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用需求

　　變電站綜合自動化系統(tǒng)從整體結構上分為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)約轉換器等;變電站層由本地后臺服務器、保護工程師站和五防系統(tǒng)等構成，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)的設計上發(fā)揮著承上啟下的關鍵作用，通信層設備是否穩(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)絡結構(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 嵌入式技術在電力綜合自動化領域中的應用

　　相對于工業(yè)PC，基于嵌入式技術的產(chǎn)品從內(nèi)部結構到外部結構的設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架構的CPU取消了風扇設計。所以，從內(nèi)部結構上看，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在電力特別是綜合自動化領域的應用前景和必然趨勢，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、串口服務器在電力、交通、能源等基礎行業(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域，MOXA發(fā)現(xiàn)客戶在進行通信層的設計時需要一款既能夠?qū)崿F(xiàn)串口轉以太網(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。通過嵌入不同的應用程序，EC在電力應用上可以實現(xiàn)通信控制器、規(guī)約轉換器、保護管理機和電能量采集終端等功能。

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　　3 MOXA嵌入式計算機UC7400系列的應用實例

　　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域中的應用。基于RISC的UC-7420/74l嵌入式計算機是嵌入式應用的理想選擇。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設計的x86 CPU不同的是，IXP-422的RISC架構設計和先進的半導體技術賦予了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)絡應用方案的理想通信平臺。如果所設計的方案需要將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入UC-7-420，無須修改程序源代碼。UC-7420自帶了一些設備驅(qū)動，如PCMCIA無線模塊、鍵盤、LCM和蜂鳴器控制器等。操作系統(tǒng)、設備驅(qū)動和自己升發(fā)的應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)的各個領域都得到了廣泛的應用。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。MOXAUC-7420的出現(xiàn)使得致力于電力行業(yè)各種應用的工程師只需要集中精力完成有關業(yè)務應用的程序，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)約轉換等多個系統(tǒng)。變電站的綜合自動化系統(tǒng)架構圖如圖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用功能的硬件備份。系統(tǒng)的設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)架構圖如圖3所示。

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　　在專門針對電力的規(guī)約轉換方面，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。

　　結語

　　MOXA嵌入式計算機系列產(chǎn)品在RISC架構平臺上集成了多串口、多網(wǎng)口、開關量輸入/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。