自主可控技術在變電站自動化裝置中的運用分析

印婷

（國網泰興市供電公司，江蘇 泰州 225400）

0 引言

相較于其他技術，自主可控技術能夠有效提高智能變電站的數(shù)據處理速度，以此來滿足城市對電力的需求。而對自主可控技術在變電站自動化裝置中的運用進行研究分析，則能為自主可控技術的應用提供依據，繼而為滿足城市用電需求提供便利。

1 關鍵器件自主可控分析

1.1 芯片生態(tài)鏈

芯片產業(yè)主要包括芯片設計、制作、封裝測試及市場應用，各分工工序通過上下游之間的協(xié)作配合完成[1]，如圖1 所示。一般情況下，設計人員在設計出芯片后，會把設計圖紙交付給芯片廠家制造晶圓，然后由封裝廠對生產處理的芯片進行包裝、測試，形成整個芯片生態(tài)鏈。

圖1 芯片產業(yè)鏈

現(xiàn)階段，隨著我國科學技術的不斷提升，在芯片設計上有了很大的提升，但是在某些方面依然十分落后，難以滿足我國芯片產業(yè)的需求，從而只能依賴進口。但是在芯片封裝測試這一方面，我國封裝技術十分先進，擁有較強的市場競爭力，朝著高端產業(yè)前進。不過由于我國缺乏相應的原材料以及設備，而芯片制作不僅十分煩瑣，還需要用到各種材料設備，使得我國制造芯片的原材料和設備嚴重依賴進口。不僅如此目前我國芯片產業(yè)鏈模式相對落后，多為芯片代工廠以及芯片供應商，芯片生產能力弱[2]。

1.2 關鍵器件自主可控

1.2.1 處理器

處理器是智能變電站自動化裝置中的一個關鍵器件，通常可以分為兩種，分別為復雜指令集與精簡指令集[3]。兩種處理器在我國都得到了廣泛應用，其中海光、兆芯等廠家所生產的便是復雜指令集處理器，而華為、華芯通等廠家所生產的便是精簡指令集處理器。但需要注意的是，隨著科學技術的不斷發(fā)展，ARM 嵌入式處理器成為主要發(fā)展方向，并在車載、工控等領域得到大規(guī)模應用，不僅擁有良好的性能和功能，還可以滿足變電站測量控制裝置對處理器的要求。因此工作人員可以把ARM 處理器作為自動化裝置的關鍵器件。

1.2.2 現(xiàn)場可編程門陣列

現(xiàn)場可編程門陣列又被稱為FPGA，同樣是自動化裝置中的關鍵器件[4-5]。不過由于FPGA 對于技術的要求較高，因此在對FPGA 進行研發(fā)時，應該共同開發(fā)軟硬件。若是從整個產業(yè)鏈這個角度上看，不難發(fā)現(xiàn)FPGA 自主可控程度不高，尤其是在一些高端領域，自主可控程度更低。

1.2.3 存儲芯片

目前我國自主研發(fā)的存儲芯片與國外研發(fā)的存儲芯片無論是功能還是性能基本一致，并且兩種芯片的封裝能夠實現(xiàn)兼容，能夠實現(xiàn)相互替代。但需要注意的是，我國在大容量數(shù)據信息儲存上和國外還有差距，不過已經能夠滿足我國變電站自動化需求，符合電力測量控制標準。

1.2.4 模數(shù)轉換器件

ADC 芯片是整個裝置當中最核心的芯片，也是裝置當中的關鍵器件，對于變電站自動化起著至關重要的作用?，F(xiàn)階段我國已經完成了該芯片的研發(fā)，能夠有效滿足變電站對模數(shù)轉換器的需求，但需要注意的是，我國自主研發(fā)的ADC 芯片在極端環(huán)境中測量精度會出現(xiàn)偏差。

1.2.5 電源芯片

目前，我國已經擁有完整的電源芯片研發(fā)技術，能夠有效滿足自主可控技術對于硬件的需求，從而有效提高變電站的自動化水平，為用戶提供充足的電量。

1.2.6 其他

除了上述所說的關鍵器件外，裝置當中還包括光耦、繼電器以及電阻等器件，并且國內都擁有成熟的技術，不僅與國外封裝兼容，而且能夠相互替代，滿足變電站自動化的需求。由此不難發(fā)現(xiàn)，對于自主可控技術應用所需要的器件全都實現(xiàn)自主可控替代，雖然與國外器件存在一定差距，但是已經能夠滿足自主可控技術應用的需求。

2 軟件自主可控分析

2.1 自主可控軟件生態(tài)

一般情況下，嵌入式軟件研發(fā)大體分為兩部分，分別是實時系統(tǒng)以及非實時系統(tǒng)。其中變電站當中的測量控制便是實時系統(tǒng)，能夠及時對接收的信號進行處理。同時對于軟件的自主開發(fā)工作主要分為兩方面，分別為裝置側運行以及配套運維工具。另外對于軟件的開發(fā)環(huán)境通常情況下是由第三方負責提供。

2.2 自主可控操作系統(tǒng)

嵌入式軟件應用日漸加深，軟件本身的復雜性也持續(xù)提升。近年來嵌入式可控操作系統(tǒng)得到大規(guī)模普及使用，特別是在國外，嵌入式自主可控系統(tǒng)始終占據著關鍵地位，而國內對于嵌入式自主可控系統(tǒng)的使用則較少。不過隨著自主可控這一戰(zhàn)略規(guī)劃不斷貫徹落實，使得國內的自主可控操作系統(tǒng)有了顯著提升。因此在自主可控技術的應用上，既可以選擇嵌入式自主可控操作系統(tǒng)，也可以根據變電站的實際情況制定一個科學、合理的操作系統(tǒng)，以此來滿足變電站自動化需求，提高變電站自動化水平。而且因為國內技術的不斷進步，使得自主可控技術能夠被廣泛應用在變電站自動化當中。

2.3 自主可控中間件

電力行業(yè)在對變電站測量控制裝置進行研發(fā)時，通常以自行研發(fā)作為首要選擇，這是因為隨著社會經濟的不斷發(fā)展，人們對電量的需求也在不斷上升，而借助第三方軟件進行變電站自動化難以滿足用電需求，所以電力行業(yè)普遍選擇自行研發(fā)?，F(xiàn)階段電力企業(yè)在對測量裝置進行研發(fā)時，主要選擇通信服務組件來進行研發(fā)工作，并且因為這一組件能夠開展二次開發(fā)工作，使得電力企業(yè)能夠根據自身實際情況研發(fā)適合的測量控制裝置，以此來加強對自主可控技術的應用，促進變電站自動化，滿足用戶對電力的需求。

3 自主可控技術運用策略

以嵌入式自主可控系統(tǒng)在變電站中的應用為例，所使用的器件以及軟件全都是能夠自主研發(fā)的部件。

3.1 硬件實現(xiàn)

設計人員在對測量控制裝置設計時，通常選擇多板件作為裝置的架構，大體可以分為六個模塊，分別為管理、功能、I/O、電源、母版以及顯示交互，如圖2 所示。

圖2 硬件裝置組成

3.1.1 各模塊之間的關系

在整個硬件裝置當中，管理模塊可以借助裝置內部的總線與功能模塊連接在一起，其中這條總線的通信帶寬能夠達到10Mbit/s，但需要注意的是，這條總線在運行過程中并不是實時系統(tǒng)，對于數(shù)據的處理能力一般，因此普遍用來傳輸不在乎實時性的數(shù)據信息。而功能模塊能夠利用裝置當中實時總線與I/O 模塊連接在一起，不過這條實時總線的通信帶寬只有1Mbit/s，多為精簡指令集，而且擁有較高的實時性，非常適合接收或者傳輸對實時性要求較高的數(shù)據信息。

不僅如此，在裝置內部設計人員還設計了一條高速總線，用來連接功能模塊以及管理模塊，這條高速總線的通信帶寬能夠達到320Mbit/s，并且擁有專門的協(xié)議，通常用于大容量并且對實時性要求較高的數(shù)據信息傳輸，不僅具有良好的實時性，而且還能夠將收集到的數(shù)據信息共享，讓工作人員能夠準確掌握收集到的數(shù)據信息。同時管理模塊和顯示交互模塊能夠利用以太網開展數(shù)據信息傳輸和接收，如此可以最大程度上提高交互模塊的獨立性。但需要注意的是通常情況下，交互模塊所收集到的數(shù)據信息主要為調試報文以及界面數(shù)據。

3.1.2 管理模塊與功能模塊設計

設計人員在對裝置設計時，選擇自主可控的處理器作為管理模塊和功能模塊作為核心處理器，以此來提高整個裝置的自動化水平，加強對自主可控技術的應用。同時為了更好進行數(shù)據處理，確保自主可控處理器能夠穩(wěn)定運行，設計人員還搭配FPGA 共同對數(shù)據信息進行處理，并且用高速交互接口將自主可控處理器與FPGA 連接在一起，從而加強裝置的協(xié)同處理能力，提高裝置的自動化水平。

不僅如此，設計人員還在FPGA 一側利用邏輯使高速接口與其他接口連接在一起，通過這種方式，處理器便能夠借助以太網以及高速接口進行數(shù)據信息傳輸和接收，以此來提高變電站自動化水平，加強自主可控技術的應用。而且通過這種方式進行數(shù)據信息傳輸，不僅傳輸速度特別快，而且傳輸速率特別高，實時性高，可以最大程度上滿足大容量數(shù)據的傳輸。但需要注意的是，相較于以太網接口，設計人員在對管理模塊與功能模塊的總線進行設計時，普遍選擇低電壓差的收發(fā)器來進行數(shù)據信息的傳輸與接收工作。如此能夠有效提高數(shù)據信息的傳輸效率，降低數(shù)據信息傳輸過程中對功能的損耗，能夠有效降低自主操作可控系統(tǒng)成本，使管理模塊與功能模塊的靈活性與擴展性得到顯著提升。

3.1.3 其他模塊設計

與管理模塊和功能模塊不同，設計人員在對其他模塊進行設計時，必須要根據裝置的實際情況科學、合理進行設計，確保設計的模塊能夠符合裝置需要，從而提高變電站自動化水平，滿足用戶對電力的需求。但需要注意的是，設計人員在對其他模塊進行設計時還要與功能模塊和管理模塊聯(lián)系在一起，以此來提高整個裝置的數(shù)據處理能力，滿足電力測量與控制的需要。例如：在對AC 子模塊進行設計時，需要讓該模塊能夠對電流以及電壓信號進行轉換，然后利用母版將轉換完的電流以及電壓信號傳送到功能模塊當中，然后借助功能模塊當中的芯片對轉換后的數(shù)據信息進行收集整理。同時在對電源模件進行設計時，需要確保電源模件能夠接收直流電，從而為其他模塊提供電量，保障其他模塊能夠有序運行，實時對電量數(shù)據進行測量與控制，加強自主控制技術的應用。

3.1.4 外部接口設計

由于裝置的核心處理器當中擁有網口，能夠讓工作人員對接口進行調試，但需要注意的是，功能模塊與管理模塊等接口都可以利用FPGA 設計專門的外部接口。并且FPGA 本身自帶的端口可以讓I/O 模塊之間進行數(shù)據信息的傳輸與接收工作。同時裝置當中的通信功能也可以借助FPGA 與I/O 模塊連接在一起。

不僅如此，相較于傳統(tǒng)數(shù)據收集方式，F(xiàn)PGA 能夠對數(shù)據自由進行轉換，方便對數(shù)據信息的處理。

3.2 軟件實現(xiàn)

裝置的軟件大體可以分為管理模塊軟件以及功能軟件設計兩方面。如果按照層次進行劃分，大體可以將軟件分為BSP 軟件、操作系統(tǒng)和平臺接口以及應用層軟件。

首先，和裝置硬件直接聯(lián)系在一起的軟件有BSP以及FPGA，其中BSP 負責對各硬件端口資源進行驅動工作，而FPGA 則負責對各模塊通信接口進行擴展，以此來提高各模塊數(shù)據信息接收與傳輸能力。并且無論是BSP 軟件還是FPGA 軟件都是由我國自主研發(fā)的可控邏輯軟件，能夠有效進行數(shù)據信息的收集與處理工作，提高變電站自動化水平，加強自主可控技術的應用。

其次，為操作系統(tǒng)與平臺接口層，由于裝置當中的管理模塊主要負責對同隊以及人機界面進行操作管理，不具備實時性，因此該自主可控操作系統(tǒng)不是實時系統(tǒng)。而功能模塊則負責對測量控制的數(shù)據信息進行采集，具有實時性。并且在實際應用時，設計人員對平臺接口進行專門設計，使其可以跨平臺連接，同時還對管理模塊當中的操作訪問接口開展設計，確保其能夠滿足測量控制需要，加強對自主可控技術的應用。

最后是應用層，分別為中間件組件、平臺支持組件以及應用功能軟件開發(fā)三部分。其中中間件包括通信組件以及人機界面組件，主要負責數(shù)據信息的傳輸。而平臺支撐組件則能夠為裝置營造一個良好的軟件開發(fā)環(huán)境，使設計人員能夠更加快速進行軟件開發(fā)。

4 結語

綜上所述，要想加強自主可控技術在變電站自動化裝置中的應用，還需要綜合考慮各種應用方法和實際情況，從而進行有利方案選擇，在此基礎上，才能將各種應用方法進行有效整合，進而加強自主可控技術在變電站自動化裝置中的應用。