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(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、測量、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。目前來講，數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)主要基于國際通用的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的算法檢測過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)……需要采用兩種開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)嗎?兩套操作系統(tǒng)?

“平臺(tái)”式開發(fā)

系統(tǒng)越來越復(fù)雜開發(fā)成本和上市時(shí)間也就越來越重要。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_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了一個(gè)項(xiàng)目，致力于開發(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)