農村變電站嵌入式系統設計淺議

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鄉村振興作為我國新時期全面建成小康社會和社會主義現代化強國的戰略之一，對農村農業發展做出重大部署。長期以來，農村城鎮電網建設因缺乏統一規劃指導，導致鄉村電網基礎設施簡陋、供電質量差、能源消耗大。加之農村存在地域特性，對電網結構不合理之處也未充分意識到其重要性，嚴重阻礙了鄉村經濟健康發展。科學技術的應用不僅改善了變電站安全信息集成系統性能低下的處境，還對嵌入式系統設計進行持續優化。結合《農村電力需求評價和電網規劃》，分析變電站二次系統改革技術對安全信息集成建設的推動作用。

由2009年水利水電出版社出版的陳擁軍、姜憲著《農村電力需求評價和電網規劃》一書，采用清晰的思維邏輯對農村電力需求從理論、實踐并重的角度展開論述。本書共分為三部分六章節，第一部分論述了農村對電力的內在需求與電網建設必要；第二部分通過逐層分析法圍繞農村電力需求展開綜合評價、電量預測、電網建模及數據端口的方法研究；第三部分則說明農村電網規范系統基于GIS的開發研究和功能擴張。對從事電網建設人員、科研人員及高等院校相關師生提供了理論知識與參考價值。

隨著變電站設施建設逐漸往集成領域發展，變電站在結構配置、應用技術上也不斷朝著信息化、自動化轉變。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，從而構造出具有內部邏輯關系的系統整體。其形成的不同組態方式可以推進嵌入式系統性能的平衡以及實現智能化的理想效果，該系統的靈敏性、擴展性不斷幫助變電站針對運行信息、設施信息等相關操作提供重要途徑，促使整個流程向變電站安全信息集成邁進。但想徹底改變農村落后的電網建設現狀，就必須突破傳統變電站安全信息運作模式的應用瓶頸。在社會各行業競爭壓力愈發激烈的時代背景下，變電站安全信息智能控制系統一體化建設在不斷轉型升級，其效率高、周期短、消耗低的特性成為電能輸送的關鍵環節。我國較為成熟的集成系統多是基于TOC理論、遺傳算法、Web技術，這有利于嵌入式系統設計的不斷優化。

變電站安全信息集成嵌入式系統一般由軟件和硬件雙重平臺通過機械嵌入式模塊實現設計應用。其中包括硬件系統與驅動層結合設計出的具有交互性的軟件系統，通過裁剪嵌入式操作系統實現運作，中止應用程序接口可讓系統中的應用軟件與操作系統實現交互。變電站安全信息集成嵌入式硬件系統設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電路的設計。安全信息智能采集是變電站集中監控的基本途徑，傳統的輔助監測設備利用規約形式實現數據互通，已不太適用于每種設備單獨模塊的開發采集。變電站安全信息智能采集器便于接入各種設施設備，利用基于ARM的32位高速單片機的采集模塊對設備進行監測。對監測設備數據進行周期性采集，實時分析安全告警數據等特征，將無異常和重復的數值進行過濾儲存后，通過通用分組無線服務技術將采集到的有效數值輸送到監控中心。當智能終端出現故障或是離線時，不影響對事故時段的補錄采集，若人工發現數據有誤可進行重新采集或數據更新。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，又結合Cortex－M系列處理器低成本、低消耗的優點特征進行組合所成，使得變電站安全信息集成系統提高運行質量與效率。集成存儲器為應對變電站運行程序需求，通過專業軟件把變電站的安全信息錄入組態儲存器的變電站的存儲矩陣，再編寫相關安全信息處理控制對策，實現變電站以FPGA為核心的信息讀控電路。系統電路設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下進行產出，并對信號測試的接入端口控制器進行把控，指令解碼器接收數據后利用解碼指令操作邊界寄存器，對各功能進行掃描，JTAG接口會對裝置系統以及內置處理器進行獲取等操作作為變電站存儲電路信號。

傳統變電站會在原結構基礎上加以規約轉換板實現保護測控設備的通訊功能，僅一個內部轉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。新時代發展下的變電站硬軟件系統應朝著變電站三層式功能需求發展，而變電站信息集成嵌入式軟件系統的設計優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設計基于硬件系統設計平臺，增添上層應用具有測控、通訊、保護等功能的運作環境。這要求軟件系統設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動。系統軟件功能設計還應實現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部邏輯關聯對各項集合進行頻繁讀取，通過裝置設定好的運作公式以數據包形式進行輸出。輸出又重新轉為新的輸入，通過多次迭代、聚類直至不再發生變化而得到聚類結果。變電站安全信息集成過程存在安全運行跟蹤和集成調控，根據節點坐標的不同狀態看出主軸功率的曲線形態變化，清楚處理開始、結束、中斷的各節點情況，再結合人工信息輸入就能判斷出運作現狀及異常節點。隨后，根據判斷規則進行差異對比，實現后續跟蹤與調控。

綜上所述，農村變電站安全信息集成嵌入式系統設計不僅推動了鄉村智能變電站的前進發展，也是降低農村電價、提高百姓生活質量的重要舉措和農村經濟進步、產業發展的基礎設備。

作者:許國強 單位:運城職業技術大學智能制造與數智礦山學院