智能電網是一種使用信息和通信技術對電網內信息進行采集，并基于采集到的信息(例如發(fā)電廠和電能消耗的對等信息)可以自動協(xié)調的電網。智能電網通過電力系統(tǒng)的高度自動化，可以改進發(fā)電和配電的效率、可靠性、經濟性以保證電力網絡的可持續(xù)發(fā)展。智能電子設備(IED)是組成智能電網的基本要素，提供系統(tǒng)所需要的檢測、測量、保護和控制功能。

數(shù)字化變電站和IEC61850標準

智能電網的概念應用在輸配電的領域則主要意味著電力自動化和變電站數(shù)字化。目前來講，數(shù)字化變電站的設計主要基于國際通用的IEC61850標準。

在數(shù)字化變電站內，所有IED都將以符合IEC61850標準的方式進行通信。IEC61850主要定義了以下的一些方面，包括：數(shù)據(jù)建模、報告方案、事件快速傳輸(GOOSE和GSSE)、設置群組、數(shù)字采樣數(shù)據(jù)傳輸(SV)、命令配置和數(shù)據(jù)存儲。

復雜的通信協(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。比如講通常實時要求較低的而相對協(xié)議棧又比較復雜的服務器-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的要求是實時并且具有很低的時間抖動。

實時性要求非常高的信號處理能力并且有很高的系統(tǒng)可靠度

在諸如繼電保護設備或電力質量分析儀等新式的IED中，廣泛采用基于DFT或FFT的算法檢測過流故障條件或諧波成分。在某些極端情況下，IED設計工程師希望處理器能夠在幾百微秒的時間內處理超過60個通道的FFT信號。再加上IEC61850標準所要求的復雜通信任務，設計IED工程師們現(xiàn)已開始認識到單核處理器已經接近了性能極限。

另一方面，出于對于系統(tǒng)安全性的考慮，要求在通信網絡產生異常情況時，電力線保護設備的IED不允許出現(xiàn)任何異常。

受以上兩種需求的共同推動，IED設計工程師開始使用至少兩個處理器，分別應付信號處理和通信任務。目前，IED設計工程師不得不面對的另一個問題是，這些處理器之間如何通信，還有通信效率如何?

廣域IED時間同步

數(shù)字化變電站要求進行廣域的時間同步，這表示變電站內的所有設備應當能夠將它們的采樣點與同一個時間參考點對齊。時間同步廣泛采用PPS、IRIG-B或IEEE1588.IEEE1588基于以太網，并具有極高的時序精度，這使其有可能在不久的將來成為數(shù)字化變電站的標準時序同步協(xié)議。

系統(tǒng)成本和開發(fā)成本

當涉及多處理器系統(tǒng)時，通常需要考慮以下問題：處理器相同嗎?它們如何互相通信?它們能共享系統(tǒng)內存和電源嗎?或是必須提供獨立的存儲器和電源系統(tǒng)……需要采用兩種開發(fā)工具進行開發(fā)嗎?兩套操作系統(tǒng)?

“平臺”式開發(fā)

系統(tǒng)越來越復雜開發(fā)成本和上市時間也就越來越重要?，F(xiàn)在大多數(shù)IED設計團隊都渴望有一個通用平臺(包括軟件和硬件)，能同時覆蓋高端和低端產品。這樣的平臺(硬件和軟件)應當能夠輕松擴展和升級。像Linux這樣的操作系統(tǒng)可能會廣受歡迎，因為它有足夠的開源程度。然而，仔細研究就會發(fā)現(xiàn)，Linux并非實時系統(tǒng)，并不能保證系統(tǒng)的實時性能。

ADI IEC61850演示設計

2012年，ADI和上海遠景數(shù)字信息有限公司合作展開了一個項目，致力于開發(fā)滿足IEC61850標準的數(shù)字化變電站IED通用平臺。

● 雙核Blackfin處理器– ADSP-BF60x (2個500 MHz內核)

● 4個以太網端口(2個MAC位于處理器上，符合IEEE1588標準;另2個通過FPGA擴展)

● 16通道模擬輸入(2個AD7606)

● 2個UART(1個RS232,1個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DI、8個DO

IEC61850評估板的硬件設計[!--empirenews.page--]

使用ADI的ADSP-BF60x Blackfin處理器

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

● 每個內核都有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)使同時訪問存儲器和外設成為可能

● 2個UART、1個CAN、2個SPI、3個SPORT、2個TWI (I2C)和1個USB……

● DDR總線獨立于系統(tǒng)本地存儲器總線，使同時訪問外部存儲器成為可能

● 安全特性：L2 SRAM ECC、雙看門狗、系統(tǒng)保護……

● 支持IEEE1588v2的雙以太網MAC接口

使用ADI的ADSP-BF60x一個充分理由便是，它集成獨立的雙處理器，每個處理器的工作頻率高達500 MHz.另一個充分理由是它有兩個獨立的以太網MAC(兩個MAC地址)，非常適合IEC61850應用。本演示系統(tǒng)中，內核0運行μCLinux操作系統(tǒng)，處理非實時任務，如MMS協(xié)議棧、LCD、鍵盤和其他諸如TFTP等服務器應用。內核1運行采樣和繼電保護算法(DFT)，還可以發(fā)送實時的GOOSE消息而不影響操作系統(tǒng)的運行。兩個內核通過片上L2存儲器實現(xiàn)通信，該L2存儲器能夠以高達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)設計中，可能需要較多的以太網端口(GOOSE和SMV的專用以太網端口)。出于對這種用戶需求的兼容考慮，本開發(fā)板可支持通過FPGA添加更多以太網端口。在這種應用情況下，處理器和DSP之間的通信接口非常重要，因為該接口的帶寬決定了SMV消息的實時性能。ADSP-BF60x集成4個Linkport同步并行接口，每個Linkport接口速率高達83 MB/s,提供實時接收SMV數(shù)據(jù)所需的足夠帶寬。

演示板上的其他ADI特色產品

IEC61850演示設計的軟件考慮因素

● 處理器內核0運行μCLinux和非實時任務，如MMS協(xié)議棧、LCD顯示和鍵盤輸入、TFTP服務器以及以太網端口0的通訊任務(運行MMS協(xié)議棧)

● 所有μCLinux內核、定制u-boot make文件和μCLinux驅動程序均提供c語言源代碼和鏡像

● 實現(xiàn)了SISCO-MMS Lite協(xié)議棧在μCLinux上的移植(開發(fā)板并不包含SISCO-MMS許可，需另行購買)

● 通過簡單的建模實例，說明如何將基本的繼電保護功能映射到相應的邏輯設備(LD)和邏輯節(jié)點(LN)上--實例與C語言源代碼隨開發(fā)板一同提供

● 內核1運行實時任務(繼電器保護算法、GOOSE發(fā)布)，無需操作系統(tǒng)介入……以太網端口1連接到內核1 (GOOSE)

● 繼電保護算法(提供C語言源代碼)

● 實時GOOSE發(fā)布