嵌入式在电力系统中的应用

嵌入式在电力系统中的应用宋汉学号：104612310（中南大学信息科学与工程学院，控制工程，湖南省长沙市，410083）摘要：介绍了基于32位高性能芯片PowerPC8248的嵌入式电力系统网关，该网关实现了传统电力系统规约IEC60870-5-103向IEC61850的转换。主要介绍了系统整体构架、PowerPC8248的主要特性、软件平台的设计和网关的结构。介绍了一种智能嵌入式电力系统运行管理专家系统的实现，详细阐述了系统数据库、网络拓扑绘图、推理机及知识库模块的无隙集成技术。关键词：IEC61850规约；PowerPC8248；网关；专家系统；智能嵌入系统1基于PowerPC的嵌入式电力系统网关随着变电站自动化技术的发展，为了实现各种新型继电保护智能电子装置(IED)之间的互操作，1994年由德国国家委员会提出制定通用的变电站自动化标准建议，1998年国际电工委员（IEC）美国电器电子工程师协会（IEEE）和美国EPRI达成共识,由IEC牵头，以美国UCA2.0为基础,制定一个全球通用的变电站自动化标准EC61850。变电站自动化系统的国际标准IEC61850代表了变电站自动化技术的未来发展方向，变电站自动化系统的各种协议如IEC60870、UCA2.0、CAN等都要统一到IEC61850标准上来，各电力自动化设备厂家都在积极开展相关技术的研发，但任何厂家都无法回避一个问题，就是基于IEC61850的新系统与基于传统规约的旧系统之间必然存在过渡期，开发一个传统规约和IEC61850之间转换的网关无疑是个不错的选择，下面主要是关于传统电力系统规约IEC60870-5-103向IEC61850的转换的网关系统的设计与实现，平台是基于PowerPC8248的嵌入式LINUX平台。1.1系统结构概述IEC61850将变电站自动化系统分成变电站层、间隔层、过程层。（1）过程层过程层包括电压、电流互感器，隔离开关等一次设备。主要功能是：①实时电压、电流信号检测；②运行设备的状态参数检测；③操作控制执行与驱动（如断路器分、合闸操作）。（2）间隔层间隔层由各种测量、控制装置和保护装置组成。主要功能有：①实施对一次设备保护、控制功能；②实施电压无功控制等其他控制功能。（3）变电站层变电站层包括监控主机、工程师站和人机接口等。主要任务有：①通过变电站总线汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；②由监控主机按既定协约将有关数据信息传送往调度中心，接收调度中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；③对于有人值班变电站，监控主机还具有站内当地监控、人机联系功能，如显示、操作、打印、报警等功能以及图像、声音等多媒体功能。本系统设计就是将间隔层的保护装置和测控装置等智能电子设备（IED）传来的符合IEC60870-5-103规约的MMS报文，经过网关系统转换成符合IEC61850的协议格式的MMS报文，再传送给变电站层的HMI（人机接口）等设备；图1.1.1为该协议转换的系统结构图。图1.1.1系统结构图图1.1.1的保护装置和测控装置等智能电子设备支持的规约是IEC60870-5-103，系统采用C/S（客户端/服务器）模式实现网络连接，人机接口HMI相当于客户端，网关系统相当于服务器端，人机接口（HMI）和网关之间传输的协议是IEC61850格式的MMS报文，网关与保护装置和测控装置等智能电子设备之间传输的协议是IEC60870-5-103格式的MMS报文。制造报文规范（ManufacturingMessageSpecification，以下简称MMS）是ISO/IEC9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。国际标准化组织出台MMS的目的是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备和智能控制设备的通信行为，使不同制造商的设备之间具有互操作性。IEC61850将其底层映射到MMS上通过因特网进行传输。1.2PowerPC8248处理器介绍PowerPC8248是基于PowerQUICCII技术的高端芯片，和同体系的其他芯片一样，它是一款双核芯片。一个处理器是嵌入的G2_LE内核，另一个是专门的RISC的通信处理模块CPM。由于CPM分担了G2_LE核的外围工作任务，因此这种双核体系比单处理器具有更高的效率。它的处理频率高达400MHz。它的主要特性有：（1）强大的内嵌双处理器，处理频率可达266~400MHz，内置浮点单元支持浮点运算，支持COP测试接口（Commonon-chipprocessor）；（2）低功耗，266MHz下功耗仅为0.8W；（3）32位数据总线、32位地址总线；（4）系统接口模块SIU，支持IEEE1149.1JTAG测试端口；（5）内存控制器，给SRAM、SDRAM、DRAM、Flash及其他用户设备提供接口。（6）高性能的CPM模块，有8个独立的波特率发生器，支持包括2个高速通信控制器（FCC）、3个串行通信控制器（SCC）、2个串行管理控制器（SMC）、一个USB控制器、SPI接口及I2C控制器，实现包括以太网通信、串口通信、USB通信等多种通信方式。（7）MPC8248还有一个有特色的安全机构，通过它，系统设计者可以在MPC8248中使用加密功能。可以看出MPC8248是一款功能强大、具有较高开发价值的微处理器,同时它秉承PowerPC系列芯片高可靠性，高效通信能力的特点。有效工作温度达到-40~105℃，这保证它能在恶劣的环境下正常工作。图1.2.1为PowerPC8248的功能结构图。图1.2.1PowerPC8248功能结构图1.3开发环境的搭建系统选用一套基于Linux2.4内核的EP8248BSPv1.10嵌入式操作系统，它是Freescale公司专门针对PowerPC8248开发的Linux嵌入式操作系统，它支持多种通信协议，有丰富的任务调度机制和函数功能，且有良好的系统稳定性。只是由于PowerPC8248的FlashRom有限，需要对内核进行裁减配置，去掉不需要的功能，保留基本的网络通信设备驱动必须的库文件等，裁减后的内核大小只有4M左右。最后将编译好的内核压缩文件下载到PowerPC8248上。1.4网关结构设计IEC60870-5-103是面向信号点表、线性和平面的。IEC61850的数据模型是面向对象和立体的，IEC60870-5-103协议向IEC61850数据模型的转换过程，涉及将线性的信号点表按照IEC61850的面向对象的方式重新建模的过程，此外，还需要为这些数据模型选择合适的服务。设计网关系统，可使变电站系统直接按照IEC61850的技术体系开发，充分发挥IEC61850的技术优势，但是网关要设计的比较完善,并配备有功能强大、使用方便的工具软件以方便调试。本网关系统的设计思想是以全世界唯一的变电站网络通信标准IEC61850为基础，通过将面向点通信协议的点信息，映射为IEC61850标准的对象信息（标准的对象模型），采用IEC61850的抽象通信服务接口和特殊通信服务映射（标准的信息交换模型）实现设备的互联。图1.4.1是网关系统结构图。图1.4.1网关系统结构图1.5结语国际电工委员会推出IEC61850标准的目的是为了在全世界范围内取代现有的各式各样的变电站通信规约，实现不同厂家产品之间的互联和互操作，但是在实现IEC61850系统过程中，现有系统和老系统必定存在一个过渡期。本文分析了在这个过渡期内一种可行策略的实现，在新老规约之间搭建一个网关系统实现新老规约的转换，并着重介绍了该网关的体系结构，PowerPC强大的数据通信、处理功能，为该网关系统的实现提供了有力保证。2基于智能嵌入系统的电力网运行管理专家系统为提高运行管理的智能化，国内近年来对专家系统在电力系统方面的应用进行了大量的研究工作，并相继开发成功倒闸操作票专家系统无功控制专家系统、配电网经济运行专家系统等。但是在这些专家系统的开发中，有一个问题即推理机与其它系统的集成问题却长期被忽视。专家系统在电力系统中的应用，不是以人工智能代替传统的数值计算应用、数据库应用等，而是要相互结合，各自发挥自己的优点。下文在分析传统专家系统在系统集成方面的缺陷之基础上，结合一些先进的算法语言，拟对如何实现推理机与其它系统的无隙集成作详细的阐述，以期构成一种智能嵌人式专家系统。2.1传统专家系统的分析对于电力系统的运行管理专家系统，通常都包括网络拓扑绘图模块、数据库管理模块、推理机及知识库模块，为实现整个系统的可靠性、易用性、灵活性和可扩展性，系统的各个模块间应能实现无隙集成，以构成一个有机的整体。但目前已开发的大多数电力系统专家系统在这方面都存在缺陷，主要表现在以下几个方面。2.1.1外部函数不能嵌入到推理机中推理机自身只擅长基于规则、经验的模式匹配处理，而不擅长基于精确数学模型的数值计算。例如，在电力系统故障诊断专家系统中，推理机既需要利用专家经验进行推理，又需要调用计算模块进行精确的数值计算。因此，外部计算模块应能无隙嵌人推理中去，以扩充与制定推理机的功能，但传统的专家系统却不具备此功能。事实上，由于这些专家系统大都采用商用的开发工具，如PROLOG，LISP等，而这些开发工具不允许外部函数的无隙嵌入，因此，在这些系统中，只能将计算模块编译成可执行文件，由专家系统通过命令进行调用，数据通信也只能通过外部数据文件完成。2.1.2推理机不能嵌入到外部函数中在传统的专家系统中，推理机引擎并不能从特定的专家系统开发环境中分离出来，因此，为构造嵌人系统只能将整个开发环境以可执行文件的方式整个嵌人，而对于智能嵌人系统，可成功地将系统中各模块无隙嵌人。在这一类系统中,推理机往往不是一个主要模块，而只是一个组成部分。例如在控制系统中，控制的策略可能基于精确的数学模型，也可能基于专家经验，通过专家经验来对付那些模糊的、不精确的、难以量化的因素。内嵌了推理机的控制系统就是一个智能嵌人系统。2.1.3数据库接口不通用数据库管理系统是决策支持系统的一个重要组成部分。由于它能实现信息共享，使应用和数据相互独立，维护数据的一致性和安全性，因而得到了极为广泛的应用。为访问数据库，必须编写数据库的接口，但在传统的专家系统中，数据库接口往往是针对特定的数据库类型而编写的。其实现方式一般有三种：①利用专家系统开发工具自身提供的数据库接口，如VPEXPERT提供了DBASE接口；②对于简单的文件型数据库，如DBASE、FoxPro，编写直接存取数据库文件；③对于复杂的大型网络数据库，如SQLSERVER、ORACLE，采用其自身提供的专用数据库接口，如SQLSERVER提供了DBLIBARAY接口。所有这些接口方式都存在共同的问题，即数据库接口和数据库是严格的一一对应关系，数据库接口一旦开发完毕，所采用的数据库也就固定。一旦数据库出现变动，则往往会导致数据库接口的重新编写，甚至整个系统完全重新开发，从而给系统开发、维护人员带来了沉重的负担，不但大大增加了软件开发和维护费用，而且很难保证系统的可靠性。上述的缺点大大地破坏了系统的整体性，界面的一致性、友好性，降低了系统的可靠性和响应速度，增大了系统的整体规模。2.2智能嵌人式电力系统运行管理专家系统为克服上述传统专家系统的缺陷，本文在电力系统运行管理专家系统的开发和应用中，提出一种智能嵌人式电力系统运行管理专家系统的实现方法。该专家系统由网络拓扑绘图模块、数据库管理模块、推理机和知识库模块构成。各组成模块既相互独立，又有机地联系在一起。网络拓扑模块用于绘制电气主接线图，同时，它是整个系统的用户界面。用户在整个操作过程中只须面对其熟悉的电气主接线图，即可进行数据库查询、启动推理机等操作，从而大大地降低了操作的复杂性。数据库管理模块可对电网线路、互感器、变压器、发电机的参数及保护配制、定值等进行管理。推理机模块实现了一个高效产生式的前向链推理机，它和知识库完全独立，并可以和其它应用实现“双向嵌人”。2.2.1开放的数据库模块作为专家系统的重要内容之一，数据库接口应当