嵌入式系统在电力行业中的应用进展

嵌入式系统在电力行业中的应用进展摘要：在电力设备运行控制、电力调度与电力企业管理等个领域广泛使用发变电拉制、继电保护、自动化、通讯及计算机网络等电力电子嵌入式系统设备其生产厂商涵盖了从西方发达国家的大型电气集团到电表、带电指示器等专项中小企业。嵌入式系统的发展和我国电网技术的规代化建设息息相关，其飞速发展要求我国的电力电子研发企业创新经营理念、强化竞争意识、优化资本投资、驾驭新的IT技术，只有这样才能使企业的发展有新的飞跃，使中国的未来涌现出现代化的、领先的跨国电气集团。[1]关键词：嵌入式系统电力系统应用进展前言嵌入式技术的迅速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一个重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分变为通用计算机与嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是遍及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言，嵌入式技术将成为后PC时代的主宰[2]。嵌入式系统主要用于电力系统领域的实时数据采集，实现交流量信号的采集与处理。传统的数据信号采集系统多采用单片机实现，由于单片机的硬件资源不够丰富，在采集信号量比较大的场合应用单片机来处理显得有些吃力，并且由于它本身运算速度不够快而造成海量数据的处理速度较慢、控制实时性较差，无法适应电力系统现场对数据采集与处理的实时性与准确性的要求；而ARM微处理器因其片内资源丰富、功能强大、功耗低、性价比高[3]而成为电力系统的主流和趋势。不仅在电力系统，嵌入式的应用更是遍及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致一些学者断言，嵌入式技术将成为后PC时代的主宰。可见嵌入式对电力系统有巨大的推动作用。一、嵌入式简介嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件是可裁剪的,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统[4]。嵌入式系统最典型的特点是与人们的日常生活紧密相关,任何一个普通人都可能拥有各类形形色色运用了嵌入式技术的电子产品,小到MP3、PDA等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载GIS，各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过了通用计算机。总体而言，嵌入式系统分为了硬件和软件两大部分[5]。1.嵌入式硬件技术（1）嵌入式处理器目前嵌入式系统中的处理器分为微处理器、微控制器、DSP处理器等几大类，应用最广泛的还是各种档次的8/16/32/64位微控制器，但IntelX86、RISC芯片、DSP芯片等高性能微处理器的应用也逐渐开始引人注目。（2）存储器与外围设备传统的RAM存储器有SRAM、DRAM，ROM存储器有掩膜ROM、PROM、EPROM；而新兴的混合型存储器(如EEPROM、FLASH、NVRAM等)则似乎显得更符合嵌入式系统的要求。其中采用代码驻留或就地运行技术(XIP)，用大块的FLASH来代替磁盘驱动器构成所谓的“电子盘”或“固态盘”，这在工业过程实时控制中有着很好的应用前景。嵌入式系统的外围设备根据具体的设计要求而定，一般有微型打印机、不同用途的串行通信口、微型键盘、微型显示器等等。现在的嵌入式系统在构成、调试、运行等诸多方面对灵活性要求较高，例如其嵌入式软件不仅要求可以在本地加载运行，也要求能够利用串口从网络下载运行，因此，在不过多地增加设计负担的同时，适当地留有硬件冗余或灵活性是较明智的选择。（3）开发调试嵌入式系统的开发与调试总是与硬件密切联系的，这一点与商业用的软件开发不大相同。在实际应用中，人们常常用在线仿真器(in-circuitemulator)/JTAG、示波器、逻辑分析仪、ROM仿真器、设备编程器、模拟器(simulator)来开发或调试硬件[6]。2.嵌入式软件技术（1）嵌入式实时操作系统(RTOS)嵌入式的RTOS是整个嵌入式系统的核心。RTOS从应用形式上可分为集成式多任务RTOS(如Intel的iRMX)、网络型RTOS(如QNX、AMX等)与嵌入式RTOS(如MicrotecResearch公司的VRTX、Intel的可嵌入到51系列与96系列单片机内的DCX51与DCX96分布式控制系统、iRMAEMB、WindowsCE等)。而就嵌入式OS而言，可大致分为嵌入式OS与实时嵌入式OS：前者如微软的WindowsCE、Sun公司的JavaOS、朗讯公司的Inferno和嵌入式Linux、中科院的EasyEmbeddedOS等；后者如WindRiver公司的Vxworks/Tornado、ISI公司的pSoS与pRISM＋、Quantum公司的QNX、ATI公司的Nucleus等[7]。在工业控制等领域，以嵌入式RTOS作为软件平台将比Windows、UNIX、OS/2等，OS有其特殊的优势。例如，东北电网的SCADA与EMS中就采用了VXM实时操作系统。（2）嵌入式实时数据库实时数据库(RTDB)的主要目标是通过对运行时间的估计及优化的任务调度策略，尽可能减少事务处理超过时限情况的发生。多用于金融、电信、网管、国防等领域。基于此目的的分布式实时数据库通常采用Client/Server方式，具有多个多线程的服务器，支持多个客户端的请求。嵌入式所要求代码的更小，速度更快，可靠性更高且可以与各种嵌入式OS无缝连接。所要求得数据更新速度快、存取数据速度快且安全可靠，数据库的数据最好位于共享内存中，并可以实时刷新；能根据用户要求灵活设置检索优先级，并采用双缓冲的方式进一步提高效率。具有分层分布式的网架结构，数据可以快速地双向映射交换；具有较强的网络、通信能力。（3）开发调试软件包括编译器-调试器、集成开发环境(IDE)、模拟模型工具等。较为成熟的嵌入式OS一般都支持广泛的开发和运行平台，同时对每种微处理器都提供相应的编译器、连接器、调试器和加载工具以及性能测试工具等一系列工具链（toolchain），从而形成从开发、调试到运行的一体化支持。就开发语言而言，目前大多数嵌入式OS都要求支持通用的C语言编译器、连接器等开发调试工具，以方便用户的开发调试[8]。二、电力系统简介电力系统的发展由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。[9]输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统（一般称为二次系统）。输电网是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统中的主要网络（简称主网），起到电力系统骨架的作用，所以又可称为网架。在一个现代电力系统中既有超高压交流输电，又有超高压直流输电。这种输电系统通常称为交、直流混合输电系统。配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网，它的作用是将电力分配到配电变电站后再向用户供电，也有一部分电力不经配电变电站，直接分配到大用户，由大用户的配电装置进行配电。在电力系统中，电网按电压等级的高低分层，按负荷密度的地域分区。不同容量的发电厂和用户应分别接入不同电压等级的电网。大容量主力电厂应接入主网，较大容量的电厂应接入较高压的电网，容量较小的可接入较低电压的电网。配电网应按地区划分，一个配电网担任分配一个地区的电力及向该地区供电的任务。因此，它不应当与邻近的地区配电网直接进行横向联系，若要联系应通过高一级电网发生横向联系。配电网之间通过输电网发生联系。不同电压等级电网的纵向联系通过输电网逐级降压形成。不同电压等级的电网要避免电磁环网。电力系统之间通过输电线连接，形成互联电力系统。连接两个电力系统的输电线称为联络线[10]。三、现状在20世纪80年代之前，我国电力系统基本上没有应用嵌图式系统，最初出现的过电流保护设备是熔断器。随着电网发电机、变电所、用电设备的增多和复杂化，先后出现了机电式、晶体管式继电保护装置，满足了当时电力运行的需要但是这种保护装置体积与消耗功率较大，动作速度慢，机械传动部分和触点容易磨损或粘连，调试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求[11]。同时，电力调度依靠变电站每日两次通过值班员电话报负荷数据；电力通讯同样使用继电器分立元件布线系统的纵横制交换机。这一切都使电力这一国民经济的先行官急切盼望跨入现代化的门槛。自从1971年美国INEI公司推出4位4004微处理芯片，紧接着1973年推出8位8080芯片，Motorola推出680。芯片至今，世界IT产业发展一日千里，随着我国改革开放与现代化建设，我国电力电子技术开始追赶世界先进国家，嵌入式系统的应用也从无到有。80年代，嵌入式系统在电力系统的应用首先从微机保护开始，特别是输电线路微机保护。此时国家开始引进国外电力嵌入式系统设备，例如瑞士原BBI二公司的GSXSe集成电路式发电机保护系统a同时国内厂家研制了中阻母线保护装置、第一代微机式超高压线路保护装置、微机变电所保护监控系统和微机故障录波屏等产品，在与电力调度相关的通讯方面，基于嵌入式系统的模拟程控交换机和1次群的PDH光端机开始使用于电力系统。这个阶段国内已经有不少嵌入式系统厂家，但处于发展的早期阶段，产品还不够成熟。例如机电式继电器所采用的元件、材料、结构型式和制造工艺在近40年中经历了重大的改进，工作性能比较可靠，而采用嵌入式系统的保护装里出现误动、拒动造成电网故障时有发生声模拟程控交换机断话、声音、通道因为模拟电力载波机、模拟微波机的频谱特性差而时常呼叫不通，PDH光端机也时常发生电源，元件不良、死机等状况屡见不鲜。同时，由于80年代企业的资金不足，尚无法大量进口国外较为成熟的嵌入式系统产品[12]。但长期以来，我国电力部门重发电，轻用电的现象比较严重，将主要精力放在大电网、大机组上，对配电网用电质量及可靠性关心不够，忽视了配电网的重要性和特殊性，使配电网技术发展受到严重的影响，造成了配电网供电可靠性差、设备落后、不安全的因素较多等状况。近几年来，随着我国输电网自动化程度的提高，地、县调系统及无人值守变电站的综合自动化程度也随之迅速发展与提高。随之而来的是大家对配电网的重要性有了新的认识，意识到了加快配电网自动化的发展，是提高配电网供电可靠性的一个关键环节[13]。而嵌入式产品，其生产的高可靠性、稳定性的工控机产品，可以使用在电力系统调度、电力机房监控、无人职守的变电站监控、通讯控制等相关控制系统中，给国内的电力系统提供了良好的核心控制产品，提高了整个系统的自动化水平和安全性[14]。四、应用举例(1)数据采集与监控系统随着电力系统自动化的发展，嵌入式技术在电力系统中被广泛地用于数随着电力系统自动化的发展，嵌入式技术在电力系统中被广泛地用于数据采集、自动装置、仪表检测、集散控制(DCS)等各个领域，其中较为典型的是数据采集与监控系统，即SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统。1.系统拓扑嵌入式SCADA系统主要对现场设备进行数据采集、测量以及各类信号报警等功能。该系统通过数据通信模块以串口的方式采集下位机数据存人实时数据库中，向上与上位机交互，通过上位机监控现场的电力设备，并通过指令操作控制现场设备，达到监控的目的。2.功能描述嵌入式电力监控与数据采集系统主要完成系统信息查着、通信状态查看、数