電力系統自動化系統的總體設計

摘 要：電力系統復雜程度的增長以及設計理念的不斷更新，對自動化的要求越來越高，應用于電力系統的自動化系統，要求具有高度穩定性、可靠性、安全性、實時性，設計一套滿足要求并具有前瞻性的電力自動化系統對于電力行業以及自動化系統中各個自動化設備的生產廠家都具有重要的經濟利益與研究意義。

關鍵詞：電力系統；自動化系統；設計

現在我國的電力系統中，已經存在不少的各種類別的自動化裝置設計，但是我們應該認識到其中的大部分都是針對某些具體的裝置開發，并沒有多少可復用性，放大到整個電力系統中就是可移植性差并且與整體的設計要求有偏差。從編程的角度看，許多自動化系統用的還是以往的流程圖類線性程序，這類程序維護成本高，可移植性差，難以升級并使用最新的技術。文章將從總體上對電力系統的自動化系統進行設計，用以解決一些當下自動化系統中存在的問題。

電力系統中的自動化系統可以分為兩個部分，一個部分是硬件部分；另一個是軟件部分。兩個部分可以分別進行設計，軟件部分居于硬件部分之上，為了標準化以及可移植性，軟硬件之間需要做好接口設計，并設計中間層用以隔離軟件與硬件，方便日后維護。

1 自動化系統的硬件總體設計

電力系統中可以應用的自動化裝置種類非常的多，主要可以歸為兩類，自動化裝置算為一類，如備自投裝置、自動準同期裝置、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裝置，如穩定控制裝置、母差保護裝置、電動機保護裝置、后備保護裝置等等。這些裝置覆蓋了測量、控制、保護、通信等各個領域。自動化系統中的硬件方案設計，按照功能就是運行狀態監視、設備保護、動態控制、故障信號處理等部分。

系統采用分層系統結構，按照在系統中的運行等級分為執行層、通信與信號處理層、以及承載軟件運行的終端。

執行層為各種控制、測量、保護裝置、報警裝置，也就是具體的分布安裝與電力系統中的各種自動化設備以及出現問題時能夠發出警報的裝置，這些設備的主要功能分為三類。第一類是負責各種信號的測量，收集電力系統中各部分的運行狀態與參數，并向上送入通信網絡中。第二類是各種保護裝置，在盡可能的情況下應該應用可以由上端設置保護閾值的保護裝置，實現更大的自動化范圍。第三類作為動作機構，能夠接受上端命令進行動作。

通信與信號處理層為重要的信號處理媒介，由各BUS總線、各信號處理器、網絡服務器構成。BUS總線連接各種終端自動化設備與信號處理器，負責在信號處理器與自動化終端之間可靠的傳送信號；信號處理層則作為一個媒介層，進行各種A/D、D/A轉化和不同協議之間的數據轉換。由于各種自動化終端現在并沒有一個統一的標準，廠家各行其是，所以為了以后自動化系統的兼容性以及可維護性與可擴展性，需要一個媒介層隔離自動化終端與上層軟件之間的聯系；網絡服務器則承載軟件運行終端與信號處理器之間的媒介，在兩者之間可靠傳輸信號。

軟件運行終端可以選用計算機，也可以選擇各種嵌入式操作系統，兩種方式各有優缺點，應用計算機作為終端則可移植性更強，操作門檻較低，操作人員可以經過較少的培訓就可以上手。應用嵌入式操作系統的話，整個系統的實時性能會更高，因為其針對性更強，但是嵌入式操作系統對操作人員的要求較高。從未來的發展來看，可以應用嵌入式操作系統，因為如果想連接計算機的話，嵌入式操作系統支持接入計算機網絡，讓計算機從總體構架上居于嵌入式系統之上，兼得兩者的優點。

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

（1）微處理器芯片，可以用DSP也可以用ARM，DSP的運行速度更高，更適合做運算，并且它還提供各種內置的接口協議，可以很方便的進行通信。

（2）電源管理電路，用以變壓與穩壓，為整個系統提供必須的能源。

（3）數據存儲芯片，一是作為內存使用，需要能夠高速讀取的FLASH芯片；二是需要大數量存儲量的芯片，用以存儲日常數據。

其他電路DSP芯片已經基本集成與芯片內。

2 自動化系統的軟件總體設計

在本次設計中，按照上節所述，將使用嵌入式操作系統。嵌入式操作系統在運行層次上與計算機上的操作系統類似，都用應用程序層、系統層、驅動層以及硬件層，我們應用的是應用程序層，它和處理器及嵌入式操作系統的關聯并不大，可以很好的保證軟件系統的可移植性與可重用性。底層的系統操作我們可以不用理會，只需要少量操作系統針對性設計就可以在操作系統上設計我們的程序了。

一是需要選擇一個操作系統作為程序運行環境。當前的嵌入式操作系統種類非常的多，它們各有千秋，在本次設計中，我們選用的是UC/OS，一是因為它的體積小，二是因為它的可移植范圍非常的廣，較為成熟。所以我們選擇它作為運行于DSP上的操作系統。

在完成操作系統的選擇后，將進行自動化軟件平臺的設計。軟件平臺設計需要針對電力系統中自動化系統功能進行分析，將各種不同功能劃分為不同的任務，而后不同的任務運行不同的模塊，軟件平臺負責調度協調各個模塊的工作，滿足自動化系統運行要求。具體的模塊劃分，為測量模塊、數據處理模塊、輸入輸出模塊、通信模塊、故障處理模塊。任務的調度、內存的分配、通信協議等問題屬于操作系統問題，可以不用關心。

2.1 數據測量模塊。也就是定時采樣任務，該模塊的主要工作內容就是依據設定好的不同數據之間的傳輸協議方式向平臺索要不同自動化設備的原始數據。

2.2 數據處理模塊。因為各種來源的干擾，采集到的數據存在大量的噪聲，需要經過一定的算法處理才能獲得有效的數據值，該模塊負責依據不同數據來源，采用針對性算法對數據進行過濾加工。

2.3 輸入輸出模塊。也就是人機交互模塊，包括鍵盤、指示燈、顯示屏等等，鍵盤與顯示屏的驅動操作系統本身就可以完成，只需要使用相應API。

2.4 通信模塊。通信模塊分為兩個部分，一個是數據傳輸監聽部分，用以接受數據并送給等待者；一個是數據發送部分，用以提取數據緩沖區中的數據并按照設定的數據傳輸協議將數據發送出去。

2.5 故障處理模塊。該模塊是數據真正的利用者，數據從數據處理模塊流出后，送至此處。它分為三個部分，分別為數據檢查、具體故障處理、報警部分。首先模塊依據軟件設定對數據進行檢查，一旦發現數據存在問題時，將問題內容送至具體故障處理程序，故障處理程序依據問題內容采取操作。如果該故障系統處理不了則交至報警部分處理，發出報警訊號。

2.6 日志記錄模塊。電力系統日常運行情況對后續的維護和問題處理有著非常重要的意義，因此需要日志記錄模塊，它的數據來源于故障處理模塊。

整個軟件系統是以數據流驅動設計理念進行設計，模塊化設計程序，可移植性高，可維護性好。其大致數據流向為：

自動化終端->媒介層轉換->網絡服務器<->通信模塊<->數據測量模塊<->數據處理模塊<->故障處理模塊->日志記錄模塊->輸出模塊。

參考文獻

[1]嚴曉蓉.電力自動化系統中的數據處理[J].電力自動化設備，2005（03）.

[2]王娜.電力自動化系統的應用分析[J].黑龍江電力，2012（12）.

[3]李海芬.對電力自動化系統的控制分析[J].暖通空調，2013（05）.

[4]黃穎.電力自動化系統智能保護測控設備的設計與開發[D].中南大學，2008.

[5]蔡媛媛.基于Linux的電力自動化系統無人值班的實現[D].華北電力大學，2004（12）.

作者簡介：吳俊，身份證號：510211198012071217