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，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，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(duì)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(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(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(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，將無異常和重復(fù)的數(shù)值進(jìn)行過濾儲(chǔ)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(dāng)智能終端出現(xiàn)故障或是離線時(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，通過專業(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)換雖滿足了基本需要但會(huì)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(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訪問端口及硬件驅(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、集成等操作。實(shí)時(shí)收集過程就是內(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(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形態(tài)變化，清楚處理開始、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