基于Blackfin處理器的繼電保護(hù)完整解決方案解析

　全球?qū)﹄娏υO(shè)施建設(shè)的關(guān)注從來(lái)沒(méi)有達(dá)到像當(dāng)前這樣高的熱度，一方面當(dāng)前形勢(shì)下的環(huán)保節(jié)能要求對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)提出了極大的挑戰(zhàn)，另一方面，全球近年來(lái)發(fā)生多起導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)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(lái)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(kāi)全球數(shù)萬(wàn)億美元的巨大市場(chǎng)商機(jī)。

　　近年來(lái)，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)一直努力打造具有網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的統(tǒng)一的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，已經(jīng)明確了分階段推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略和今后十年堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃。電網(wǎng)改造和堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)重要方面是加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的自我故障診斷、保護(hù)和自愈功能，電力公司需要電力線監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，以對(duì)能量的消耗情況、成本和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視和控制，并對(duì)保護(hù)昂貴的設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，從而使電源不至于被浪涌和惡劣的氣候所損毀。

　　繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

　　繼電保護(hù)是實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備監(jiān)測(cè)保護(hù)的重要技術(shù)，向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以及保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展是該領(lǐng)域的長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2006年底，全國(guó)220kV及以上系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化率已達(dá)91.41%。繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化趨勢(shì)充分利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器技術(shù)：高速的運(yùn)算能力、完善的存貯能力和各種優(yōu)化算法，同時(shí)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(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)。主要有以下幾個(gè)方面：

　　更高的繼電保護(hù)性能。更快(處理能力)、更強(qiáng)(功能)、更低(低成本和功耗)是電子產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力，也是工程師面臨的永恒挑戰(zhàn)。具體到電力繼電保護(hù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，包括：電力狀態(tài)參數(shù)的快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè);系統(tǒng)很強(qiáng)的存儲(chǔ)力能更好地實(shí)現(xiàn)故障分量保護(hù);先進(jìn)、優(yōu)化的自動(dòng)控制、算法和技術(shù)，如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測(cè)、模糊控制及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，確保更高的運(yùn)行準(zhǔn)確率;在滿足當(dāng)前繼電保護(hù)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(kāi)發(fā)成本)實(shí)現(xiàn)。.

　　系統(tǒng)軟硬件的擴(kuò)展能力。產(chǎn)品方案的可擴(kuò)展性是當(dāng)前很多嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品方案選型的一個(gè)重要考慮點(diǎn)，對(duì)于繼電保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(kuò)展、新增智能化功能擴(kuò)展，以及故障錄波、波形分析、附加低頻減載、自動(dòng)重合閘、故障測(cè)距、系統(tǒng)在線可升級(jí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850的逐步導(dǎo)入和推廣，基于該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展起來(lái)的繼保產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)當(dāng)前所采用的硬件平臺(tái)(特別是核心處理器)的性能可擴(kuò)展性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)核心處理器的通信能力和存儲(chǔ)能力要求更高。另外，智能化發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)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(duì)硬件平臺(tái)的處理能力要求則遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超越了以往的系統(tǒng)。

　　更高的可靠性。可靠性除了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)、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(qiáng)，可用軟件方法檢測(cè)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(hù)方案平臺(tái)。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(tái)、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧以及GUI等軟件開(kāi)發(fā)工作中解放出來(lái)，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并降低了軟硬件開(kāi)發(fā)難度。該參考設(shè)計(jì)的主要特性包括支持uC/OSⅡ操作系統(tǒng)、單處理器、支持2個(gè)以太網(wǎng)端口(10M/100M)、支持IEEE1588、支持實(shí)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(jī)繼電保護(hù)設(shè)備除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備基本的測(cè)試、保護(hù)功能外，還具有強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到充分體現(xiàn)。但這同時(shí)對(duì)硬件平臺(tái)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(hù)裝置在應(yīng)對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)需求最明顯的缺點(diǎn)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(jī)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案，甚至一個(gè)DSP用于數(shù)據(jù)和算法處理、一個(gè)MCU用于系統(tǒng)控制、一個(gè)MCU用于LCD控制的三處理器解決方案。多處理器設(shè)計(jì)不僅帶來(lái)整體BOM成本增加，而且會(huì)降低系統(tǒng)可靠性并增大系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度(包括硬件和軟件)。

　　本參考設(shè)計(jì)的核心處理器采用了ADI公司于2009年初推出的針對(duì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)“基因”，兼具DSP的超強(qiáng)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(shì)。相對(duì)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(gè)處理單元都具有高時(shí)鐘速率和低功耗。同時(shí)，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(jí)原始實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)采集以及實(shí)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(dú)特優(yōu)勢(shì)就在包括繼電保護(hù)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(qiáng)的DMA子系統(tǒng)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)靈活的平臺(tái)以解決多種面向連接的應(yīng)用。而B(niǎo)F518內(nèi)置的以太網(wǎng)10/100 MAC(媒體訪問(wèn)控制)更首次在Blackfin處理器中引入了內(nèi)置的PTP_TSYNC引擎，實(shí)現(xiàn)了硬件支持的IEEE1588時(shí)鐘同步，與IEEE1588 version2標(biāo)準(zhǔn)完全兼容(通過(guò)硬件方式實(shí)現(xiàn)才能達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘精度要求，是數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢(shì))。BF518的這一特性與強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)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(chǔ)需求方面，BF518的更具明顯優(yōu)勢(shì)，不僅具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(chǔ)(FRAM)、SDRAM，還提供了支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲(chǔ)器(OTP)。隨著IEC61580規(guī)范的逐步推行，必將對(duì)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(chǔ)能力、智能特性的支持等。該參考設(shè)計(jì)所有的算法和程序僅占BF518處理器處理能力的30%，為客戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的智能化、各種算法的擴(kuò)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(hù)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(jiǎn)化下一代電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jì)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(cè)應(yīng)用所要求的。AD7606可實(shí)現(xiàn)90dB的信噪比(SNR)。可選的過(guò)采樣模式進(jìn)一步提高了SNR的性能，該參考設(shè)計(jì)的實(shí)際測(cè)量表明，通過(guò)過(guò)采樣可以將ADC轉(zhuǎn)換精度提高到19.5位，并增強(qiáng)了抗混疊能力。此外，與同類解決方案相比，AD7606內(nèi)置了基準(zhǔn)電壓，僅需很少的去耦電容，因此實(shí)現(xiàn)了更高的集成度。用戶在采用該參考設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)產(chǎn)品的最終成本、性能目標(biāo)，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(hù)方案電路框圖。

　2. 完善的軟件模塊顯著縮短開(kāi)發(fā)周期

　　參考設(shè)計(jì)方案研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)繼電保護(hù)應(yīng)用開(kāi)展了大量的技術(shù)和需求調(diào)研，在BF518處理器平臺(tái)基礎(chǔ)上完善了軟件的模塊化設(shè)計(jì)，提供了近乎完整的繼電保護(hù)軟硬件解決方案。除了硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)的基本算法，包括欠壓、過(guò)壓、瞬時(shí)電流速斷保護(hù)等算法。

　　所有這些設(shè)計(jì)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(jìn)行分析、學(xué)習(xí)和改進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)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(jì)平臺(tái)上。

　　圖2：完整參考設(shè)計(jì)提供的軟件模塊

　　3. 完善的設(shè)計(jì)支持

　　與其他開(kāi)發(fā)平臺(tái)相比，基于Blackfin處理器的該應(yīng)用參考設(shè)計(jì)讓工程師更容易上手。為了幫助客戶盡快熟悉該平臺(tái)，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程，北京億旗公司還提供了詳盡的開(kāi)發(fā)向?qū)Вㄎ淖终f(shuō)明以及豐富的視頻資料。該參考設(shè)計(jì)不僅包括原理圖、PCB圖、設(shè)計(jì)文檔和軟件模塊源代碼以外，還包括系統(tǒng)方案的EMC測(cè)試報(bào)告、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試報(bào)告，等等。

　　此外，Blackfin處理器在嵌入式應(yīng)用中具有突出優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)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(jiǎng)的VisualDSP++?集成開(kāi)發(fā)與調(diào)試環(huán)境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite?評(píng)估硬件。北京億旗公司配套推出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的高速、低成本ADSP仿真器(EBF-EMU-II)，以推動(dòng)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(jì)的應(yīng)用技術(shù)門檻。

該參考設(shè)計(jì)已經(jīng)完成完整繼電保護(hù)產(chǎn)品近60%~70%的開(kāi)發(fā)任務(wù)量，客戶基于該平臺(tái)僅需完成剩余的應(yīng)用開(kāi)發(fā)即可，極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)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(guó)本土的繼電保護(hù)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際運(yùn)行，通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)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(jìn)口競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品，反映了中國(guó)內(nèi)地繼電保護(hù)技術(shù)的顯著進(jìn)步。這其中離不開(kāi)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(lái)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(shí)，更集成了多項(xiàng)新特性，是繼電保護(hù)方案的理想之選。

　　當(dāng)前及未來(lái)的電力應(yīng)用的一個(gè)突出特點(diǎn)是密集的信號(hào)處理需求，這正是Blackfin及SHARC處理器系列的優(yōu)勢(shì)所在，特別是Blackfin處理器結(jié)合了DSP和MCU的特點(diǎn)使同一顆處理器能同時(shí)進(jìn)行電力監(jiān)測(cè)、控制和網(wǎng)絡(luò)處理，這對(duì)于電力監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)等復(fù)雜的電力應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。更好地為中國(guó)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(guó)市場(chǎng)需求，ADI同南瑞繼保、四方繼保等企業(yè)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，以促進(jìn)領(lǐng)先的模擬和數(shù)字信號(hào)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(jìn)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(jì)，全球僅ADI電力計(jì)量芯片的應(yīng)用量已超過(guò)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(lái)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(duì)從電表到變電站等各個(gè)環(huán)節(jié)面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。