基于Blackfin處理器的繼電保護完整解決方案解析

　全球?qū)﹄娏υO施建設的關注從來沒有達到像當前這樣高的熱度，一方面當前形勢下的環(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)的建設規(guī)劃。電網(wǎng)改造和堅強智能電網(wǎng)建設的一個重要方面是加強網(wǎng)絡的自我故障診斷、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)設計挑戰(zhàn)分析

　　繼電保護是實現(xiàn)電力網(wǎng)絡及相關設備監(jiān)測保護的重要技術，向計算機化、網(wǎng)絡化、智能化，以及保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展是該領域的長期發(fā)展趨勢。有關數(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體處理器技術：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，因而系統(tǒng)響應速度、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，如自適應、狀態(tài)預測、模糊控制及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡等，確保更高的運行準確率;在滿足當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)絡及系統(tǒng)的系列國際標準IEC61850的逐步導入和推廣，基于該標準發(fā)展起來的繼保產(chǎn)品網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢對當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)絡等技術的應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

　　微機繼電保護設備除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護設備基本的測試、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重要。當前采用單CPU結(jié)構(gòu)的繼電保護裝置在應對微機繼電保護需求最明顯的缺點是容易造成任務之間的沖突，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)設計復雜程度(包括硬件和軟件)。

　　本參考設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)設計人員能夠設計靈活的平臺以解決多種面向連接的應用。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、多種其它外設的結(jié)合，使它成為要求苛刻的電力聯(lián)網(wǎng)應用最具吸引力的選擇。在滿足新一代繼保設備的存儲需求方面，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)品設計中的智能化、各種算法的擴展應用預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

　　參考設計方案研發(fā)團隊針對繼電保護應用開展了大量的技術和需求調(diào)研，在BF518處理器平臺基礎上完善了軟件的模塊化設計，提供了近乎完整的繼電保護軟硬件解決方案。除了硬件平臺的設計外，還加入了uC/OS-II操作系統(tǒng)、Lwip協(xié)議棧、UI、IEEE1588應用代碼等模塊，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。

　　所有這些設計軟件模塊均可向客戶提供源代碼，用戶可以在此基礎上進行分析、學習和改進。在網(wǎng)絡應用開發(fā)上，客戶基于PC的網(wǎng)絡通信應用軟件可以輕松地移植到該參考設計平臺上。

　　圖2：完整參考設計提供的軟件模塊

　　3. 完善的設計支持

　　與其他開發(fā)平臺相比，基于Blackfin處理器的該應用參考設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)品設計進程，北京億旗公司還提供了詳盡的開發(fā)向?qū)Вㄎ淖终f明以及豐富的視頻資料。該參考設計不僅包括原理圖、PCB圖、設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)絡測試報告，等等。

　　此外，Blackfin處理器在嵌入式應用中具有突出優(yōu)勢的另一個方面是提供業(yè)界領先的工具、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)應用的深入應用，降低該參考設計的應用技術門檻。

該參考設計已經(jīng)完成完整繼電保護產(chǎn)品近60%~70%的開發(fā)任務量，客戶基于該平臺僅需完成剩余的應用開發(fā)即可，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

　　深化電力應用核心技術領先提供商地位

　　有關數(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，通過應用先進的專業(yè)技術、領先的半導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)地繼電保護技術的顯著進步。這其中離不開像ADI這樣行業(yè)領先的半導體方案提供商的技術支持，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。

　　當前及未來的電力應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)絡處理，這對于電力監(jiān)測、繼電保護等復雜的電力應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，以促進領先的模擬和數(shù)字信號處理技術在電力系統(tǒng)領域的應用，并幫助企業(yè)降低應用成本和技術門檻。

　　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)品在電力二次設備中得到的大量應用。據(jù)統(tǒng)計，全球僅ADI電力計量芯片的應用量已超過2.25億塊。而現(xiàn)在，ADI業(yè)界領先的匯聚式DSP技術將繼續(xù)為全球智能電網(wǎng)應用發(fā)揮越來越重要的作用，ADI提供的種類廣泛的半導體解決方案將幫助電力設備企業(yè)成功應對從電表到變電站等各個環(huán)節(jié)面臨的設計挑戰(zhàn)。