湖南文理学院
课程设计报告
课程名称：嵌入式系统课程设计
专业班级：通信工程11101班11号
学生姓名：陈强
指导教师：杨峰
完成时间：2014年6月3日
报告成绩：
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评阅教师日期
湖南文理学院制
嵌入式Linux操作系统在电网继电保护故障信息管理系统中的应用
一、设计题目
嵌入式Linux操作系统在电网继电保护故障信息管理系统中的应用。
二、设计要求
1、利用嵌入式Linux操作系统对嵌入式Linux的FIS子站设计。
2、分析系统硬件设计的系统容量和系统特点。
3、分析系统的运行情况，并绘出制动特性曲线。
4、对软件进行分层分任务设计，绘出软件任务分布示意图。
5、对软件的个个层次进行具体分析。
6、撰写心得体会。
三、设计作用与目的
结合已在山西运城220 kV龙门站投运的故障信息管理系统，介绍了其设计技术、硬件构成和功能，对系统的实施情况进行了分析。
电网继电保护故障信息管理系统FIS(Fault Information Management System)的功能是：
①保护、故障录波器等二次设备的管理；
②二次设备的运行工况监视管理；
③二次设备所记录的电网异常或故障信息的综合有效管理；
④二次装置的动作值整定计算；
⑤二次装置的动作行为分析评价。
根据电力系统本身的结构特点，FIS一般采用分层的系统结构，包括3层：
①电网继电保护故障
信息管理中心主站(或分站)系统；
②置于变电站内的继电保护故障信息管理子站系统(简称PRFIS)；
③继电保护、微机故障录波器等其它智能化设备。
由于现场运行的继电保护、微机故障录波器等二次装置的型号和厂家多种多样，所以整
个FIS实施成功的关键，就在于PRFIS是否能够具备合理的结构和完善的功能。
四、所用设备及软件
1、 E—FIS主机
2、比率制动式差动继电器
3、PSTl200数字式变压器
4、MySQL数据库管理系统
5、嵌入式Linux操作系统
五、系统设计方案
1、嵌入式Linux操作系统简介
嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有突出的特点。它能大大提高嵌入式系统开发的效率，改变以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的弊病。LinuX内核小、效率高、源代码开放，作为自由软件，与嵌入式系统的结合，正日益被人们看好。Linux自身具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，还可跨越嵌入式系统开发中的仿真工具(ICE)的障碍。
强大的网络支持使其能利用LinuX的网络协议栈将其开发成为嵌入式的TCP／IP网络协议栈。对Linux的1个通常观点是，它因太大而不宜用作嵌入式系统。但实际上可通过配置内核、裁剪 shell和嵌人式c库对系统定制，使整个系统能够存放到容量较小的Flash中。LinuX的动态模块加载使Linux的裁剪极为方便，高度模块化的部件使添加非常容易。其它嵌入式系统如qnx，vxworks等，总的来说不如LinuX灵活，现在的趋势是保持灵活性和总体目标功能、尽量少做修改。由于Linu)【具有免费、源代码开放、支持多种 CPU等优点，使用Linux作为底层操作系统，对它进行裁减和定制，并在其基础上搭建嵌人式系统平台，成为日益流行的嵌入式操作系统的解决方案。
2、基于嵌入式Linux的FIS子站设计
PRFIS的目的就是采集变电站、电厂等站内的继电保护、故障录波器及其它安全自动装置的运行信息或故障信息，为电网故障和保护信息处理提供完整解决方案。所以先要为数据处理器选择1个好的操作系统。PRFIS要求运行可靠，能耗低，不需要散热风扇，能保证每天24 h，每周7 d的不间断工作。而嵌入式LinuX操作系统正如上所述，具有功能强大、体积小、能耗低、不需要散热风扇，稳定性强，采用电子盘、上电自动快速启动等特点。两者结合能充分发挥嵌入式LinuX操作系统的特点，满足实际工作对FIS子站的要求。基于嵌入式 Linux操作系统的PRFIS，以下简称为E—FIS。
2．1 系统总体结构框图设计
系统总体结构框图(见图1)。
图1 系统总体结构框图
2．1．1前端服务程序
是运行在E—FIS主机中的，为E—FIS系统提供各种服务和功能的可执行文件，主要由2部分组成：①E—FIS程序；②操作系统提供的服务。
因E—FIS主机操作系统选用嵌入式Linux操作系统，故服务器程序的运行环境为Linux。
E— FIS服务器端的组成及基本数据流向示于图2。
2．1．2后台处理程序
任务是维护系统运行参数，将服务端程序收集的信息以图形、声音等方式显示出来。它由建模软件和监控软件2个部分组成。
2．1．2．1建模软件
由于E—FIS系统运行用到的数据配置十分复杂，手工维护很容易出错，为保证E—FIS系统能正确运行，简化数据维护的复杂性，提供了建模程序，用程序将数据库复杂的逻辑关系封装起来，力图做到配置数据的简单化和傻瓜化。
a．通过本程序，既可配置本地的E—FIS系统，又可配置远程E—FIS系统数据，因此修改E—FIS 系统运行参数无须远赴现场，具有运程维护能力。
b．通过本程序，可方便地配置E—FIS系统用户、规约模块、串口和以太网口参数、一次设备／保护／录波器等的参数、GPS格式，以及历史库的维护等，具有良好的系统开放性。
c．通过本程序连接某个站的E—FIS系统时，需要接受该站点E—FIS系统的权限认证，它会根据不同的用户名／密码开放相应的维护权限，具有缜密的系统安全性。
d．本程序提供友好的人机交互界面，上手容易，提供丰富的键盘快捷方式，只需通过简单培训，用户便可自行配置E—FIS系统的运行参数。
e．用户管理灵活、方便，采用“用户一组”的模式，通过设置组的功能权利达到修改用户权限的目的，还可方便地实现用户和组的增、删、改。
2．1．2．2后台监控
监控程序通过显示建模软件绘制的画面文件，并与E—FIS服务端程序进行通讯，实时显示当前各种故障信息，并提供控制保护设备的多种方法。具体是：
①可提供与多个子站连接的功能，程序虽为子站客户端程序，但通过连接配置能实现保护集控站的功能；
②完善的用户权限管理、完整的用户操作记录和保护信息显示；
③多种告警方式；
④画面的任意放大和导航；
⑤信息显示的完整性；
⑥与波形分析程序(E—Wave)有机的结合。
六、系统硬件设计
1系统硬件的组成
E—FIS主机装置为3U高度，可直接安装在19 英寸的标准机柜中
表1 EEIS主机硬件配置
序号项目备注
1 CPU主屏300MHZ（功耗小）
2 内存128M
3 电子盘256M
4 硬盘20G
5 以太网口双10—100M自适应网卡
可直接接入北京四方公司的基于Lon网通讯方式的保护
6 Lon网卡
设备
7 串口12个
8 USB接口2个
9 扩展性可通过其他的配置扩展装置对整个系统进行扩展
1.1系统容量
站内设备接人数目：保护≥128个，录波器≥6 台；连接调度中心数目：≥3个；连接其它系统数目：≥3个；终端挂接数目：≥10台，可通过局域网、广
域网和拨号方式连接；数据保存年限：≥5年。保存数据的内容有操作日志、保护动作事件、保护告警事件、录波器事件及其录波数据、保护录波数据等。保存数据总容量可达20 G，并可扩充。
1.2 系统特点(见表2)
表2 系统特点
功能EFIS 基于Windows的FIS子站
系统
防病毒具有天然的免疫能力需要安装杀毒软件
安全性高高
系统运行和稳定性高。采用了多种防护措施，保证
一般
了软件系统永远不会死机
需要很高主屏的CPU 系统运行的效率前端服务程序基于字符界面，运
行效率高
功耗<35W >150W
远程升级可在电话拨号扥低速率下进行可在高速率的情况下进行
远程调试支持有难度
操作方便
操作的方便性后台建模和监控程序基于
Windows系统，操作方便
版权问题Linux为自由软件，无版权纠纷操作系统、数据库均需要
购买版权
2、工程实施
2．1龙门变电站规模
龙门站共有220 kV主变3台，220 kV出线8 回，旁路开关1个；110 kV出线9回，旁路开关1 个。220 kV及110 kV母线均为双母带旁母。 3．2工程实施情况该站采用了南京移腾电力技术有限公司的E— FIS嵌入式电网故障信息管理系统子站，接入的保护装置接口和通讯规约配。
表3 E—FIS子站接入的保护装置接口和通讯规约配置
保护型号保护类型硬件接口方式
WXH—802 线路保护以太网网桥方式
WDLK—864 断胳器保护以太网网桥方式
RCS—931 线路保护以太网
PSL—603 线路保护以太网
RCS—915 母线保护485
PSL—631A 断胳器保护以太网
PSL—602 线路保护以太网
WEH—801 变压器保护以太网网桥方式
WEH—813 变压器保护以太网
WEH—814 变压器保护以太网
RCS—978 变压器保护485
RCS—974 变压器保护485
PST—1200 变压器保护以太网
YS—8A 故障滤波器232
ZH—2 故障滤波器以太网
T—8A 故障滤波器网口
2．3运行情况
该系统于2005年1月投运，该系统目前接人了龙门站已投运的所有保护与录波器，包括南瑞、南自、许继、四方等厂家的保护及银山、中元、浪拜迪等厂家的录波器。该系统在监控室装有1台监控终端，同年4月，通过路由器与接入山西调通中心FIS主站和运城供电分公司FIS分站，系统运行稳定、可靠，达到了当初的设计要求。
制动电流也随之增大，使继电器的动作电流也相应增大，从而有效地防止了变压器区外
故障发生时差动保护误动作。
圈2制动特性曲线
由图3可知，比率制动式差动继电器能可靠地躲过外部故障时的不平衡电流，能有效地防止变压器区外故障发生时保护误动作，因此，差动保护的制动特性曲线的精确性就成了决定保护装置正确动作的关键，故制动特性曲线的测试也就成为整套保护装置的调试重点。
3、三折线式特性曲线
国电南自的PSTl200数字式变压器保护装置的比率制动特性曲线如图4，制动电流jzdd<匕时，制动系数为0，制动电流k
图3三折线式特性曲线
其动作判据为：①jedd≥Ioa；②Jzdd≤I,a；或 3Izd>Izdd>J zd；Ic&t—Icd≥K1×(Izdd
—Izd)；或I枷
>3Jzd；Jcdd—Iod·K1×2I,a≥K2×(Jzdd一3I,a) 其中：Jodd为变压器差动电流；J删为变压器差动保护制动电流；Icd为差动保护电流定值；Jzd为差动保护比率制动拐点电流定值，软件设定为高压侧额定电流值；K1、K2为比率制动的制动系数，软件设定
为K】=0．5，K2=0．7。
4、制动特性曲线的测试方法
常规保护测试制动特性曲线是在差动绕组与制动绕组分别通过动作电流和制动电流，通常是在高压侧和低压侧模拟区外故障通入电流测试，固定不同的低压侧电流，调整高压侧电流，使保护动作，计算动作电流和制动电流来绘出折线与整定的斜率比较是否相符。三折线式特性曲线的拐点由制动电流决定，制动电流在Jzd和3匕时为制动曲线的拐点。 PSTl200的比率制动拐点电流软件设定为高压侧额定电流值，因此在试验时，应该固定高压侧电流，调整中压侧电流来测得动作电流，通过最少在4个制动电流下测得的动作电流来检验曲线的斜率。测试时，分别在高、中压侧通入相位相反的电流珀、JM，JH相角为180。，JM相角为0。，减少中压的电流jM，使差动动作。
差动电流：led=jH+jM 制动电流：匕=max(jH，jM) 分别取4个点：Izd,21小31小41zd，测出动作时 k值，得到Iod值，则：K1=Jcd2一Jcdl／工zd2一jzdl；
Kz=J豳一Jcd3／Jzd4一jzd3。计算出制动系数K1、K2 与装置整定值相符。以上介绍的测试方法只考虑了变压器接线绕组为Y，yo，电流互感器变比的电流补偿系数为1的情况。但在现场工作中，可能会碰到变压器接线绕组为Y、△，电流互感器变比的电流补偿系数不为1 的情况，这时，需要考虑其他补偿系数的影响。
七、软件系统设计
子站管理机采用嵌入式Linux操作系统，该操作系统内核功能强大，性能高效、稳定、多任务，提供了完善的网络通信功能，便于远程管理：也采用稳定、高效与开放的内置标准数据库管理系统，为子站系统的处理、管理与使用提供了有力保障。软件协同设计充分利用Linux系统是全面的多任务和真正的32位操作系统的特点，根据系统功能的要求对软件进行分层分任务设计，基本目标是层次清晰、调试方便和不易出错。其中每层根
据实际情况安排了几个任务。程序流程图如图4所示。
图4 程序流程图
1、协议层
协议层主要实现对IED的数据采集、协议转换与转发，同时对经过命令处理通道下发的直接lED 命令进行操作，在软件中处于极为重要的地位。协议是否能够正确、及时地分析组织，将会影响整个软件的效率。常用的协议类型很多，包括与IED通信的
IEC60870—5．103，IEC61850，南瑞保护规约，南自保护规约，录波器规约等，以及与主站系统和监控系统通信的IEC60870．5．103，IEC60870．5。104，IEC61850等。协议转换就是将非IEC60870．5．103协议的lED装置转换为IEC60870．5—103协议，或者是将非IEC6 1 850协议的IED转换IEC6 1 850协议。协议转发必须完成报文分析和报文发送两个基本功能。接收到数据后，要根据报文的长度判断是否完整，如果完整，还要判断校验是否正确。如果接收到完整、正确的报文，则根据协议进行分析、填库、设置标志等操作。发送时要根据不同的标志，组织不同类型的报文发送。由于协议的不同，会有不同的组织结构。
2、数据库管理
由于电网故障时会产生大量的故障信息，必须具备突发性的大容量数据处理能力，同时具备历史存档功能，确保各类信息的完备性。该数据库必须提供标准的SQL访问接口和安全的访问机制，以便信息的进一步处理与共享。经过多方而比较，选择了MySQL数据库管理系统【8J。本文利用MySQL自带的C API函数进行数据库访问操作。
3、软件看门狗程序
软件看门狗程序负责对所有用户生成的任务进行监控。为防止多任务中个别任务出现异常而设计了本任务，它的优先级较高，通过实时查询其他任务的状态而判断其是否在正确运行。如果某个任务运行状态不正常，则要根据不同的状态采取相应的措施；如果某个任务出现阻塞或者停止，可以用命令让其运行；如果出现了一些严重错误，就要采取措施杀掉此任务，然后重新生成并启动它。由于各个任务相对独立，这种操作一般不会影响其他任务的运行。如果错误非常严重，甚至可以重新启动整个系统，保证短时间后系统能够重新正常运行。
4、管理配置和运行监视程序
由于采用了嵌入式操作平台，为了能够方便地配置工程和监视系统的运行情况，设计了管理配置和运行工况监视程序。它可以用来进行工程配置，包括装置类型、装置型号、通信规约、通信方式等。另外，它可以对子站管理机的实际运行情况进行监视，包括通信状态、·各个通信口的报文、运行状态等监视。
5、子站管理机的功能实现
按照上述设计原则，设计的新一代嵌入式继电保护故障信息处理系统子站管理机，与传统子站系统相比，嵌入式子站管理机具有如下功能特点。 IEC61850的应用：具有接入采用IEC61850规约的保护装置的能力，同时实现IEC61850和MMS与主站的通信。IEC61850核心模块的实现方式是以动态链接库(或静态库)方式。数据采用多级存储方式：各智能接入模块上具有的大容量FLASH为第一级数据存储器；主管理模块上的大容量CF卡为第二级数据存储器；硬盘 (可选的)为长时间、大容量保存数据的第三级数据存储器。接口丰富，容易扩展：采用总线式结构，可以实现即插即用，模块数量可根据现场的需要自由进行扩展。软件采用分层分布式模块化设计：通信规约设计成驱动程序方式，满足“即
选即用”或“在线组态”的要求，可以很方便地实现通信规约的更换和升级。灵活的人机交互：人机界面功能作到实用、操作方便；并在面板上设计有多个指示灯用于系统运行状态、通信状态指示、故障告警指示等。嵌入式子站管理机能够广泛适用于66～750 kV 各电压等级的发电厂和变电站子站系统。在子站系统应用中的网络结构可以根据变电站的布置方式或建设情况的不同，分为集中式和分布式两种。例如在分布式布置的变电站中，对于保护、录波等装置较为分散的场合，有多个保护小室，保护小室和主控制室间的距离较远，干扰信号强，为了提高系统的抗干扰能力和数据传输效率，在保护小室和主控室之间一般以光纤通道连接。在这样的变电站。
嵌入式子站接入装置与嵌入式子站管理机基本相同，主要差异是嵌入式子站接入装置没有配置主管理模块(CPU 模块)，主要负责装置接入、规约转换、信息收集功能。
八、嵌入式系统学习心得
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关嵌入式Linux操作系统方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
在这次课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在独自设计研究中，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查
询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
九、参考文献
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[责任编辑：王琨]
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