電力系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

摘 要：電力系統(tǒng)復(fù)雜程度的增長以及設(shè)計(jì)理念的不斷更新，對(duì)自動(dòng)化的要求越來越高，應(yīng)用于電力系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)，要求具有高度穩(wěn)定性、可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)一套滿足要求并具有前瞻性的電力自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)于電力行業(yè)以及自動(dòng)化系統(tǒng)中各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的生產(chǎn)廠家都具有重要的經(jīng)濟(jì)利益與研究意義。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；自動(dòng)化系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

現(xiàn)在我國的電力系統(tǒng)中，已經(jīng)存在不少的各種類別的自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)，但是我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到其中的大部分都是針對(duì)某些具體的裝置開發(fā)，并沒有多少可復(fù)用性，放大到整個(gè)電力系統(tǒng)中就是可移植性差并且與整體的設(shè)計(jì)要求有偏差。從編程的角度看，許多自動(dòng)化系統(tǒng)用的還是以往的流程圖類線性程序，這類程序維護(hù)成本高，可移植性差，難以升級(jí)并使用最新的技術(shù)。文章將從總體上對(duì)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用以解決一些當(dāng)下自動(dòng)化系統(tǒng)中存在的問題。

電力系統(tǒng)中的自動(dòng)化系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是硬件部分；另一個(gè)是軟件部分。兩個(gè)部分可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件部分居于硬件部分之上，為了標(biāo)準(zhǔn)化以及可移植性，軟硬件之間需要做好接口設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)中間層用以隔離軟件與硬件，方便日后維護(hù)。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)中可以應(yīng)用的自動(dòng)化裝置種類非常的多，主要可以歸為兩類，自動(dòng)化裝置算為一類，如備自投裝置、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、無功綜合控制裝置、接地選線裝置、低周減載裝置等等；另一類為控制與保護(hù)裝置，如穩(wěn)定控制裝置、母差保護(hù)裝置、電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置、后備保護(hù)裝置等等。這些裝置覆蓋了測(cè)量、控制、保護(hù)、通信等各個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)化系統(tǒng)中的硬件方案設(shè)計(jì)，按照功能就是運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、設(shè)備保護(hù)、動(dòng)態(tài)控制、故障信號(hào)處理等部分。

系統(tǒng)采用分層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照在系統(tǒng)中的運(yùn)行等級(jí)分為執(zhí)行層、通信與信號(hào)處理層、以及承載軟件運(yùn)行的終端。

執(zhí)行層為各種控制、測(cè)量、保護(hù)裝置、報(bào)警裝置，也就是具體的分布安裝與電力系統(tǒng)中的各種自動(dòng)化設(shè)備以及出現(xiàn)問題時(shí)能夠發(fā)出警報(bào)的裝置，這些設(shè)備的主要功能分為三類。第一類是負(fù)責(zé)各種信號(hào)的測(cè)量，收集電力系統(tǒng)中各部分的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)，并向上送入通信網(wǎng)絡(luò)中。第二類是各種保護(hù)裝置，在盡可能的情況下應(yīng)該應(yīng)用可以由上端設(shè)置保護(hù)閾值的保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)更大的自動(dòng)化范圍。第三類作為動(dòng)作機(jī)構(gòu)，能夠接受上端命令進(jìn)行動(dòng)作。

通信與信號(hào)處理層為重要的信號(hào)處理媒介，由各BUS總線、各信號(hào)處理器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器構(gòu)成。BUS總線連接各種終端自動(dòng)化設(shè)備與信號(hào)處理器，負(fù)責(zé)在信號(hào)處理器與自動(dòng)化終端之間可靠的傳送信號(hào)；信號(hào)處理層則作為一個(gè)媒介層，進(jìn)行各種A/D、D/A轉(zhuǎn)化和不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于各種自動(dòng)化終端現(xiàn)在并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，廠家各行其是，所以為了以后自動(dòng)化系統(tǒng)的兼容性以及可維護(hù)性與可擴(kuò)展性，需要一個(gè)媒介層隔離自動(dòng)化終端與上層軟件之間的聯(lián)系；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器則承載軟件運(yùn)行終端與信號(hào)處理器之間的媒介，在兩者之間可靠傳輸信號(hào)。

軟件運(yùn)行終端可以選用計(jì)算機(jī)，也可以選擇各種嵌入式操作系統(tǒng)，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)作為終端則可移植性更強(qiáng)，操作門檻較低，操作人員可以經(jīng)過較少的培訓(xùn)就可以上手。應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)的話，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能會(huì)更高，因?yàn)槠溽槍?duì)性更強(qiáng)，但是嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)操作人員的要求較高。從未來的發(fā)展來看，可以應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)，因?yàn)槿绻脒B接計(jì)算機(jī)的話，嵌入式操作系統(tǒng)支持接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，讓計(jì)算機(jī)從總體構(gòu)架上居于嵌入式系統(tǒng)之上，兼得兩者的優(yōu)點(diǎn)。

因此，承載軟件運(yùn)行終端的硬件載體為嵌入式系統(tǒng)所需硬件。嵌入式操作系統(tǒng)需要的硬件較多，有以下必備幾種：

（1）微處理器芯片，可以用DSP也可以用ARM，DSP的運(yùn)行速度更高，更適合做運(yùn)算，并且它還提供各種內(nèi)置的接口協(xié)議，可以很方便的進(jìn)行通信。

（2）電源管理電路，用以變壓與穩(wěn)壓，為整個(gè)系統(tǒng)提供必須的能源。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，一是作為內(nèi)存使用，需要能夠高速讀取的FLASH芯片；二是需要大數(shù)量存儲(chǔ)量的芯片，用以存儲(chǔ)日常數(shù)據(jù)。

其他電路DSP芯片已經(jīng)基本集成與芯片內(nèi)。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，按照上節(jié)所述，將使用嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)在運(yùn)行層次上與計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)類似，都用應(yīng)用程序?qū)印⑾到y(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層以及硬件層，我們應(yīng)用的是應(yīng)用程序?qū)樱吞幚砥骷扒度胧讲僮飨到y(tǒng)的關(guān)聯(lián)并不大，可以很好的保證軟件系統(tǒng)的可移植性與可重用性。底層的系統(tǒng)操作我們可以不用理會(huì)，只需要少量操作系統(tǒng)針對(duì)性設(shè)計(jì)就可以在操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)我們的程序了。

一是需要選擇一個(gè)操作系統(tǒng)作為程序運(yùn)行環(huán)境。當(dāng)前的嵌入式操作系統(tǒng)種類非常的多，它們各有千秋，在本次設(shè)計(jì)中，我們選用的是UC/OS，一是因?yàn)樗捏w積小，二是因?yàn)樗目梢浦卜秶浅５膹V，較為成熟。所以我們選擇它作為運(yùn)行于DSP上的操作系統(tǒng)。

在完成操作系統(tǒng)的選擇后，將進(jìn)行自動(dòng)化軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)需要針對(duì)電力系統(tǒng)中自動(dòng)化系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，將各種不同功能劃分為不同的任務(wù)，而后不同的任務(wù)運(yùn)行不同的模塊，軟件平臺(tái)負(fù)責(zé)調(diào)度協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，滿足自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行要求。具體的模塊劃分，為測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸入輸出模塊、通信模塊、故障處理模塊。任務(wù)的調(diào)度、內(nèi)存的分配、通信協(xié)議等問題屬于操作系統(tǒng)問題，可以不用關(guān)心。

2.1 數(shù)據(jù)測(cè)量模塊。也就是定時(shí)采樣任務(wù)，該模塊的主要工作內(nèi)容就是依據(jù)設(shè)定好的不同數(shù)據(jù)之間的傳輸協(xié)議方式向平臺(tái)索要不同自動(dòng)化設(shè)備的原始數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊。因?yàn)楦鞣N來源的干擾，采集到的數(shù)據(jù)存在大量的噪聲，需要經(jīng)過一定的算法處理才能獲得有效的數(shù)據(jù)值，該模塊負(fù)責(zé)依據(jù)不同數(shù)據(jù)來源，采用針對(duì)性算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾加工。

2.3 輸入輸出模塊。也就是人機(jī)交互模塊，包括鍵盤、指示燈、顯示屏等等，鍵盤與顯示屏的驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)本身就可以完成，只需要使用相應(yīng)API。

2.4 通信模塊。通信模塊分為兩個(gè)部分，一個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)聽部分，用以接受數(shù)據(jù)并送給等待者；一個(gè)是數(shù)據(jù)發(fā)送部分，用以提取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)并按照設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.5 故障處理模塊。該模塊是數(shù)據(jù)真正的利用者，數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)處理模塊流出后，送至此處。它分為三個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)檢查、具體故障處理、報(bào)警部分。首先模塊依據(jù)軟件設(shè)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在問題時(shí)，將問題內(nèi)容送至具體故障處理程序，故障處理程序依據(jù)問題內(nèi)容采取操作。如果該故障系統(tǒng)處理不了則交至報(bào)警部分處理，發(fā)出報(bào)警訊號(hào)。

2.6 日志記錄模塊。電力系統(tǒng)日常運(yùn)行情況對(duì)后續(xù)的維護(hù)和問題處理有著非常重要的意義，因此需要日志記錄模塊，它的數(shù)據(jù)來源于故障處理模塊。

整個(gè)軟件系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)程序，可移植性高，可維護(hù)性好。其大致數(shù)據(jù)流向?yàn)椋?/p>

自動(dòng)化終端->媒介層轉(zhuǎn)換->網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器<->通信模塊<->數(shù)據(jù)測(cè)量模塊<->數(shù)據(jù)處理模塊<->故障處理模塊->日志記錄模塊->輸出模塊。

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作者簡介：吳俊，身份證號(hào)：510211198012071217