接收程序與發送程序類似，只需要將數據從接收緩沖區中取出即可。 在設計CAN 通信模式的時候，采用多主的通信方式，即CAN 總線上每個節點都可以任意地向其他節點發送和接收報文，每個節點上的通信程序具有相似性，故只要把一個節點的通信程序調通后，其他的節點上的通信程序可以仿效之。 五、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數據庫，開設服務器和客戶端，并實時地更新數據庫的狀態值。然后啟動GIS 在線監測系統，在系統運行中進行互操作性測試，測試得出：a） 以太網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以太網對監測裝置發送請求和接收數據，實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以太網進行通信，實現必要的數據交換。 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 監測裝置進行穩定性的測試。試驗內容主要包括工頻磁場、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，經過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） 系統的開放性與可擴充性 GIS 在線監測系統運行之后，對系統的開放性與可擴充性進行測試。通過以太網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行通信。 六、結語 在ARM 處理器上運行嵌入式操作系統uClinux，可以實現以太網通信功能；將ARM 嵌入式系統應用于GIS 在線監測系統中，可以滿足IEC61850標準提出的互操作性和穩定性要求；利用以太網和CAN 總線通信的GIS 在線監測系統具有開放性和可擴充性。