宋漢學號：104612310
（中南大學資訊科學與工程學院，控制工程，湖南省長沙市，410083）
摘要： 介紹了基於32位高效能晶元powerpc 8248的嵌入式電力系統閘道器，該閘道器實現了傳統電力系統規約iec 60870-5-103向iec 61850的轉換。主要介紹了系統整體構架、powerpc 8248的主要特性、軟體平台的設計和閘道器的結構。
介紹了一種智慧型嵌入式電力系統執行管理專家系統的實現，詳細闡述了系統資料庫、網路拓撲繪圖、推理機及知識庫模組的無隙整合技術。
關鍵詞：iec 61850規約；powerpc 8248；閘道器；專家系統；智慧型嵌入系統
1 基於 powerpc的嵌入式電力系統閘道器
隨著變電站自動化技術的發展，為了實現各種新型繼電保護智慧型電子裝置( ied)之間的互操作，2023年由德國國家委員會提出制定通用的變電站自動化標準建議，1998 年國際電工委員（iec）美國電器電子工程師協會（ieee）和美國epri達成共識,由iec牽頭，以美國uca2.0為基礎,制定乙個全球通用的變電站自動化標準ec61850。
變電站自動化系統的國際標準iec61850代表了變電站自動化技術的未來發展方向，變電站自動化系統的各種協議如iec60870、uca2.0、can等都要統一到iec 61850標準上來，各電力自動化裝置廠家都在積極開展相關技術的研發，但任何廠家都無法迴避乙個問題，就是基於iec61850的新系統與基於傳統規約的舊系統之間必然存在過渡期，開發乙個傳統規約和iec61850之間轉換的閘道器無疑是個不錯的選擇，下面主要是關於傳統電力系統規約iec 60870-5-103向iec 61850的轉換的閘道器系統的設計與實現，平台是基於powerpc8248 的嵌入式linux平台。
1. 1 系統結構概述
iec 61850將變電站自動化系統分成變電站層、間隔層、過程層。
（1）過程層過程層包括電壓、電流互感器，隔離開關等一次裝置。主要功能是：①實時電壓、電流訊號檢測；②執行裝置的狀態引數檢測；③操作控制執行與驅動（如斷路器分、 合閘操作）。
（2）間隔層間隔層由各種測量、控制裝置和保護裝置組成。主要功能有：①實施對一次裝置保護、控制功能；②實施電壓無功控制等其他控制功能。
（3）變電站層變電站層包括監控主機、工程師站和人機介面等。主要任務有：①通過變電站匯流排彙總全站的實時資料資訊，不斷重新整理實時資料庫，按時登入歷史資料庫；②由監控主機按既定協約將有關資料資訊傳送往排程中心，接收排程中心有關控制命令並轉間隔層、過程層執行；③對於有人值班變電站，監控主機還具有站內當地監控、人機聯絡功能，如顯示、操作、列印、報警等功能以及影象、聲音等多**功能。
本系統設計就是將間隔層的保護裝置和測控裝置等智慧型電子裝置（ied）傳來的符合 iec 60870-5-103規約的mms報文，經過閘道器系統轉換成符合iec 61850的協議格式的mms報文，再傳送給變電站層的hm i（人機介面）等裝置；圖1.1.1為該協議轉換的系統結構圖。
圖1.1.1 系統結構圖
圖1.1.1的保護裝置和測控裝置等智慧型電子裝置支援的規約是iec 60870-5-103，系統採用 c /s（客戶端/伺服器）模式實現網路連線，人機介面hm i相當於客戶端，閘道器系統相當於伺服器端，人機介面（hm i）和閘道器之間傳輸的協議是iec 61850格式的mms報文，閘道器與保護裝置和測控裝置等智慧型電子裝置之間傳輸的協議是iec 60870-5-103格式的mms報文。
製造報文規範（manufacturing message specification，以下簡稱mms）是iso/iec9506標準所定義的一套用於工業控制系統的通訊協議。國際標準化組織出台mms的目的是為了規範工業領域具有通訊能力的智慧型感測器、智慧型電子裝置和智慧型控制裝置的通訊行為，使不同製造商的裝置之間具有互操作性。iec 61850將其底層對映到mms上通過網際網路進行傳輸。
1.2 powerpc 8248處理器介紹
powerpc 8248是基於power qu iccii技術的高階晶元，和同體系的其他晶元一樣，它是一款雙核晶元。乙個處理器是嵌入的g2_le核心，另乙個是專門的risc的通訊處理模組cpm。由於cpm分擔了g2_le核的外圍工作任務，因此這種雙核體系比單處理器具有更高的效率。
它的處理頻率高達400mhz。它的主要特性有：
（1）強大的內嵌雙處理器，處理頻率可達266~ 400mhz，內建浮點單元支援浮點運算，支援cop測試介面（common on-chip processor）；
（2）低功耗，266mh z下功耗僅為0.8w；
（3）32位資料匯流排、32位位址匯流排；
（4）系統介面模組siu，支援ieee 1149.1jtag測試埠；
（5）記憶體控制器，給sram、sdram、dram、flash及其他使用者裝置提供介面。
（6）高效能的cpm模組，有8個獨立的波特率發生器，支援包括2個高速通訊控制器（fcc）、3個序列通訊控制器（scc）、2個序列管理控制器（smc）、乙個usb控制器、spi介面及i2c控制器，實現包括乙太網通訊、串列埠通訊、usb通訊等多種通訊方式。
（7）mpc8248還有乙個有特色的安全機構，通過它，系統設計者可以在mpc8248中使用加密功能。
可以看出mpc8248是一款功能強大、具有較高開發價值的微處理器,同時它秉承power pc系列晶元高可靠性，高效通訊能力的特點。有效工作溫度達到- 40~ 105℃，這保證它能在惡劣的環境下正常工作。
圖1.2.1為powerpc 8248的功能結構圖。
圖1.2.1 powerpc 8248功能結構圖
1.3 開發環境的搭建
系統選用一套基於linux 2 .4核心的ep8248bsp v1.10嵌入式作業系統，它是freescale公司專門針對power pc8248開發的l inux嵌入式作業系統，它支援多種通訊協議，有豐富的任務排程機制和函式功能，且有良好的系統穩定性。
只是由於powerpc8248的flash rom有限，需要對核心進行裁減配置，去掉不需要的功能，保留基本的網路通訊裝置驅動必須的庫檔案等，裁減後的核心大小只有4m左右。最後將編譯好的核心壓縮檔案**到power pc8248上。
1.4 閘道器結構設計
iec 60870-5-103是面向訊號點表、線性和平面的。iec 61850的資料模型是物件導向和立體的，iec 60870-5-103協議向iec 61850資料模型的轉換過程，涉及將線性的訊號點表按照iec 61850的物件導向的方式重新建模的過程，此外，還需要為這些資料模型選擇合適的服務。設計閘道器系統，可使變電站系統直接按照iec 61850的技術體系開發，充分發揮iec 61850的技術優勢，但是閘道器要設計的比較完善,並配備有功能強大、使用方便的工具軟體以方便除錯。
本閘道器系統的設計思想是以全世界唯一的變電站網路通訊標準iec 61850為基礎，通過將面向點通訊協議的點資訊，對映為iec 61850標準的物件資訊（標準的物件模型），採用 iec 61850的抽象通訊服務介面和特殊通訊服務對映（標準的資訊交換模型）實現裝置的互聯。圖1.4.
1是閘道器系統結構圖。
圖1.4.1 閘道器系統結構圖
1.5 結語
國際電工委員會推出iec 61850標準的目的是為了在全世界範圍內取代現有的各式各樣的變電站通訊規約，實現不同廠家產品之間的互聯和互操作，但是在實現iec 61850系統過程中，現有系統和老系統必定存在乙個過渡期。本文分析了在這個過渡期內一種可行策略的實現，在新老規約之間搭建乙個閘道器系統實現新老規約的轉換，並著重介紹了該閘道器的體系結構，powerpc強大的資料通訊、處理功能，為該閘道器系統的實現提供了有力保證。
2 基於智慧型嵌入系統的電力網執行管理專家系統
為提高執行管理的智慧型化，國內近年來對專家系統在電力系統方面的應用進行了大量的研究工作，並相繼開發成功倒閘操作票專家系統無功控制專家系統、配電網經濟執行專家系統等。但是在這些專家系統的開發中，有乙個問題即推理機與其它系統的整合問題卻長期被忽視。專家系統在電力系統中的應用，不是以人工智慧代替傳統的數值計算應用、資料庫應用等，而是要相互結合，各自發揮自己的優點。
下文在分析傳統專家系統在系統整合方面的缺陷之基礎上，結合一些先進的演算法語言，擬對如何實現推理機與其它系統的無隙整合作詳細的闡述，以期構成一種智慧型嵌人式專家系統。
2.1 傳統專家系統的分析
對於電力系統的執行管理專家系統，通常都包括網路拓撲繪圖模組、資料庫管理模組、推理機及知識庫模組，為實現整個系統的可靠性、易用性、靈活性和可擴充套件性，系統的各個模組間應能實現無隙整合，以構成乙個有機的整體。但目前已開發的大多數電力系統專家系統在這方面都存在缺陷，主要表現在以下幾個方面。
2.1.1 外部函式不能嵌入到推理機中
推理機自身只擅長基於規則、經驗的模式匹配處理，而不擅長基於精確數學模型的數值計算。例如，在電力系統故障診斷專家系統中，推理機既需要利用專家經驗進行推理，又需要呼叫計算模組進行精確的數值計算。因此，外部計算模組應能無隙嵌人推理中去，以擴充與制定推理機的功能，但傳統的專家系統卻不具備此功能。
事實上，由於這些專家系統大都採用商用的開發工具，如prolog，lisp等，而這些開發工具不允許外部函式的無隙嵌入，因此，在這些系統中，只能將計算模組編譯成可執行檔案，由專家系統通過命令進行呼叫，資料通訊也只能通過外部資料檔案完成。
2.1.2 推理機不能嵌入到外部函式中
在傳統的專家系統中，推理機引擎並不能從特定的專家系統開發環境中分離出來，因此，為構造嵌人系統只能將整個開發環境以可執行檔案的方式整個嵌人，而對於智慧型嵌人系統，可成功地將系統中各模組無隙嵌人。在這一類系統中,推理機往往不是乙個主要模組，而只是乙個組成部分。例如在控制系統中，控制的策略可能基於精確的數學模型，也可能基於專家經驗，通過專家經驗來對付那些模糊的、不精確的、難以量化的因素。
內嵌了推理機的控制系統就是乙個智慧型嵌人系統。
2.1.3 資料庫介面不通用
資料庫管理系統是決策支援系統的乙個重要組成部分。由於它能實現資訊共享，使應用和資料相互獨立，維護資料的一致性和安全性，因而得到了極為廣泛的應用。為訪問資料庫，必須編寫資料庫的介面，但在傳統的專家系統中，資料庫介面往往是針對特定的資料庫型別而編寫的。
其實現方式一般有三種：① 利用專家系統開發工具自身提供的資料庫介面，如vp expert提供了dbase介面；② 對於簡單的檔案型資料庫，如dbase、foxpro，編寫直接訪問資料庫檔案；③ 對於複雜的大型網路資料庫，如sql server、oracle，採用其自身提供的專用資料庫介面，如sql server提供了dblibaray介面。所有這些介面方式都存在共同的問題，即資料庫介面和資料庫是嚴格的一一對應關係，資料庫介面一旦開發完畢，所採用的資料庫也就固定。
一旦資料庫出現變動，則往往會導致資料庫介面的重新編寫，甚至整個系統完全重新開發，從而給系統開發、維護人員帶來了沉重的負擔，不但大大增加了軟體開發和維護費用，而且很難保證系統的可靠性。
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