智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究.pdf

智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究P r a c t i c a l i t yo fM i c r o k e r n e lA r c h i t e c t u r eO p e r a t i n gS y s t e mi nS m a r tS u b s t a t i o n罗华煜1刘锋2任翔1(1 国网电力科学研究院南京南臻集团，江苏：南京2 1 0 0 0 3；2 国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京2 1 0 0 6 1)摘要智能变电站作为智能电网的重要支撑，随着智能电网建设而全面推进，智能变电站对智能设备(1 E D)的性能提出了更高的要求。面对这些需求，人们曾试图启用单一内核操作系统、微内核操作系统以及外核操作系统等众多结构的内核作为智能设备操作系统的核心，通过对比分析及机理研究，得出微内核操作系统最适合于智能变电站的应用需求，并给出了一种改进的微内核模型，其综合性能已通过实践检验。关键词：智能变电站，实时操作系统，微内核A b s t r a c tW i t ht h ec o m p r e h e n s i v ea d v a n c e m e n tt ot h ec o n s t r u c t i o no fs m a r tg r i d s s m a r ts u b s t a t i o nr a i s eah i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ep e r f o r m a n c eo fi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e(1 E D)w h i c hi sav e r yi m p o r t a n ts u p p o r to fs m a r tg r i p s F o rt h e s ed e m a n d s，l o t so fR T O Ss t r u c t u r eh a sb e e ns t u d y e df o rt h ea p p l i c a t i o no fl E D，s u c ha sm o n o l i t h i ck e r n e ls t r u c t u r e。m i c r o k e r n e ls t r u c t u r e a n de x o k e r n e ls t r u c t u r e I nt h el i g h to fr e l e v a n tl i t e r a t u r er e v i e w，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm i r c o k e r n e ls t r u c u r e，w h i c hh a sb e e ni m p r o v e df o rt h ea p p l i c a t i o no fs m a r ts u b s t a t i o n。a n db e e np r o v e di np r a c t i c e K e y w o r d s：S m a r ts u b s t a t i o n e m b e d d e dr e a l-t i m eo p e r a t i n gs y s t e m，m i c r o k e r n e l作为智能电网的重要支撑节点，智能变电站是电网基础运行数据的采集源头和命令执行单元，是建设智能电网变电的主要任务和重要环节。通过各类智能变电站标准、智能变电站技术导则和智能变电站继电保护技术规范可以看出智能变电站强调通讯标准的一致性及设备的智能化对站内智能设备(1 E D)的实时性、可靠性、网络处理能力、数据和文件处理能力等方面均提出了新的性能要求。目前，主流的嵌入式实时操作系统大多采用微内核结构，例如Q N X，V x W o r k s 等等。微内核结构带来了操作系统高灵活性和扩展性的同时，也带来操作系统性能的降低。为满足智能变电站的技术需求，对微内核结构做出改进，使其在性能上能满足应用的要求的同时越来越迫切。本文面向智能变电站技术需求，研究了嵌入式实时才做系统微内核的发展与改进，并给出了一个适用于智能变电站应用领域的嵌入式实时微内核系统模型。1智能变电站的应用对实时操作系统性能需求分析1 1 智能变电站应用概述通过各类智能变电站标准、智能变电站技术导则和智能变电站继电保护技术规范可以看出智能变电站强调通讯标准的一致性及设备的智能化，随着I E C 6 1 8 5 0 标准的完善及源数据模型的一致化，突破了常规变电站中信息孤岛的约束，站内智能设备(测控和保护装置以及一次设备的就地智能合并单元、操作箱等设备)的测量回路和控制回路均发生了重大的变化，智能设备从结构到功能也发生了诸多改变，例如基于I E C 6 1 8 5 0-9-2 的采样值传输以及基于G O O S E 报文传输的网络继电保护跳合闸命令执行以及联闭锁信息通讯。1 2 对操作系统的稳定性要求在智能变电站中，装置间通过数字信号互联，各类信息报文“稍纵即逝”，一旦保护装置“错过”联闭锁信号，极有可能发生拒、误动；而智能操作箱一旦“错过”G O O S E 报文，必然会发生拒动。所以，智能装置的稳定与可靠对智能变电站的安全运行至关重要，这对嵌入式实时操作系统的稳定性提出了更高的要求。1 3 对操作系统实时性的要求I E C 6 1 8 5 0 标准规定：智能装置问的数字信号传输，需要限制在4 m s 内完成(装置到装置的信号传输)；而根据继电保护和安全自动装置技术规程对保护整组动作时间的规定，考虑到整组动作时间中包含了信号的转换、传输、接收和解析的时间，为保证整组动作时间不至降低，在进一步缩短动作判别时间的同时，也需要尽可能缩短装置对网络报文的转换、传输、接收和解析的时间。目前业界通常认为：一次完整的信号传输应被控制在5 0 0 p,s 内完成。所以，为实现快速可靠的网络报文通信，嵌入式操作系统必须具备更高的实时性。1 4 对操作系统多优先级多任务的处理能力要求与传统变电站的应用相比，除了过程层，站控层均采用网络通讯外，智能变电站继电保护技术规范还规定了继电保护之间的联闭锁信息、失灵启动等信息宜采用G O O S E 网络传输方式，这需要智能装置同时对多个网络端口的数据报文进行处理和分析，这对操作系统多优先级多任务处理能力提出了新的要求。1 5 对操作系统跨平台可移植性的要求嵌入式硬件的发展十分迅速；同时，根据智能变电站内不同的功能需求，各类智能装置将采用不同的硬件平台。为保证操作系统的稳定可靠性，要求嵌入式操作系统必须具备良好的跨平台可移植性。2 微内核技术的发展微内核(M i c r o k e r n e l)是指将必需的功能(如进程管理、任务通信、中断处理、进程调度)放在内核中，而将那些不是非常重要的功能和服务(文件系统、内存管理、网络通信、设备管理等等)作为内核之上可配置的部分。这样，整个操作系统就是由提供一些基本服务机制的微内核加上一些服务进程构成，、系统的各个万方数据工业控制计算机2 0 1 0 年第2 3 卷第1 2 期系统调用和服务都是由内核发消息到不同的服务进程，服务进程执行相应的操作，然后以消息的方式返回内核。由于嵌入式操作系统必须具备的特点，使微内核体系结构在嵌入式操作系统领域受到广泛关注，这主要是因为微内核体系结构应用在嵌入式操作系统开发中具有以下特点：1)结构精简。嵌入式系统一般属于专用系统，因此存储空间通常有限，而微内核精简的体积使开发人员免去了裁减单体内核时所投入的精力，可以方便地将微内核应用于嵌入式系统中，大大提高了开发效率，也便于维护。2)便于扩展。微内核体系结构将系统必须的功能保留在核内，而将其它功能以“客户端”形式在核外扩展，这样当需要对操作系统扩展新功能时只需要将重点放在核外“客户端”程序的开发上，而不需要对内核做过多修改甚至无需修改。3)稳定性强。微内核结构精简，内核中功能较少，发生系统崩溃的几率大大减少。由于其它功能模块以“客户端”形式挂接在微内核外，即使功能模块发生故障也不会导致整个系统瘫痪，因而大大提高了系统整体稳定性。4)便于移植。微内核清晰的体系结构便于移植人员对硬件访问接口进行改写，从而降低了操作系统在不同硬件平台之间移植的难度，减少了移植的工作量。3 微内核技术的不足和改进3 1 微内核技术的不足微内核结构的操作系统较传统单内核结构操作系统更具灵活性和可扩展性，但是系统划分的粒度越精细必然会造成系统整体性能的下降。这是因为在微内核结构中只保留了进程管理、进程调度等几项最基本的功能，其它的功能都是以内核服务进程的形式放在内核之外。这样，应用程序要获得内核的服务就必须先发消息给内核，然后内核再发消息给服务进程，执行得的结果按相反的顺序返回给调用的应用程序。基于消息机制的体系结构导致了频繁的进程切换和消息数据的拷贝，从而增加了系统的额外开销。3 2 微内核性能的改进1)I P C 进程间通信机制的改进。I P C 通讯代价是影响微内核操作系统实时性的主要原因，所以应尽量采用轻量级的消息传递方式，同时考虑到消息传递，特别是重量级在进程间传送时的通信代价，可以采用直接传送的方式，另外还要尽可能考虑采用其他技术。如调度处理、消息缓冲处理等等，用来减少I P C 的代价。2)单一地址空间。采用单一地址空间的微内核操作系统，指针和数据共享问题可以得到解决；单地址空间使得操作系统在进行进程切换时，不需要进行进程虚拟空间的切换，使得进程通信时，也不需要在不同地址空间之间拷贝数据，从而解决了进程通信影响效率的问题和进程地址空间的切换问题。因此，通过采用单地址空间，可提高微内核操作系统的效率，从而解决系统效率运行不高的问题。但是单一地址空间具有上述优点的同时，也会带来未被保护内存的重入访问的危险，这一隐患可通过相关内存保护机制得以避免。3)中断延迟的处理和优化。实时操作系统中最关心的是中断延迟。造成中断延迟的主要原因有：一是因为内核在执行某些临界区代码时必须关中断，防止对于某些公共数据结构的多重访问；二是有可能系统正在处理更高优先级的中断，导致当前中断得不到响应。另外，从系统检测到有中断产生到执行中断服务程序，还必须进行保存现场、从中断向量表跳转等一系列的工作，这也需要一部分时间。因此，为了减小系统的中断延迟，提高系统的实时性能，微内核在中断处理上可通过优化临界区代码，中断堆栈，多种语言接口等方式优化中断处理的实耐性能。3 3 微内核结构的改进1)混合内核(可扩展内核技术)。混合内核是解决微内核设计性能问题的另一个方法，即扩大微内核并把一些关键的服务程序和驱动程序重新加入到内核中，使得更多的组件在内核态中运行，如W i n d o w sN T4 0 把图形系统重新加入内核以提高性能。这种方法可以提高系统的运行效率，但是削弱了微内核思想在系统的扩充性、灵活性和可靠性等方面所带来的优点。2)可定制内核(C u s t o m i z a b l eK e r n e l s)。微内核在性能方面的缺陷导致了另外一种技术的出现：可定制内核。可定制内核的主要思想是根据用户程序的要求及特点，动态构造满足功能以及性能要求的最小内核。内核由一系列的核心服务组成，如内存管理、调度等。除此之外内核还提供了一组扩展服务，通过使用这些扩展服务开发人员能够对内核的行为进行定制。可定制内核技术主要存在两方面的问题。首先，为了保证加入到内核的扩展模块的安全运行，需采用数字签名或对代码进行静态分析等技术来防止代码出错对内核运行安全产生破坏，这些技术都增加了系统的运行开销，影响了系统的性能。另外，为了支持用户扩展的运行，可定制内核中保留了大量的为该扩展所依赖的其它的组成部分，所以无法真正实现最小化的内核。3)外核结构(E x e o K e r n e l)。外核结构是操作系统设计中为了获得性能和灵活性的一个极端。它试图将操作系统接口降低到硬件层，从内核中去除所有传统操作系统提供的抽象，并且将重点放在以可获得的硬件资源的复用上。在外核结构中，内核只负责简单的申请、释放并复用硬件资源，而将内存映射、I O和复杂的线程包等所有在传统操作系统内核中提供的抽象都转移到用户空间运行。外核结构的缺点是安全性较低，因为大量的共享服务被放到应用层，而在应用层的共享服务的安全必须由用户来保护的，这就降低了操作系统的安全性。此外采用核外的应用库实现系统服务难以得到全局的信息，因此很难对系统进行而相关的优化。外核思想决定了其所提供的界面是不可移植的，目前的实现中对硬件资源的管理上还远未完善。4 实时操作系统微内核系统模型的设计4 1 实时操作系统结构设计基于上述对微内核性能的改进分析，现将各种内核结构的特点比较如表1。表1 各种内核结构特性的比较实时性可靠性复杂性扩展性灵活性微内核高尚简单好好混合内核高较高复杂差差定制内核较高较低较简单好好外核很高低很简单好好对于智能变电站的应用需求，在选择操作系统内核架构的时候首先应该考虑的是操作系统的安全性与实时性，其次再考虑操作系统的复杂性、扩展性与灵活性等因素。由此研究我们得出：适应于智能变电站应用需求的智能装置宜采用微内核结构的实时嵌入式操作系统。具体原因如下所述。正如上述对微内核结构改进所分析，外核结构虽然能够提高系统的实时性能，但是安全性不足，考虑到智能装置在智能变电站安全运行中的关键地位，在现阶段不宜采用此类结构来改进实时操作系统的性能。混合内核结构通过增加系统内核粒度，将运行在用户态的特定的应用加入到内核中，一定程度上提高了系统的工作效率，但是又削弱了微内核思想在系统的扩充性、万方数据2 4智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究灵活性和可靠性等方面所带来的优点。微内核清晰的结构使得系统具备较高的稳定性和较强的移植性，根据前面的分析，可以通过采用例如单一地址空间，I P C机制的改进等方式对微内核的性能进行改进，以保证嵌入式操作系统的实时性，从而满足智能变电站对装置的各类功能需求。所以系统的总体结构采用微内核结构设计，并且在微内核与硬件之间设计硬件抽象层，用来为各类硬件的功能提供了统一的接口，以保证系统的可移植性。硬件抽象层对各类硬件的功能提供了统一的软件接口，包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、物理内存分配等内容。4 2 微内核的设计微内核的设计必须支持操作系统所有的实时特征：包括快速的任务切换、中断支持、抢占式和时间片轮转调度等。为了保证系统有较强的可扩展性。二二二堕里墨壁：二：二j嘲络1 舟文件 O系统函议栈系统系统r 数库微内核I OM M U 嘲络i其它驱动驱动驱动驱动硬件抽象层互l圈1 实时操作系统架构微内核体积必须足够小，但又必须包含足够的功能使其本身能够成为一个操作系统。本设计中，微内核内部只包括I P C管理、任务调度、中断异常管理，内存管理和时钟管理等五个部分，将文件系统、I O 管理等部分放在应用层，通过组件化可配置。以进一步地提高实时性。5 结束语中断异常管理卜、微内核j 一，j任务管理7 7-；一_ j、_ 时钟管理内存管理图2 徽内核系统结构从智能变电站装置的应用要求来看，最关心的是实时操作系统是否能够满足系统的实时性需求，实时操作系统是否足够可靠弗能够长时间安全运行，开发的应用软件是否可以重用，系统是否可以按需要进行裁减，开发是否方便等问题。为保证嵌入式实时操作系统的可靠性，要求操作系统内核结构必须简单清晰，所以微内核的结构已成为嵌人式实时操作系统架构的发展主流。随着软件工程理论的发展以及嵌入式硬件水平的提高，通过对微内核性能的改进，使得采用微内核结构的嵌入式实时操作系统达到较高的实时性，以满足智能变电站内装置实时性的需求。本文研究了微内核操作系统的模型结构，确定内核粒度与智能变电站实际应用的关系，提出的微内核结构的实时操作系统模型，既满足了实时性的需求，又具备清晰简单的系统架构，利于系统运行的稳定与可靠，适合于智能变电站领域内的应用。参考文献 1 石进，陆音，谢立操作系统体系结构的研究分析 J 计算机科学，2 0 0 5，3 2(9)：2 3 4 2 3 8 2 Q G D W3 8 3 2 0 0 9 智能变电站技术导则 K 北京：国家电网公司，2 0 0 9 3 Q G D W4 4 1 2 0 1 0 智能变电站继电保护技术规范 K 北京：国家电网公司，2 0 1 0 4 G B T1 4 2 8 5 2 0 0 6 继电保护和安全自动装置技术规程 K 北京：国家电网公司，2 0 0 6 5 D 帅6 09 1 2 0 0 6I E C 6 1 8 5 0 S 北京：中国电力出版社，2 0 0 7 6 G B T1 4 2 8 5 2 0 0 6 继电保护和安全自动装置技术规程 K 北京：国家电网公司，2 0 0 6 7 刘福岩，尤晋元一种提高微内核效率的有效方法 J 上海交通大学学报，2 0 0 0，3 4(7)：9 5 2 9 5 5 8 毛卫良，盛焕烨，郝琴，等基于微内核的嵌入式实时0 S 设计 J 微型电脑应用，2 0 0 0，1 6(1)：1 6 1 8 9 李磊基于第二代微内核L 4 的分布式操作系统E 1 的研究 D 西安：西安电子科技大学，2 0 0 6 1 0 陈晓华基于对象的嵌入式实时操作系统的设计与研究 D 上海：华东师范大学，2 0 0 6 1 1 施军，朱鲁华，尤晋元，等可定制的安全操作系统内核 J 计算机工程，2 0 0 1，2 7(8)1 2 D R E n g l e r，M F K a a s h o e k，a n dJ O T o o l e E x o k e r n e l：A no p e r 一a t i n gS y s l e ma r c h i t e c t u r ef o ra p p l i c a t i o n l e V e lr e s o u r c em a n a g e m e n t I nS O S P 9 5：P r o c e e d i n g so ft h ef i f t e e n t hA C Ms y m p o s i u mo nO p e r a t i n gs y s t e m sp r i n c i p l e s，p a g e s2 5 1 一一2 6 6。N e w Y o r k，N Y，U S A，1 9 9 5 A C MP r e s s 收稿日期：2 0 1 0 1 0 2 6(上接第2 1 页)通过D a a 控件的F i n d 属性即可完成。3 4 图形绘制从主界面打开绘图窗口，按选择的时间和A、B、C 三相中的某相，从数据库中提出历史数据，绘制各相电流图形(为测试数据)如图5 所示。绘图窗口通过T i m e r 控件动态的绘制历史数据图，还可以通过“前一个”和“后一个”按钮，手动静态的显示数据图形，方便观察数值变化。还可以通过添加M S F l e x g r i d 控件，通过简单链接即可清晰、准确的显示历史数据。4 结束语A P F 已成为电力领域中的重要研究课题，本文设计了与之对应的上位机监控系统，与以往只有下位机控制相比更有利于数据的分析与管理，提高了人机交互的智能性；随着D S P 技术的新发展，由D S P 完成现场数据的采集与对电力系统的补偿控制，提高了电网的可监测性、可靠性，保证了供电质量，是现代电、力生产的发展趋势和迫切要求，而V B 提供了简便方便的上位机监控系统设计，通过M S C o m m 控件与下位机通信，提供了友好、直观的操作界面。参考文献 1 张耀文，刘海基于i p i q 算法的D S P 电力谐波检测仪的设计 J 中国仪器仪表，2 0 0 7(1)2 李长林V i s u a lB a s i c s 串口通讯技术与典型实例 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 6 3 求是科技刘韬，骆娟V i s u a lB a s i c6 0 实效编程百例 M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 2 4 刘友生，杨宇，陈一平用V B 实现班主任工作的电子化 J 计算机工程与设计，2 0 0 5，2 6(1)5 安斯光，倪光正T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 与M C S 一5 1 基于R S 一4 8 5 的串口通讯设计 J 计算机工程与设计，2 0 0 6，2 7(1 3)收稿日期：2 0 1 0 6 2 6 万方数据智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究作者：罗华煜，刘锋，任翔作者单位：罗华煜,任翔(国网电力科学研究院/南京南瑞集团,江苏,南京,210003)，刘锋(国电南瑞科技股份有限公司,江苏,南京,210061)刊名：工业控制计算机英文刊名：INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER年，卷(期)：2010,23(12)参考文献(12条)参考文献(12条)1.D.R.Engler;M.F.Kaashoek;J.OToole Exokernel:An operating system architecture for application-levelresource management 19952.施军;朱鲁华;尤晋元 可定制的安全操作系统内核期刊论文-计算机工程 2001(08)3.陈晓华 基于对象的嵌入式实时操作系统的设计与研究 20064.李磊 基于第二代微内核L4的分布式操作系统E1的研究 20065.毛卫良;盛焕烨;郝琴 基于微内核的嵌入式实时OS设计期刊论文-微型电脑应用 2000(01)6.刘福岩;尤晋元 一种提高微内核效率的有效方法期刊论文-上海交通大学学报 2000(07)7.GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程 20068.DL/T 860 91-2006 IEC61850 20079.GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程 200610.Q/GDW 441-2010智能变电站继电保护技术规范 201011.Q/GDW 383-2009智能变电站技术导则 200912.石进;陆音;谢立 操作系统体系结构的研究分析期刊论文-计算机科学 2005(09)本文链接：http:/