汇聚式处理器提供智能电网设备核心平台

2009年12月21日 16:12    嵌入式公社
关键词: 处理器 , 电网 , 核心 , 平台 , 智能
ADI公司供稿

数字技术对世界的改造将人类带进信息时代,无论是消费电子、医疗设备、工业、汽车、或者航空及军工领域,数字技术无处不在。然而,为信息化社会提供能源的电力系统在数字化技术应用上却走在了后面,由于种种原因,全球大部分国家的电力网络老化,电力设备、电力管理的数字化程度低,电力使用效率低下,电力管理手段落后。

一场金融危机将智能电网这个为绝大多数人所不熟悉的概念变成全球热门话题,为促进经济复苏以及随着全球各国面临节能减排的压力增大,智能电网的节能作用、巨大的市场前景、社会效应让包括谷歌、微软、IBM等全球的巨头关注,甚至进入一些主要国家的国家战略规划中。有研究数据显示,到2020年,全球通过使用智能电网可减少10亿余吨二氧化碳排放量——约占2008年全年二氧化碳排放量的三十分之一。

智能电网引入了“信息流”感念,即把电能流、信息流结合在一起,在传输能源的同时实现数据的采集,促进能源的合理有效利用和管理。通过优化模型对数据进行深度挖掘和分析,预测电能流的情况,如电压变化和用电量分布,为发电、输电、配电、用电各方及监管单位提供信息决策,最终实现清洁发电、高效输电、动态配电、合理用电的智能电网的目标。

对于智能电网的概念,各国并无标准定义,事实上目前智能电网相关的各个环节的标准、架构等并无统一的标准。各个国家因为目标的差异,智能电网概念背后的实质内涵差别较大。中国国家电网公司给智能电网的定义是,以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,利用先进的通信、信息和控制技术,构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网。很明显,支撑中国(抑或全球)智能电网的将是通信技术、信息处理技术和控制技术,对应到相关的市场将涉及智能计量(智能电表)、电网智能化(网络基础设施及其控制)以及公用事业的信息技术应用(智能数据管理)。每一个领域都意味着一个庞大的新兴市场,同样也意味着背后将涉及复杂的相关标准游戏规则。

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图1:智能电网将带来的电力管理与应用的变革。

汇聚式处理器助您抢占先机

在智能电网成为热门话题之前,各种数字技术在电力系统中的应用已经逐渐增多,由于在发电、输电、配电以及用电端对相关数据进行采样和测量,这为模数转换器和MCU创造了大量进入电力系统的机会。近年来,电力二次设备的设计思路呈现出多样化的趋势,这与处理器的多样化和灵活性的大大提高密不可分。随着智能化技术需求的发展,数据处理能力、通信处理能力要求日益提高,而且产品的多规格、多标准共存的现实要求方案越来越高的设计灵活性,工程师们又开始把关注的目光转移到DSP技术。DSP+MCU的双处理器方案解决了系统的控制和运算需求,但由此增加的开发复杂性、BOM成本带来了新的挑战。

(一)    汇聚式处理器的独特优势

电力设备全球领导企业西门子对智能电网的一个重要观点就是灵活性—不仅满足客户当前的需求,同时能应对未来发展的变革与挑战。事实上,这种灵活性的要求涉及到智能电网相关的所有基础设备,电力设备企业在未来相当长一段时间内,应对智能电网市场需求的变革和挑战将成为主旋律。

传统电网向智能电网转变,要求电力设备具有更强的接口能力、通信能力和数据处理能力,这对电力设备的硬件方案平台的选择提出了极高的要求,这也应对了当前工业应用和测试测量支持以太网/无线连接实现易用性、针对高品质测量的简单连接、系统的可编程灵活性、从8/16向32位解决方案转移的发展趋势。此外,由于电网是封闭的网络,同时涉及到国计民生的重大安全问题,智能电网标准在全球很难实现统一,多种标准共存将是必然。为此,能灵活满足多种标准和功能要求的产品方案非常重要,这使得结合了MCU和DSP优势、具有软件设计灵活性和强大处理能力的汇聚式处理器方案平台具有明显优势。

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图2:MCU、DSP和ASIC方案灵活性与运算能力比较。

Blackfin是ADI公司推出汇聚式处理器,基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构,它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种独特汇聚式架构很适合于全信号处理/分析能力要求,同时还可在单内核器件上提供高效控制任务执行能力。这种汇聚架构非常符合包括智能电表在内的智能电网基础设备的数据处理、各种高性能算法(如谐波分析)、通信功能的软件实现,以及对各种系统控制功能的支持。

基于Blackfin处理器的方案可以方便地利用软件来实现不同电力计量相关协议和各种通信协议算法,以及满足各种功能组合要求。Blackfin处理器的强大处理能力使电力设备制造商能轻松实现各种通用或定制化的功能,能够在不改变(或很少改变)硬件的情况下迅速适应不断发展的标准和新型功能要求,并大大降低产品研发和制造成本。

自从2001年推出第一款汇聚式处理器产品,ADI公司先后共推出了若干系列、数十款具有各种功能组合和性能特点的产品,从300MHz对756MHz,从单核架构到双核架构,价格最低低至5美元以下。强大的处理能力、高性能以及低成本特点符合电力二次设备市场的发展方向。

在外设上,Blackfin系列提供了丰富的选择,包括片内Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、异步串行接口UART、同步串行接口SPORT、串行主从控制接口SPI、I2C、通用定时器、看门狗、实时时钟、GPIO管脚等,从而给客户提供了极大的设计便利性和丰富的可用片上设计资源。

ADI还提供业界一流的工具、初学套件与支持,包括熟知的、能够支持其他Blackfin处理器的ADI CROSSCORE®软件与硬件工具,这些工具包括VisualDSP++®集成开发与调试环境(IDDE)、仿真器,以及EZ-KIT Lite®评估版硬件。由于Blackfin提供了完整的硬件参考设计和软件开发环境,使得电力二次设备客户无论是移植老的应用方案还是重新开发新的应用方案,都非常方便。

同时,ADI在传感器(如电表计量芯片)、模数/数模转换器、运算放大器以及电力线通信等领域具有全球领先地位,基于Blackfin处理器的优化系统方案平台和ADI领先的模拟器件技术及电力线通信技术,从而有利于形成一个无缝连接的高性能元器件平台,同时实现功能和性能的最优化。

(二)广泛的成功设计验证

ADI公司的DSP处理器产品在电力设备的应用历史可以追溯到上个世纪90年代。由于ADI在工业应用领域一直有良好的口碑和产品,电力二次设备设计中大量采用了ADI的ADC运算放大器以及DSP处理器。其中DSP处理器主要使用定点DSP处理器ADSP21XX系列,以及浮点DSP处理器ADSP2106X系列。

由于以往的DSP或MCU的处理能力不足,大多数老的设计方案都是采用多处理器架构。随着市场对设备成本和开发周期要求的不断提高,伴随着DSP处理器的性能不断提升,新的电力二次设备设计越来越多地采用以Blackfin汇聚式处理器为代表的单芯片设计思路。这样不仅能够大大降低设备成本,也能简化开发平台,节省大量的开发费用。

Blackfin处理器自推出以来就在电力系统中获得广泛应用。HVAC与HVDC电力系统的数字保护、自动化与控制系统的全球领先企业南京南瑞继保电气有限公司在其众多的产品中就使用了Blackfin处理器,而此前绝大多数嵌入式处理都基于通用微处理器架构。南瑞继保发现,在电网故障与短暂事件的检测与响应等关键应用中,Blackfin处理器解决方案的卓越性能有效地保证了国家电网的可靠性。Blackfin数字信号处理器在这些工业应用中取得的成功,高性能绝对是一个非常重要的因素,连接转换器与开关等输入与输出设备的能力也非常重要,快速测量并分析系统条件的能力也相当突出是另一个重要因素。此外,低功耗、低成本这也是在如此多的应用中选择ADI DSP的一个显著原因。

(三)典型应用案例分析

智能电网建设的主要受益者是智能电表生产商和二次设备企业。由于智能电表技术相对成熟,配电网络智能化的发展速度将快于输电网络。在智能电网建设初期,对以电网调度系统和数字化变电站为主的二次设备的需求将大大增加AMI(高级计量体系)是电网智能化建设的第一步,在智能电网的投资中所占比例最大,主要涉及大量的智能电表、传感器等设备

而前不久,电力计量技术全球领导企业西门子宣布在其推出的最新自动抄表信息系统(AMIS)的智能电表的核心引擎利用了Blackfin处理器——BF531极具成本效益的计算性能,实现了创新的智能电表功能和性能,树立了下一代智能电能管理的新标杆。西门子AMIS系统覆盖整个电力系统,包括从电厂到用户端。作为用户计量终端的智能电表计量用户用电量,并对电网进行监测,将数据发送至控制中心。

该系统使用电力线进行通信,避免了其他方案所用的无线通信和互联网通信所增加的成本。该系统具有极佳的扩展灵活性,对未来的其他可能的标准保持开放(包括对其他通信媒介的支持),通过简单的在线软件下载升级即可实现新的标准。采用AMIS多功能智能电表,单一的电表平台可以满足所有的收费模式,可以在控制中心自动完成电表的计费模式修改。因此,不必为每次费率的修改而改变电表,您可以根据用户的要求在任意时间自动采集用户用电数据,也不需要到现场即可远程控制用户断电操作,可以实现预付费功能或限制用电功能,电力企业还可以记录针对每个用户的供电质量(每个阶段的电压、短期故障和长期故障等)。

在AMIS设计初期,西门子公司就认识到要实现上述功能特性目标,这些智能电表就需要以较低的单价提供非凡的表内处理能力、动态和电网一体化通信以及真正的可扩展性。西门子公司选择了Blackfin汇聚处理器,就是因为该处理器具有同时作为DSP和MCU进行无缝工作的能力,Blackfin处理器负责计算用户用电情况,并执行电力线调制解调器功能,通过电力线集中器进行高效双向通信,特别适合西门子AMIS的高密度处理和动态通信应用要求。低成本的Blackfin处理器具有处理仪表级原始实时用电数据以及实现仪表和电网之间通信的能力,可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。

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图3:基于Blackfin处理器的西门子智能电表功能框图。

西门子之所以选用Blackfin除了具有较大的片上内存、低功耗之外,另一个重要原因在于该处理器支持可编程。西门子的主要市场在欧洲,但目前欧盟对于电力线通信的标准还没有统一,不同的国家电力线通信可以有不同的变化,因此西门子需要支持不同标准的智能电网。而利用Blackfin的可编程特性,即便在电表设置安装之后仍可进行变更来支持不同电力线通信标准。基于Blackfin的智能电表不仅能够满足目前的设计要求,其还为下一代技术更新做好了准备。随着未来标准的发展,这些应用只需通过电网即可下载到基于Blackfin的仪表部件中,实现无缝传输。

事实上,西门子选择Blackfin的经验对于智能电网的二次设备以及所有电力计量设备企业来说也相同的借鉴意义,智能电网的标准(包括产品功能定义)将在很长的时间内不断演进且全球难以实现统一,产品方案平台的设计灵活性和扩展性对于企业满足全球市场来说至关重要。
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