MOXA嵌入式计算机在变电站综合自动化中的解决方案

1 变电站综合自动化的应用需求
    变电站综合自动化系统从整体结构上分为3层：变电站层、通信层和间隔层。间隔层主要由保护单元和测控单元等组成，通信采用RS485现场总线；通信层包括通信控制器、保护管理机以及规约转换器等；变电站层由本地后台服务器、保护工程师站和五防系统等构成，通信采用100M工业以太网。

    一般来说，间隔层测控装置将实时采集的各种测量数据发送到通信层，并由通信层向变电站层转发；同时，通信层接收来自变电站层的各种操作数据，对间隔层进行一定的控制。可见，通信层在整个系统的设计上发挥着承上启下的关键作用，通信层设备是否稳定、高效会影响整个系统可靠性的高低。通信层的核心部件是通信控制器，通信控制器通过RS485网与各测控单元互联，经以太网与主站层没备连接；保护管理机和智能装置(小电流接地选线、直流屏)与通信控制器采用RS422接口通信，各保护装置、保护管理机和35kV间隔层测控装置采用RS485／422／232接口与通信控制器通信。这样的网络结构(如图l所示)使通信控制器有更多时间对信息作综合处理，同时使系统的灵活性得以提高。

2 嵌入式技术在电力综合自动化领域中的应用
    相对于工业PC，基于嵌入式技术的产品从内部结构到外部结构的设计都进行了革命性的变革，克服了工业PC现有的这些缺点。固态电子盘(SSE)或CF)取代了PC的硬盘，低功耗、RISC架构的CPU取消了风扇设计。所以，从内部结构上看，嵌入式控制器已经取消了PC的诸多不稳定因素；从系统扩展方式上看，嵌入式控制器也与传统的IPC有很大差别。传统的IPC扩展是“插卡式”，无法满足工业现场的抗强震动和冲击能力要求；而嵌入式计算机则是采用集成化的电路设计，直接将串口、网口、DI／DO等接口集成在嵌入式计算机上，大大提高了系统的稳定性。同时，Win CE、Linux等嵌入式实时操作系统的应用，不仅满足了工业控制的实时性，而且有力地保证了系统的稳定性，降低了系统的维护成奉。

    正是考虑到嵌入式技术在电力特别是综合自动化领域的应用前景和必然趋势，越来越多的公司开始研发嵌入式的产品。MOXA作为一个在串口领域耕耘近20余年的公司，在串口通信方面积累了丰富的经验。MOXA的串口卡、串口服务器在电力、交通、能源等基础行业得到客户的一致好评。MOXA通过其产品在各行各业的应用也对各行业的需求有了更深入的了解，特别是在电力的变电站综合自动化领域，MOXA发现客户在进行通信层的设计时需要一款既能够实现串口转以太网，同时又具备前置机功能的产品。MOXA利用在串口通信方面和底层软件上的研发优势，迅速地推出了集成了多个串口、网口等各种接口的嵌入式计算机EC。通过嵌入不同的应用程序，EC在电力应用上可以实现通信控制器、规约转换器、保护管理机和电能量采集终端等功能。

3 MOXA嵌入式计算机UC7400系列的应用实例
    下面就以MOXA的一款嵌入式计算机UC-7420为例，详细说明嵌入式计算机在变电站综合自动化领域中的应用。基于RISC的UC-7420／74l嵌入式计算机是嵌入式应用的理想选择。该产品具备8个RS232／422／485串口、2个lO／100 Mbps以太网口、1个用于无线通信的PC-MCIA接口，以及用于扩展闪存空间的CF卡插槽和USB接口。UC-7420／7410采用Intel XScale IXP-422 266MHz RISC CPU。与采用CISC设计的x86 CPU不同的是，IXP-422的RISC架构设计和先进的半导体技术赋予了UC-7420强大的计算和通信能力，且发热量很小。内建32 MB NOR F1ash ROM和128 MB SDRAM，为直接将应用软件放在UC-7420／7410上提供了足够的存储空间。同时，建置在IXP-422 CPU的双网口是安全的网络应用方案的理想通信平台。如果所设计的方案需要将UC-7420安装在无以太网连接的地方，那么可以通过使用UC-7420的PCMCIA接口安装无线网卡来实现。

    预装的Linux操作系统为开发程序提供了一个开放平台。通过使用GNU交叉编译器，可以将用于桌面型电脑的软件轻松导入UC-7-420，无须修改程序源代码。UC-7420自带了一些设备驱动，如PCMCIA无线模块、键盘、LCM和蜂鸣器控制器等。操作系统、设备驱动和自己升发的应用程序均可以存放在UC-7420的Flash中。

    UC-7420所具备的上述特性在电力行业获得了很大的认可，因此在电力行业的各个领域都得到了广泛的应用。由于该产品不仅提供了一个稳定、高教的工业级计算机硬件平台，而且已经在其中嵌入了经过裁剪的操作系统和包括串口驱动在内的底层软件平台，使得电力系统的开发工程师再也不需要从底层硬件做起。MOXA UC-7420的出现使得致力于电力行业各种应用的工程师只需要集中精力完成有关业务应用的程序，大大节省了原来自己做硬件、自己裁剪操作系统所花费的时间和精力，极大地提高了系统开发的效率。

    2005年MOXA在全球开展了产业内的软件合作伙伴计划，在中国大陆地区主要针对电力市场与电力的软件公司建立了紧密的合作关系。例如深圳先锋电力，一家专门从事电力自动化和工业自动化的公司，利用自己在电力软件系统上的开发经验，基于MOXA的嵌入式计算机平台，推出了针对变电站综合自动化、电厂综合自动化、综合调度、规约转换等多个系统。变电站的综合自动化系统架构图如图2所示。

    该系统非常易于扩展，规模可以从单机系统发展为多机系统，以便最有效地和用资源和提供重要应用功能的硬件备份。系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。嵌入式计算机UC-7400内置GE、SEL，SIEMENS、ABB、SEPAM、ALS-TOM、AEC等国外品牌保护协议库，还支持南瑞保护、许继保护、五防系统、电度表、直流屏、智能仪表、PLC二等协议库。为了保证系统的安全性，事件报警、预告信号全部采用消息处理机制，大大提高了告警的速度。整个系统的设计易于组态和使用，可裁剪，可移植。发电厂的综合自动化系统架构图如图3所示。

    在专门针对电力的规约转换方面，基于MOXA嵌入式计算机产品的UC-7400可以嵌入IEC102、IECl03，IEC1107、IEC61850、DLT645、SEL、LMD、MODBUS(主／从)、TCP MODBUS、非标MODBUS、IEC10l(主／从)、IEC104(主／从)、新部颁CDT(主／从)、XT9702、DISA、SC1801、DNP3．0(主／从)、N4F、MB88、ABBR571、OPCSetver／Client、电话拨号、GSM发送短信及工程定制的串口／USB／TCP／UDP协议等。

结语
    MOXA嵌入式计算机系列产品在RISC架构平台上集成了多串口、多网口、开关量输入／输出等数据通信和工业控制接口，使用户节省了购买各功能板卡的二次投资；同时通过多项特殊的设计，避免了传统工控机存在的缺陷，使产品具有高性能、无风扇、免维护、高度灵活性、良好扩展性等特点，满足各种工业现场特别是电力现场的使用需求。