Research on embedded merging unit based on IEC61850 and Windows CE ZHANG Xiao-yu, ZHAO Long-zhang, FANG Zhi （Collage of Automation, NanJing University of Industry, Nanjing 210009, Jiangsu province, China） 張曉煜，趙龍章，方 志 （南京工業大學自動化學院，江蘇省 南京市 210009）

ABSTRACT: Merging unit is an important part of the secondary protects equipment and electronic transducer interface which defined in the IEC60044. This paper has raised a plan of design merging unit based on ARM9 chips and IEC61850, discussed and analysis the possibility of using a single process chip and introduce a real-time and multitask operation system : Windows CE ,as the operation system of merging unit. We also divide the work of the merging unit, analysis how to realize the multi-thread and multi-priority programming on Windows CE. At the end, we discuessd the advantage of using Windows CE and advanced some prospect of the application of integrate Windows CE and IEC61850.

Key word: ARM; Windows CE; real-time; multitask; embedded system; merging unit; IEC61850

摘要:合并單元是IEC60044中定義的用于電子式互感器和二次保護控制設備接口的重要組成部分，本文提出一種基于ARM芯片和Windows CE的合并單元的設計方案，就采用單一芯片在處理能力上的可行性進行了理論分析，并引入了支持實時多任務的Windows CE嵌入式操作系統作為平臺，對合并單元所要完成的任務進行了分工，分析了如何通過編程實現不同優先級多線程分工處理方法。并與使用FPGA+DSP的合并單元進行對比，最后對于Windows CE和IEC 61850相結合在電力系統中的應用和合并單元的功能擴展提出了一些展望。

關鍵詞：ARM；Windows CE；實時多任務；嵌入式；合并單元；IEC61850

1、引言

隨著電子互感器技術的發展和成熟，以及近年來一些采用新的設計方法的電子互感器的出現和趨于實用化，我國在變電站的設計和建設中也逐步開始數字化。為了解決數字化變電站設備中存在的不同廠家使用的網絡和通信協議互不兼容，通信協議轉換繁瑣，可靠性低以及維護成本高的問題，國際電工委員會頒布了IEC60044-7/8和IEC61850-9-1等協議標準，并在IEC60044中首次提出了作為接口的重要組成部分“合并單元”的概念。

目前在合并單元中使用比較廣泛的是FPGA+DSP的結構，因為FPGA具有獨特的FIFO（先進先出）結構，方便于多路采樣數據的排序和預處理。數據流經基于FPGA的數據還原模塊完成高速數據的接收還原后, 送入DSP中完成一系列復雜協議的處理和濾波。隨著目前嵌入式技術的發展，基于ARM架構的處理器應用更加廣泛技術也日趨成熟，ARM處理器的多流水線設計、更高的主頻和更多的功能所帶來的優勢也越來越明顯。為了滿足電力系統對系統穩定性和實時性的高要求以及IEC61850規約對數字化變電站中智能設備的網絡化要求，本文引入了Windows CE作為嵌入式合并單元的操作系統。

本文所提出的基于ARM9芯片和Windows CE的嵌入式合并單元的設計方法，利用了ARM芯片速度快，處理能力強、接口豐富、網絡功能強大以及Windows CE的實時多任務處理能力強的優點。考慮到IEC61850規約中提出的變電站配置語言（Substation Configuration Language）遵循于XML語法規定，而WinCE完全支持W3C的XML的最新規范，并且微軟在.NET Compact Framework 2.0中也提供了功能強大的XML類庫，使得操作系統對使用XML格式的數據流處理更加方便和快捷。

2、合并單元的定義及功能劃分

在IEC60044-7/8規約中第一次提出了新的物理單元“合并單元”的概念，主要是用來針對使用數字化輸出的電子式互感器而設計的，通常是合并單元將一次側傳過來的信號（12路），經過一定的預處理后按照IEC61850規約中所規定的編碼格式和協議發送給二次保護、控制設備。由于變電站的數字化是需要逐步實現的，所以在初期的數字化變電站的合并單元設計中不但包含有數字信號接口還有模擬信號接口。

圖（1）合并單元的定義

合并單元與電子式互感器的數字輸出接口通信具有以下幾個重要特點：

（1）同時處理的任務多。

（2）高可靠性和強實時性。

（3）通信信息流量大。

（4）通信速度較高 [2]。

按照合并單元中的數據處理流程可以劃分為4個處理步驟：

（1）向高壓側互感器發送同步采樣信號并實時接收從采集系統傳送的采樣數據，對其進行相應處理，使之成為可以被系統所接受和識別的數字信號；

（2）將有用的數據從轉換后得到的數據包中提取出來；

圖（2）合并單元數據處理流程

（3）對數據進行處理，包括數字濾波，移相，再次打包等操作；

（4）將數據通過以太網發送給二次設備。

同時合并單元還需要解決數據同步的問題。在數字化變電站中，同時有數個合并單元在工作，必須保證不同的合并單元所采集到的數據是在同一時間點上采樣獲得的，以避免相位和幅值產生誤差。目前比較常用的同步方式是由變電站的GPS模塊或高精度時鐘給每一個合并單元發送同步的秒脈沖信號（同步信號1），合并單元內部在對秒脈沖分頻獲得所需的時鐘信號（同步信號2），并將時鐘信號每秒和GPS提供的秒脈沖同步一次，以保證彼此之間采樣的同步。

3.合并單元的設計

3.1可行性討論

首先在硬件方面本文主要使用一片的ARM9芯片來實現合并單元所有控制和數據處理的功能。ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應用于嵌入式系統中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，具有高主頻和5條流水線的設計，已經在手持電話、機頂盒、數碼像機、GPS、個人數字助理以及因特網設備等方面有了廣泛的應用。 在合并單元工作過程中需要控制傳感器對電網中電流和電壓的波形進行采樣，按照每周波采樣80個點計算，每個采樣點之間間隔250µs，主頻200Mhz的Samsung2410處理器時鐘周期5ns，由于采用多流水線設計，平均每個時鐘周期可以執行1.1條指令，即每兩次采樣之間可以執行55000條32位指令，足夠處理采樣、輸入、校檢、濾波、打包和輸出以及操作系統所需要的一些操作。如果采用主頻400Mhz的2440處理器，系統的處理能力將會提高一倍，從而可以把更多的CPU時間放在處理協議、服務和用戶接口方面，帶來更好的性能和可靠性。

其次，在軟件方面引入了Windows CE作為合并單元的操作系統，Windows CE不同于Linux，是嚴格的硬實時多任務操作系統，擁有256個等級的線程優先權，支持套疊的中斷，以及Bounded interrupt response latency（有限的中斷響應）等功能，它強大的中斷和線程調度機制和內核操作系統服務能夠滿足不同設備對于時間關鍵性任務的時間和性能要求。根據測試，在一個主頻為200MHz的參考系統中，Windows CE的實時性最小可以達到40～60µs[12]。由于在本文的設計中使用了主頻高達400MHz的CPU，系統的實時性理論上可以比測試中提高近一倍，達到或接近20～30µs，足以滿足電力系統應用中的苛刻要求。Windows CE的多任務功能使系統可以同時處理數據采樣、數據處理、時鐘同步、數據發送以及觸控屏顯示和響應用戶輸入等任務，線程的優先級越高，其相應速度就越快。

3.2 硬件結構

在變電站的數字化過程中因為種種原因的限制，不可能一步做到所有的電流電壓互感器都實現電子化和數字化，會在較長的一段時間內存在電子互感器和常規互感器并存的現象，所以合并單元的輸入端會存在數字信號和模擬信號兩種輸入方式。因此，合并單元還應該保留A/D轉換的功能。由于ARM9芯片自帶的A/D轉換功能的精度較低，需要使用外加的A/D芯片，A/D模塊和O/E模塊可以直接掛接在系統總線上，CPU可以對其直接尋址，并及時將采樣數據讀取至內存緩沖區。

圖（3）合并單元硬件框圖

合并單元發出同步采樣信號后，A/D單元和O/E單元同時進行數據處理，A/D單元負責將常規互感器采樣信號轉換為計算機能夠識別的數字信號；O/E單元負責接受電子互感器送來的數字信號，并對其解包，分離出有效信息。由于二者共享系統總線，同時讀取12路數據必然會引起沖突，在設計中采用在規定的采樣上限時間內按照12路數據的處理順序依次讀入數據。

雖然Samsung s3c2440和Windows CE都可以對觸摸屏提供良好的支持，但是考慮到目前合并單元的應用中暫不需要人機交流，而且使用觸摸屏會占用部分系統內存帶寬和資源，為了保證系統的穩健性，在設計中并沒有引入觸摸屏。

3.3 軟件平臺設計

在本文中引入Windows CE作為合并單元的操作系統，Windows CE是一個開放的、可裁剪的、32位實時嵌入式窗口操作系統。它被設計成一種高度模塊化的操作系統，以適應不同類型和要求的智能設備，設計者可以根據設備的性質只選擇那些必要的模塊或模塊中的組件來定制屬于自己的嵌入式實時操作系統。 Windows CE被分成一些不同的模塊，其中內核（Kernel）、圖形窗口事件子系統（GWES）、文件系統（Filesys）、和通信（Communication）模塊是4個主要模塊。一個最小的Windows CE系統至少由內核和文件系統模塊組成[10]。在合并單元上應用的系統由于不需要觸摸屏人機交互界面，所以GWES模塊在定制時可以不選或者是使用帶命令行的SHELL。 在合并單元工作的過程中，有些任務是同時運行的不能互相等待的，例如在收到同步信號的時刻，系統可能正在處理數據或正在等待采樣值等。為了解決這樣的問題，必須使用多個線程來同時執行多個任務。Windows CE支持256個等級的線程優先級，一個線程就是一個可執行單元，當操作系統創建一個進程的時候，同時也會至少創建一個線程，使用線程可以盡可能有效的利用CPU時間。一個進程可以包括多個線程，每個線程都共享包括進程地址空間在內所有資源[10]。按照合并單元所要完成的任務可以劃分為如下4個線程：同步、采樣、數據處理和發送。這4個線程中同步線程可以被同步信號1喚醒并擁有最高的優先級，其他3個線程的優先級低于同步線程，并都由事件喚醒。

<1>同步線程 理想情況下，合并單元每秒接收一個變電站由GPS或高精度時鐘提供的同步信號1，然后按照每周波采樣要求分頻產生同步信號2，不同合并單元發送的采樣信號應是等間隔的，但由于晶振時鐘誤差的存在，信號2是無法做到完全等間隔的，尤其隨著時間的推移，不同合并單元發送的信號2相互之間的誤差將累積增大，這是差動保護所不允許的，引人信號1的真正意義也正在于此：多個合并單元每隔1秒被強行同步一次。在1秒內，使用高精度高穩定度的晶振，不同合并單元發送信號2的誤差很小。不同合并單元在發送第1個同步信號2時應保證足夠的同步精度，其發送時刻應與信號1脈沖的上升沿盡量接近，因為這是不同合并單元所能共同遵循的惟一基準。以后信號2通過各自合并單元的晶振進行等間隔計數發送[13]。同步線程負責接收變電站提供的同步信號1，并對其進行分頻產生同步信號2，為了保證不同合并單元之間產生的同步信號2有足夠的同步精度，同步線程必須具有進程內最高的優先級，在收到同步信號1以后就可以立刻搶過系統的控制權，分頻產生同步信號2，這樣獲得的同步信號2的發送時刻可以和同步信號1的上升沿盡量的接近。同步線程發送完成同步信號2以后將喚醒采樣線程進行數據采集工作。

圖（4）多線程編程流程圖

<2>采樣線程 采樣線程被同步線程喚醒后將設定的時間內檢查A/D模塊和O/E模塊的是否送來已經采樣/轉換完成的中斷信號，如果有則按順序將采樣數據讀入內存并按照順序排列，然后喚醒數據處理線程并將數據緩存區地址指針傳遞過去。如果出現部分通道在規定時限內未送來采樣數據，則全部以0填充并設立錯誤標志。

<3>數據處理線程 數據處理模塊主要負責對接收的數據信號進行相關的數字濾波設計, 在合并單元中加入數字濾波器是為了消除 A / D 轉換器帶來的噪聲以及干擾的高頻分量。然后, 對數據進行均方根值、相角的有關計算。由于輸出的數字量和真實的電流值之間存在相位和幅值誤差, 有效頻段內的幅值誤差在設計濾波器和確定變比系數等參數時能夠考慮到, 所以相位誤差相對幅值誤差而言影響較大, 因此必須對信號進行相位補償數據處理[1,14]。數據處理完以后存入內存。然后喚醒發送線程并將數據區指針傳遞給發送線程。

<4>發送線程 發送線程被喚醒后在指定地址讀入數據，然后按照IEC61850規約中規定的通信幀格式通過以太網將數據發送給二次設備。

當采樣線程、數據處理線程或發送線程在運行時如果同步線程收到同步信號1的脈沖，會立刻被喚醒，此時操作系統將暫停其他線程的運行，并將處理器時間片交給同步線程處理同步信號。同步任務結束后，同步線程再次進入等待狀態，此時操作系統繼續將CPU時間片交給剛才未完成操作的線程繼續其處理任務。

圖（5）多線程多優先級的任務處理

4.結語

本文提出的使用Windows CE作為合并單元的操作系統相比不使用操作系統或者使用µC/OSⅡ的FPGA+DSP結構的合并單元具有更好的多任務處理能力和更好的系統功能擴展能力，在Windows CE平臺下可以更方便的開發基于IEC61850的應用和功能。同時Windows CE也提供對SQL數據庫的良好支持，通過ARM9芯片提供的硬盤IDE接口或者SD Card讀寫接口可以把采樣數據實時的保存在硬盤或者擴展卡上做備份。IEC61850是一個面向未來的開放的標準，隨著光電流、電壓互感器的使用，現代電力技術的發展趨勢是將越來越多的間隔層功能下放到過程層中去，使用Windows CE和ARM組合的合并單元可以更方便的進行功能擴展和系統升級。

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收稿日期：

作者簡介： 張曉煜（1984-），男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要從事電力系統自動化的數字化變電站方面研究，（電話）13776633800，（Email）startboy241@tom.com