基于嵌人式Linux的網絡RTU

        分布式的網絡遠動終端單元RTU(Remote Terminal Unit)在功能、可靠性、易維護方面顯現出其相對于傳統RTU的優勢。介紹了一種基于嵌入式Linux的分布式網絡RTU，它具有強大的網絡通信功能和良好的開放性。RTU不僅是一種數據采集和控制的終端裝置，它可以集成很多擴展模塊成為變電站的信息處理核心平臺。特別是在分級電壓控制系統中。作為一級電壓控制的無功/電壓當地控制模塊完全可集成到網絡RTU中。這種模式一方面有利于與二級電壓控制系統協調，另一方面也方便維護并可有效降低投資成本。

        由于網絡遠程終端單元RTU(Remote Terminal Unit)具有強大的數據處理能力和開放的體系結構，可以作為變電站的一個信息處理核心平臺，并在這個平臺上實現很多擴展功能特別是由于全局電壓/無功控制系統在國內已逐步實施，變電站內的無功/電壓控制裝置作為一級電壓控制存在。需要與二級電壓控制協調。本文拓展了RTU的功能，把無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，具有很好的性價比。本系統是基于linux操作系統平臺。

        1 、Linux操作系統簡介

        Linux是一種與Unix相似、以微內核為基礎、完全內存保護、多任務多進程的操作系統。支持廣泛的計算機硬件，包括x86，Alpha，Sparc，MIPS，PPC，ARM，NEG。MOTOROLA等現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)下發行。這樣。開發人員可以對操作系統進行定制;也不必擔心像MSWindows操作系統中“后門”的威脅。

        同時由于有GPL的控制。保證了系統的相互兼容。Linux還擁有龐大的開發者，技術發展迅速。另外，Linu【帶有Unix用戶熟悉的完善的開發工具，幾乎所有的Unix系統的應用軟件都已移植到Linux上。Linux還提供了強大的網絡功能和圖形界面，有多種可選擇窗口管理器。

        1.1 Linux的優點

        a.Linux相對于傳統的DOS而言，功能強大。相比于Windows系列，Linux也有其自身優勢，即系統穩定、開放性好、裁剪性強、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，整個系統可以存儲在2M芯片上;安裝在ComnactPC上的RTU系統只需要32M的存儲卡，即可實現中文圖形化的界面和多種網絡實用功能。強大的Linux還可以提供方便的遠程圖形顯示，維護和使用方便。

        b.成本低廉。Linux是免費的操作系統，任何人都可以在網絡上自由下載并使用。相對于昂貴的Windows CE或者VxWorks等商業操作系統，使用Linux大大降低了RTU裝置的軟件費用。

        c.安全可靠。現階段大部分的RTU系統采用的是MicmsoftWindows平臺，系統普遍存在安全薄弱、易受病毒危害的缺點。RTU運行時一般都要安裝防病毒軟件。即使如此效果往往不盡人意，同時也增加了系統的維護工作量。這對于互聯的網絡RTU而言是一個嚴重的安全問題。而Linux系統繼承了傳統Unix安全可靠的優點，病毒數量極少。另外.1通過調整相關的Linux內核選項或者服務配置可以有效抵御常規的攻擊。

        1.2嵌入式Linux簡介

        嵌入式系統需要的是一套高度簡練、界面友善、質量可靠、應用廣泛、易開發、多任務，并且價格低廉的操作系統。因為嵌入式Linux的開放性，非常適合多數Intemet設備。Linux可以支持不同的設備、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備的操作系統。由于采用嵌入式操作系統.可以采用配置低廉和相對簡單的硬件。所以采用嵌入式操作系統開發出的RTU具有低能耗、高可靠性的優點。本文RTU采用的嵌入式操作系統是高端嵌入式系統，要求很多高級功能，如圖形用戶界面和網絡支持。

        2、分布式網絡RTU

        2.1 網絡化

        傳統的RTU一般采用串口傳輸數據，通信速度常常是制約系統性能的瓶頸。本文采用網絡方式以后數據傳輸速度可以達到2Mbit/s,10 Mbit/s，至100Mbit/s，以滿足遠動數據傳輸的要求。同時。網絡所能提供的各方面的功能(例如IP尋址)遠非串口所能比擬，從而為分布式系統的應用提供了實現的途徑。

        IEC TC57提出了電力系統統一的通信協議體系，把整個電力系統的通信系統分為過程總線(IEC61850)、站級總線(IEC61850)、遠程通信(IEC60870—6 TASE.2或IEC61850+)和 企業總線(IEC61968UIB)等，并且底層全部采用了基于TCP/IP的以太網。采用標準的TCP/IP以太網絡接口可以提高系統的互聯性，為今后的功能擴展提供了便利。

        2.2分布式RTU的特點和構成

        2.2.1 分布式RTU的特點

        傳統的集中式RTU分別以模擬量、數字量和脈沖量作為輸入，電網的一次數據需要經過大量的二次電纜和轉接屏接人到測控裝置中。而本文采用的單元分布式RTU直接面向設備進行測控，嵌入式模塊可以就近安裝在一次設備上，只用引入一根網線即可。其結構如圖1所示。

        與集中式RTU相比，分布式RTU有以下優點：

        a.成本降低。就近安裝嵌入式的測控模塊，用少量簡易的網線代替龐雜的二次電纜。將會大大節省變電站空間，降低成本。

        b.安裝調試方便。采用分布式RTU，降低了整體復雜度.能避免很多接線錯誤和煩瑣的調試過程。當變電站一次系統擴建時，僅需增加相應的測控單元。擴充數據庫即可，而不影響已在線運行的監控系統的正常工作。

        c.減少數據流程，提高系統的可靠性。對于傳統的集中式RTU系統。如果RTU主機癱瘓，將使得整個RrITU癱瘓，而分布式RTU則不存在這個問題：每個分布式的模塊在網絡上都是一個獨立的模塊，不受其他模塊的影響，它們通過一個本地集線器接入整個網絡.從而增加了系統硬件配置的靈活性。

        d.提供模塊之間的訪問與控制。通過網絡方式，可以輕易地實現各個模塊的互訪，從而增強了系統的擴展性。相對于集中式，網絡分布式的系統可，以有以下多種構架模式：

        a.模式一為間隔層，網絡通信管理層，站級層。如果主站不支持直接面向測控單元通信，只能以變’電站為單元來處理數據，可以采用這種模式，即指定或者添加一個模塊作為通信樞紐，溝通主站與間隔層上的測控模塊。站級層即本地監控或者繼保工程師站。

        b.模式二為間隔層，網絡通信管理層。同上，對于無人值守站，無需本地監控。也無需將本地監控功能在轉發機上實現。

        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。充分體現了分布式、模塊化的優點。

        2.2.2嵌入式測控模塊

        一個變電站的分布式系統是由面向一次設備和二次設備的十多個乃至數十個測控單元構成的。硬件采用基于ARM處理器的工業采集模塊，操作系統為Linux的變種：uClinux。整個模塊所占存儲空間在2M以內。測控模塊包含了面向所有測控設備的功能。具體應用時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.鑒于大多數主站只能以變電站為單位進行通信，因此需要一個站內的模塊作為通信樞紐。主要完成數據的采集匯總和向調度、集控站的轉發功能，同時也接收上級的控制信息并下發到各個模塊進行相應的控制。最大限度地保證了軟硬件平臺的適應性。作為通信的核心程序，其效率和穩定性是很重要的。Linux下可以采用基于流式TCP協議的網絡接口，通過類似于中斷的select方式，大大提高程序的運行效率。

        2.3 RTU擴展模塊

        隨著計算機硬件的發展，RTU主機上的CPU、內存等資源不再成為影響RTU性能的制約因素，同時Linux操作系統也提供了先進的內存管理以及多任務支持。傳統的本地監控、保護維護以及本地無功電壓控制功能可以加入到RTU主機中，比如一次接線圖上實時數據顯示、報警、打印、歷史數據存儲等，使得系統復雜度和成本大大降低。本文中的RTU系統就是將各個模塊與通信管理模塊都放在一個高性能工控機或COMPACTPC上。

        2.3.1 電壓無功綜合控制模塊傳統的變電站

        電壓無功綜合控制VQC(Voltage and reactivepower(Q) Contr)裝置是擁有完整軟硬件的獨立設備，需要采集變壓器的無功、母線電壓和主要的開關位置用于分析決策，另外控制命令的下發也需要獨立的控制單元。實際上，RTU具有VQC所需的所有狀態變量和控制回路;特別是在很多地方，VQC已不是獨立運行的終端設備，而是需要與二級電壓控制軟件系統協調的一級電壓控制終端。分布式RTU與控制中心具有很強的通信能力和開放的體系結構，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現與控制中心通信與協調。本文所提出的RTU系統使用開放式的實時數據庫技術，其他擴展模塊可以方便地獲得RTU上的各種實時數據.同時利用相關的邏輯運算和控制接口即可實現VQC的功能。

        2.3.2本地監控模塊

        隨著無人值守變電站大量涌現，本地監控的重要性日漸降低，但是就目前我國電力系統自動化水平而言，在220kV變電站內提供一個方便、功能全面的本地監控模塊是很有必要的。其主要實現一次接線圖及其實時數據顯示和系統的配置和查詢。無論是在系統調試階段。還是在系統調整升級過程中。本地監控模塊都將發揮重要的作用。對于中小型變電站。其本地監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 保護設置模塊

        可以通過通信管理模塊提供的虛擬終端實現對下層設備的訪問、間接查詢并設置保護設備的相關信息。保護設置模塊現在基于Qt/Linux—Embedded/X11/MSWindows實現。只要在網絡節點的計算機上安裝了本模塊就可以在線查詢和修改保護數據。極大地方便了繼保維護。

        2.3.4遠程維護

        傳統的RTU遠程維護模塊通常是一個獨立的復雜模塊，需要單獨軟硬件支持。而Linux具有強大的網絡功能，可以輕易利用操作系統所提供的各種網絡工具實現遠程維護：

        a.在集控站或調度中心利用文本方式telnet/ss登陸RTU主機進行維護：

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

        c.利用ftp傳輸數據文件和系統配置文件。