自主可控技术在变电站自动化装置中的运用分析

2022-09-03印婷

大科技 2022年35期

关键词：功能模块处理器变电站

印婷

（国网泰兴市供电公司，江苏泰州 225400）

0 引言

相较于其他技术，自主可控技术能够有效提高智能变电站的数据处理速度，以此来满足城市对电力的需求。而对自主可控技术在变电站自动化装置中的运用进行研究分析，则能为自主可控技术的应用提供依据，继而为满足城市用电需求提供便利。

1 关键器件自主可控分析

1.1 芯片生态链

芯片产业主要包括芯片设计、制作、封装测试及市场应用，各分工工序通过上下游之间的协作配合完成[1]，如图1 所示。一般情况下，设计人员在设计出芯片后，会把设计图纸交付给芯片厂家制造晶圆，然后由封装厂对生产处理的芯片进行包装、测试，形成整个芯片生态链。

图1 芯片产业链

现阶段，随着我国科学技术的不断提升，在芯片设计上有了很大的提升，但是在某些方面依然十分落后，难以满足我国芯片产业的需求，从而只能依赖进口。但是在芯片封装测试这一方面，我国封装技术十分先进，拥有较强的市场竞争力，朝着高端产业前进。不过由于我国缺乏相应的原材料以及设备，而芯片制作不仅十分烦琐，还需要用到各种材料设备，使得我国制造芯片的原材料和设备严重依赖进口。不仅如此目前我国芯片产业链模式相对落后，多为芯片代工厂以及芯片供应商，芯片生产能力弱[2]。

1.2 关键器件自主可控

1.2.1 处理器

处理器是智能变电站自动化装置中的一个关键器件，通常可以分为两种，分别为复杂指令集与精简指令集[3]。两种处理器在我国都得到了广泛应用，其中海光、兆芯等厂家所生产的便是复杂指令集处理器，而华为、华芯通等厂家所生产的便是精简指令集处理器。但需要注意的是，随着科学技术的不断发展，ARM 嵌入式处理器成为主要发展方向，并在车载、工控等领域得到大规模应用，不仅拥有良好的性能和功能，还可以满足变电站测量控制装置对处理器的要求。因此工作人员可以把ARM 处理器作为自动化装置的关键器件。

1.2.2 现场可编程门阵列

现场可编程门阵列又被称为FPGA，同样是自动化装置中的关键器件[4-5]。不过由于FPGA 对于技术的要求较高，因此在对FPGA 进行研发时，应该共同开发软硬件。若是从整个产业链这个角度上看，不难发现FPGA 自主可控程度不高，尤其是在一些高端领域，自主可控程度更低。

1.2.3 存储芯片

目前我国自主研发的存储芯片与国外研发的存储芯片无论是功能还是性能基本一致，并且两种芯片的封装能够实现兼容，能够实现相互替代。但需要注意的是，我国在大容量数据信息储存上和国外还有差距，不过已经能够满足我国变电站自动化需求，符合电力测量控制标准。

1.2.4 模数转换器件

ADC 芯片是整个装置当中最核心的芯片，也是装置当中的关键器件，对于变电站自动化起着至关重要的作用。现阶段我国已经完成了该芯片的研发，能够有效满足变电站对模数转换器的需求，但需要注意的是，我国自主研发的ADC 芯片在极端环境中测量精度会出现偏差。

1.2.5 电源芯片

目前，我国已经拥有完整的电源芯片研发技术，能够有效满足自主可控技术对于硬件的需求，从而有效提高变电站的自动化水平，为用户提供充足的电量。

1.2.6 其他

除了上述所说的关键器件外，装置当中还包括光耦、继电器以及电阻等器件，并且国内都拥有成熟的技术，不仅与国外封装兼容，而且能够相互替代，满足变电站自动化的需求。由此不难发现，对于自主可控技术应用所需要的器件全都实现自主可控替代，虽然与国外器件存在一定差距，但是已经能够满足自主可控技术应用的需求。

2 软件自主可控分析

2.1 自主可控软件生态

一般情况下，嵌入式软件研发大体分为两部分，分别是实时系统以及非实时系统。其中变电站当中的测量控制便是实时系统，能够及时对接收的信号进行处理。同时对于软件的自主开发工作主要分为两方面，分别为装置侧运行以及配套运维工具。另外对于软件的开发环境通常情况下是由第三方负责提供。

2.2 自主可控操作系统

嵌入式软件应用日渐加深，软件本身的复杂性也持续提升。近年来嵌入式可控操作系统得到大规模普及使用，特别是在国外，嵌入式自主可控系统始终占据着关键地位，而国内对于嵌入式自主可控系统的使用则较少。不过随着自主可控这一战略规划不断贯彻落实，使得国内的自主可控操作系统有了显著提升。因此在自主可控技术的应用上，既可以选择嵌入式自主可控操作系统，也可以根据变电站的实际情况制定一个科学、合理的操作系统，以此来满足变电站自动化需求，提高变电站自动化水平。而且因为国内技术的不断进步，使得自主可控技术能够被广泛应用在变电站自动化当中。

2.3 自主可控中间件

电力行业在对变电站测量控制装置进行研发时，通常以自行研发作为首要选择，这是因为随着社会经济的不断发展，人们对电量的需求也在不断上升，而借助第三方软件进行变电站自动化难以满足用电需求，所以电力行业普遍选择自行研发。现阶段电力企业在对测量装置进行研发时，主要选择通信服务组件来进行研发工作，并且因为这一组件能够开展二次开发工作，使得电力企业能够根据自身实际情况研发适合的测量控制装置，以此来加强对自主可控技术的应用，促进变电站自动化，满足用户对电力的需求。

3 自主可控技术运用策略

以嵌入式自主可控系统在变电站中的应用为例，所使用的器件以及软件全都是能够自主研发的部件。

3.1 硬件实现

设计人员在对测量控制装置设计时，通常选择多板件作为装置的架构，大体可以分为六个模块，分别为管理、功能、I/O、电源、母版以及显示交互，如图2 所示。

图2 硬件装置组成

3.1.1 各模块之间的关系

在整个硬件装置当中，管理模块可以借助装置内部的总线与功能模块连接在一起，其中这条总线的通信带宽能够达到10Mbit/s，但需要注意的是，这条总线在运行过程中并不是实时系统，对于数据的处理能力一般，因此普遍用来传输不在乎实时性的数据信息。而功能模块能够利用装置当中实时总线与I/O 模块连接在一起，不过这条实时总线的通信带宽只有1Mbit/s，多为精简指令集，而且拥有较高的实时性，非常适合接收或者传输对实时性要求较高的数据信息。

不仅如此，在装置内部设计人员还设计了一条高速总线，用来连接功能模块以及管理模块，这条高速总线的通信带宽能够达到320Mbit/s，并且拥有专门的协议，通常用于大容量并且对实时性要求较高的数据信息传输，不仅具有良好的实时性，而且还能够将收集到的数据信息共享，让工作人员能够准确掌握收集到的数据信息。同时管理模块和显示交互模块能够利用以太网开展数据信息传输和接收，如此可以最大程度上提高交互模块的独立性。但需要注意的是通常情况下，交互模块所收集到的数据信息主要为调试报文以及界面数据。

3.1.2 管理模块与功能模块设计

设计人员在对装置设计时，选择自主可控的处理器作为管理模块和功能模块作为核心处理器，以此来提高整个装置的自动化水平，加强对自主可控技术的应用。同时为了更好进行数据处理，确保自主可控处理器能够稳定运行，设计人员还搭配FPGA 共同对数据信息进行处理，并且用高速交互接口将自主可控处理器与FPGA 连接在一起，从而加强装置的协同处理能力，提高装置的自动化水平。

不仅如此，设计人员还在FPGA 一侧利用逻辑使高速接口与其他接口连接在一起，通过这种方式，处理器便能够借助以太网以及高速接口进行数据信息传输和接收，以此来提高变电站自动化水平，加强自主可控技术的应用。而且通过这种方式进行数据信息传输，不仅传输速度特别快，而且传输速率特别高，实时性高，可以最大程度上满足大容量数据的传输。但需要注意的是，相较于以太网接口，设计人员在对管理模块与功能模块的总线进行设计时，普遍选择低电压差的收发器来进行数据信息的传输与接收工作。如此能够有效提高数据信息的传输效率，降低数据信息传输过程中对功能的损耗，能够有效降低自主操作可控系统成本，使管理模块与功能模块的灵活性与扩展性得到显著提升。

3.1.3 其他模块设计

与管理模块和功能模块不同，设计人员在对其他模块进行设计时，必须要根据装置的实际情况科学、合理进行设计，确保设计的模块能够符合装置需要，从而提高变电站自动化水平，满足用户对电力的需求。但需要注意的是，设计人员在对其他模块进行设计时还要与功能模块和管理模块联系在一起，以此来提高整个装置的数据处理能力，满足电力测量与控制的需要。例如：在对AC 子模块进行设计时，需要让该模块能够对电流以及电压信号进行转换，然后利用母版将转换完的电流以及电压信号传送到功能模块当中，然后借助功能模块当中的芯片对转换后的数据信息进行收集整理。同时在对电源模件进行设计时，需要确保电源模件能够接收直流电，从而为其他模块提供电量，保障其他模块能够有序运行，实时对电量数据进行测量与控制，加强自主控制技术的应用。

3.1.4 外部接口设计

由于装置的核心处理器当中拥有网口，能够让工作人员对接口进行调试，但需要注意的是，功能模块与管理模块等接口都可以利用FPGA 设计专门的外部接口。并且FPGA 本身自带的端口可以让I/O 模块之间进行数据信息的传输与接收工作。同时装置当中的通信功能也可以借助FPGA 与I/O 模块连接在一起。

不仅如此，相较于传统数据收集方式，FPGA 能够对数据自由进行转换，方便对数据信息的处理。

3.2 软件实现

装置的软件大体可以分为管理模块软件以及功能软件设计两方面。如果按照层次进行划分，大体可以将软件分为BSP 软件、操作系统和平台接口以及应用层软件。

首先，和装置硬件直接联系在一起的软件有BSP以及FPGA，其中BSP 负责对各硬件端口资源进行驱动工作，而FPGA 则负责对各模块通信接口进行扩展，以此来提高各模块数据信息接收与传输能力。并且无论是BSP 软件还是FPGA 软件都是由我国自主研发的可控逻辑软件，能够有效进行数据信息的收集与处理工作，提高变电站自动化水平，加强自主可控技术的应用。

其次，为操作系统与平台接口层，由于装置当中的管理模块主要负责对同队以及人机界面进行操作管理，不具备实时性，因此该自主可控操作系统不是实时系统。而功能模块则负责对测量控制的数据信息进行采集，具有实时性。并且在实际应用时，设计人员对平台接口进行专门设计，使其可以跨平台连接，同时还对管理模块当中的操作访问接口开展设计，确保其能够满足测量控制需要，加强对自主可控技术的应用。

最后是应用层，分别为中间件组件、平台支持组件以及应用功能软件开发三部分。其中中间件包括通信组件以及人机界面组件，主要负责数据信息的传输。而平台支撑组件则能够为装置营造一个良好的软件开发环境，使设计人员能够更加快速进行软件开发。