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（IED）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 QNX，VxWorks 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11 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 IEC61850 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 IEC6185092 的采样值传输以及基于 GOOSE 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 。12 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 ”GOOSE 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 。13 对操作系统实时性的要求IEC61850 标准规定 ：智能装置间的数字信号传输 ，需要限制在 4ms 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 500s 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 。14 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 GOOSE 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 。15 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 （Microkernel）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 ， 系统的各个智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究罗华煜1刘 锋2任 翔1（1 国网电力科学研究院 南京南瑞集团 ，江苏 南京 210003；2 国电南瑞科技股份有限公司 ，江苏 南京 210061）Practicality of Microkernel Architecture Operating System in Smart Substation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 （IED）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AbstractWith the comprehensive advancement to the construction of smart grids ,smart substation raise a higher requirement forthe performance of intelligent electronic device(IED),which is a very important support of smart gripsFor these demands,lotsof RTOS structure has been studyed for the application of IED,such as monolithic kernel structure,microkernel structure,andexokernel structureIn the light of relevant literature review,this paper presents a new mircokernel strucure,which has beenimproved for the application of smart substation,and been proved in practiceKeywords:Smart substation,embedded realtime operating system,microkernel智能变电站实时操作系统微内核适用性的研究22工业控制计算机 2010 年第 23 卷第 12 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31 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 。32 微内核性能的改进1）IPC 进程间通信机制的改进 。 IPC 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 IPC 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时性能 。33 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 Windows NT 40 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 （Customizable Kernels）。 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 （ExeoKernel）。 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 、IO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