變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳元忠，林 菁，王國(guó)平

(1.福建省電力有限公司泉州技能研究院，福建 泉州 362000；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100192)

0 引言

根據(jù)集成的定義，變電站安全信息集成就是將一些孤立的信息通過(guò)融合或聚類的方式，改變初始分散的狀態(tài)，將分散安全信息集中在一起，并利用各個(gè)信息之間的內(nèi)部邏輯關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體[1]。變電站安全信息集成主要針對(duì)的是變電站運(yùn)行信息、設(shè)備信息和繼電保護(hù)信息等，根據(jù)整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)變電站安全信息的集成與調(diào)度。要滿足在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中提高運(yùn)行效率的要求，迫切需要建立一體化的變電站安全信息執(zhí)行層控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站安全信息的可控和實(shí)時(shí)管理。

與傳統(tǒng)的變電站安全信息運(yùn)行模式相比，變電站安全信息集成具有周期短和效率高的特點(diǎn)。收集國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究文獻(xiàn)和資料，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段發(fā)展得較為成熟的變電站安全信息集成系統(tǒng)包括基于遺傳算法的集成系統(tǒng)、基于TOC理論的集成系統(tǒng)以及基于Web倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)的集成系統(tǒng)。然而傳統(tǒng)的變電站安全信息集成系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用工作中，在集成功能和應(yīng)用性能方面都存在一定的缺陷。為此，本文通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，間接地提升變電站的工作效率。

1 變電站安全信息集成嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)挖掘的變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要全面地掌握變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并提供前提條件。該系統(tǒng)硬件主要由變電站安全信息智能采集器、集成處理器、集成存儲(chǔ)器和A/D轉(zhuǎn)換等組成。圖1為該集成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 變電站安全信息智能采集器

采用32位高速ARM單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊。采集器按程序設(shè)定的采集周期采集各個(gè)通道的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)后通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心[2]。系統(tǒng)選擇的變電站安全信息智能采集器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集器組成結(jié)構(gòu)

1.2 集成處理器

選取ARMCortexTM-M4型處理器作為變電站安全信息集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器，該處理器的內(nèi)核是哈佛體系結(jié)構(gòu)，以3條運(yùn)行線為基礎(chǔ)[3]。

1.3 變電站安全信息集成存儲(chǔ)器

根據(jù)變電站安全信息集成運(yùn)行程序的要求，分別設(shè)計(jì)變電站運(yùn)行信息、設(shè)備信息、繼電保護(hù)信息的寫控電路，以及存儲(chǔ)陣列和讀控電路，通過(guò)專用軟件將FPGA所需的組態(tài)變電站安全信息并入組態(tài)存儲(chǔ)器的變電站安全信息存儲(chǔ)矩陣中，編寫了軟件和變電站安全信息處理控制方案，共同實(shí)現(xiàn)了FPGA組態(tài)文件的配置變電站安全信息讀控電路[4]。

1.4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.4.1 變電站安全信息寫入控制電路

主控變電站安全信息寫入的主體結(jié)構(gòu)，控制電路在不同狀態(tài)下產(chǎn)生所需測(cè)試的時(shí)鐘和控制信號(hào)工作測(cè)試接入端口控制器，再由指令解碼器接收到指令寄存器，解碼指令用于控制和操作邊界寄存器，實(shí)現(xiàn)各種功能操作邊界掃描[5]。并根據(jù)IEEE1532協(xié)議，結(jié)合Flash陣列的特點(diǎn)和電氣特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的編程方案。該裝置通過(guò)JTAG接口實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置處理器和系統(tǒng)的邏輯控制，讀取、記錄和擦除應(yīng)用于變電站安全信息存儲(chǔ)電路的時(shí)間信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的編碼。

1.4.2 電源模塊電路

變電站安全信息集成嵌入式硬件系統(tǒng)中的各個(gè)元件需要穩(wěn)定的電路支持。電壓為3.3 V和8.0 V。在系統(tǒng)中，核心電壓為1.8 V，鎖相環(huán)電壓為3.3 V，具體的電源電路連接情況如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源電路

5.0 V系統(tǒng)電源通過(guò)穩(wěn)壓片后，分別輸出電壓為3.3 V和1.8 V，穩(wěn)壓片采用SPX1117系列，具有800 mA電流驅(qū)動(dòng)能力。

1.4.3 時(shí)鐘發(fā)生電路

時(shí)鐘發(fā)生電路的作用是向系統(tǒng)各部件外部提供鐘表運(yùn)行信號(hào)。選擇30 MHz的有源晶振作為外部時(shí)鐘源，為DSP芯片和其他外部設(shè)備提供運(yùn)行時(shí)鐘信號(hào)[6]。

1.4.4 復(fù)位與初始化電路

變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)中的上電復(fù)位電路設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)復(fù)位電路

圖4中的復(fù)位電路與單片機(jī)相連，當(dāng)單片機(jī)上相應(yīng)的引腳檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。初始化方案的主要功能是在完成功率轉(zhuǎn)換后，設(shè)備自動(dòng)工作芯片中指定的地址，并將變電站安全信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)陣列中，讀入信息存儲(chǔ)區(qū)[7]。在FPGA儀器中將OE/RESET引腳連接到INIT引腳后，自動(dòng)讀取存儲(chǔ)陣列中的第1個(gè)地址信息，以獲得輸出變電站安全信息，較低的輸出電平可以保持在原始狀態(tài)。

2 變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)開發(fā)工作中的重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)軟件功能運(yùn)行的數(shù)據(jù)根基，直接影響變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)效果。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的最終目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的高效管理與存儲(chǔ)[8]。根據(jù)運(yùn)行工作中涉及的各個(gè)工藝流程和設(shè)備，確定數(shù)據(jù)庫(kù)的物理模型，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)物理模型

圖5中顯示的數(shù)據(jù)庫(kù)中，變電站安全信息路線數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 智能變電站安全信息路線數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1的獲取流程，可以得出數(shù)據(jù)庫(kù)中物料和計(jì)劃等變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)表。最終按照?qǐng)D5中表示的各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表之間的關(guān)系形成鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新。

3 變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)收集實(shí)時(shí)變電站安全信息

根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)原理，變電站安全信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集的過(guò)程就是利用關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行頻繁項(xiàng)集合采集的過(guò)程。在智能變電站安全信息運(yùn)行環(huán)境中，定義任意一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)均為候選項(xiàng)集的集合C1中的元素，掃描數(shù)據(jù)庫(kù)并利用式(1)得到C1中各元素的支持度。

(1)

c(X∪Y)為運(yùn)行事務(wù)X和Y同時(shí)出現(xiàn)概率值；|D|為關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的數(shù)據(jù)集。設(shè)置最小支持度閾值為η，在C1中選擇支持度不小于η的項(xiàng)集組成頻繁項(xiàng)集的集合，記為L(zhǎng)1，同理可以得頻繁項(xiàng)集合L2。根據(jù)生成的關(guān)聯(lián)規(guī)則將其裁剪得到壓縮過(guò)后的C3；之后再一次遍歷數(shù)據(jù)庫(kù)，并得到C3中各元素的支持度[9]；在C3中挑選支持度不小于η的項(xiàng)集組成頻繁項(xiàng)集的集合L3；最后對(duì)L3進(jìn)行自連接，以數(shù)據(jù)包的形式輸出變電站安全信息頻繁項(xiàng)集的挖掘結(jié)果。

3.2 實(shí)時(shí)變電站安全信息聚類

將挖掘的實(shí)時(shí)變電站安全信息作為輸入對(duì)象，記為X。在初始變電站安全信息中隨機(jī)選取k個(gè)初始聚類中心，利用式(2)衡量數(shù)據(jù)集合中任意數(shù)據(jù)與聚類中之間的距離。

(2)

按照式(2)計(jì)算輸入數(shù)據(jù)對(duì)象中所有安全信息點(diǎn)與k個(gè)聚類中心的距離，并通過(guò)比對(duì)式(2)的計(jì)算結(jié)果，將xi分配到離它最近的聚類中心所代表的類中。更新聚類簇中心，將新的聚類中心表示為

(3)

Cj為第j個(gè)聚類簇；nj為Cj聚類簇中所包含的變電站安全信息點(diǎn)數(shù)量；xm為Cj中的第m個(gè)點(diǎn)[10]。通過(guò)多次聚類與迭代，當(dāng)變電站安全信息的聚類中心不再發(fā)生變化時(shí)，輸出聚類結(jié)果為

(4)

變量xi和cj分別為初始變電站安全信息中的第i個(gè)樣本和Cj的中心。

3.3 實(shí)現(xiàn)變電站安全信息集成

3.3.1 變電站安全運(yùn)行跟蹤

處理變電站安全運(yùn)行跟蹤最重要的部分是區(qū)分處理開始、處理結(jié)束、處理中斷和返回處理等關(guān)鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)刻點(diǎn)，從而判斷當(dāng)前處理狀態(tài)。變電站在運(yùn)行過(guò)程中，隨著節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值的實(shí)時(shí)變化，主軸功率曲線的形狀也在隨著運(yùn)行過(guò)程而變化，并可通過(guò)一些人工輸入信息推斷出設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，其變化規(guī)律為

(5)

g(w)為w個(gè)連續(xù)點(diǎn)形成的當(dāng)前運(yùn)行軌跡形態(tài)；Λψ和δψ分別為功率曲線的形態(tài)和人工輸入信息；G[N,e(l,f)]為實(shí)際運(yùn)行軌跡；Pκ和Cκ分別為前一時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻的安全運(yùn)行狀態(tài)信息。利用各種狀態(tài)信息的變化特征，可對(duì)每一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)作出具體的判斷規(guī)則，確定目標(biāo)的跟蹤過(guò)程中，最重要的是判斷是否存在異常節(jié)點(diǎn)，并與判斷規(guī)則進(jìn)行匹配比對(duì)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤。

3.3.2 變電站安全信息集成調(diào)控

按照變電站運(yùn)行所需信息的重要程度排序所有的信息。然而在實(shí)際的調(diào)控過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)加急處理異?；蛉鄙傩畔?shù)據(jù)的情況，此時(shí)需要結(jié)合變電站安全信息實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集成調(diào)度處理，變電站安全信息調(diào)度的最終目的是將設(shè)備所需信息平穩(wěn)地分配給每一臺(tái)設(shè)備，以保證在一定的指標(biāo)集內(nèi)完成變電站安全信息安排[11]。將變電站安全信息計(jì)劃分為：計(jì)劃分工制、設(shè)備與安裝信息分成制和日計(jì)劃分成制。計(jì)劃分配結(jié)構(gòu)，分為2個(gè)層次，能夠加強(qiáng)整個(gè)計(jì)劃系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行波動(dòng)的反應(yīng)能力，當(dāng)變電站安全信息計(jì)劃或現(xiàn)場(chǎng)控制發(fā)生較大變化時(shí)，能夠使運(yùn)行隨外部環(huán)境變化而保持相對(duì)穩(wěn)定，從而在一定程度上提高變電站信息計(jì)劃的可執(zhí)行性。定義環(huán)境中的任意一個(gè)變電站信息t的運(yùn)行時(shí)間為

(6)

W(i,j)和M(k,x)均為任意一個(gè)變電站信息子任務(wù)完成所需要的時(shí)間；Nm和Nr為變電站信息初始隊(duì)列中的排序。當(dāng)滿足變電站信息調(diào)度的啟動(dòng)條件時(shí)，為了保證作用總完成時(shí)間的最小化，可以得出變電站信息調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為

(7)

υ為變電站安全信息子任務(wù)數(shù)量。在式(7)的驅(qū)動(dòng)下，按照?qǐng)D6流程完成變電站安全信息的調(diào)度。

圖6 變電站信息集成調(diào)控流程

在實(shí)際的智能變電站信息調(diào)控過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃制定變電站信息調(diào)度計(jì)劃，通過(guò)運(yùn)行控制模塊分配具體運(yùn)行任務(wù)。定期將工藝或設(shè)備情況輸入遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)將工件或設(shè)備情況發(fā)送給控制模塊[12]。在發(fā)生設(shè)備故障等突發(fā)事件時(shí)，修正變電站安全信息計(jì)劃與實(shí)際情況的偏差。

4 系統(tǒng)測(cè)試

以測(cè)試設(shè)計(jì)的基于數(shù)據(jù)挖掘的變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)的集成功能和應(yīng)用性能為目的，設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

4.1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

以某110 kV變電站作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，在不影響變電站正常運(yùn)行工作的前提下，安裝并配置計(jì)算機(jī)以及其他硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建。在系統(tǒng)開發(fā)中，要求編程語(yǔ)言能夠支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的挖掘與運(yùn)行。結(jié)合目前市面上各種編程語(yǔ)言的運(yùn)行特征，最終選擇Microsoft Visual Basic 6.0 作為系統(tǒng)的開發(fā)工具。系統(tǒng)測(cè)試中使用的操作系統(tǒng)可以分為基本操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)2個(gè)部分，為了保證數(shù)據(jù)之間的格式統(tǒng)一，2個(gè)操作系統(tǒng)均選擇Widows NT。另外，由于設(shè)計(jì)的變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，該技術(shù)提取關(guān)聯(lián)規(guī)則環(huán)節(jié)需要調(diào)用大量的歷史數(shù)據(jù)，中小型數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法滿足數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)行要求，因此在系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)一后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行環(huán)境。最終按照運(yùn)行原理連接硬件設(shè)備，并配置軟件運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，保證設(shè)計(jì)變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)的軟件功能程序能夠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中正常運(yùn)行。

4.2 準(zhǔn)備變電站安全信息樣本

分別從歷史變電站安全信息和實(shí)時(shí)變電站安全信息2個(gè)方面準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，其中歷史變電站安全信息的主要來(lái)源是變電站的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及相關(guān)檔案。利用掃描儀設(shè)備將紙質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電子版，并保證歷史變電站安全信息的格式相同。將硬件設(shè)備安裝在變電站的相關(guān)設(shè)備上，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，得出實(shí)時(shí)變電站安全信息的準(zhǔn)備結(jié)果。將準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)樣本按照時(shí)間順序進(jìn)行排序，并以數(shù)據(jù)包的形式存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，為變電站安全信息集成功能的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

4.3 設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)與對(duì)比項(xiàng)

根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試目的，分別設(shè)置集成度、變電站安全信息調(diào)度時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)的2個(gè)量化測(cè)試指標(biāo)，其中集成度是系統(tǒng)整體劃分出子系統(tǒng)的復(fù)合程度，集成度量化指標(biāo)標(biāo)記為?，該指標(biāo)的取值區(qū)間為[0,1]，取值越大證明集成度越高，需處理的變電站安全信息量越少。而變電站安全信息調(diào)度時(shí)間為系統(tǒng)應(yīng)用性能的量化測(cè)試指標(biāo)，可以通過(guò)調(diào)取主測(cè)計(jì)算機(jī)后臺(tái)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)直接得出測(cè)試結(jié)果。

4.4 系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程與結(jié)果分析

為了體現(xiàn)出本文設(shè)計(jì)的變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)的功能與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，設(shè)置文獻(xiàn)[1]提出的干散貨碼頭散貨變電站安全信息智能控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]提出的多載具自動(dòng)化變電站安全信息調(diào)度集成系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的2個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，以相同的方式將3個(gè)集成系統(tǒng)進(jìn)行編碼，并導(dǎo)入到配置好的系統(tǒng)環(huán)境中。通過(guò)實(shí)時(shí)變電站安全信息的采集與運(yùn)行，得出變電站安全信息集成運(yùn)行結(jié)果。

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出最終的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出，3個(gè)集成系統(tǒng)的平均集成度指標(biāo)分別為0.86、0.90和0.97，即本文系統(tǒng)的變電站安全信息集成度更高。從應(yīng)用性能方面可知，3個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用變電站安全信息的平均完成時(shí)間分別為1.88 min、1.60 min和1.22 min。由此可見，通過(guò)本文系統(tǒng)的應(yīng)用，完成變電站安全信息調(diào)度的速度更快，證明本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能更優(yōu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

變電站安全信息集成嵌入式系統(tǒng)對(duì)于保證變電站的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的研究意義，能夠在一定程度上降低運(yùn)行中的操作誤差，提高變電站安全信息運(yùn)行效率。從系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果中可以看出，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用，能夠從功能和性能2個(gè)方面提升集成系統(tǒng)的價(jià)值。然而由于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用，提升了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的要求，尤其是存儲(chǔ)空間，增加了硬件方面的投入成本，針對(duì)這一問(wèn)題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步完善。