基于嵌人式Linux的网络RTU

2022-01-10 15:41:34| 来源：网络| 次| 0次

分布式的网络远动终端单元RTU(Remote Terminal Unit)在功能、可靠性、易维护方面显现出其相对于传统RTU的优势。介绍了一种基于嵌入式Linux的分布式网络RTU，它具有强大的网络通信功能和良好的开放性。RTU不仅是一种数据采集和控制的终端装置，它可以集成很多扩展模块成为变电站的信息处理核心平台。特别是在分级电压控制系统中。作为一级电压控制的无功/电压当地控制模块完全可集成到网络RTU中。这种模式一方面有利于与二级电压控制系统协调，另一方面也方便维护并可有效降低投资成本。

由于网络远程终端单元RTU(Remote Terminal Unit)具有强大的数据处理能力和开放的体系结构，可以作为变电站的一个信息处理核心平台，并在这个平台上实现很多扩展功能特别是由于全局电压/无功控制系统在国内已逐步实施，变电站内的无功/电压控制装置作为一级电压控制存在。需要与二级电压控制协调。本文拓展了RTU的功能，把无功电压控制和其他一些功能集成到RTU中，形成了一种综合性的RTU，具有很好的性价比。本系统是基于linux操作系统平台。

1 、Linux操作系统简介

Linux是一种与Unix相似、以微内核为基础、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件，包括x86，Alpha，Sparc，MIPS，PPC，ARM，NEG。MOTOROLA等现有的大部分处理器芯片。程序源码全部公开。任何人可以修改并在GNU通用公共许可证GPL(GNUGeneralPublic Licens!e)下发行。这样。开发人员可以对操作系统进行定制;也不必担心像MSWindows操作系统中“后门”的威胁。

同时由于有GPL的控制。保证了系统的相互兼容。Linux还拥有庞大的开发者，技术发展迅速。另外，Linu【带有Unix用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的Unix系统的应用软件都已移植到Linux上。Linux还提供了强大的网络功能和图形界面，有多种可选择窗口管理器。

1.1 Linux的优点

a.Linux相对于传统的DOS而言，功能强大。相比于Windows系列，Linux也有其自身优势，即系统稳定、开放性好、裁剪性强、配置灵活。基于ARM处理器的uClinux模块在5cHDk左右。加上RTU软件模块，整个系统可以存储在2M芯片上;安装在ComnactPC上的RTU系统只需要32M的存储卡，即可实现中文图形化的界面和多种网络实用功能。强大的Linux还可以提供方便的远程图形显示，维护和使用方便。

b.成本低廉。Linux是免费的操作系统，任何人都可以在网络上自由下载并使用。相对于昂贵的Windows CE或者VxWorks等商业操作系统，使用Linux大大降低了RTU装置的软件费用。

c.安全可靠。现阶段大部分的RTU系统采用的是MicmsoftWindows平台，系统普遍存在安全薄弱、易受病毒危害的缺点。RTU运行时一般都要安装防病毒软件。即使如此效果往往不尽人意，同时也增加了系统的维护工作量。这对于互联的网络RTU而言是一个严重的安全问题。而Linux系统继承了传统Unix安全可靠的优点，病毒数量极少。另外.1通过调整相关的Linux内核选项或者服务配置可以有效抵御常规的攻击。

1.2嵌入式Linux简介

嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统。因为嵌入式Linux的开放性，非常适合多数Intemet设备。Linux可以支持不同的设备、不同的配置。嵌入式Linux具有良好韵可移植性而且成本极低。能够很快成为用于各种设备的操作系统。由于采用嵌入式操作系统.可以采用配置低廉和相对简单的硬件。所以采用嵌入式操作系统开发出的RTU具有低能耗、高可靠性的优点。本文RTU采用的嵌入式操作系统是高端嵌入式系统，要求很多高级功能，如图形用户界面和网络支持。

2、分布式网络RTU

2.1 网络化

传统的RTU一般采用串口传输数据，通信速度常常是制约系统性能的瓶颈。本文采用网络方式以后数据传输速度可以达到2Mbit/s,10 Mbit/s，至100Mbit/s，以满足远动数据传输的要求。同时。网络所能提供的各方面的功能(例如IP寻址)远非串口所能比拟，从而为分布式系统的应用提供了实现的途径。

IEC TC57提出了电力系统统一的通信协议体系，把整个电力系统的通信系统分为过程总线(IEC61850)、站级总线(IEC61850)、远程通信(IEC60870—6 TASE.2或IEC61850+)和企业总线(IEC61968UIB)等，并且底层全部采用了基于TCP/IP的以太网。采用标准的TCP/IP以太网络接口可以提高系统的互联性，为今后的功能扩展提供了便利。

2.2分布式RTU的特点和构成

2.2.1 分布式RTU的特点

传统的集中式RTU分别以模拟量、数字量和脉冲量作为输入，电网的一次数据需要经过大量的二次电缆和转接屏接人到测控装置中。而本文采用的单元分布式RTU直接面向设备进行测控，嵌入式模块可以就近安装在一次设备上，只用引入一根网线即可。其结构如图1所示。

分布式RTU的特点

与集中式RTU相比，分布式RTU有以下优点：

a.成本降低。就近安装嵌入式的测控模块，用少量简易的网线代替庞杂的二次电缆。将会大大节省变电站空间，降低成本。

b.安装调试方便。采用分布式RTU，降低了整体复杂度.能避免很多接线错误和烦琐的调试过程。当变电站一次系统扩建时，仅需增加相应的测控单元。扩充数据库即可，而不影响已在线运行的监控系统的正常工作。

c.减少数据流程，提高系统的可靠性。对于传统的集中式RTU系统。如果RTU主机瘫痪，将使得整个RrITU瘫痪，而分布式RTU则不存在这个问题：每个分布式的模块在网络上都是一个独立的模块，不受其他模块的影响，它们通过一个本地集线器接入整个网络.从而增加了系统硬件配置的灵活性。

d.提供模块之间的访问与控制。通过网络方式，可以轻易地实现各个模块的互访，从而增强了系统的扩展性。相对于集中式，网络分布式的系统可，以有以下多种构架模式：

a.模式一为间隔层，网络通信管理层，站级层。如果主站不支持直接面向测控单元通信，只能以变’电站为单元来处理数据，可以采用这种模式，即指定或者添加一个模块作为通信枢纽，沟通主站与间隔层上的测控模块。站级层即本地监控或者继保工程师站。

b.模式二为间隔层，网络通信管理层。同上，对于无人值守站，无需本地监控。也无需将本地监控功能在转发机上实现。

c.模式三为间隔层。主站直接同变电站分散式模块通信。适合于无人值守的变电站，这种模式需要主站支持。成本最低。充分体现了分布式、模块化的优点。

2.2.2嵌入式测控模块

一个变电站的分布式系统是由面向一次设备和二次设备的十多个乃至数十个测控单元构成的。硬件采用基于ARM处理器的工业采集模块，操作系统为Linux的变种：uClinux。整个模块所占存储空间在2M以内。测控模块包含了面向所有测控设备的功能。具体应用时只要提供不同的配置文件即可。

2.2.3通信管理模块

如前所述.鉴于大多数主站只能以变电站为单位进行通信，因此需要一个站内的模块作为通信枢纽。主要完成数据的采集汇总和向调度、集控站的转发功能，同时也接收上级的控制信息并下发到各个模块进行相应的控制。最大限度地保证了软硬件平台的适应性。作为通信的核心程序，其效率和稳定性是很重要的。Linux下可以采用基于流式TCP协议的网络接口，通过类似于中断的select方式，大大提高程序的运行效率。

2.3 RTU扩展模块

随着计算机硬件的发展，RTU主机上的CPU、内存等资源不再成为影响RTU性能的制约因素，同时Linux操作系统也提供了先进的内存管理以及多任务支持。传统的本地监控、保护维护以及本地无功电压控制功能可以加入到RTU主机中，比如一次接线图上实时数据显示、报警、打印、历史数据存储等，使得系统复杂度和成本大大降低。本文中的RTU系统就是将各个模块与通信管理模块都放在一个高性能工控机或COMPACTPC上。

2.3.1 电压无功综合控制模块传统的变电站

电压无功综合控制VQC(Voltage and reactivepower(Q) Contr)装置是拥有完整软硬件的独立设备，需要采集变压器的无功、母线电压和主要的开关位置用于分析决策，另外控制命令的下发也需要独立的控制单元。实际上，RTU具有VQC所需的所有状态变量和控制回路;特别是在很多地方，VQC已不是独立运行的终端设备，而是需要与二级电压控制软件系统协调的一级电压控制终端。分布式RTU与控制中心具有很强的通信能力和开放的体系结构，所以把VQC模块集成到RTU中，一方面可以降低成本，更重要的是VQC控制模块可以很容易实现与控制中心通信与协调。本文所提出的RTU系统使用开放式的实时数据库技术，其他扩展模块可以方便地获得RTU上的各种实时数据.同时利用相关的逻辑运算和控制接口即可实现VQC的功能。

2.3.2本地监控模块

随着无人值守变电站大量涌现，本地监控的重要性日渐降低，但是就目前我国电力系统自动化水平而言，在220kV变电站内提供一个方便、功能全面的本地监控模块是很有必要的。其主要实现一次接线图及其实时数据显示和系统的配置和查询。无论是在系统调试阶段。还是在系统调整升级过程中。本地监控模块都将发挥重要的作用。对于中小型变电站。其本地监控模块完全可以集成到分布式RTU的通信管理模块中。