ADI獨(dú)立雙核處理器的IED解決方案滿足智能電網(wǎng)最苛刻需求

 智能電網(wǎng)的概念首先起于歐美，但是隨著中國(guó)的快速介入，實(shí)際上中國(guó)的智能電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀已經(jīng)超過(guò)了歐美原來(lái)提出的固有范疇?，F(xiàn)在中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)宣布將在2020年建成覆蓋全國(guó)的智能電網(wǎng)，并且已投入了4萬(wàn)億人民幣用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建設(shè)。這一宏大計(jì)劃的實(shí)施將涉及到新能源發(fā)電、新能源并網(wǎng)接入、大容量能量存儲(chǔ)、特高壓輸電以及數(shù)字化變電站、智能計(jì)量等廣泛的相關(guān)領(lǐng)域，將為全球智能電網(wǎng)建設(shè)樹立一個(gè)新的標(biāo)桿，同時(shí)也對(duì)半導(dǎo)體廠商和設(shè)備廠商提出了更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。

智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)面臨更多挑戰(zhàn)

在智能電網(wǎng)中，智能電子設(shè)備(IED) 是組成智能電網(wǎng)的基本要素，提供系統(tǒng)所需要的檢測(cè)、測(cè)量、保護(hù)和控制功能。

ADI市場(chǎng)經(jīng)理張松剛向21ic記者介紹說(shuō)：“智能電網(wǎng)在輸配電方面主要體現(xiàn)在數(shù)字化變電站上，直接與強(qiáng)電接觸采集數(shù)據(jù)信息的是稱為一次設(shè)備，而后端通過(guò)線纜和一次設(shè)備相連接的具有保護(hù)、測(cè)控功能是二次設(shè)備。ADI公司在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的市場(chǎng)重心在二次設(shè)備側(cè)?，F(xiàn)在ADI推出了最新的符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用獨(dú)立雙核DSP架構(gòu)的IED系統(tǒng)解決方案，在信息數(shù)據(jù)處理、通信、安全性等方面都有了大幅度提高，可以滿足智能電網(wǎng)最苛刻的性能、安全、可靠性需求。”

智能電網(wǎng)應(yīng)用在輸配電的領(lǐng)域主要是電力自動(dòng)化和變電站數(shù)字化。目前來(lái)說(shuō)，數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)主要基于國(guó)際通用的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)字化變電站內(nèi)，所有IED都將以符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行通信。IEC61850主要定義了以下的一些方面，包括：數(shù)據(jù)建模、報(bào)告方案、事件快速傳輸(GOOSE和GSSE) 、置群組、數(shù)字采樣數(shù)據(jù)傳輸(SV) 、命令配置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

IEC61850是被國(guó)際廣泛認(rèn)可的通用標(biāo)準(zhǔn)，要想設(shè)計(jì)出符合該標(biāo)準(zhǔn)的IED設(shè)備并不容易，工程師將面臨很多現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

首先是復(fù)雜的通信協(xié)議和多種不同的通信協(xié)議棧帶來(lái)的高實(shí)時(shí)性和超低延時(shí)。

其次是要求系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性要求非常高的信號(hào)處理能力并且有很高的系統(tǒng)可靠度。

最后是是廣域IED時(shí)間同步、系統(tǒng)成本和開發(fā)成本以及平臺(tái)式開發(fā)問(wèn)題。

ADI解決方案提供高實(shí)時(shí)性雙核處理能力

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，ADI推出的獨(dú)立雙核DSP架構(gòu)的IED系統(tǒng)解決方案完全可以滿足需求。

張松剛表示：“在諸如繼電保護(hù)設(shè)備或電力質(zhì)量分析儀等新式的IED 中，IED設(shè)計(jì)工程師希望處理器能夠在幾百微秒的時(shí)間內(nèi)處理超過(guò)60個(gè)通道的FFT信號(hào)。再加上IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)所要求的復(fù)雜通信任務(wù)，單核處理器已經(jīng)接近了性能極限。另一方面，出于對(duì)于系統(tǒng)安全性的考慮，要求在通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生異常情況時(shí)，電力線保護(hù)設(shè)備的IED 不允許出現(xiàn)任何異常。所以IED 設(shè)計(jì)工程師開始使用至少兩個(gè)處理器，分別應(yīng)付信號(hào)處理和通信任務(wù)。在使用雙核處理器之后，工程師又要面對(duì)這些處理器之間如何高效率通信的問(wèn)題?ADI的方案對(duì)此已經(jīng)有了圓滿的解決方案。”

ADI IEC61850演示設(shè)計(jì)

早在2012 年，ADI和上海遠(yuǎn)景數(shù)字信息有限公司(ADI 的第三方)合作展開了一個(gè)項(xiàng)目，致力于開發(fā)滿足IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站IED通用平臺(tái)。

張松剛介紹說(shuō)“這一通用平臺(tái)采用了雙核DSP的架構(gòu)，它很好地解決了實(shí)時(shí)信息處理、通信之間的關(guān)系，并且雙核直接通信非常順暢。”

ADI IEC61850演示設(shè)計(jì)方案集成獨(dú)立的雙處理器，每個(gè)處理器的工作頻率高達(dá)500 MHz 。它具有兩個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)MAC(兩個(gè)MAC 地址) ，非常適合IEC61850應(yīng)用。本演示系統(tǒng)中，內(nèi)核0 運(yùn)行μCLinux 操作系統(tǒng)，處理非實(shí)時(shí)任務(wù)，如MMS協(xié)議棧、LCD 、鍵盤和其他諸如TFTP等服務(wù)器應(yīng)用。內(nèi)核1 運(yùn)行采樣和繼電保護(hù)算法(DFT) ，還可以發(fā)送實(shí)時(shí)的GOOSE 消息而不影響操作系統(tǒng)的運(yùn)行。兩個(gè)內(nèi)核通過(guò)片上L2 存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)通信，該L2 存儲(chǔ)器能夠以高達(dá)250MHz的頻率工作，確保具有最高的數(shù)據(jù)交換效率。

強(qiáng)大的2個(gè)500 MHz雙核處理器，每個(gè)內(nèi)核都有148 kB L1 SRAM，可達(dá)256 kB L2 SRAM用于雙核數(shù)據(jù)交換， 內(nèi)部的Crossbar總線系統(tǒng), DDR總線獨(dú)立于系統(tǒng)本地存儲(chǔ)器總線,使同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器和外設(shè)成為可能;豐富的外設(shè)包括2個(gè)UART、1個(gè)CAN、2個(gè)SPI、3個(gè)SPORT、2個(gè)TWI (I2C)和1個(gè)USB等;同時(shí)考慮電力系統(tǒng)安全特性的要求：特別設(shè)計(jì)了L2 SRAM ECC、雙看門狗、系統(tǒng)保護(hù)等等，支持IEEE1588v2的雙以太網(wǎng)MAC接口。

這樣強(qiáng)大的硬件基礎(chǔ)，讓工程師在進(jìn)行IDE設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)具有更高的靈活度和自由度。

ADI雙核處理器BF60X內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

提供評(píng)估板方便工程師開發(fā)

為了讓工程師能夠更方便的利用ADI的解決方案進(jìn)行開發(fā)，ADI還推出了相應(yīng)的評(píng)估板。

該開發(fā)板具有4個(gè)以太網(wǎng)端口(2個(gè)MAC個(gè)位于處理器上，符合IEEE1588標(biāo)準(zhǔn);另2個(gè)通過(guò)FPGA擴(kuò)展)，同時(shí)還有16通道模擬輸入(2個(gè)AD7606)。

開發(fā)評(píng)估板演示套件實(shí)物

在某些高壓的IED(110 kV 及以上)設(shè)計(jì)中，可能需要較多的以太網(wǎng)端口(GOOSE 和SMV 的專用以太網(wǎng)端口)。出于對(duì)這種用戶需求的兼容烤爐，本開發(fā)板可支持通過(guò)FPGA 添加更多以太網(wǎng)端口。在這種應(yīng)用情況下，處理器和DSP之間的通信接口非常重要，因?yàn)樵摻涌诘膸挍Q定了SMV消息的實(shí)時(shí)性能。ADSP-BF60x 集成4個(gè)Linkport同步并行接口，每個(gè)Linkport接口速率高達(dá)83 MB/s，提供實(shí)時(shí)接收SMV 數(shù)據(jù)所需的足夠帶寬。