基于IEC61850的智能電子設(shè)備解決方案

智能電網(wǎng)是一種使用信息和通信技術(shù)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)信息進(jìn)行采集，并基于采集到的信息(例如發(fā)電廠和電能消耗的對(duì)等信息)可以自動(dòng)協(xié)調(diào)的電網(wǎng)。智能電網(wǎng)通過(guò)電力系統(tǒng)的高度自動(dòng)化，可以改進(jìn)發(fā)電和配電的效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以保證電力網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。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。

數(shù)字化變電站和IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

智能電網(wǎng)的概念應(yīng)用在輸配電的領(lǐng)域則主要意味著電力自動(dòng)化和變電站數(shù)字化。目前來(lái)講，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)、設(shè)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)。

復(fù)雜的通信協(xié)議和多種不同的通信協(xié)議棧

有多種不同的協(xié)議可以被IEC61850所映射。比如講通常實(shí)時(shí)要求較低的而相對(duì)協(xié)議棧又比較復(fù)雜的服務(wù)器-客戶端類通信可以被映射成基于TCP/IP的MMS協(xié)議棧;具有極低的延遲GOOSE通訊協(xié)議可以用于交換變電站事件信息;而采樣值信息SMV的要求是實(shí)時(shí)并且具有很低的時(shí)間抖動(dòng)。

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

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，廣泛采用基于DFT或FFT的算法檢測(cè)過(guò)流故障條件或諧波成分。在某些極端情況下，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)，設(shè)計(jì)IED工程師們現(xiàn)已開(kāi)始認(rèn)識(shí)到單核處理器已經(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。

受以上兩種需求的共同推動(dòng)，IED設(shè)計(jì)工程師開(kāi)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)。目前，IED設(shè)計(jì)工程師不得不面對(duì)的另一個(gè)問(wèn)題是，這些處理器之間如何通信，還有通信效率如何?

廣域IED時(shí)間同步

數(shù)字化變電站要求進(jìn)行廣域的時(shí)間同步，這表示變電站內(nèi)的所有設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⑺鼈兊牟蓸狱c(diǎn)與同一個(gè)時(shí)間參考點(diǎn)對(duì)齊。時(shí)間同步廣泛采用PPS、IRIG-B或IEEE1588.IEEE1588基于以太網(wǎng)，并具有極高的時(shí)序精度，這使其有可能在不久的將來(lái)成為數(shù)字化變電站的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序同步協(xié)議。

系統(tǒng)成本和開(kāi)發(fā)成本

當(dāng)涉及多處理器系統(tǒng)時(shí)，通常需要考慮以下問(wèn)題：處理器相同嗎?它們?nèi)绾位ハ嗤ㄐ?它們能共享系統(tǒng)內(nèi)存和電源嗎?或是必須提供獨(dú)立的存儲(chǔ)器和電源系統(tǒng)……需要采用兩種開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)嗎?兩套操作系統(tǒng)?

“平臺(tái)”式開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜開(kāi)發(fā)成本和上市時(shí)間也就越來(lái)越重要。現(xiàn)在大多數(shù)IED設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都渴望有一個(gè)通用平臺(tái)(包括軟件和硬件)，能同時(shí)覆蓋高端和低端產(chǎn)品。這樣的平臺(tái)(硬件和軟件)應(yīng)當(dāng)能夠輕松擴(kuò)展和升級(jí)。像Linux這樣的操作系統(tǒng)可能會(huì)廣受歡迎，因?yàn)樗凶銐虻拈_(kāi)源程度。然而，仔細(xì)研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)，Linux并非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，并不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

ADI IEC61850演示設(shè)計(jì)

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

● 雙核Blackfin處理器– ADSP-BF60x (2個(gè)500 MHz內(nèi)核)

● 4個(gè)以太網(wǎng)端口(2個(gè)MAC位于處理器上，符合IEEE1588標(biāo)準(zhǔn);另2個(gè)通過(guò)FPGA擴(kuò)展)

● 16通道模擬輸入(2個(gè)AD7606)

● 2個(gè)UART(1個(gè)RS232,1個(gè)RS485)

● 128 MB 16位DDR2

● 16 MB NOR + 4 MB SPI + 2 GB NAND閃存

● Cyclone IV FPGA

● 額外提供IO板，集成11通道電壓和電流變壓器、8個(gè)DI、8個(gè)DO

IEC61850評(píng)估板的硬件設(shè)計(jì)[!--empirenews.page--]

使用ADI的ADSP-BF60x Blackfin處理器

● 強(qiáng)大的2個(gè)500 MHz雙核處理器(0.17 ms的單核集成60個(gè)通道、32點(diǎn)、16位FFT)

● 每個(gè)內(nèi)核都有148 kB L1 SRAM

● 128 kB/256 kB L2 SRAM用于雙核數(shù)據(jù)交換

● 縱橫式總線系統(tǒng)使同時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器和外設(shè)成為可能

● 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……

● 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)外部存儲(chǔ)器成為可能

● 安全特性：L2 SRAM ECC、雙看門狗、系統(tǒng)保護(hù)……

● 支持IEEE1588v2的雙以太網(wǎng)MAC接口

使用ADI的ADSP-BF60x一個(gè)充分理由便是，它集成獨(dú)立的雙處理器，每個(gè)處理器的工作頻率高達(dá)500 MHz.另一個(gè)充分理由是它有兩個(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。

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考慮，本開(kāi)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。

演示板上的其他ADI特色產(chǎn)品

IEC61850演示設(shè)計(jì)的軟件考慮因素

● 處理器內(nèi)核0運(yùn)行μCLinux和非實(shí)時(shí)任務(wù)，如MMS協(xié)議棧、LCD顯示和鍵盤輸入、TFTP服務(wù)器以及以太網(wǎng)端口0的通訊任務(wù)(運(yùn)行MMS協(xié)議棧)

● 所有μCLinux內(nèi)核、定制u-boot make文件和μCLinux驅(qū)動(dòng)程序均提供c語(yǔ)言源代碼和鏡像

● 實(shí)現(xiàn)了SISCO-MMS Lite協(xié)議棧在μCLinux上的移植(開(kāi)發(fā)板并不包含SISCO-MMS許可，需另行購(gòu)買)

● 通過(guò)簡(jiǎn)單的建模實(shí)例，說(shuō)明如何將基本的繼電保護(hù)功能映射到相應(yīng)的邏輯設(shè)備(LD)和邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)上--實(shí)例與C語(yǔ)言源代碼隨開(kāi)發(fā)板一同提供

● 內(nèi)核1運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)(繼電器保護(hù)算法、GOOSE發(fā)布)，無(wú)需操作系統(tǒng)介入……以太網(wǎng)端口1連接到內(nèi)核1 (GOOSE)

● 繼電保護(hù)算法(提供C語(yǔ)言源代碼)

● 實(shí)時(shí)GOOSE發(fā)布