印婷

（國網(wǎng)泰興市供電公司，江蘇 泰州 225400）

0 引言

相較于其他技術(shù)，自主可控技術(shù)能夠有效提高智能變電站的數(shù)據(jù)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(shù)在變電站自動化裝置中的運用進(jìn)行研究分析，則能為自主可控技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)，繼而為滿足城市用電需求提供便利。

1 關(guān)鍵器件自主可控分析

1.1 芯片生態(tài)鏈

芯片產(chǎn)業(yè)主要包括芯片設(shè)計、制作、封裝測試及市場應(yīng)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(shè)計人員在設(shè)計出芯片后，會把設(shè)計圖紙交付給芯片廠家制造晶圓，然后由封裝廠對生產(chǎn)處理的芯片進(jìn)行包裝、測試，形成整個芯片生態(tài)鏈。

圖1 芯片產(chǎn)業(yè)鏈

現(xiàn)階段，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷提升，在芯片設(shè)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(chǎn)業(yè)的需求，從而只能依賴進(jìn)口。但是在芯片封裝測試這一方面，我國封裝技術(shù)十分先進(jìn)，擁有較強(qiáng)的市場競爭力，朝著高端產(chǎn)業(yè)前進(jìn)。不過由于我國缺乏相應(yīng)的原材料以及設(shè)備，而芯片制作不僅十分煩瑣，還需要用到各種材料設(shè)備，使得我國制造芯片的原材料和設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口。不僅如此目前我國芯片產(chǎn)業(yè)鏈模式相對落后，多為芯片代工廠以及芯片供應(yīng)商，芯片生產(chǎn)能力弱[2]。

1.2 關(guān)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(guān)鍵器件，通常可以分為兩種，分別為復(fù)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(yīng)用，其中海光、兆芯等廠家所生產(chǎn)的便是復(fù)雜指令集處理器，而華為、華芯通等廠家所生產(chǎn)的便是精簡指令集處理器。但需要注意的是，隨著科學(xué)技術(shù)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(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)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(guān)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(guān)鍵器件[4-5]。不過由于FPGA 對于技術(shù)的要求較高，因此在對FPGA 進(jìn)行研發(fā)時，應(yīng)該共同開發(fā)軟硬件。若是從整個產(chǎn)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(lǐng)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?qū)崿F(xiàn)兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)相互替代。但需要注意的是，我國在大容量數(shù)據(jù)信息儲存上和國外還有差距，不過已經(jīng)能夠滿足我國變電站自動化需求，符合電力測量控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件

ADC 芯片是整個裝置當(dāng)中最核心的芯片，也是裝置當(dāng)中的關(guān)鍵器件，對于變電站自動化起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段我國已經(jīng)完成了該芯片的研發(fā)，能夠有效滿足變電站對模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)擁有完整的電源芯片研發(fā)技術(shù)，能夠有效滿足自主可控技術(shù)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(guān)鍵器件外，裝置當(dāng)中還包括光耦、繼電器以及電阻等器件，并且國內(nèi)都擁有成熟的技術(shù)，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(shù)應(yīng)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(jīng)能夠滿足自主可控技術(shù)應(yīng)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(dāng)中的測量控制便是實時系統(tǒng)，能夠及時對接收的信號進(jìn)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(cè)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(fù)責(zé)提供。

2.2 自主可控操作系統(tǒng)

嵌入式軟件應(yīng)用日漸加深，軟件本身的復(fù)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(jù)著關(guān)鍵地位，而國內(nèi)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(nèi)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(shù)的應(yīng)用上，既可以選擇嵌入式自主可控操作系統(tǒng)，也可以根據(jù)變電站的實際情況制定一個科學(xué)、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(nèi)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得自主可控技術(shù)能夠被廣泛應(yīng)用在變電站自動化當(dāng)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(jìn)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(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)行研發(fā)時，主要選擇通信服務(wù)組件來進(jìn)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(jù)自身實際情況研發(fā)適合的測量控制裝置，以此來加強(qiáng)對自主可控技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)變電站自動化，滿足用戶對電力的需求。

3 自主可控技術(shù)運用策略

以嵌入式自主可控系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)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(shè)計人員在對測量控制裝置設(shè)計時，通常選擇多板件作為裝置的架構(gòu)，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(guān)系

在整個硬件裝置當(dāng)中，管理模塊可以借助裝置內(nèi)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(dá)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(jù)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(jù)信息。而功能模塊能夠利用裝置當(dāng)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(jù)信息。

不僅如此，在裝置內(nèi)部設(shè)計人員還設(shè)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(dá)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(jù)信息傳輸，不僅具有良好的實時性，而且還能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)信息共享，讓工作人員能夠準(zhǔn)確掌握收集到的數(shù)據(jù)信息。同時管理模塊和顯示交互模塊能夠利用以太網(wǎng)開展數(shù)據(jù)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(jù)信息主要為調(diào)試報文以及界面數(shù)據(jù)。

3.1.2 管理模塊與功能模塊設(shè)計

設(shè)計人員在對裝置設(shè)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(qiáng)對自主可控技術(shù)的應(yīng)用。同時為了更好進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確保自主可控處理器能夠穩(wěn)定運行，設(shè)計人員還搭配FPGA 共同對數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(qiáng)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(shè)計人員還在FPGA 一側(cè)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(wǎng)以及高速接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸和接收，以此來提高變電站自動化水平，加強(qiáng)自主可控技術(shù)的應(yīng)用。而且通過這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jù)的傳輸。但需要注意的是，相較于以太網(wǎng)接口，設(shè)計人員在對管理模塊與功能模塊的總線進(jìn)行設(shè)計時，普遍選擇低電壓差的收發(fā)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸與接收工作。如此能夠有效提高數(shù)據(jù)信息的傳輸效率，降低數(shù)據(jù)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(kuò)展性得到顯著提升。

3.1.3 其他模塊設(shè)計

與管理模塊和功能模塊不同，設(shè)計人員在對其他模塊進(jìn)行設(shè)計時，必須要根據(jù)裝置的實際情況科學(xué)、合理進(jìn)行設(shè)計，確保設(shè)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(shè)計人員在對其他模塊進(jìn)行設(shè)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(jù)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(jìn)行設(shè)計時，需要讓該模塊能夠?qū)﹄娏饕约半妷盒盘栠M(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后利用母版將轉(zhuǎn)換完的電流以及電壓信號傳送到功能模塊當(dāng)中，然后借助功能模塊當(dāng)中的芯片對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集整理。同時在對電源模件進(jìn)行設(shè)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(jù)進(jìn)行測量與控制，加強(qiáng)自主控制技術(shù)的應(yīng)用。

3.1.4 外部接口設(shè)計

由于裝置的核心處理器當(dāng)中擁有網(wǎng)口，能夠讓工作人員對接口進(jìn)行調(diào)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(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸與接收工作。同時裝置當(dāng)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(jù)收集方式，F(xiàn)PGA 能夠?qū)?shù)據(jù)自由進(jìn)行轉(zhuǎn)換，方便對數(shù)據(jù)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(shè)計兩方面。如果按照層次進(jìn)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(yīng)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(fù)責(zé)對各硬件端口資源進(jìn)行驅(qū)動工作，而FPGA 則負(fù)責(zé)對各模塊通信接口進(jìn)行擴(kuò)展，以此來提高各模塊數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收集與處理工作，提高變電站自動化水平，加強(qiáng)自主可控技術(shù)的應(yīng)用。

其次，為操作系統(tǒng)與平臺接口層，由于裝置當(dāng)中的管理模塊主要負(fù)責(zé)對同隊以及人機(jī)界面進(jìn)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(fù)責(zé)對測量控制的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，具有實時性。并且在實際應(yīng)用時，設(shè)計人員對平臺接口進(jìn)行專門設(shè)計，使其可以跨平臺連接，同時還對管理模塊當(dāng)中的操作訪問接口開展設(shè)計，確保其能夠滿足測量控制需要，加強(qiáng)對自主可控技術(shù)的應(yīng)用。

最后是應(yīng)用層，分別為中間件組件、平臺支持組件以及應(yīng)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(jī)界面組件，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(shè)計人員能夠更加快速進(jìn)行軟件開發(fā)。

4 結(jié)語

綜上所述，要想加強(qiáng)自主可控技術(shù)在變電站自動化裝置中的應(yīng)用，還需要綜合考慮各種應(yīng)用方法和實際情況，從而進(jìn)行有利方案選擇，在此基礎(chǔ)上，才能將各種應(yīng)用方法進(jìn)行有效整合，進(jìn)而加強(qiáng)自主可控技術(shù)在變電站自動化裝置中的應(yīng)用。