智能電網

德州儀器:用于繼電保護設備的Sitara? AM6x處理器

2025China.cn   2019年01月02日

  全球電力基礎設施的作用是連接發電、輸電和配電系統,通常稱作電網。

  為了提高整體可靠性、利用率和效率,人們正在增加更多的通信功能和傳感器,從而使電網更加智能,通常稱作智能電網。

  變電站是智能電網基礎設施中的重要組成部分,通常位于輸電線路和配電線路,其中包括為住宅和企業供電的低壓配電線路。變電站可以改變輸電電壓電平,執行重要功能,如饋線開關、負載開關和斷路器保護以及資源連續監控等,從而提高利用率、效率并縮短停機時間。

  多功能繼電保護器是電網中使用的一大關鍵終端設備。多功能繼電保護器提供保護和控制功能,配置多功能保護繼電器可以為發電機、輸電線、電機、母線或其他電網設備提供保護。

  多功能繼電保護器在智能電網發揮的作用包括:

  ● 檢測電網的異常電力系統行為,發出報警并采取必要行動

  ● 采樣模擬輸入,計算其所連接設備的電氣參數,并根據配置的功能采取行動,包括向斷路器發送跳閘信號從而保護設備

  ● 提高電力系統(包括發電、輸電和配電)的效率和可靠性

  ● 根據國際電工委員會(IEC)61850 和 IEC 62439

  標準的要求,通過冗余通信基礎設施,如高可用性無縫冗余(HSR)/ 并行冗余協議(PRP)將最新狀態信息發送至集中監控系統。

  繼電保護器包括交流模擬模塊和處理器模塊。交流模擬模塊與多路電壓和電流輸入相連,將輸入縮放到 ADC 范圍,并使用高精度 ADC 將模擬輸入轉換為數字量。處理器模塊從模擬輸入模塊中獲取采樣的數字量,并處理數字濾波等樣本數據,計算電氣參數,執行保護算法并將參數傳送到中央網絡。

  本白皮書重點介紹保護繼電器中的處理器模塊。

  繼電保護器中的處理器模塊通常如圖1所示,對數據執行采集樣本、處理和通信功能,并且還提供 HMI 和診斷功能。

  處理器模塊使用串行 / 并行接口從模數轉換器(ADC)采集數字數據,并對這些數據進行數字濾波,以平滑輸入信號并消除異常。

  經過濾波后的數據會交由繼電保護算法做進一步處理,該算法根據繼電保護應用的要求,分析所監控的參數是否在合理范圍內,例如用于終端設備保護的數據,如過載、差分、反向功率等是否合理,并按預定時序向斷路器提供跳閘信號。濾波后的數據還用于測量和診斷電氣參數。通信單元提供不同的通信接口和所需的協議,包括 HSR/PRP 等冗余協議,并向 SCADA 監控和數據采集系統等更高層級報告事件和狀態。圖形 LCD 屏可以圖形方式顯示參數和受保護設備的狀態,便于快速分析。

  繼電保護器處理器模塊中的典型數據流(圖片來源于德州儀器)

  處理器模塊在繼電保護器中解決的難題

  隨著智能電網取代傳統電網,以及智能電網部署的增加,處理器模塊必須解決以下難題:

  ● 與外部 ADC 模塊對接具備多接口和多協議功能

  ● 高性能處理采集的 ADC 數據

  ● 使用多核子系統執行高級數字信號處理(DSP)、轉換和數據管理功能

  ● 支持 HSR/PRP 等冗余工業以太網協議

  ● 展現直觀且豐富的人機界面(HMI)

  ● 支持高可靠性、長開機時間(POH)和 ECC 糾錯功能(ECC)

  ● 支持高級安全功能和功能性安全

  ● 具有廣泛的外圍設備,可連接多個串行和并行接口

  用于多功能繼電保護器處理器模塊應用的 Sitara? AM6x 設備

  處理器模塊可能需要多個處理子系統來應對不同的處理需求和難題。將功能組合到更少的設備或單個設備上可降低成本和復雜性。

  德州儀器(TI)的 Sitara? AM6x 處理器是單芯片解決方案,非常適合繼電保護設備中的處理器模塊。下圖是 AM6x 處理器系列 AM654x 處理器的框圖。針對上面列出的難題,下面一一介紹 AM6x 處理器的相應功能。

  AM654x處理器框圖(圖片來源于德州儀器)

  從具有不同接口和協議的外部 ADC 采集高速和高性能數據。處理器模塊的主要難題之一在于能夠同時連接多個外部 ADC,而且 ADC 可能具有不同接口類型,如串行外設接口(SPI)等。同時處理器需要適應不同輸入頻率的變化時序要求,以便執行相干采樣。讓情況更加復雜的是,許多 ADC 制造商已經定義了ADC 接口,需要處理器具備定制時序能力直接對連 ADC 采集數據。

  TI AM6x 處理器用可編程實時單元子系統和工業通信子系統(PRU-ICSS)解決了與多類型 ADC 外圍設備對接的難題。它可直接與外部 ADC 連接,從而節省物料清單(BOM)成本。PRU-ICSS 接口可以與 ADC 接口時序相關采樣,從而改善了信號鏈性能,減少頻譜泄漏。

  執行高級數字處理運算和數據管理功能的多核處理架構。為了滿足高性能處理要求,包括先進的信號處理和管理功能,AM6x 器件系列最多可將四個 NEON 擴展的 Arm? Cortex?-A53內核和一個雙 Arm Cortex-R5F 微控制器(MCU)子系統組合在一起。Cortex-A53內核設置在具有共享 L2內存的雙核集群中,4個Cortex-A53可以組建成兩個高性能處理子單元。Cortex-R5F 內核可用于 ADC 樣本數據過濾和數字信號處理,而 Cortex-A53 內核可用于繼電保護管理和以太網通信功能。

  支持以太網協議,包括 HSR/PRP 等冗余工業協議。針對變電站自動化的高可靠性和可預測性的以太網網絡需求來自于 IEC 62439標準,目的是為了創建低成本、易維護、可互操作并具 有內置 冗 余的通信網絡基礎設施。IEC 62439-3第4和第5條則定義了高可用性無縫冗余(HSR) 和并行冗余協議(PRP)。

  AM6x 處理器利用 PRU-ICSS 子系統為 HSR/PRP 提供支持。該實現過程包括 PRU-ICSS 固件、驅動程序(Linux?/ 實時操作系統(RTOS))、應用程序和簡單網絡管理協議支持。PRU-ICSS 固件用于處理鏈路冗余,而主核(Cortex-A53)負責運行驅動程序和應用程序代碼。TI 免費提供 PRU-ICSS HSR 固件和驅動程序(基于 Linux 和 TI-RTOS),并對 AM6x PRU-ICSS 進行了升級以支持千兆 HSR/PRP。

  使用 UART/SPI 端口可實現其他異步或同步通信接口,也可以使用 PRU-ICSS 來添加其他通用異步收發端口或 SPI 端口。PRU-ICSS 內核也可用于定制通用輸入/輸出操作和深度封包檢測。

  展示直觀且豐富的 HMI。多功能繼電保護設備還可以配備直觀的 HMI 圖形 LCD,用于顯示波形、趨勢、電氣參數、配置和狀態。豐富的 HMI 有助于降低培訓成本,簡化分析,并最大限度地降低錯誤配置的幾率。AM6x 處理器具有集成 LCD 控制器和3D 圖形加速器,便于設計豐富的 HMI 功能。

  通過支持高可靠性、長久的 POH 和完整的 ECC 提高了可靠性和診斷能力。繼電保護器需有高可靠性和更長的使用壽命,并且通常在極端環境中運行。而 AM6x 能夠完全滿足這些要求。廣泛覆蓋內存的 ECC 功能以及其他一些降低故障率的設計策略使得復雜的片上系統實現了最低軟失效率。

  AM6x 處理器工業版結溫(Tj)范圍為-40°C至105°C。但當器件工作在最高結溫105°C,Cortex-A53 內核頻率工作在 1.0GHz,器件其余部分則以最高頻率工作的情況下,AM6x 處理器的估計工作壽命為100,000 POH。

  工業應用的另一常見要求為操作設備的壽命超過100,000 POH。對于使用更低結溫95°C的應用,AM6x 處理器的估計工作壽命高達200,000 POH。

  AM6x 處理器包括可持續運行的豐富的硬件診斷功能。例如異步鎖 Cortex-R5F 架構、內存管理單元、防火墻、內存單比特檢測、雙比特檢測和奇偶校驗功能、電源診斷、溫度傳感器和復位診斷。AM6x 安全手冊中詳細介紹了診斷功能。

  支持高級安全功能和功能安全特性。功能安全是對保護繼電器的一項新要求,這是由于它通常是保護電網基礎設施的最后一道防線。功能安全也可以讓系統設計師對系統快速診斷部件故障并防止損壞的能力更加充滿信心。TI 對 AM6x 處理器設計了功能安全特性以及完整的 ECC 特性。

  AM6x 處理器可用于高達 IEC 61508安全完整性等級(SIL)3級的工業控制應用。對于集成 AM6x 處理器并管理系統性故障和隨機故障的系統,TI 提供 SafeTI? 設計包以幫助滿足它們的功能性安全要求。按照標準要求,TI 遵循獨立認證的硬件和軟件開發流程以及需求跟蹤、文件編制和驗證。

  TI 提供軟件合規程序包和編譯器認證工具包以管理系統故障。對于隨機故障,TI 提供可配置的 AM6x 故障模式效果和診斷分析工具,可詳細說明器件設計和診斷覆蓋范圍的故障模式和指標。SafeTI? 設計包還提供了安全分析報告,此報告是 AM6x 處理器作為獨立安全單元時第三方評估的認證概要。

  目前,人們對網絡基礎設施攻擊的擔憂處于歷史最高水平。安全威脅始終存在,而隨著智能電網中物聯網的快速普及,這些威脅可能來自任何地方,甚至是毫不起眼的低成本終端節點設備。問題不在于是否系統會受到攻擊,而在于何時受到攻擊。安全的設計,風險管理與保護措施同等重要。鑒于保護繼電器可能會受到攻擊,系統設計人員必須將安全放在第一位。

  軟件和硬件安全功能必須協同工作,從而獲得比單獨使用某一種解決方案更多的保護層。當然,安全架構的強度取決于其基礎。基礎層的四個方面非常重要,即:安全啟動過程、調試安全性、基于硬件的設備密鑰/ ID 和加密加速。

  AM6x 處理器支持諸多安全功能,如安全啟動、調試安全性、密鑰 /ID、加密加速、可信執行環境(TEE)、安全存儲、網絡安全、軟件知識產權(IP)保護、初始安全編程、安全固件和軟件。

  處理器模塊 BOM

  對處理器模塊來說,降低 BOM 始終是一大優先事項。降低 BOM 成本的一種方法是減少器件的使用量,這樣有助于節省部件和相關的印刷電路板(PCB)成本。部件更少意味著設計更簡單,PCB 布線問題也更少。

  AM6x 處理器集成了 PRU-ICSS,無需使用現場可編程門陣列(FPGA)即可連接外部 ADC。

  這個 PRU-ICSS 外圍設備也可以用于執行 HSR/PRP 等冗余協議。AM6x 處理器集成了 LCD 控制器和3D 圖形加速器,另外還具有高性能多核架構,非常適合于處理器模塊。

  使用 AM6x 的處理器模塊示例

  基于 AM6x 處理器的多功能繼電保護器示例(圖片來源于德州儀器)

  圖3 是基于 AM6x 處理器的多功能繼電保護器示例。借助 SPI 或多個 SPI 的接口信號,外部 ADC 可直接連接到 PRU-ICSS。PRU-ICSS 在 PRU-ICSS 固件控制下執行 ADC 配置和數據采集功能;此固件可根據所選的外部 ADC 進行自定義。

  AM6x 處理器包括三個 PRU-ICSS 模塊。一個用于 ADC 接口,另外兩個 PRU-ICSS 子系統用于 HSR/ PRP 處理。每個 PRU-ICSS 支持兩個以太網端口,因此總共有四個以太網端口。

  AM6x PRU-ICSS 的三個 RISC 內核,運行頻率為250MHz,可進行零交叉檢測和有限脈沖響應濾波等基礎信號處理。處理后數據可通過內存訪問硬件引擎傳輸至 Cortex-R5F 子系統內存。

  AM6x 處理器包括兩個運行頻率為400MHz 的 Arm Cortex-R5F MCU,可實時處理濾波、歸一化以及其他一些終端設備的實時算法。每個 Cortex-R5F 內核都具有快速訪問的64KB TCM 數據內存。由于 Cortex-R5F 是實時處理內核,可以用該子系統執行終端設備的操作和處理命令。

  AM6x 處理器還具有四個 Arm Cortex-A53處理器內核,可執行常規應用程序管理以及運行通信協議堆棧。每個內核能以1.1GHz 的最大速度運行,從而為復雜的堆棧和協議管理提供充足的計算能力。

  結論

  AM6x 處理器為多功能繼電保護設備中的處理器模塊提供單芯片解決方案,能夠直接連接外部 ADC,并實現多種通信接口和協議。使用 PRU-ICSS 能夠提供可定制接口和協議,無需借助 FPGA 即可與 ADC 進行連接。

  AM6x 處理器還可利用 PRU-ICSS 和 TI 免費提供的固件為千兆位 HSR/PRP 協議提供支持。AM6x 處理器有三個 PRU-ICSS 模塊,每個模塊可用于 ADC 連接或雙端口 HSR/PRP。

  AM6x 處理器的集成 LCD 控制器和3D 圖形加速器符合當前繼電保護裝置 HMI 功能日益豐富的發展趨勢,可為操作人員提供設備狀態和配置信息以及培訓視頻。AM6x 處理器提供豐富的連接選項,包括多個 UART、SPI、I2C、McASP、USB 和外圍組件互連(PCIe)等,無需借助外部擴展設備即可直接連接外圍設備。

  AM6x 處理器的可靠性和功能性安全功能包括器件中所有內存的完整 ECC,片上內存、外圍設備和片內互連總線支持豐富的硬件診斷功能。處理器的整體特性旨在幫助客戶設計實現高達 IEC 61508的 SIL 3級標準功能的系統。

  AM6x 處理器支持諸多安全功能(如安全啟動、調試安全性、密鑰 / ID、加密加速、TEE、安全存儲、網絡安全、軟件 IP 保護、初始安全編程、安全固件和軟件),可保護繼電設備免遭惡意攻擊。

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