基于Blackfin處理器的繼電保護完整解決方案

ADI公司推出的繼電保護方案平臺, 采用了目前在電力線(xiàn)監控系統中廣泛應用Blackfi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(hù)從硬件平臺、操作系統、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。

繼電保護系統設計挑戰分析
繼電保護是實(shí)現電力網(wǎng)絡(luò )及相關(guān)設備監測保護的重要技術(shù)，向計算機化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化，以及保護、控制、測量和數據通信一體化發(fā)展是該領(lǐng)域的長(cháng)期發(fā)展趨勢。有關(guān)數據顯示，截止到2006年底，全國220kV及以上系統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(jìn)的半導體處理器技術(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(shí)采用大規模集成電路和成熟的數據采集、模數轉換、數字濾波和抗干擾等技術(shù)，因而系統響應速度、可靠性方面均有顯著(zhù)的提升。然而，如何持續提高這些特性也是繼電保護系統設計工程師面臨的挑戰。主要有以下幾個(gè)方面：

1. 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)品持續發(fā)展的動(dòng)力，也是工程師面臨的永恒挑戰。具體到電力繼電保護設備來(lái)說(shuō)，包括：電力狀態(tài)參數的快速準確監測；系統很強的存儲力能更好地實(shí)現故障分量保護；先進(jìn)、優(yōu)化的自動(dòng)控制、算法和技術(shù)，如自適應、狀態(tài)預測、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(mǎn)足當前繼電保護功能和性能需求的條件下，以更低的整體系統成本（包括軟硬件成本和開(kāi)發(fā)成本）實(shí)現。

2. 系統軟硬件的擴展能力
產(chǎn)品方案的可擴展性是當前很多嵌入式系統產(chǎn)品方案選型的一個(gè)重要考慮點(diǎn)，對于繼電保護系統來(lái)說(shuō)尤其如此。例如通信總線(xiàn)從RS485向CAN總線(xiàn)轉換、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(dòng)重合閘、故障測距、系統在線(xiàn)可升級等功能。特別是隨著(zhù)變電站通信網(wǎng)絡(luò )及系統的系列國際標準IEC61850的逐步導入和推廣，基于該標準發(fā)展起來(lái)的繼保產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò )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，同時(shí)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(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。

3. 更高的可靠性
可靠性除了系統軟件設計的優(yōu)化和調試外，體現在數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，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(xiàn)監控系統中廣泛應用的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(hù)從硬件平臺、操作系統、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。該參考設計的主要特性包括支持uC/ OSⅡ 操作系統、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的繼電保護設備基本的測試、保護功能外，還具有強大的數據處理能力、智能和通信能力，其優(yōu)越性在電力系統實(shí)際應用中已經(jīng)得到充分體現。但這同時(shí)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。當前采用單CPU結構的繼電保護裝置在應對微機繼電保護需求最明顯的缺點(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繼電保護設計方案，甚至一個(gè)DSP用于數據和算法處理、一個(gè)MCU用于系統控制、一個(gè)MCU用于LCD控制的三處理器解決方案。多處理器設計不僅帶來(lái)整體BOM成本增加，而且會(huì )降低系統可靠性并增大系統設計復雜程度（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的超強數據處理能力和RISC微處理器用于系統控制的優(yōu)勢。相對于以往異構MCU+DSP方案，BF518能夠減少器件數量，節約系統成本，縮小電路板空間并降低功耗。與傳統的DSP類(lèi)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)，就像傳統的MCU一樣，這些匯聚處理器都采用界面友好的操作系統和編譯器。低成本的BF518處理器具有處理儀表級原始實(shí)時(shí)電力數據采集以及實(shí)現繼保設備和電網(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的電力系統的多種設備中廣泛采樣，Blackfin所采用的高性能16/32位嵌入式處理器內核、靈活的高速緩存架構、增強的DMA子系統使系統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B(niǎo)F518內置的以太網(wǎng)10/100 MAC（媒體訪(fǎng)問(wèn)控制）更首次在Blackfin處理器中引入了內置的PTP_TSYNC引擎，實(shí)現了硬件支持的IEEE1588時(shí)鐘同步，與IEEE1588 version2標準完全兼容 (通過(guò)硬件方式實(shí)現才能達到系統時(shí)鐘精度要求，是數字化變電站的發(fā)展趨勢)。BF518的這一特性與強大的數字信號處理及控制能力、多種其它外設的結合，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(mǎn)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(shù)的一次性可編程存儲器（OTP）。隨著(zhù)IEC61580規范的逐步推行，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(hù)進(jìn)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(jiǎn)化下一代電力監控系統設計，提供16位八通道的采用性能，滿(mǎn)足下一代電力線(xiàn)監控系統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測應用所要求的。AD7606可實(shí)現90dB的信噪比（SNR）?？蛇x的過(guò)采樣模式進(jìn)一步提高了SNR的性能，該參考設計的實(shí)際測量表明，通過(guò)過(guò)采樣可以將ADC轉換精度提高到19.5位，并增強了抗混疊能力。此外，與同類(lèi)解決方案相比，AD7606內置了基準電壓，僅需很少的去耦電容，因此實(shí)現了更高的集成度。用戶(hù)在采用該參考設計時(shí)，可以根據產(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(zhù)縮短開(kāi)發(fā)周期
參考設計方案研發(fā)團隊針對繼電保護應用開(kāi)展了大量的技術(shù)和需求調研，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、Lwip協(xié)議棧、UI、IEEE1588應用代碼等模塊，并實(shí)現了繼電保護的基本算法，包括欠壓、過(guò)壓、瞬時(shí)電流速斷保護等算法。

所有這些設計軟件模塊均可向客戶(hù)提供源代碼，用戶(hù)可以在此基礎上進(jìn)行分析、學(xué)習和改進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò )應用開(kāi)發(fā)上，客戶(hù)基于PC的網(wǎng)絡(luò )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(kāi)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(hù)盡快熟悉該平臺，加快產(chǎn)品設計進(jìn)程，北京億旗公司還提供了詳盡的開(kāi)發(fā)向導，包括文字說(shuō)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處理器在嵌入式應用中具有突出優(yōu)勢的另一個(gè)方面是提供業(yè)界領(lǐng)先的工具、入門(mén)套件的支持，包括ADI CROSSCORE®軟件與硬件工具與獲獎的VisualDSP++®集成開(kāi)發(fā)與調試環(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(dòng)ADI Blackfin處理器在電力系統應用的深入應用，降低該參考設計的應用技術(shù)門(mén)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(kāi)發(fā)任務(wù)量，客戶(hù)基于該平臺僅需完成剩余的應用開(kāi)發(fā)即可，極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

深化電力應用核心技術(shù)領(lǐng)先提供商地位
有關(guān)數據顯示，中國本土的繼電保護產(chǎn)品經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際運行，通過(guò)應用先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)、領(lǐng)先的半導體解決方案以及良好的工藝，已全面超越進(jìn)口競爭產(chǎn)品，反映了中國內地繼電保護技術(shù)的顯著(zhù)進(jìn)步。這其中離不開(kāi)像ADI這樣行業(yè)領(lǐng)先的半導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處理器在電力系統中已經(jīng)有多年的廣泛成功應用案例，特別是近年來(lái)推出的BF51x、BF50x系列處理器在大大降低應用系統成本的同時(shí)，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(lái)的電力應用的一個(gè)突出特點(diǎn)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)行電力監測、控制和網(wǎng)絡(luò )處理，這對于電力監測、繼電保護等復雜的電力應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(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)驗室，以促進(jìn)領(lǐng)先的模擬和數字信號處理技術(shù)在電力系統領(lǐng)域的應用，并幫助企業(yè)降低應用成本和技術(shù)門(mén)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、模數轉換器等產(chǎn)品在電力二次設備中得到的大量應用。據統計，全球僅ADI電力計量芯片的應用量已超過(guò)2.25億塊。而現在，ADI業(yè)界領(lǐng)先的匯聚式DSP技術(shù)將繼續為全球智能電網(wǎng)應用發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，ADI提供的種類(lèi)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(gè)環(huán)節面臨的設計挑戰。