全球?qū)﹄娏υO(shè)施建設(shè)的關(guān)注從來沒有達(dá)到像當(dāng)前這樣高的熱度，一方面當(dāng)前形勢下的環(huán)保節(jié)能要求對傳統(tǒng)電網(wǎng)提出了極大的挑戰(zhàn)，另一方面，全球近年來發(fā)生多起導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和影響民生的電網(wǎng)事故，作為重要能源供應(yīng)的電網(wǎng)安全性越來越受到高度重視。電網(wǎng)改造以及智能電網(wǎng)建設(shè)熱潮正在揭開全球數(shù)萬億美元的巨大市場商機(jī)。
近年來，中國國家電網(wǎng)一直努力打造具有網(wǎng)絡(luò)化、自動化的統(tǒng)一的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)，已經(jīng)明確了分階段推進(jìn)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略和今后十年堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃。電網(wǎng)改造和堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重要方面是加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的自我故障診斷、保護(hù)和自愈功能，電力公司需要電力線監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，以對能量的消耗情況、成本和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視和控制，并對保護(hù)昂貴的設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，從而使電源不至于被浪涌和惡劣的氣候所損毀。
繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)分析
繼電保護(hù)是實現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備監(jiān)測保護(hù)的重要技術(shù)，向計算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，以及保護(hù)、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展是該領(lǐng)域的長期發(fā)展趨勢。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2006年底，全國220kV及以上系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化率已達(dá)91.41%。繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化趨勢充分利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器技術(shù)：高速的運算能力、完善的存貯能力和各種優(yōu)化算法，同時采用大規(guī)模集成電路和成熟的數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和抗干擾等技術(shù)，因而系統(tǒng)響應(yīng)速度、可靠性方面均有顯著的提升。然而，如何持續(xù)提高這些特性也是繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)。主要有以下幾個方面：
更高的繼電保護(hù)性能。更快（處理能力）、更強(qiáng)（功能）、更低（低成本和功耗）是電子產(chǎn)品持續(xù)發(fā)展的動力，也是工程師面臨的永恒挑戰(zhàn)。具體到電力繼電保護(hù)設(shè)備來說，包括：電力狀態(tài)參數(shù)的快速準(zhǔn)確監(jiān)測；系統(tǒng)很強(qiáng)的存儲力能更好地實現(xiàn)故障分量保護(hù)；先進(jìn)、優(yōu)化的自動控制、算法和技術(shù)，如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測、模糊控制及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，確保更高的運行準(zhǔn)確率；在滿足當(dāng)前繼電保護(hù)功能和性能需求的條件下，以更低的整體系統(tǒng)成本（包括軟硬件成本和開發(fā)成本）實現(xiàn)。
系統(tǒng)軟硬件的擴(kuò)展能力。產(chǎn)品方案的可擴(kuò)展性是當(dāng)前很多嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品方案選型的一個重要考慮點，對于繼電保護(hù)系統(tǒng)來說尤其如此。例如通信總線從RS485向CAN總線轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)接口擴(kuò)展、新增智能化功能擴(kuò)展，以及故障錄波、波形分析、附加低頻減載、自動重合閘、故障測距、系統(tǒng)在線可升級等功能。特別是隨著變電站通信網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的系列國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61850的逐步導(dǎo)入和推廣，基于該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展起來的繼保產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢對當(dāng)前所采用的硬件平臺（特別是核心處理器）的性能可擴(kuò)展性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，同時對核心處理器的通信能力和存儲能力要求更高。另外，智能化發(fā)展趨勢帶來的諸如人工智能、模糊控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的應(yīng)用對硬件平臺的處理能力要求則遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超越了以往的系統(tǒng)。
更高的可靠性?？煽啃猿讼到y(tǒng)軟件設(shè)計的優(yōu)化和調(diào)試外，體現(xiàn)在數(shù)字元件的特性不易受溫度變化（寬的工作溫度范圍）、電源波動、使用年限的影響，不易受元件更換的影響；且自檢和巡檢能力強(qiáng)，可用軟件方法檢測主要元件、部件的工況以及功能軟件本身。
基于Blackfin處理器的完整解決方案
由ADI與北京億旗創(chuàng)新科技近期正式推出了聯(lián)合研發(fā)的繼電保護(hù)方案平臺。該方案采用了目前在電力線監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的Blackfin處理器(ADSP BF518)和新型同步采樣ADC（ AD7606）。方案提供了完整的硬件和軟件模塊，將用戶從硬件平臺、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧以及GUI等軟件開發(fā)工作中解放出來，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，并降低了軟硬件開發(fā)難度。該參考設(shè)計的主要特性包括支持uC/OSⅡ操作系統(tǒng)、單處理器、支持2個以太網(wǎng)端口（10M/100M）、支持IEEE1588、支持實現(xiàn)復(fù)雜的算法和高采樣率、最多16通道同步采樣，并兼容IEC61850協(xié)議。
1. 高性能的核心組件
微機(jī)繼電保護(hù)設(shè)備除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備基本的測試、保護(hù)功能外，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、智能和通信能力，其優(yōu)越性在電力系統(tǒng)實際應(yīng)用中已經(jīng)得到充分體現(xiàn)。但這同時對硬件平臺也提出了苛刻的要求，特別是作為核心器件的處理器的選擇至關(guān)重要。當(dāng)前采用單CPU結(jié)構(gòu)的繼電保護(hù)裝置在應(yīng)對微機(jī)繼電保護(hù)需求最明顯的缺點是容易造成任務(wù)之間的沖突，引入等待周期，因而很多方案提出了以DSP為核心處理器的雙處理器模式的微機(jī)繼電保護(hù)設(shè)計方案，甚至一個DSP用于數(shù)據(jù)和算法處理、一個MCU用于系統(tǒng)控制、一個MCU用于LCD控制的三處理器解決方案。多處理器設(shè)計不僅帶來整體BOM成本增加，而且會降低系統(tǒng)可靠性并增大系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜程度（包括硬件和軟件）。
本參考設(shè)計的核心處理器采用了ADI公司于2009年初推出的針對工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的Blackfin處理器BF518。BF518繼承了ADI公司Blackfin匯聚式處理器的獨特優(yōu)勢“基因”，兼具DSP的超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力和RISC微處理器用于系統(tǒng)控制的優(yōu)勢。相對于以往異構(gòu)MCU+DSP方案，BF518能夠減少器件數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)成本，縮小電路板空間并降低功耗。與傳統(tǒng)的DSP類似，BF518處理器的每個處理單元都具有高時鐘速率和低功耗。同時，就像傳統(tǒng)的MCU一樣，這些匯聚處理器都采用界面友好的操作系統(tǒng)和編譯器。低成本的BF518處理器具有處理儀表級原始實時電力數(shù)據(jù)采集以及實現(xiàn)繼保設(shè)備和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解決方案。
在BF518推出之前，Blackfin處理器的獨特優(yōu)勢就在包括繼電保護(hù)在內(nèi)的電力系統(tǒng)的多種設(shè)備中廣泛采樣，Blackfin所采用的高性能16/32位嵌入式處理器內(nèi)核、靈活的高速緩存架構(gòu)、增強(qiáng)的DMA子系統(tǒng)使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠設(shè)計靈活的平臺以解決多種面向連接的應(yīng)用。而BF518內(nèi)置的以太網(wǎng)10/100 MAC（媒體訪問控制）更首次在Blackfin處理器中引入了內(nèi)置的PTP_TSYNC引擎，實現(xiàn)了硬件支持的IEEE1588時鐘同步，與IEEE1588 version2標(biāo)準(zhǔn)完全兼容(通過硬件方式實現(xiàn)才能達(dá)到系統(tǒng)時鐘精度要求，是數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢)。BF518的這一特性與強(qiáng)大的數(shù)字信號處理及控制能力、多種其它外設(shè)的結(jié)合，使它成為要求苛刻的電力聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最具吸引力的選擇。在滿足新一代繼保設(shè)備的存儲需求方面，BF518的更具明顯優(yōu)勢，不僅具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(FRAM)、SDRAM，還提供了支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲器（OTP）。隨著IEC61580規(guī)范的逐步推行，必將對處理器的處理能力提出更高的要求，包括更高的通信能力、存儲能力、智能特性的支持等。該參考設(shè)計所有的算法和程序僅占BF518處理器處理能力的30%，為客戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計中的智能化、各種算法的擴(kuò)展應(yīng)用預(yù)留了足夠的處理性能余量。此外，BF518能夠在-40℃～85℃的環(huán)境溫度下工作，非常適用于繼電保護(hù)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境。
該解決方案另外采用的核心器件是兩塊ADI公司最新推出的高性能同步采樣ADC AD7606，可以簡化下一代電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，提供16位八通道的采用性能，滿足下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計所需的分辨率和性能要求，而其同步采樣特性也是高性能電力監(jiān)測應(yīng)用所要求的。AD7606可實現(xiàn)90dB的信噪比（SNR）?？蛇x的過采樣模式進(jìn)一步提高了SNR的性能，該參考設(shè)計的實際測量表明，通過過采樣可以將ADC轉(zhuǎn)換精度提高到19.5位，并增強(qiáng)了抗混疊能力。此外，與同類解決方案相比，AD7606內(nèi)置了基準(zhǔn)電壓，僅需很少的去耦電容，因此實現(xiàn)了更高的集成度。用戶在采用該參考設(shè)計時，可以根據(jù)產(chǎn)品的最終成本、性能目標(biāo)，自由選擇AD7606或其它替代器件。
圖1：基于匯聚式處理器BF518的繼電保護(hù)方案電路框圖。
