近日，德州儀器 Amrit Mundra、Bryan Trinh、Sreenivasa Kallikuppa 和 Prasanna Rajagopal 發(fā)布了一篇標(biāo)題為《用于繼電保護(hù)設(shè)備的 Sitara? AM6x 處理器》的博文。以下是文章全文：

全球電力基礎(chǔ)設(shè)施的作用是連接發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)，通常稱作電網(wǎng)。

為了提高整體可靠性、利用率和效率，人們正在增加更多的通信功能和傳感器，從而使電網(wǎng)更加智能，通常稱作智能電網(wǎng)。

變電站是智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，通常位于輸電線路和配電線路,其中包括為住宅和企業(yè)供電的低壓配電線路。變電站可以改變輸電電壓電平，執(zhí)行重要功能，如饋線開關(guān)、負(fù)載開關(guān)和斷路器保護(hù)以及資源連續(xù)監(jiān)控等，從而提高利用率、效率并縮短停機(jī)時(shí)間。

多功能繼電保護(hù)器是電網(wǎng)中使用的一大關(guān)鍵終端設(shè)備。多功能繼電保護(hù)器提供保護(hù)和控制功能，配置多功能保護(hù)繼電器可以為發(fā)電機(jī)、輸電線、電機(jī)、母線或其他電網(wǎng)設(shè)備提供保護(hù)。

多功能繼電保護(hù)器在智能電網(wǎng)發(fā)揮的作用包括：

檢測電網(wǎng)的異常電力系統(tǒng)行為，發(fā)出報(bào)警并采取必要行動(dòng)

采樣模擬輸入，計(jì)算其所連接設(shè)備的電氣參數(shù)，并根據(jù)配置的功能采取行動(dòng)，包括向斷路器發(fā)送跳閘信號(hào)從而保護(hù)設(shè)備

提高電力系統(tǒng)（包括發(fā)電、輸電和配電）的效率和可靠性

根據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）61850 和 IEC 62439

標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過冗余通信基礎(chǔ)設(shè)施，如高可用性無縫冗余（HSR）/ 并行冗余協(xié)議（PRP）將最新狀態(tài)信息發(fā)送至集中監(jiān)控系統(tǒng)。

繼電保護(hù)器包括交流模擬模塊和處理器模塊。交流模擬模塊與多路電壓和電流輸入相連，將輸入縮放到 ADC 范圍，并使用高精度 ADC 將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。處理器模塊從模擬輸入模塊中獲取采樣的數(shù)字量，并處理數(shù)字濾波等樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算電氣參數(shù)，執(zhí)行保護(hù)算法并將參數(shù)傳送到中央網(wǎng)絡(luò)。

本白皮書重點(diǎn)介紹保護(hù)繼電器中的處理器模塊。

繼電保護(hù)器中的處理器模塊通常如圖1所示，對數(shù)據(jù)執(zhí)行采集樣本、處理和通信功能，并且還提供 HMI 和診斷功能。

處理器模塊使用串行 / 并行接口從模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，以平滑輸入信號(hào)并消除異常。

經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)會(huì)交由繼電保護(hù)算法做進(jìn)一步處理，該算法根據(jù)繼電保護(hù)應(yīng)用的要求，分析所監(jiān)控的參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)，例如用于終端設(shè)備保護(hù)的數(shù)據(jù)，如過載、差分、反向功率等是否合理，并按預(yù)定時(shí)序向斷路器提供跳閘信號(hào)。濾波后的數(shù)據(jù)還用于測量和診斷電氣參數(shù)。通信單元提供不同的通信接口和所需的協(xié)議，包括 HSR/PRP 等冗余協(xié)議，并向 SCADA 監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等更高層級報(bào)告事件和狀態(tài)。圖形 LCD 屏可以圖形方式顯示參數(shù)和受保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)，便于快速分析。

繼電保護(hù)器處理器模塊中的典型數(shù)據(jù)流（圖片來源于德州儀器）

處理器模塊在繼電保護(hù)器中解決的難題

隨著智能電網(wǎng)取代傳統(tǒng)電網(wǎng)，以及智能電網(wǎng)部署的增加，處理器模塊必須解決以下難題：

與外部 ADC 模塊對接具備多接口和多協(xié)議功能

高性能處理采集的 ADC 數(shù)據(jù)

使用多核子系統(tǒng)執(zhí)行高級數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)管理功能

支持 HSR/PRP 等冗余工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

展現(xiàn)直觀且豐富的人機(jī)界面（HMI）

支持高可靠性、長開機(jī)時(shí)間（POH）和 ECC 糾錯(cuò)功能（ECC）

支持高級安全功能和功能性安全

具有廣泛的外圍設(shè)備，可連接多個(gè)串行和并行接口

用于多功能繼電保護(hù)器處理器模塊應(yīng)用的 Sitara? AM6x 設(shè)備

處理器模塊可能需要多個(gè)處理子系統(tǒng)來應(yīng)對不同的處理需求和難題。將功能組合到更少的設(shè)備或單個(gè)設(shè)備上可降低成本和復(fù)雜性。

德州儀器（TI）的 Sitara? AM6x 處理器是單芯片解決方案，非常適合繼電保護(hù)設(shè)備中的處理器模塊。下圖是 AM6x 處理器系列 AM654x 處理器的框圖。針對上面列出的難題，下面一一介紹 AM6x 處理器的相應(yīng)功能。

AM654x處理器框圖（圖片來源于德州儀器）

從具有不同接口和協(xié)議的外部 ADC 采集高速和高性能數(shù)據(jù)。處理器模塊的主要難題之一在于能夠同時(shí)連接多個(gè)外部 ADC，而且 ADC 可能具有不同接口類型，如串行外設(shè)接口（SPI）等。同時(shí)處理器需要適應(yīng)不同輸入頻率的變化時(shí)序要求，以便執(zhí)行相干采樣。讓情況更加復(fù)雜的是，許多 ADC 制造商已經(jīng)定義了ADC 接口，需要處理器具備定制時(shí)序能力直接對連 ADC 采集數(shù)據(jù)。

TI AM6x 處理器用可編程實(shí)時(shí)單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）解決了與多類型 ADC 外圍設(shè)備對接的難題。它可直接與外部 ADC 連接，從而節(jié)省物料清單（BOM）成本。PRU-ICSS 接口可以與 ADC 接口時(shí)序相關(guān)采樣，從而改善了信號(hào)鏈性能，減少頻譜泄漏。

執(zhí)行高級數(shù)字處理運(yùn)算和數(shù)據(jù)管理功能的多核處理架構(gòu)。為了滿足高性能處理要求，包括先進(jìn)的信號(hào)處理和管理功能，AM6x 器件系列最多可將四個(gè) NEON 擴(kuò)展的 Arm? Cortex?-A53內(nèi)核和一個(gè)雙 Arm Cortex-R5F 微控制器（MCU）子系統(tǒng)組合在一起。Cortex-A53內(nèi)核設(shè)置在具有共享 L2內(nèi)存的雙核集群中，4個(gè)Cortex-A53可以組建成兩個(gè)高性能處理子單元。Cortex-R5F 內(nèi)核可用于 ADC 樣本數(shù)據(jù)過濾和數(shù)字信號(hào)處理，而 Cortex-A53 內(nèi)核可用于繼電保護(hù)管理和以太網(wǎng)通信功能。

支持以太網(wǎng)協(xié)議，包括 HSR/PRP 等冗余工業(yè)協(xié)議。針對變電站自動(dòng)化的高可靠性和可預(yù)測性的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)需求來自于 IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)，目的是為了創(chuàng)建低成本、易維護(hù)、可互操作并具 有內(nèi)置 冗 余的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。IEC 62439-3第4和第5條則定義了高可用性無縫冗余（HSR） 和并行冗余協(xié)議（PRP）。

AM6x 處理器利用 PRU-ICSS 子系統(tǒng)為 HSR/PRP 提供支持。該實(shí)現(xiàn)過程包括 PRU-ICSS 固件、驅(qū)動(dòng)程序（Linux?/ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS））、應(yīng)用程序和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議支持。PRU-ICSS 固件用于處理鏈路冗余，而主核（Cortex-A53）負(fù)責(zé)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序代碼。TI 免費(fèi)提供 PRU-ICSS HSR 固件和驅(qū)動(dòng)程序（基于 Linux 和 TI-RTOS），并對 AM6x PRU-ICSS 進(jìn)行了升級以支持千兆 HSR/PRP。

使用 UART/SPI 端口可實(shí)現(xiàn)其他異步或同步通信接口，也可以使用 PRU-ICSS 來添加其他通用異步收發(fā)端口或 SPI 端口。PRU-ICSS 內(nèi)核也可用于定制通用輸入/輸出操作和深度封包檢測。

展示直觀且豐富的 HMI。多功能繼電保護(hù)設(shè)備還可以配備直觀的 HMI 圖形 LCD，用于顯示波形、趨勢、電氣參數(shù)、配置和狀態(tài)。豐富的 HMI 有助于降低培訓(xùn)成本，簡化分析，并最大限度地降低錯(cuò)誤配置的幾率。AM6x 處理器具有集成 LCD 控制器和3D 圖形加速器，便于設(shè)計(jì)豐富的 HMI 功能。

通過支持高可靠性、長久的 POH 和完整的 ECC 提高了可靠性和診斷能力。繼電保護(hù)器需有高可靠性和更長的使用壽命，并且通常在極端環(huán)境中運(yùn)行。而 AM6x 能夠完全滿足這些要求。廣泛覆蓋內(nèi)存的 ECC 功能以及其他一些降低故障率的設(shè)計(jì)策略使得復(fù)雜的片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最低軟失效率。

AM6x 處理器工業(yè)版結(jié)溫（Tj）范圍為-40°C至105°C。但當(dāng)器件工作在最高結(jié)溫105°C，Cortex-A53 內(nèi)核頻率工作在 1.0GHz，器件其余部分則以最高頻率工作的情況下，AM6x 處理器的估計(jì)工作壽命為100,000 POH。

工業(yè)應(yīng)用的另一常見要求為操作設(shè)備的壽命超過100,000 POH。對于使用更低結(jié)溫95°C的應(yīng)用，AM6x 處理器的估計(jì)工作壽命高達(dá)200,000 POH。

AM6x 處理器包括可持續(xù)運(yùn)行的豐富的硬件診斷功能。例如異步鎖 Cortex-R5F 架構(gòu)、內(nèi)存管理單元、防火墻、內(nèi)存單比特檢測、雙比特檢測和奇偶校驗(yàn)功能、電源診斷、溫度傳感器和復(fù)位診斷。AM6x 安全手冊中詳細(xì)介紹了診斷功能。

支持高級安全功能和功能安全特性。功能安全是對保護(hù)繼電器的一項(xiàng)新要求，這是由于它通常是保護(hù)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的最后一道防線。功能安全也可以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對系統(tǒng)快速診斷部件故障并防止損壞的能力更加充滿信心。TI 對 AM6x 處理器設(shè)計(jì)了功能安全特性以及完整的 ECC 特性。

AM6x 處理器可用于高達(dá) IEC 61508安全完整性等級（SIL）3級的工業(yè)控制應(yīng)用。對于集成 AM6x 處理器并管理系統(tǒng)性故障和隨機(jī)故障的系統(tǒng)，TI 提供 SafeTI? 設(shè)計(jì)包以幫助滿足它們的功能性安全要求。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，TI 遵循獨(dú)立認(rèn)證的硬件和軟件開發(fā)流程以及需求跟蹤、文件編制和驗(yàn)證。

TI 提供軟件合規(guī)程序包和編譯器認(rèn)證工具包以管理系統(tǒng)故障。對于隨機(jī)故障，TI 提供可配置的 AM6x 故障模式效果和診斷分析工具，可詳細(xì)說明器件設(shè)計(jì)和診斷覆蓋范圍的故障模式和指標(biāo)。SafeTI? 設(shè)計(jì)包還提供了安全分析報(bào)告，此報(bào)告是 AM6x 處理器作為獨(dú)立安全單元時(shí)第三方評估的認(rèn)證概要。

目前，人們對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施攻擊的擔(dān)憂處于歷史最高水平。安全威脅始終存在，而隨著智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)的快速普及，這些威脅可能來自任何地方，甚至是毫不起眼的低成本終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備。問題不在于是否系統(tǒng)會(huì)受到攻擊，而在于何時(shí)受到攻擊。安全的設(shè)計(jì)，風(fēng)險(xiǎn)管理與保護(hù)措施同等重要。鑒于保護(hù)繼電器可能會(huì)受到攻擊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須將安全放在第一位。

軟件和硬件安全功能必須協(xié)同工作，從而獲得比單獨(dú)使用某一種解決方案更多的保護(hù)層。當(dāng)然，安全架構(gòu)的強(qiáng)度取決于其基礎(chǔ)。基礎(chǔ)層的四個(gè)方面非常重要，即：安全啟動(dòng)過程、調(diào)試安全性、基于硬件的設(shè)備密鑰/ ID 和加密加速。

AM6x 處理器支持諸多安全功能，如安全啟動(dòng)、調(diào)試安全性、密鑰 /ID、加密加速、可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）、安全存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全、軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）保護(hù)、初始安全編程、安全固件和軟件。

處理器模塊 BOM

對處理器模塊來說，降低 BOM 始終是一大優(yōu)先事項(xiàng)。降低 BOM 成本的一種方法是減少器件的使用量，這樣有助于節(jié)省部件和相關(guān)的印刷電路板（PCB）成本。部件更少意味著設(shè)計(jì)更簡單，PCB 布線問題也更少。

AM6x 處理器集成了 PRU-ICSS，無需使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）即可連接外部 ADC。

這個(gè) PRU-ICSS 外圍設(shè)備也可以用于執(zhí)行 HSR/PRP 等冗余協(xié)議。AM6x 處理器集成了 LCD 控制器和3D 圖形加速器，另外還具有高性能多核架構(gòu)，非常適合于處理器模塊。

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