变电站通用通信平台的研究

变电站通用通信平台的研究答辩人：史向峰导师：杨奇逊教授时间：2005年3月主要内容一.绪论二.通用通信平台结构的建立三.数据处理相关层间数据交换方案设计四.IEC60870-5-104规约的研究五.104规约软件实现及改进六.总结1.1变电站自动化领域的几个发展趋势(1)通信网络化（站内局域网和站外广域网）(2)功能集成化（一体化和通用化）(3)规约标准化（从间隔层到调度端采用国际标准）一.绪论1.2本课题的意义国内主要变电自动化厂家，最近推出的通信管理机和各类功能主站，在硬件构成上已经接近于国外同类产品，但在软件功能尤其是对变电站通信平台体系的研究和通用性方面还有待进一步开展工作。1.3本课题的主要工作本课题的主要工作是在研究新一代通用通信平台的基础上，开发变电站站控级RTU通信单元：(1)结合VxWorks操作系统结构提出通用通信平台分层结构。(2)设计各层间数据交换的新的方案，解决几个难点问题。(3)总结104规约的实际应用，指出应用中应该注意的问题。(4)比较接口层实现的两种模式，编制支持104规约的软件。2.1通用通信平台建立的意义及条件分布式网络对“通用化”平台的需求非常迫切，建立通用通信平台的意义在于能够利用相同或相近的软硬件底层平台去实现尽可能多的应用功能，如：远动、防误、遥视、WebServer、VQC等。网络技术将变电站之内的许多智能装置进行互联并实现信息共享，系统之内的许多资源可以充分为我所用。二.平台结构的建立应用层实时数据库层规约层硬件接口层嵌入式操作系统层BSP及驱动层硬件层2.2通用通信平台的分层结构2.3分层结构的优势(1)利于系统前期开发的任务划分。(2)保证了软件的通用、复用以及各层、各模块的无关性，延长了现有资源的生命周期。(3)应用层建立在数据库层之上，可以充分拓展依赖于网络实现的功能。2.4通用通信平台的功能定位(1)远动（常规及电力数据网）(2)通用规约转换器(3)VQC(4)WebServer(5)故障信息系统子站(6)小接地选线(7)通信网关(8)其他依赖于网络的功能主站2.5硬件结构示意图微处理器（MPC8260）串行口（Maxim）以太网设备（LXT970）FLASH（AMD）GPS秒脉冲EEPROM（Microchip）SDRAM（HYUNDAI）2.6VxWorks结构图I/O系统串口控制器VxWorks库Wind内核网络组件硬件无关层块设备驱动BSP硬件依赖层块设备控制器时钟文件系统以太网控制器硬件层(1)硬件接口层与规约层的数据交换主要是通信报文的交换，这类信息交换具有突发性和异步性两个显著的特点，即硬件接口程序和报文处理程序都不能预知报文产生的时间，对同一信息的操作有时序上的先后限制而不可能同时进行。(2)规约层与数据库层的信息交换主要是对数据库内容的查询和更新，信息量大而且庞杂，由于所有应用都建立在数据库之上，数据交换不能占太多时间。三.层间数据交换设计3.1各层之间数据交换的内容3.2VxWorks任务间通信机制(1)简单的数据共享，共享内存。(2)互斥和同步机制，信号量。(3)任务间传输消息所使用的消息队列和管道。(4)网络插口(Socket)和远程进程调用。3.3.1共享内存方式示意图共享区一共享区二共享区三共享区四规约一数据库规约二硬件接口任务内存区3.3.2共享内存方式性能分析(1)地址空间对于所有任务都易于操作，数据传输快捷。(2)各个任务没有阻塞的可能和相互制约的关系。(3)为了使每个任务在无限循环的过程中交出对CPU的控制权，用taskDelay使任务暂时处于休眠状态，如果任务延时过长，那么容易造成所有任务的休眠，相当于整个程序的暂停，如果任务的休眠时间过短，则容易造成任务切换过于频繁。数据库层规约层硬件接口层当相邻任务没有消息写入对列时，该任务阻塞，系统处于小负荷状态，只有相邻任务有消息发送时，该任务再作出相应的反应，整个程序各层衔接紧密，没有附加休眠时间，系统效率高。3.4消息队列方式示意图及性能分析(1)信号量交换的信息有限，不适于本课题的大数据量交换。(2)管道方式可作为消息队列的替代品，只是速度稍慢。(3)共享内存方式没有真正体现出多任务操作系统的优势。(4)本课题最终采用消息队列机制作为各层数据交换的方式。3.5数据交换方式的最终选择3.6Wind和POSIX消息队列的比较和选择Wind消息队列POSIX消息队列消息优先级数目132接收超时可选无任务通知无可选兼容性VxWorks专有1003.1b兼容本课题选用否是3.7.1消息队列方式存在的问题与对策之一如果一个任务有很多个队列需要读出，那么如果在先行读出的队列阻塞，后续应读出的队列也无法读出。使每一个任务读出的队列只有1个，虽然需要程序进一步判别消息的真正来源，但是采用这种方法后，任何发送到的消息都能读出，不会出现由于个别队列阻塞而耽误其它消息的情况发生。3.7.2消息队列方式存在的问题与对策之二消息队列的容量不可能很大，写入消息队列的消息如果超出了消息队列的允许的消息个数，同样也是会阻塞的，而这次阻塞必须等到它的读队列有消息来才可以解除。当硬件接口层送完一定数量的变化信息点而使得规约层写入的消息队列为空的时侯，硬件接口层任务再补发一条消息来通知规约层任务继续写入变化点消息，同理，规约层如果发现RTDB层写入的消息队列清空后也通知RTDB可以往相应的队列写入消息了。补发消息后，此时可能还有其它任务也满足了执行的条件，也就不能确定收到补发消息的队列所在的任务能够立刻执行，从而难以保证两个任务通信的连贯性。使用POSIX队列特有的“通知任务有消息在等待”的一组库函数，保证了两任务之间写队列、读队列再写队列、读队列的连贯性。3.7.3消息队列方式存在的问题与对策之三3.8.1层间通信原理图RTDB104规约以太网接口103规约串行口接口VXWORKSBSP层硬件层实时数据库层规约层硬件接口层3.8.2有关上述原理图的说明(1)每一任务有且仅有一个读出队列。(2)每一个规约任务分别写入的队列有两个。(3)数据库层写入的队列数等于规约任务总数。(4)硬件接口层写入的队列为一个。(5)每一层只与相邻层有信息交换。(6)规约层的不同规约任务间没有信息交换。(7)各层平时都阻塞于各自读出的消息队列。(8)系统运转的最终动力来源于外部硬件的报文。3.9消息的数据结构规约层与硬件接口层交换的消息包含了报文分割后的数据包：｛通道号；来自上层规约层的通道控制命令或发往上层的通道状态信息；是否是本报文的结束包；报文类型；消息的长度；数据包；｝规约层与数据库层交换的消息是四遥量信息：｛消息类型；消息长度；消息数据；｝4.1IEC60870-5-101、104规约的地位及前景TC-57委员会为适应电力系统的需要，制定了一系列的传输规约及配套标准，基本远动任务配套规约IEC60870-5-101和104就是其中的两个。在国内IEC61850完全取代IEC60870-5系列规约还是要经过相当长的一段时间的，在这段时间里，IEC60870系列标准仍是变电站自动化领域的重要准则。四.104规约分析4.2IEC60870-5-104规约在国内的应用(1)104规约在江苏、福建等省调获得了迅速的应用。(2)华能监控中心实现了与上海石洞口一厂104规约对接。(3)许继CBZ-8000在变电站内部通信网络采用103和104规约。(4)积成电子推出的网络FTU基于IEC60870-5-104规约。(5)近期各级电力公司启动了104规约上网（SPDnet）工作。4.3IEC60870-5-104规约应用的网络结构(1)点对点通信(2)变电站内部局域网络(3)包含不同类型的广域网络104规约任务104规约任务网络X.25ATMIP作用范围TCP作用范围104规约作用范围4.4IEC60870-5-104规约与TCP/IP的关系传统的串口低速传输是建立在固定电路连接的，如果同一个子站想要和多个调度端或是集控站连接，则必须建立多个物理通道，而采用104运行于以太网和TCP/IP协议之上实现网络化传输之后，在子站端只需建立一个局域网通道就能够解决一发多收的问题，使各个相关主站同时共享变电站的实时信息。4.5IEC60870-5-104规约的优势4.6IEC60870-5-104规约与101规约的比较(1)在传输路径的区别(2)在控制域和链路层上的区别(3)在数据单元上的区别(4)在传输过程上的区别4.7应用104规约需要注意的问题当104规约应用在一个简单的点对点的结构时，连接完全是可靠的，此时，APCI的作用并不突出，而当104规约应用在大范围的广域网上时，报文在不同的路由之间传输，先发送的数据包有可能阻塞在一个路由，而后发送的数据包就可能通过另外一个路由先行到达，这时APCI一整套建立连接、断开连接、测试链路和报文重发的机制之作用就显现出来了。开发人员应深入领会104规约的相关机制，完全按照IEC60870-5-104的标准内容来编程实现。5.1嵌入式TCP/IP(1)Internet接入的计算机系统大部分都是通用计算机系统。(2)专用设备嵌入TCP／IP而使其实现网络连接的意义很大。(3)RTOS提供的实时多任务机制使得嵌入式TCP/IP成为可能。五.软件实现5.2VxWorks网络系统结构NFSFTPTELNET104SOCKETTCPUDPIPMUXEthernetPPPSLIP…5.3硬件接口层两种并发模式(1)多任务模式结构上是父任务在接收请求后生成一个新的子任务，并将新产生的数据套接口传给它，子任务负责在这个套接口数据上通信。(2)单任务下多路复用I／O模式：将需要监听的套接字加入select的可读队列中监听，当此套接口变为可读后调用accept产生新的数据套接字，然后将此数据套接字也加入select可读监听队列中，继续监听。当新套接字上变为可读，表示有新的数据待处理，当最初的套接字变为可读，则表示有新的请求。5.4单任务模式流程开始建立套接字绑定本地址监听连接SELECT清零加入套接字有新套接字？加入新套接字建立SELECT老套接字通？数据处理建立新套接字是否否是5.5多任务模式占用系统资源statusbytes占用CPU1个客户端free143541040％～2％alloc5958562个客户端free142952960％～7％alloc6546643个客户端free142364880％～8％alloc7134725.6.1单任务模式占用系统资源（第一时间）statusbytes占用CPU1个客户端free143743920％～2％alloc5755682个客户端free143140800％～10％alloc6358803个客户端free142504088％～63％alloc6995525.6.2单任务模式占用系统资源（第二时间）statusbytes占用CPU1个客户端free143527600％～4％alloc5972002个客户端free142929925％～16％alloc6569683个客户端free1421325624％～83％alloc7367045.7两种模式的选择(1)在只有1个客户端连接并且在少量信息传送或者是大批量数据传送的开始阶段，单任务占用的内存数量相对较少，但如果发生大批量数据不间断传送时，单任务占用的内存数量就会显著增加，而多任务占用的内存数量保持不变。(2)考虑到远动规约的传送情况，一般来讲，连续传送大量数据只有在总召唤时候发生，所以当只有1个客户端连接时，单任务模式还是可取的，但是，如果客户端是多个，多任务模式是必然的选择。5.8104规约层控制信息程序功能的完善(1)响应主站发送的STARTDT和STOPDT启停U格式报文。(2)响应主站端的链路测试请求。(3)建立连接后T3内双方没有通信，发出链路测试请求。(4)发送K个I报文后没有收到主站的确认，暂停发送。(5)T1内没有收到主站对I或U格式的确认，断开连接。(6)重新连接后，将主站端没有收到的报文发送出去。(7)