農(nóng)村變電站嵌入式系統(tǒng)設(shè)計淺議

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鄉(xiāng)村振興作為我國新時期全面建成小康社會和社會主義現(xiàn)代化強國的戰(zhàn)略之一，對農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展做出重大部署。長期以來，農(nóng)村城鎮(zhèn)電網(wǎng)建設(shè)因缺乏統(tǒng)一規(guī)劃指導，導致鄉(xiāng)村電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施簡陋、供電質(zhì)量差、能源消耗大。加之農(nóng)村存在地域特性，對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理之處也未充分意識到其重要性，嚴重阻礙了鄉(xiāng)村經(jīng)濟健康發(fā)展?？茖W技術(shù)的應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，還對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計進行持續(xù)優(yōu)化。結(jié)合《農(nóng)村電力需求評價和電網(wǎng)規(guī)劃》，分析變電站二次系統(tǒng)改革技術(shù)對安全信息集成建設(shè)的推動作用。

由2009年水利水電出版社出版的陳擁軍、姜憲著《農(nóng)村電力需求評價和電網(wǎng)規(guī)劃》一書，采用清晰的思維邏輯對農(nóng)村電力需求從理論、實踐并重的角度展開論述。本書共分為三部分六章節(jié)，第一部分論述了農(nóng)村對電力的內(nèi)在需求與電網(wǎng)建設(shè)必要；第二部分通過逐層分析法圍繞農(nóng)村電力需求展開綜合評價、電量預測、電網(wǎng)建模及數(shù)據(jù)端口的方法研究；第三部分則說明農(nóng)村電網(wǎng)規(guī)范系統(tǒng)基于GIS的開發(fā)研究和功能擴張。對從事電網(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與參考價值。

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、應用技術(shù)上也不斷朝著信息化、自動化轉(zhuǎn)變。集成的應用可以將分散的孤立信息通過聚類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)方式可以推進嵌入式系統(tǒng)性能的平衡以及實現(xiàn)智能化的理想效果，該系統(tǒng)的靈敏性、擴展性不斷幫助變電站針對運行信息、設(shè)施信息等相關(guān)操作提供重要途徑，促使整個流程向變電站安全信息集成邁進。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)變電站安全信息運作模式的應用瓶頸。在社會各行業(yè)競爭壓力愈發(fā)激烈的時代背景下，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，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通過機械嵌入式模塊實現(xiàn)設(shè)計應用。其中包括硬件系統(tǒng)與驅(qū)動層結(jié)合設(shè)計出的具有交互性的軟件系統(tǒng)，通過裁剪嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)運作，中止應用程序接口可讓系統(tǒng)中的應用軟件與操作系統(tǒng)實現(xiàn)交互。變電站安全信息集成嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計包括了智能采集器、集成存儲器的安裝、集成處理器的改裝以及系統(tǒng)電路的設(shè)計。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)測設(shè)備利用規(guī)約形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，已不太適用于每種設(shè)備單獨模塊的開發(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位高速單片機的采集模塊對設(shè)備進行監(jiān)測。對監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)進行周期性采集，實時分析安全告警數(shù)據(jù)等特征，將無異常和重復的數(shù)值進行過濾儲存后，通過通用分組無線服務(wù)技術(shù)將采集到的有效數(shù)值輸送到監(jiān)控中心。當智能終端出現(xiàn)故障或是離線時，不影響對事故時段的補錄采集，若人工發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤可進行重新采集或數(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)點特征進行組合所成，使得變電站安全信息集成系統(tǒng)提高運行質(zhì)量與效率。集成存儲器為應對變電站運行程序需求，通過專業(yè)軟件把變電站的安全信息錄入組態(tài)儲存器的變電站的存儲矩陣，再編寫相關(guān)安全信息處理控制對策，實現(xiàn)變電站以FPGA為核心的信息讀控電路。系統(tǒng)電路設(shè)計要求將主控變電站安全信息寫入控制電路，因為控制電路會對測試的時鐘在不同狀態(tài)下進行產(chǎn)出，并對信號測試的接入端口控制器進行把控，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，對各功能進行掃描，JTAG接口會對裝置系統(tǒng)以及內(nèi)置處理器進行獲取等操作作為變電站存儲電路信號。

傳統(tǒng)變電站會在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加以規(guī)約轉(zhuǎn)換板實現(xiàn)保護測控設(shè)備的通訊功能，僅一個內(nèi)部轉(zhuǎn)換雖滿足了基本需要但會帶來信息輸送的缺失和成本的提高，往往不是最佳方案與途徑。新時代發(fā)展下的變電站硬軟件系統(tǒng)應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)計優(yōu)化可以促進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)計基于硬件系統(tǒng)設(shè)計平臺，增添上層應用具有測控、通訊、保護等功能的運作環(huán)境。這要求軟件系統(tǒng)設(shè)計中充分利用分層式思維為其提供支持所需的各類訪問端口及硬件驅(qū)動。系統(tǒng)軟件功能設(shè)計還應實現(xiàn)對實時變電站安全信息進行有效的收集、聚類、集成等操作。實時收集過程就是內(nèi)部邏輯關(guān)聯(lián)對各項集合進行頻繁讀取，通過裝置設(shè)定好的運作公式以數(shù)據(jù)包形式進行輸出。輸出又重新轉(zhuǎn)為新的輸入，通過多次迭代、聚類直至不再發(fā)生變化而得到聚類結(jié)果。變電站安全信息集成過程存在安全運行跟蹤和集成調(diào)控，根據(jù)節(jié)點坐標的不同狀態(tài)看出主軸功率的曲線形態(tài)變化，清楚處理開始、結(jié)束、中斷的各節(jié)點情況，再結(jié)合人工信息輸入就能判斷出運作現(xiàn)狀及異常節(jié)點。隨后，根據(jù)判斷規(guī)則進行差異對比，實現(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)計不僅推動了鄉(xiāng)村智能變電站的前進發(fā)展，也是降低農(nóng)村電價、提高百姓生活質(zhì)量的重要舉措和農(nóng)村經(jīng)濟進步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)備。

作者:許國強 單位:運城職業(yè)技術(shù)大學智能制造與數(shù)智礦山學院