基于嵌人式Linux的網(wǎng)絡(luò)RTU

        分布式的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)動(dòng)終端單元RTU(Remote Terminal Unit)在功能、可靠性、易維護(hù)方面顯現(xiàn)出其相對(duì)于傳統(tǒng)RTU的優(yōu)勢(shì)。介紹了一種基于嵌入式Linux的分布式網(wǎng)絡(luò)RTU，它具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能和良好的開放性。RTU不僅是一種數(shù)據(jù)采集和控制的終端裝置，它可以集成很多擴(kuò)展模塊成為變電站的信息處理核心平臺(tái)。特別是在分級(jí)電壓控制系統(tǒng)中。作為一級(jí)電壓控制的無(wú)功/電壓當(dāng)?shù)乜刂颇K完全可集成到網(wǎng)絡(luò)RTU中。這種模式一方面有利于與二級(jí)電壓控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，另一方面也方便維護(hù)并可有效降低投資成本。

        由于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端單元RTU(Remote Terminal Unit)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和開放的體系結(jié)構(gòu)，可以作為變電站的一個(gè)信息處理核心平臺(tái)，并在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)很多擴(kuò)展功能特別是由于全局電壓/無(wú)功控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已逐步實(shí)施，變電站內(nèi)的無(wú)功/電壓控制裝置作為一級(jí)電壓控制存在。需要與二級(jí)電壓控制協(xié)調(diào)。本文拓展了RTU的功能，把無(wú)功電壓控制和其他一些功能集成到RTU中，形成了一種綜合性的RTU，具有很好的性價(jià)比。本系統(tǒng)是基于linux操作系統(tǒng)平臺(tái)。

        1 、Linux操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

        Linux是一種與Unix相似、以微內(nèi)核為基礎(chǔ)、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)。支持廣泛的計(jì)算機(jī)硬件，包括x86，Alpha，Sparc，MIPS，PPC，ARM，NEG。MOTOROLA等現(xiàn)有的大部分處理器芯片。程序源碼全部公開。任何人可以修改并在GNU通用公共許可證GPL(GNUGeneralPublic Licens!e)下發(fā)行。這樣。開發(fā)人員可以對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行定制;也不必?fù)?dān)心像MSWindows操作系統(tǒng)中“后門”的威脅。

        同時(shí)由于有GPL的控制。保證了系統(tǒng)的相互兼容。Linux還擁有龐大的開發(fā)者，技術(shù)發(fā)展迅速。另外，Linu【帶有Unix用戶熟悉的完善的開發(fā)工具，幾乎所有的Unix系統(tǒng)的應(yīng)用軟件都已移植到Linux上。Linux還提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和圖形界面，有多種可選擇窗口管理器。

        1.1 Linux的優(yōu)點(diǎn)

        a.Linux相對(duì)于傳統(tǒng)的DOS而言，功能強(qiáng)大。相比于Windows系列，Linux也有其自身優(yōu)勢(shì)，即系統(tǒng)穩(wěn)定、開放性好、裁剪性強(qiáng)、配置靈活。基于ARM處理器的uClinux模塊在5cHDk左右。加上RTU軟件模塊，整個(gè)系統(tǒng)可以存儲(chǔ)在2M芯片上;安裝在ComnactPC上的RTU系統(tǒng)只需要32M的存儲(chǔ)卡，即可實(shí)現(xiàn)中文圖形化的界面和多種網(wǎng)絡(luò)實(shí)用功能。強(qiáng)大的Linux還可以提供方便的遠(yuǎn)程圖形顯示，維護(hù)和使用方便。

        b.成本低廉。Linux是免費(fèi)的操作系統(tǒng)，任何人都可以在網(wǎng)絡(luò)上自由下載并使用。相對(duì)于昂貴的Windows CE或者VxWorks等商業(yè)操作系統(tǒng)，使用Linux大大降低了RTU裝置的軟件費(fèi)用。

        c.安全可靠?，F(xiàn)階段大部分的RTU系統(tǒng)采用的是MicmsoftWindows平臺(tái)，系統(tǒng)普遍存在安全薄弱、易受病毒危害的缺點(diǎn)。RTU運(yùn)行時(shí)一般都要安裝防病毒軟件。即使如此效果往往不盡人意，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的維護(hù)工作量。這對(duì)于互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)RTU而言是一個(gè)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。而Linux系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)Unix安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，病毒數(shù)量極少。另外.1通過(guò)調(diào)整相關(guān)的Linux內(nèi)核選項(xiàng)或者服務(wù)配置可以有效抵御常規(guī)的攻擊。

        1.2嵌入式Linux簡(jiǎn)介

        嵌入式系統(tǒng)需要的是一套高度簡(jiǎn)練、界面友善、質(zhì)量可靠、應(yīng)用廣泛、易開發(fā)、多任務(wù)，并且價(jià)格低廉的操作系統(tǒng)。因?yàn)榍度胧絃inux的開放性，非常適合多數(shù)Intemet設(shè)備。Linux可以支持不同的設(shè)備、不同的配置。嵌入式Linux具有良好韻可移植性而且成本極低。能夠很快成為用于各種設(shè)備的操作系統(tǒng)。由于采用嵌入式操作系統(tǒng).可以采用配置低廉和相對(duì)簡(jiǎn)單的硬件。所以采用嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)出的RTU具有低能耗、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。本文RTU采用的嵌入式操作系統(tǒng)是高端嵌入式系統(tǒng)，要求很多高級(jí)功能，如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持。

        2、分布式網(wǎng)絡(luò)RTU

        2.1 網(wǎng)絡(luò)化

        傳統(tǒng)的RTU一般采用串口傳輸數(shù)據(jù)，通信速度常常是制約系統(tǒng)性能的瓶頸。本文采用網(wǎng)絡(luò)方式以后數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到2Mbit/s,10 Mbit/s，至100Mbit/s，以滿足遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｍ瑫r(shí)。網(wǎng)絡(luò)所能提供的各方面的功能(例如IP尋址)遠(yuǎn)非串口所能比擬，從而為分布式系統(tǒng)的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)的途徑。

        IEC TC57提出了電力系統(tǒng)統(tǒng)一的通信協(xié)議體系，把整個(gè)電力系統(tǒng)的通信系統(tǒng)分為過(guò)程總線(IEC61850)、站級(jí)總線(IEC61850)、遠(yuǎn)程通信(IEC60870—6 TASE.2或IEC61850+)和 企業(yè)總線(IEC61968UIB)等，并且底層全部采用了基于TCP/IP的以太網(wǎng)。采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP以太網(wǎng)絡(luò)接口可以提高系統(tǒng)的互聯(lián)性，為今后的功能擴(kuò)展提供了便利。

        2.2分布式RTU的特點(diǎn)和構(gòu)成

        2.2.1 分布式RTU的特點(diǎn)

        傳統(tǒng)的集中式RTU分別以模擬量、數(shù)字量和脈沖量作為輸入，電網(wǎng)的一次數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)大量的二次電纜和轉(zhuǎn)接屏接人到測(cè)控裝置中。而本文采用的單元分布式RTU直接面向設(shè)備進(jìn)行測(cè)控，嵌入式模塊可以就近安裝在一次設(shè)備上，只用引入一根網(wǎng)線即可。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        與集中式RTU相比，分布式RTU有以下優(yōu)點(diǎn)：

        a.成本降低。就近安裝嵌入式的測(cè)控模塊，用少量簡(jiǎn)易的網(wǎng)線代替龐雜的二次電纜。將會(huì)大大節(jié)省變電站空間，降低成本。

        b.安裝調(diào)試方便。采用分布式RTU，降低了整體復(fù)雜度.能避免很多接線錯(cuò)誤和煩瑣的調(diào)試過(guò)程。當(dāng)變電站一次系統(tǒng)擴(kuò)建時(shí)，僅需增加相應(yīng)的測(cè)控單元。擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)即可，而不影響已在線運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作。

        c.減少數(shù)據(jù)流程，提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于傳統(tǒng)的集中式RTU系統(tǒng)。如果RTU主機(jī)癱瘓，將使得整個(gè)RrITU癱瘓，而分布式RTU則不存在這個(gè)問(wèn)題：每個(gè)分布式的模塊在網(wǎng)絡(luò)上都是一個(gè)獨(dú)立的模塊，不受其他模塊的影響，它們通過(guò)一個(gè)本地集線器接入整個(gè)網(wǎng)絡(luò).從而增加了系統(tǒng)硬件配置的靈活性。

        d.提供模塊之間的訪問(wèn)與控制。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式，可以輕易地實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的互訪，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。相對(duì)于集中式，網(wǎng)絡(luò)分布式的系統(tǒng)可，以有以下多種構(gòu)架模式：

        a.模式一為間隔層，網(wǎng)絡(luò)通信管理層，站級(jí)層。如果主站不支持直接面向測(cè)控單元通信，只能以變’電站為單元來(lái)處理數(shù)據(jù)，可以采用這種模式，即指定或者添加一個(gè)模塊作為通信樞紐，溝通主站與間隔層上的測(cè)控模塊。站級(jí)層即本地監(jiān)控或者繼保工程師站。

        b.模式二為間隔層，網(wǎng)絡(luò)通信管理層。同上，對(duì)于無(wú)人值守站，無(wú)需本地監(jiān)控。也無(wú)需將本地監(jiān)控功能在轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

        c.模式三為間隔層。主站直接同變電站分散式模塊通信。適合于無(wú)人值守的變電站，這種模式需要主站支持。成本最低。充分體現(xiàn)了分布式、模塊化的優(yōu)點(diǎn)。

        2.2.2嵌入式測(cè)控模塊

        一個(gè)變電站的分布式系統(tǒng)是由面向一次設(shè)備和二次設(shè)備的十多個(gè)乃至數(shù)十個(gè)測(cè)控單元構(gòu)成的。硬件采用基于ARM處理器的工業(yè)采集模塊，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux的變種：uClinux。整個(gè)模塊所占存儲(chǔ)空間在2M以內(nèi)。測(cè)控模塊包含了面向所有測(cè)控設(shè)備的功能。具體應(yīng)用時(shí)只要提供不同的配置文件即可。

        2.2.3通信管理模塊

        如前所述.鑒于大多數(shù)主站只能以變電站為單位進(jìn)行通信，因此需要一個(gè)站內(nèi)的模塊作為通信樞紐。主要完成數(shù)據(jù)的采集匯總和向調(diào)度、集控站的轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)也接收上級(jí)的控制信息并下發(fā)到各個(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制。最大限度地保證了軟硬件平臺(tái)的適應(yīng)性。作為通信的核心程序，其效率和穩(wěn)定性是很重要的。Linux下可以采用基于流式TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)類似于中斷的select方式，大大提高程序的運(yùn)行效率。

        2.3 RTU擴(kuò)展模塊

        隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，RTU主機(jī)上的CPU、內(nèi)存等資源不再成為影響RTU性能的制約因素，同時(shí)Linux操作系統(tǒng)也提供了先進(jìn)的內(nèi)存管理以及多任務(wù)支持。傳統(tǒng)的本地監(jiān)控、保護(hù)維護(hù)以及本地?zé)o功電壓控制功能可以加入到RTU主機(jī)中，比如一次接線圖上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警、打印、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，使得系統(tǒng)復(fù)雜度和成本大大降低。本文中的RTU系統(tǒng)就是將各個(gè)模塊與通信管理模塊都放在一個(gè)高性能工控機(jī)或COMPACTPC上。

        2.3.1 電壓無(wú)功綜合控制模塊傳統(tǒng)的變電站

        電壓無(wú)功綜合控制VQC(Voltage and reactivepower(Q) Contr)裝置是擁有完整軟硬件的獨(dú)立設(shè)備，需要采集變壓器的無(wú)功、母線電壓和主要的開關(guān)位置用于分析決策，另外控制命令的下發(fā)也需要獨(dú)立的控制單元。實(shí)際上，RTU具有VQC所需的所有狀態(tài)變量和控制回路;特別是在很多地方，VQC已不是獨(dú)立運(yùn)行的終端設(shè)備，而是需要與二級(jí)電壓控制軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)的一級(jí)電壓控制終端。分布式RTU與控制中心具有很強(qiáng)的通信能力和開放的體系結(jié)構(gòu)，所以把VQC模塊集成到RTU中，一方面可以降低成本，更重要的是VQC控制模塊可以很容易實(shí)現(xiàn)與控制中心通信與協(xié)調(diào)。本文所提出的RTU系統(tǒng)使用開放式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，其他擴(kuò)展模塊可以方便地獲得RTU上的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).同時(shí)利用相關(guān)的邏輯運(yùn)算和控制接口即可實(shí)現(xiàn)VQC的功能。

        2.3.2本地監(jiān)控模塊

        隨著無(wú)人值守變電站大量涌現(xiàn)，本地監(jiān)控的重要性日漸降低，但是就目前我國(guó)電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平而言，在220kV變電站內(nèi)提供一個(gè)方便、功能全面的本地監(jiān)控模塊是很有必要的。其主要實(shí)現(xiàn)一次接線圖及其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和系統(tǒng)的配置和查詢。無(wú)論是在系統(tǒng)調(diào)試階段。還是在系統(tǒng)調(diào)整升級(jí)過(guò)程中。本地監(jiān)控模塊都將發(fā)揮重要的作用。對(duì)于中小型變電站。其本地監(jiān)控模塊完全可以集成到分布式RTU的通信管理模塊中。

        2.3.3 保護(hù)設(shè)置模塊

        可以通過(guò)通信管理模塊提供的虛擬終端實(shí)現(xiàn)對(duì)下層設(shè)備的訪問(wèn)、間接查詢并設(shè)置保護(hù)設(shè)備的相關(guān)信息。保護(hù)設(shè)置模塊現(xiàn)在基于Qt/Linux—Embedded/X11/MSWindows實(shí)現(xiàn)。只要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)上安裝了本模塊就可以在線查詢和修改保護(hù)數(shù)據(jù)。極大地方便了繼保維護(hù)。

        2.3.4遠(yuǎn)程維護(hù)

        傳統(tǒng)的RTU遠(yuǎn)程維護(hù)模塊通常是一個(gè)獨(dú)立的復(fù)雜模塊，需要單獨(dú)軟硬件支持。而Linux具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，可以輕易利用操作系統(tǒng)所提供的各種網(wǎng)絡(luò)工具實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)：

        a.在集控站或調(diào)度中心利用文本方式telnet/ss登陸RTU主機(jī)進(jìn)行維護(hù)：

        b.采用Windows上的XWindow軟件(ext塒(，exceed，Xwin32)圖形登陸，極大地方便了常規(guī)的維護(hù);

        c.利用ftp傳輸數(shù)據(jù)文件和系統(tǒng)配置文件。