一種基于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)對電網(wǎng)內(nèi)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(diào)的電網(wǎng)。智能電網(wǎng)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(jīng)濟性以保證電力網(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、測量、保護和控制功能。

數(shù)字化變電站和IEC61850標準

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化和變電站數(shù)字化。目前來講，數(shù)字化變電站的設(shè)計主要基于國際通用的IEC61850標準。

在數(shù)字化變電站內(nèi)，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(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。

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。比如講通常實時要求較低的而相對協(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(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的算法檢測過流故障條件或諧波成分。在某些極端情況下，IED設(shè)計工程師希望處理器能夠在幾百微秒的時間內(nèi)處理超過60個通道的FFT信號。再加上IEC61850標準所要求的復(fù)雜通信任務(wù)，設(shè)計IED工程師們現(xiàn)已開始認識到單核處理器已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生異常情況時，電力線保護設(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，IED設(shè)計工程師開始使用至少兩個處理器，分別應(yīng)付信號處理和通信任務(wù)。目前，IED設(shè)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(nèi)的所有設(shè)備應(yīng)當能夠?qū)⑺鼈兊牟蓸狱c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(wǎng)，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?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(fù)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(shè)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(chǎn)品。這樣的平臺(硬件和軟件)應(yīng)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(shè)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(nèi)核)

● 4個以太網(wǎng)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(shè)計