農(nóng)村變電站嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺議

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鄉(xiāng)村振興作為我國(guó)新時(shí)期全面建成小康社會(huì)和社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略之一，對(duì)農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展做出重大部署。長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)村城鎮(zhèn)電網(wǎng)建設(shè)因缺乏統(tǒng)一規(guī)劃指導(dǎo)，導(dǎo)致鄉(xiāng)村電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)陋、供電質(zhì)量差、能源消耗大。加之農(nóng)村存在地域特性，對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理之處也未充分意識(shí)到其重要性，嚴(yán)重阻礙了鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)的應(yīng)用不僅改善了變電站安全信息集成系統(tǒng)性能低下的處境，還對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。結(jié)合《農(nóng)村電力需求評(píng)價(jià)和電網(wǎng)規(guī)劃》，分析變電站二次系統(tǒng)改革技術(shù)對(duì)安全信息集成建設(shè)的推動(dòng)作用。

由2009年水利水電出版社出版的陳擁軍、姜憲著《農(nóng)村電力需求評(píng)價(jià)和電網(wǎng)規(guī)劃》一書(shū)，采用清晰的思維邏輯對(duì)農(nóng)村電力需求從理論、實(shí)踐并重的角度展開(kāi)論述。本書(shū)共分為三部分六章節(jié)，第一部分論述了農(nóng)村對(duì)電力的內(nèi)在需求與電網(wǎng)建設(shè)必要；第二部分通過(guò)逐層分析法圍繞農(nóng)村電力需求展開(kāi)綜合評(píng)價(jià)、電量預(yù)測(cè)、電網(wǎng)建模及數(shù)據(jù)端口的方法研究；第三部分則說(shuō)明農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)范系統(tǒng)基于GIS的開(kāi)發(fā)研究和功能擴(kuò)張。對(duì)從事電網(wǎng)建設(shè)人員、科研人員及高等院校相關(guān)師生提供了理論知識(shí)與參考價(jià)值。

隨著變電站設(shè)施建設(shè)逐漸往集成領(lǐng)域發(fā)展，變電站在結(jié)構(gòu)配置、應(yīng)用技術(shù)上也不斷朝著信息化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)變。集成的應(yīng)用可以將分散的孤立信息通過(guò)聚類(lèi)或融合的途徑改變其碎片化的原始狀態(tài)，從而構(gòu)造出具有內(nèi)部邏輯關(guān)系的系統(tǒng)整體。其形成的不同組態(tài)方式可以推進(jìn)嵌入式系統(tǒng)性能的平衡以及實(shí)現(xiàn)智能化的理想效果，該系統(tǒng)的靈敏性、擴(kuò)展性不斷幫助變電站針對(duì)運(yùn)行信息、設(shè)施信息等相關(guān)操作提供重要途徑，促使整個(gè)流程向變電站安全信息集成邁進(jìn)。但想徹底改變農(nóng)村落后的電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，就必須突破傳統(tǒng)變電站安全信息運(yùn)作模式的應(yīng)用瓶頸。在社會(huì)各行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力愈發(fā)激烈的時(shí)代背景下，變電站安全信息智能控制系統(tǒng)一體化建設(shè)在不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，其效率高、周期短、消耗低的特性成為電能輸送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我國(guó)較為成熟的集成系統(tǒng)多是基于TOC理論、遺傳算法、Web技術(shù)，這有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化。

變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)一般由軟件和硬件雙重平臺(tái)通過(guò)機(jī)械嵌入式模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用。其中包括硬件系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)層結(jié)合設(shè)計(jì)出的具有交互性的軟件系統(tǒng)，通過(guò)裁剪嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)作，中止應(yīng)用程序接口可讓系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交互。變電站安全信息集成嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了智能采集器、集成存儲(chǔ)器的安裝、集成處理器的改裝以及系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)。安全信息智能采集是變電站集中監(jiān)控的基本途徑，傳統(tǒng)的輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備利用規(guī)約形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，已不太適用于每種設(shè)備單獨(dú)模塊的開(kāi)發(fā)采集。變電站安全信息智能采集器便于接入各種設(shè)施設(shè)備，利用基于ARM的32位高速單片機(jī)的采集模塊對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性采集，實(shí)時(shí)分析安全告警數(shù)據(jù)等特征，將無(wú)異常和重復(fù)的數(shù)值進(jìn)行過(guò)濾儲(chǔ)存后，通過(guò)通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)將采集到的有效數(shù)值輸送到監(jiān)控中心。當(dāng)智能終端出現(xiàn)故障或是離線(xiàn)時(shí)，不影響對(duì)事故時(shí)段的補(bǔ)錄采集，若人工發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤可進(jìn)行重新采集或數(shù)據(jù)更新。集成處理器一般采用ARM的CortexTM－M4型處理器，是ARM為了降低使用難度且有效進(jìn)行控制、處理一體化的混合功能嵌入式處理器，又結(jié)合Cortex－M系列處理器低成本、低消耗的優(yōu)點(diǎn)特征進(jìn)行組合所成，使得變電站安全信息集成系統(tǒng)提高運(yùn)行質(zhì)量與效率。集成存儲(chǔ)器為應(yīng)對(duì)變電站運(yùn)行程序需求，通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件把變電站的安全信息錄入組態(tài)儲(chǔ)存器的變電站的存儲(chǔ)矩陣，再編寫(xiě)相關(guān)安全信息處理控制對(duì)策，實(shí)現(xiàn)變電站以FPGA為核心的信息讀控電路。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)要求將主控變電站安全信息寫(xiě)入控制電路，因?yàn)榭刂齐娐窌?huì)對(duì)測(cè)試的時(shí)鐘在不同狀態(tài)下進(jìn)行產(chǎn)出，并對(duì)信號(hào)測(cè)試的接入端口控制器進(jìn)行把控，指令解碼器接收數(shù)據(jù)后利用解碼指令操作邊界寄存器，對(duì)各功能進(jìn)行掃描，JTAG接口會(huì)對(duì)裝置系統(tǒng)以及內(nèi)置處理器進(jìn)行獲取等操作作為變電站存儲(chǔ)電路信號(hào)。

傳統(tǒng)變電站會(huì)在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加以規(guī)約轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)保護(hù)測(cè)控設(shè)備的通訊功能，僅一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換雖滿(mǎn)足了基本需要但會(huì)帶來(lái)信息輸送的缺失和成本的提高，往往不是最佳方案與途徑。新時(shí)代發(fā)展下的變電站硬軟件系統(tǒng)應(yīng)朝著變電站三層式功能需求發(fā)展，而變電站信息集成嵌入式軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以促進(jìn)硬件資源的合理配置，還可提高全面整體性能。因此，變電站安全信息集成嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，增添上層應(yīng)用具有測(cè)控、通訊、保護(hù)等功能的運(yùn)作環(huán)境。這要求軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分利用分層式思維為其提供支持所需的各類(lèi)訪問(wèn)端口及硬件驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)變電站安全信息進(jìn)行有效的收集、聚類(lèi)、集成等操作。實(shí)時(shí)收集過(guò)程就是內(nèi)部邏輯關(guān)聯(lián)對(duì)各項(xiàng)集合進(jìn)行頻繁讀取，通過(guò)裝置設(shè)定好的運(yùn)作公式以數(shù)據(jù)包形式進(jìn)行輸出。輸出又重新轉(zhuǎn)為新的輸入，通過(guò)多次迭代、聚類(lèi)直至不再發(fā)生變化而得到聚類(lèi)結(jié)果。變電站安全信息集成過(guò)程存在安全運(yùn)行跟蹤和集成調(diào)控，根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的不同狀態(tài)看出主軸功率的曲線(xiàn)形態(tài)變化，清楚處理開(kāi)始、結(jié)束、中斷的各節(jié)點(diǎn)情況，再結(jié)合人工信息輸入就能判斷出運(yùn)作現(xiàn)狀及異常節(jié)點(diǎn)。隨后，根據(jù)判斷規(guī)則進(jìn)行差異對(duì)比，實(shí)現(xiàn)后續(xù)跟蹤與調(diào)控。

綜上所述，農(nóng)村變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅推動(dòng)了鄉(xiāng)村智能變電站的前進(jìn)發(fā)展，也是降低農(nóng)村電價(jià)、提高百姓生活質(zhì)量的重要舉措和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)備。

作者:許國(guó)強(qiáng) 單位:運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造與數(shù)智礦山學(xué)院