新聞中心

ADI 基於IEC61850的智慧電子設備(IED)系統解決方案

 2013-06-05

智能電網和IED

智慧電網是一種使用資訊和通信技術對電網內資訊進行採集,並基於採集到的資訊(例如發電廠和電能消耗的對等資訊)可以自動協調的電網。智慧電網通過電力系統的高度自動化,可以改進發電和配電的效率、可靠性、經濟性以保證電力網絡的可持續發展。智慧電子設備(IED)是組成智慧電網的基本要素,提供系統所需要的檢測、測量、保護和控制功能。

 

數位化變電站和IEC61850標準

智慧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位化。目前來講,數位化變電站的設計主要基於國際通用的IEC61850標準。

 

在數位化變電站內,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:資料建模、報告方案、事件快速傳輸(GOOSE和GSSE)、設置群組、數位採樣資料傳輸(SV)、命令配置和資料存儲。

 

                                               數位化變電站

 

主要挑戰和IED設計考慮因素

複雜的通信協定和多種不同的通信協定棧

有多種不同的協定可以被IEC61850所映射。比如講通常即時要求較低的而相對協議棧又比較複雜的伺服器-用戶端類通信可以被映射成基於TCP/IP的MMS協議棧;具有極低的延遲GOOSE通訊協定可以用於交換變電站事件資訊;而採樣值資訊SMV的要求是即時並且具有很低的時間抖動。

 

即時性要求非常高的信號處理能力並且有很高的系統可靠度

在諸如繼電保護設備或電力品質分析儀等新式的IED中,廣泛採用基於DFT或FFT的演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標準所要求的複雜通信任務,設計IED工程師們現已開始認識到單核處理器已經接近了性能極限。

 

另一方面,出於對於系統安全性的考慮,要求在通信網路產生異常情況時,電力線保護設備的IED不允許出現任何異常。

 

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

數位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採樣點與同一個時間參考點對齊。時間同步廣泛採用PPS、IRIG-B或IEEE1588。IEEE1588基於乙太網,並具有極高的時序精度,這使其有可能在不久的將來成為數位化變電站的標準時序同步協議。

 

系統成本和開發成本

當涉及多處理器系統時,通常需要考慮以下問題:處理器相同嗎?它們如何互相通信?它們能共用系統記憶體和電源嗎?或是必須提供獨立的記憶體和電源系統……需要採用兩種開發工具進行開發嗎?兩套作業系統?

 

“平臺”式開發

系統越來越複雜開發成本和上市時間也就越來越重要。現在大多數IED設計團隊都渴望有一個通用平臺(包括軟體和硬體),能同時覆蓋高端和低端產品。這樣的平臺(硬體和軟體)應當能夠輕鬆擴展和升級。像Linux這樣的作業系統可能會廣受歡迎,因為它有足夠的開源程度。然而,仔細研究就會發現,Linux並非即時系統,並不能保證系統的即時性能。

 

ADI IEC61850演示設計

2012年,ADI和上海遠景數位資訊有限公司合作展開了一個專案,致力於開發滿足IEC61850標準的數位化變電站IED通用平臺。

  • 雙核Blackfin處理器 – ADSP-BF60x (2個500 MHz內核)
  • 4個乙太網埠(2個MAC位於處理器上,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快閃記憶體
  • 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評估板的硬體設計

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用於雙核資料交換
  • 縱橫式匯流排系統使同時訪問記憶體和外設成為可能
  • 2個UART、1個CAN、2個SPI、3個SPORT、2個TWI (I2C)和1個USB……
  • DDR匯流排獨立於系統本機存放區器匯流排,使同時訪問外部記憶體成為可能
  • 安全特性:L2 SRAM ECC、雙看門狗、系統保護……
  • 支援IEEE1588v2的雙乙太網MAC介面

 

 

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乙太網MAC(兩個MAC地址),非常適合IEC61850應用。本演示系統中,內核0運行μCLinux作業系統,處理非即時任務,如MMS協定棧、LCD、鍵盤和其他諸如TFTP等伺服器應用。內核1運行採樣和繼電保護演算法(DFT),還可以發送即時的GOOSE消息而不影響作業系統的運行。兩個內核通過片上L2記憶體實現通信,該L2記憶體能夠以高達250MHz的頻率工作,確保具有最高的資料交換效率。

 

某些高壓的IED(110 kV及以上)設計中,可能需要較多的乙太網埠(GOOSE和SMV的專用乙太網埠)。出於對這種用戶需求的相容考慮,本開發板可支援通過FPGA添加更多乙太網埠。在這種應用情況下,處理器和DSP之間的通信介面非常重要,因為該介面的頻寬決定了SMV消息的即時性能。ADSP-BF60x集成4個Linkport同步平行介面,每個Linkport介面速率高達83 MB/s,提供即時接收SMV資料所需的足夠頻寬。

 

演示板上的其他ADI特色產品

 

 

 

IEC61850演示設計的軟體考慮因素

  • 處理器內核0運行μCLinux和非即時任務,如MMS協定棧、LCD顯示和鍵盤輸入、TFTP伺服器以及乙太網埠0的通訊任務(運行MMS協定棧)
  • 所有μCLinux內核、定制u-boot make檔和μCLinux驅動程式均提供c語言原始程式碼和鏡像
  • 實現了SISCO-MMS Lite協議棧在μCLinux上的移植(開發板並不包含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裝置(LD)和邏輯節點(LN)上——實例與C語言原始程式碼隨開發板一同提供
  • 內核1運行即時任務(繼電器保護演算法、GOOSE發佈),無需作業系統介入……乙太網埠1連接到內核1 (GOOSE)
  • 繼電保護演算法(提供C語言原始程式碼)
  • 即時GOOSE發佈(提供組合語言原始程式碼,若需要C語言原始程式碼,則需聯繫上海遠景)

 

 

演示套件實物圖