基于Blackfin處理器的繼電保護完整解決方案解析

全球?qū)﹄娏υO(shè)施建設(shè)的關(guān)注從來沒有達到像當(dāng)前這樣高的熱度，一方面當(dāng)前形勢下的環(huán)保節(jié)能要求對傳統(tǒng)電網(wǎng)提出了極大的挑戰(zhàn)，另一方面，全球近年來發(fā)生多起導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失和影響民生的電網(wǎng)事故，作為重要能源供應(yīng)的電網(wǎng)安全性越來越受到高度重視。電網(wǎng)改造以及智能電網(wǎng)建設(shè)熱潮正在揭開全球數(shù)萬億美元的巨大市場商機。
　　近年來，中國國家電網(wǎng)一直努力打造具有網(wǎng)絡(luò)化、自動化的統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)，已經(jīng)明確了分階段推進堅強智能電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略和今后十年堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃。電網(wǎng)改造和堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重要方面是加強網(wǎng)絡(luò)的自我故障診斷、保護和自愈功能，電力公司需要電力線監(jiān)控和保護系統(tǒng)，以對能量的消耗情況、成本和質(zhì)量進行監(jiān)視和控制，并對保護昂貴的設(shè)備進行保護，從而使電源不至于被浪涌和惡劣的氣候所損毀。
繼電保護系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)分析
　　繼電保護是實現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備監(jiān)測保護的重要技術(shù)，向計算機化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以及保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展是該領(lǐng)域的長期發(fā)展趨勢。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2006年底，全國220kV及以上系統(tǒng)繼電保護裝置的微機化率已達91.41%。繼電保護裝置的微機化趨勢充分利用了先進的半導(dǎo)體處理器技術(shù)：高速的運算能力、完善的存貯能力和各種優(yōu)化算法，同時采用大規(guī)模集成電路和成熟的數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和抗干擾等技術(shù)，因而系統(tǒng)響應(yīng)速度、可靠性方面均有顯著的提升。然而，如何持續(xù)提高這些特性也是繼電保護系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)。主要有以下幾個方面：
　　更高的繼電保護性能。更快（處理能力）、更強（功能）、更低（低成本和功耗）是電子產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展的動力，也是工程師面臨的永恒挑戰(zhàn)。具體到電力繼電保護設(shè)備來說，包括：電力狀態(tài)參數(shù)的快速準確監(jiān)測；系統(tǒng)很強的存儲力能更好地實現(xiàn)故障分量保護；先進、優(yōu)化的自動控制、算法和技術(shù)，如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測、模糊控制及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，確保更高的運行準確率；在滿足當(dāng)前繼電保護功能和性能需求的條件下，以更低的整體系統(tǒng)成本（包括軟硬件成本和開發(fā)成本）實現(xiàn)。.
　　系統(tǒng)軟硬件的擴展能力。產(chǎn)品方案的可擴展性是當(dāng)前很多嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品方案選型的一個重要考慮點，對于繼電保護系統(tǒng)來說尤其如此。例如通信總線從RS485向CAN總線轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)接口擴展、新增智能化功能擴展，以及故障錄波、波形分析、附加低頻減載、自動重合閘、故障測距、系統(tǒng)在線可升級等功能。特別是隨著變電站通信網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的系列國際標準IEC61850的逐步導(dǎo)入和推廣，基于該標準發(fā)展起來的繼保產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢對當(dāng)前所采用的硬件平臺（特別是核心處理器）的性能可擴展性提出了嚴峻挑戰(zhàn)，同時對核心處理器的通信能力和存儲能力要求更高。另外，智能化發(fā)展趨勢帶來的諸如人工智能、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的應(yīng)用對硬件平臺的處理能力要求則遠遠的超越了以往的系統(tǒng)。
　　更高的可靠性?？煽啃猿讼到y(tǒng)軟件設(shè)計的優(yōu)化和調(diào)試外，體現(xiàn)在數(shù)字元件的特性不易受溫度變化（寬的工作溫度范圍）、電源波動、使用年限的影響，不易受元件更換的影響；且自檢和巡檢能力強，可用軟件方法檢測主要元件、部件的工況以及功能軟件本身。
基于Blackfin處理器的完整解決方案
　　由ADI與北京億旗創(chuàng)新科技近期正式推出了聯(lián)合研發(fā)的繼電保護方案平臺。該方案采用了目前在電力線監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的Blackfin處理器(ADSP BF518)和新型同步采樣ADC（ AD7606）。方案提供了完整的硬件和軟件模塊，將用戶從硬件平臺、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧以及GUI等軟件開發(fā)工作中解放出來，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并降低了軟硬件開發(fā)難度。該參考設(shè)計的主要特性包括支持uC/OSⅡ操作系統(tǒng)、單處理器、支持2個以太網(wǎng)端口（10M/100M）、支持IEEE1588、支持實現(xiàn)復(fù)雜的算法和高采樣率、最多16通道同步采樣，并兼容IEC61850協(xié)議。
　　1. 高性能的核心組件
　　微機繼電保護設(shè)備除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護設(shè)備基本的測試、保護功能外，還具有強大的數(shù)據(jù)處理能力、智能和通信能力，其優(yōu)越性在電力系統(tǒng)實際應(yīng)用中已經(jīng)得到充分體現(xiàn)。但這同時對硬件平臺也提出了苛刻的要求，特別是作為核心器件的處理器的選擇至關(guān)重要。當(dāng)前采用單CPU結(jié)構(gòu)的繼電保護裝置在應(yīng)對微機繼電保護需求最明顯的缺點是容易造成任務(wù)之間的沖突，引入等待周期，因而很多方案提出了以DSP為核心處理器的雙處理器模式的微機繼電保護設(shè)計方案，甚至一個DSP用于數(shù)據(jù)和算法處理、一個MCU用于系統(tǒng)控制、一個MCU用于LCD控制的三處理器解決方案。多處理器設(shè)計不僅帶來整體BOM成本增加，而且會降低系統(tǒng)可靠性并增大系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜程度（包括硬件和軟件）。
　　本參考設(shè)計的核心處理器采用了ADI公司于2009年初推出的針對工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的Blackfin處理器BF518。BF518繼承了ADI公司Blackfin匯聚式處理器的獨特優(yōu)勢“基因”，兼具DSP的超強數(shù)據(jù)處理能力和RISC微處理器用于系統(tǒng)控制的優(yōu)勢。相對于以往異構(gòu)MCU+DSP方案，BF518能夠減少器件數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)成本，縮小電路板空間并降低功耗。與傳統(tǒng)的DSP類似，BF518處理器的每個處理單元都具有高時鐘速率和低功耗。同時，就像傳統(tǒng)的MCU一樣，這些匯聚處理器都采用界面友好的操作系統(tǒng)和編譯器。低成本的BF518處理器具有處理儀表級原始實時電力數(shù)據(jù)采集以及實現(xiàn)繼保設(shè)備和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解決方案。
　　在BF518推出之前，Blackfin處理器的獨特優(yōu)勢就在包括繼電保護在內(nèi)的電力系統(tǒng)的多種設(shè)備中廣泛采樣，Blackfin所采用的高性能16/32位嵌入式處理器內(nèi)核、靈活的高速緩存架構(gòu)、增強的DMA子系統(tǒng)使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠設(shè)計靈活的平臺以解決多種面向連接的應(yīng)用。而BF518內(nèi)置的以太網(wǎng)10/100 MAC（媒體訪問控制）更首次在Blackfin處理器中引入了內(nèi)置的PTP_TSYNC引擎，實現(xiàn)了硬件支持的IEEE1588時鐘同步，與IEEE1588 version2標準完全兼容(通過硬件方式實現(xiàn)才能達到系統(tǒng)時鐘精度要求，是數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢)。BF518的這一特性與強大的數(shù)字信號處理及控制能力、多種其它外設(shè)的結(jié)合，使它成為要求苛刻的電力聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最具吸引力的選擇。在滿足新一代繼保設(shè)備的存儲需求方面，BF518的更具明顯優(yōu)勢，不僅具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(FRAM)、SDRAM，還提供了支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲器（OTP）。隨著IEC61580規(guī)范的逐步推行，必將對處理器的處理能力提出更高的要求，包括更高的通信能力、存儲能力、智能特性的支持等。該參考設(shè)計所有的算法和程序僅占BF518處理器處理能力的30%，為客戶進行產(chǎn)品設(shè)計中的智能化、各種算法的擴展應(yīng)用預(yù)留了足夠的處理性能余量。此外，BF518能夠在-40℃～85℃的環(huán)境溫度下工作，非常適用于繼電保護產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境。
　　該解決方案另外采用的核心器件是兩塊ADI公司最新推出的高性能同步采樣ADC AD7606，可以簡化下一代電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，提供16位八通道的采用性能，滿足下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計所需的分辨率和性能要求，而其同步采樣特性也是高性能電力監(jiān)測應(yīng)用所要求的。AD7606可實現(xiàn)90dB的信噪比（SNR）?？蛇x的過采樣模式進一步提高了SNR的性能，該參考設(shè)計的實際測量表明，通過過采樣可以將ADC轉(zhuǎn)換精度提高到19.5位，并增強了抗混疊能力。此外，與同類解決方案相比，AD7606內(nèi)置了基準電壓，僅需很少的去耦電容，因此實現(xiàn)了更高的集成度。用戶在采用該參考設(shè)計時，可以根據(jù)產(chǎn)品的最終成本、性能目標，自由選擇AD7606或其它替代器件。
　　圖1：基于匯聚式處理器BF518的繼電保護方案電路框圖。
　　

　　2. 完善的軟件模塊顯著縮短開發(fā)周期
　　參考設(shè)計方案研發(fā)團隊針對繼電保護應(yīng)用開展了大量的技術(shù)和需求調(diào)研，在BF518處理器平臺基礎(chǔ)上完善了軟件的模塊化設(shè)計，提供了近乎完整的繼電保護軟硬件解決方案。除了硬件平臺的設(shè)計外，還加入了uC/OS-II操作系統(tǒng)、Lwip協(xié)議棧、UI、IEEE1588應(yīng)用代碼等模塊，并實現(xiàn)了繼電保護的基本算法，包括欠壓、過壓、瞬時電流速斷保護等算法。
　　所有這些設(shè)計軟件模塊均可向客戶提供源代碼，用戶可以在此基礎(chǔ)上進行分析、學(xué)習(xí)和改進。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)上，客戶基于PC的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用軟件可以輕松地移植到該參考設(shè)計平臺上。
　　圖2：完整參考設(shè)計提供的軟件模塊
　　
　　3. 完善的設(shè)計支持
　　與其他開發(fā)平臺相比，基于Blackfin處理器的該應(yīng)用參考設(shè)計讓工程師更容易上手。為了幫助客戶盡快熟悉該平臺，加快產(chǎn)品設(shè)計進程，北京億旗公司還提供了詳盡的開發(fā)向?qū)?，包括文字說明以及豐富的視頻資料。該參考設(shè)計不僅包括原理圖、PCB圖、設(shè)計文檔和軟件模塊源代碼以外，還包括系統(tǒng)方案的EMC測試報告、網(wǎng)絡(luò)測試報告，等等。
　　此外，Blackfin處理器在嵌入式應(yīng)用中具有突出優(yōu)勢的另一個方面是提供業(yè)界領(lǐng)先的工具、入門套件的支持，包括ADI CROSSCORE®軟件與硬件工具與獲獎的VisualDSP++®集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境（IDDE）、仿真器，以及EZ-KIT Lite®評估硬件。北京億旗公司配套推出了優(yōu)化設(shè)計的高速、低成本ADSP仿真器（EBF-EMU-II），以推動ADI Blackfin處理器在電力系統(tǒng)應(yīng)用的深入應(yīng)用，降低該參考設(shè)計的應(yīng)用技術(shù)門檻。
　　該參考設(shè)計已經(jīng)完成完整繼電保護產(chǎn)品近60%~70%的開發(fā)任務(wù)量，客戶基于該平臺僅需完成剩余的應(yīng)用開發(fā)即可，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
深化電力應(yīng)用核心技術(shù)領(lǐng)先提供商地位
　　有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國本土的繼電保護產(chǎn)品經(jīng)過多年的實際運行，通過應(yīng)用先進的專業(yè)技術(shù)、領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案以及良好的工藝，已全面超越進口競爭產(chǎn)品，反映了中國內(nèi)地繼電保護技術(shù)的顯著進步。這其中離不開像ADI這樣行業(yè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體方案提供商的技術(shù)支持，包括ADSP BF533及BF537、BF561等多款Blackfin處理器以及SHARC處理器在電力系統(tǒng)中已經(jīng)有多年的廣泛成功應(yīng)用案例，特別是近年來推出的BF51x、BF50x系列處理器在大大降低應(yīng)用系統(tǒng)成本的同時，更集成了多項新特性，是繼電保護方案的理想之選。
　　當(dāng)前及未來的電力應(yīng)用的一個突出特點是密集的信號處理需求，這正是Blackfin及SHARC處理器系列的優(yōu)勢所在，特別是Blackfin處理器結(jié)合了DSP和MCU的特點使同一顆處理器能同時進行電力監(jiān)測、控制和網(wǎng)絡(luò)處理，這對于電力監(jiān)測、繼電保護等復(fù)雜的電力應(yīng)用來說是一個巨大的優(yōu)勢。更好地為中國電力企業(yè)提供優(yōu)化的半導(dǎo)體方案，更貼近地了解中國市場需求，ADI同南瑞繼保、四方繼保等企業(yè)建立了聯(lián)合實驗室，以促進領(lǐng)先的模擬和數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，并幫助企業(yè)降低應(yīng)用成本和技術(shù)門檻。
　　ADI作為促進全球電力行業(yè)發(fā)展的重要力量，其傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品在電力二次設(shè)備中得到的大量應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，全球僅ADI電力計量芯片的應(yīng)用量已超過2.25億塊。而現(xiàn)在，ADI業(yè)界領(lǐng)先的匯聚式DSP技術(shù)將繼續(xù)為全球智能電網(wǎng)應(yīng)用發(fā)揮越來越重要的作用，ADI提供的種類廣泛的半導(dǎo)體解決方案將幫助電力設(shè)備企業(yè)成功應(yīng)對從電表到變電站等各個環(huán)節(jié)面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。