基于IEC61850的智能电子设备解决方案

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智能电网是一种使用信息和通信技术对电网内信息进行采集，并基于采集到的信息（例如发电厂和电能消耗的对等信息）可以自动协调的电网。智能电网通过电力系统的高度自动化，可以改进发电和配电的效率、可靠性、经济性以保证电力网络的可持续发展。智能电子设备（IED）是组成智能电网的基本要素，提供系统所需要的检测、测量、保护和控制功能。
       
        数字化变电站和IEC61850标准
       
        智能电网的概念应用在输配电的领域则主要意味着电力自动化和变电站数字化。目前来讲，数字化变电站的设计主要基于国际通用的IEC61850标准。
       
        在数字化变电站内，所有IED都将以符合IEC61850标准的方式进行通信。IEC61850主要定义了以下的一些方面，包括：数据建模、报告方案、事件快速传输（GOOSE和GSSE）、设置群组、数字采样数据传输（SV）、命令配置和数据存储。
       
       
        复杂的通信协议和多种不同的通信协议栈
       
        有多种不同的协议可以被IEC61850所映射。比如讲通常实时要求较低的而相对协议栈又比较复杂的服务器-客户端类通信可以被映射成基于TCP/IP的MMS协议栈；具有极低的延迟GOOSE通讯协议可以用于交换变电站事件信息；而采样值信息SMV的要求是实时并且具有很低的时间抖动。
       
        实时性要求非常高的信号处理能力并且有很高的系统可靠度
       
        在诸如继电保护设备或电力质量分析仪等新式的IED中，广泛采用基于DFT或FFT的算法检测过流故障条件或谐波成分。在某些极端情况下，IED设计工程师希望处理器能够在几百微秒的时间内处理超过60个通道的FFT信号。再加上IEC61850标准所要求的复杂通信任务，设计IED工程师们现已开始认识到单核处理器已经接近了性能极限。
       
        另一方面，出于对于系统安全性的考虑，要求在通信网络产生异常情况时，电力线保护设备的IED不允许出现任何异常。
       
        受以上两种需求的共同推动，IED设计工程师开始使用至少两个处理器，分别应付信号处理和通信任务。目前，IED设计工程师不得不面对的另一个问题是，这些处理器之间如何通信，还有通信效率如何？
       
        广域IED时间同步
       
        数字化变电站要求进行广域的时间同步，这表示变电站内的所有设备应当能够将它们的采样点与同一个时间参考点对齐。时间同步广泛采用PPS、IRIG-B或IEEE1588.IEEE1588基于以太网，并具有极高的时序精度，这使其有可能在不久的将来成为数字化变电站的标准时序同步协议。
       
        系统成本和开发成本
       
        当涉及多处理器系统时，通常需要考虑以下问题：处理器相同吗？它们如何互相通信？它们能共享系统内存和电源吗？或是必须提供独立的存储器和电源系统……需要采用两种开发工具进行开发吗？两套操作系统？
       
        “平台”式开发
       
        系统越来越复杂开发成本和上市时间也就越来越重要。现在大多数IED设计团队都渴望有一个通用平台（包括软件和硬件），能同时覆盖高端和低端产品。这样的平台（硬件和软件）应当能够轻松扩展和升级。像Linux这样的操作系统可能会广受欢迎，因为它有足够的开源程度。然而，仔细研究就会发现，Linux并非实时系统，并不能保证系统的实时性能。
       
        ADI IEC61850演示设计
       
        2012年，ADI和上海远景数字信息有限公司合作展开了一个项目，致力于开发满足IEC61850标准的数字化变电站IED通用平台。
       
        ●双核Blackfin处理器– ADSP-BF60x（2个500 MHz内核）
       
        ●4个以太网端口（2个MAC位于处理器上，符合IEEE1588标准；另2个通过FPGA扩展）
       
        ●16通道模拟输入（2个AD7606）
       
        ●2个UART（1个RS232，1个RS485）
       
        ●128 MB 16位DDR2
       
        ●16 MB NOR + 4 MB SPI + 2 GB NAND闪存
       
        ●Cyclone IV FPGA
       
        ●额外提供IO板，集成11通道电压和电流变压器、8个DI、8个DO
       
       
        IEC61850评估板的硬件设计
        使用ADI的ADSP-BF60x Blackfin处理器
       
        ●强大的2个500 MHz双核处理器（0.17 ms的单核集成60个通道、32点、16位FFT）
       
        ●每个内核都有148 kB L1 SRAM
       
        ●128 kB/256 kB L2 SRAM用于双核数据交换
       
        ●纵横式总线系统使同时访问存储器和外设成为可能
       
        ●2个UART、1个CAN、2个SPI、3个SPORT、2个TWI（I2C）和1个USB……
       
        ●DDR总线独立于系统本地存储器总线，使同时访问外部存储器成为可能
       
        ●安全特性：L2 SRAM ECC、双看门狗、系统保护……
       
        ●支持IEEE1588v2的双以太网MAC接口
       
       
        使用ADI的ADSP-BF60x一个充分理由便是，它集成独立的双处理器，每个处理器的工作频率高达500 MHz.另一个充分理由是它有两个独立的以太网MAC（两个MAC地址），非常适合IEC61850应用。本演示系统中，内核0运行μCLinux操作系统，处理非实时任务，如MMS协议栈、LCD、键盘和其他诸如TFTP等服务器应用。内核1运行采样和继电保护算法（DFT），还可以发送实时的GOOSE消息而不影响操作系统的运行。两个内核通过片上L2存储器实现通信，该L2存储器能够以高达250MHz的频率工作，确保具有最高的数据交换效率。
       
        某些高压的IED（110 kV及以上）设计中，可能需要较多的以太网端口（GOOSE和SMV的专用以太网端口）。出于对这种用户需求的兼容考虑，本开发板可支持通过FPGA添加更多以太网端口。在这种应用情况下，处理器和DSP之间的通信接口非常重要，因为该接口的带宽决定了SMV消息的实时性能。ADSP-BF60x集成4个Linkport同步并行接口，每个Linkport接口速率高达83 MB/s，提供实时接收SMV数据所需的足够带宽。
       
        演示板上的其他ADI特色产品
       
        IEC61850演示设计的软件考虑因素
       
        ●处理器内核0运行μCLinux和非实时任务，如MMS协议栈、LCD显示和键盘输入、TFTP服务器以及以太网端口0的通讯任务（运行MMS协议栈）
       
        ●所有μCLinux内核、定制u-boot make文件和μCLinux驱动程序均提供c语言源代码和镜像
       
        ●实现了SISCO-MMS Lite协议栈在μCLinux上的移植（开发板并不包含SISCO-MMS许可，需另行购买）
       
        ●通过简单的建模实例，说明如何将基本的继电保护功能映射到相应的逻辑设备（LD）和逻辑节点（LN）上——实例与C语言源代码随开发板一同提供
       
        ●内核1运行实时任务（继电器保护算法、GOOSE发布），无需操作系统介入……以太网端口1连接到内核1（GOOSE）
         
       
        ●继电保护算法（提供C语言源代码）
       
        ●实时GOOSE发布