MOXA嵌入式計算機在變電站綜合自動化中的解決方案

　　1 變電站綜合自動化的應(yīng)用需求

　　變電站綜合自動化系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上分為3層：變電站層、通信層和間隔層。間隔層主要由保護單元和測控單元等組成，通信采用RS485現(xiàn)場總線;通信層包括通信控制器、保護管理機以及規(guī)約轉(zhuǎn)換器等;變電站層由本地后臺服務(wù)器、保護工程師站和五防系統(tǒng)等構(gòu)成，通信采用100M工業(yè)以太網(wǎng)。

　　一般來說，間隔層測控裝置將實時采集的各種測量數(shù)據(jù)發(fā)送到通信層，并由通信層向變電站層轉(zhuǎn)發(fā);同時，通信層接收來自變電站層的各種操作數(shù)據(jù)，對間隔層進行一定的控制?？梢?，通信層在整個系統(tǒng)的設(shè)計上發(fā)揮著承上啟下的關(guān)鍵作用，通信層設(shè)備是否穩(wěn)定、高效會影響整個系統(tǒng)可靠性的高低。通信層的核心部件是通信控制器，通信控制器通過RS485網(wǎng)與各測控單元互聯(lián)，經(jīng)以太網(wǎng)與主站層沒備連接;保護管理機和智能裝置(小電流接地選線、直流屏)與通信控制器采用RS422接口通信，各保護裝置、保護管理機和35kV間隔層測控裝置采用RS485/422/232接口與通信控制器通信。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖l所示)使通信控制器有更多時間對信息作綜合處理，同時使系統(tǒng)的靈活性得以提高。

　　2 嵌入式技術(shù)在電力綜合自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　相對于工業(yè)PC，基于嵌入式技術(shù)的產(chǎn)品從內(nèi)部結(jié)構(gòu)到外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計都進行了革命性的變革，克服了工業(yè)PC現(xiàn)有的這些缺點。固態(tài)電子盤(SSE)或CF)取代了PC的硬盤，低功耗、RISC架構(gòu)的CPU取消了風(fēng)扇設(shè)計。所以，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，嵌入式控制器已經(jīng)取消了PC的諸多不穩(wěn)定因素;從系統(tǒng)擴展方式上看，嵌入式控制器也與傳統(tǒng)的IPC有很大差別。傳統(tǒng)的IPC擴展是“插卡式”，無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的抗強震動和沖擊能力要求;而嵌入式計算機則是采用集成化的電路設(shè)計，直接將串口、網(wǎng)口、DI/DO等接口集成在嵌入式計算機上，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，Win CE、Linux等嵌入式實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅滿足了工業(yè)控制的實時性，而且有力地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的維護成奉。

　　正是考慮到嵌入式技術(shù)在電力特別是綜合自動化領(lǐng)域的應(yīng)用前景和必然趨勢，越來越多的公司開始研發(fā)嵌入式的產(chǎn)品。MOXA作為一個在串口領(lǐng)域耕耘近20余年的公司，在串口通信方面積累了豐富的經(jīng)驗。MOXA的串口卡、串口服務(wù)器在電力、交通、能源等基礎(chǔ)行業(yè)得到客戶的一致好評。MOXA通過其產(chǎn)品在各行各業(yè)的應(yīng)用也對各行業(yè)的需求有了更深入的了解，特別是在電力的變電站綜合自動化領(lǐng)域，MOXA發(fā)現(xiàn)客戶在進行通信層的設(shè)計時需要一款既能夠?qū)崿F(xiàn)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，同時又具備前置機功能的產(chǎn)品。MOXA利用在串口通信方面和底層軟件上的研發(fā)優(yōu)勢，迅速地推出了集成了多個串口、網(wǎng)口等各種接口的嵌入式計算機EC。通過嵌入不同的應(yīng)用程序，EC在電力應(yīng)用上可以實現(xiàn)通信控制器、規(guī)約轉(zhuǎn)換器、保護管理機和電能量采集終端等功能。

　　3 MOXA嵌入式計算機UC7400系列的應(yīng)用實例

　　下面就以MOXA的一款嵌入式計算機UC-7420為例，詳細說明嵌入式計算機在變電站綜合自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用。基于RISC的UC-7420/74l嵌入式計算機是嵌入式應(yīng)用的理想選擇。該產(chǎn)品具備8個RS232/422/485串口、2個lO/100 Mbps以太網(wǎng)口、1個用于無線通信的PC-MCIA接口，以及用于擴展閃存空間的CF卡插槽和USB接口。UC-7420/7410采用Intel XScale IXP-422 266MHz RISC CPU。與采用CISC設(shè)計的x86 CPU不同的是，IXP-422的RISC架構(gòu)設(shè)計和先進的半導(dǎo)體技術(shù)賦予了UC-7420強大的計算和通信能力，且發(fā)熱量很小。內(nèi)建32 MB NOR F1ash ROM和128 MB SDRAM，為直接將應(yīng)用軟件放在UC-7420/7410上提供了足夠的存儲空間。同時，建置在IXP-422 CPU的雙網(wǎng)口是安全的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案的理想通信平臺。如果所設(shè)計的方案需要將UC-7420安裝在無以太網(wǎng)連接的地方，那么可以通過使用UC-7420的PCMCIA接口安裝無線網(wǎng)卡來實現(xiàn)。

　　預(yù)裝的Linux操作系統(tǒng)為開發(fā)程序提供了一個開放平臺。通過使用GNU交叉編譯器，可以將用于桌面型電腦的軟件輕松導(dǎo)入UC-7-420，無須修改程序源代碼。UC-7420自帶了一些設(shè)備驅(qū)動，如PCMCIA無線模塊、鍵盤、LCM和蜂鳴器控制器等。操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動和自己升發(fā)的應(yīng)用程序均可以存放在UC-7420的Flash中。

　　UC-7420所具備的上述特性在電力行業(yè)獲得了很大的認可，因此在電力行業(yè)的各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。由于該產(chǎn)品不僅提供了一個穩(wěn)定、高教的工業(yè)級計算機硬件平臺，而且已經(jīng)在其中嵌入了經(jīng)過裁剪的操作系統(tǒng)和包括串口驅(qū)動在內(nèi)的底層軟件平臺，使得電力系統(tǒng)的開發(fā)工程師再也不需要從底層硬件做起。MOXA UC-7420的出現(xiàn)使得致力于電力行業(yè)各種應(yīng)用的工程師只需要集中精力完成有關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用的程序，大大節(jié)省了原來自己做硬件、自己裁剪操作系統(tǒng)所花費的時間和精力，極大地提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。

　　2005年MOXA在全球開展了產(chǎn)業(yè)內(nèi)的軟件合作伙伴計劃，在中國大陸地區(qū)主要針對電力市場與電力的軟件公司建立了緊密的合作關(guān)系。例如深圳先鋒電力，一家專門從事電力自動化和工業(yè)自動化的公司，利用自己在電力軟件系統(tǒng)上的開發(fā)經(jīng)驗，基于MOXA的嵌入式計算機平臺，推出了針對變電站綜合自動化、電廠綜合自動化、綜合調(diào)度、規(guī)約轉(zhuǎn)換等多個系統(tǒng)。變電站的綜合自動化系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

　　該系統(tǒng)非常易于擴展，規(guī)?？梢詮膯螜C系統(tǒng)發(fā)展為多機系統(tǒng)，以便最有效地和用資源和提供重要應(yīng)用功能的硬件備份。系統(tǒng)的設(shè)計采用合適的冗余配置和診斷至模件級的自診斷功能，具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不會影響整個系統(tǒng)的工作。嵌入式計算機UC-7400內(nèi)置GE、SEL，SIEMENS、ABB、SEPAM、ALS-TOM、AEC等國外品牌保護協(xié)議庫，還支持南瑞保護、許繼保護、五防系統(tǒng)、電度表、直流屏、智能儀表、PLC二等協(xié)議庫。為了保證系統(tǒng)的安全性，事件報警、預(yù)告信號全部采用消息處理機制，大大提高了告警的速度。整個系統(tǒng)的設(shè)計易于組態(tài)和使用，可裁剪，可移植。發(fā)電廠的綜合自動化系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

　　在專門針對電力的規(guī)約轉(zhuǎn)換方面，基于MOXA嵌入式計算機產(chǎn)品的UC-7400可以嵌入IEC102、IECl03，IEC1107、IEC61850、DLT645、SEL、LMD、MODBUS(主/從)、TCP MODBUS、非標(biāo)MODBUS、IEC10l(主/從)、IEC104(主/從)、新部頒CDT(主/從)、XT9702、DISA、SC1801、DNP3.0(主/從)、N4F、MB88、ABBR571、OPCSetver/Client、電話撥號、GSM發(fā)送短信及工程定制的串口/USB/TCP/UDP協(xié)議等。

　　結(jié)語

　　MOXA嵌入式計算機系列產(chǎn)品在RISC架構(gòu)平臺上集成了多串口、多網(wǎng)口、開關(guān)量輸入/輸出等數(shù)據(jù)通信和工業(yè)控制接口，使用戶節(jié)省了購買各功能板卡的二次投資;同時通過多項特殊的設(shè)計，避免了傳統(tǒng)工控機存在的缺陷，使產(chǎn)品具有高性能、無風(fēng)扇、免維護、高度靈活性、良好擴展性等特點，滿足各種工業(yè)現(xiàn)場特別是電力現(xiàn)場的使用需求。