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ADI公司供稿 數(shù)字技術(shù)對(duì)世界的改造將人類帶進(jìn)信息時(shí)代，無論是消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)、汽車、或者航空及軍工領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)無處不在。然而，為信息化社會(huì)提供能源的電力系統(tǒng)在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用上卻走在了后面，由于種種原因，全球大部分國家的電力網(wǎng)絡(luò)老化，電力設(shè)備、電力管理的數(shù)字化程度低，電力使用效率低下，電力管理手段落后。 一場(chǎng)金融危機(jī)將智能電網(wǎng)這個(gè)為絕大多數(shù)人所不熟悉的概念變成全球熱門話題，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇以及隨著全球各國面臨節(jié)能減排的壓力增大，智能電網(wǎng)的節(jié)能作用、巨大的市場(chǎng)前景、社會(huì)效應(yīng)讓包括谷歌、微軟、IBM等全球的巨頭關(guān)注，甚至進(jìn)入一些主要國家的國家戰(zhàn)略規(guī)劃中。有研究數(shù)據(jù)顯示，到2020年，全球通過使用智能電網(wǎng)可減少10億余噸二氧化碳排放量——約占2008年全年二氧化碳排放量的三十分之一。 智能電網(wǎng)引入了“信息流”感念，即把電能流、信息流結(jié)合在一起，在傳輸能源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，促進(jìn)能源的合理有效利用和管理。通過優(yōu)化模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，預(yù)測(cè)電能流的情況，如電壓變化和用電量分布，為發(fā)電、輸電、配電、用電各方及監(jiān)管單位提供信息決策，最終實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電、高效輸電、動(dòng)態(tài)配電、合理用電的智能電網(wǎng)的目標(biāo)。 對(duì)于智能電網(wǎng)的概念，各國并無標(biāo)準(zhǔn)定義，事實(shí)上目前智能電網(wǎng)相關(guān)的各個(gè)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)等并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)國家因?yàn)槟繕?biāo)的差異，智能電網(wǎng)概念背后的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵差別較大。中國國家電網(wǎng)公司給智能電網(wǎng)的定義是，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能化電網(wǎng)。很明顯，支撐中國（抑或全球）智能電網(wǎng)的將是通信技術(shù)、信息處理技術(shù)和控制技術(shù)，對(duì)應(yīng)到相關(guān)的市場(chǎng)將涉及智能計(jì)量(智能電表)、電網(wǎng)智能化(網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施及其控制)以及公用事業(yè)的信息技術(shù)應(yīng)用(智能數(shù)據(jù)管理)。每一個(gè)領(lǐng)域都意味著一個(gè)龐大的新興市場(chǎng)，同樣也意味著背后將涉及復(fù)雜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)游戲規(guī)則。 
圖1：智能電網(wǎng)將帶來的電力管理與應(yīng)用的變革。 匯聚式處理器助您搶占先機(jī) 在智能電網(wǎng)成為熱門話題之前，各種數(shù)字技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)逐漸增多，由于在發(fā)電、輸電、配電以及用電端對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和測(cè)量，這為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和MCU創(chuàng)造了大量進(jìn)入電力系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。近年來，電力二次設(shè)備的設(shè)計(jì)思路呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，這與處理器的多樣化和靈活性的大大提高密不可分。隨著智能化技術(shù)需求的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理能力、通信處理能力要求日益提高，而且產(chǎn)品的多規(guī)格、多標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)要求方案越來越高的設(shè)計(jì)靈活性，工程師們又開始把關(guān)注的目光轉(zhuǎn)移到DSP技術(shù)。DSP+MCU的雙處理器方案解決了系統(tǒng)的控制和運(yùn)算需求，但由此增加的開發(fā)復(fù)雜性、BOM成本帶來了新的挑戰(zhàn)。 （一） 匯聚式處理器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì) 電力設(shè)備全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)西門子對(duì)智能電網(wǎng)的一個(gè)重要觀點(diǎn)就是靈活性—不僅滿足客戶當(dāng)前的需求，同時(shí)能應(yīng)對(duì)未來發(fā)展的變革與挑戰(zhàn)。事實(shí)上，這種靈活性的要求涉及到智能電網(wǎng)相關(guān)的所有基礎(chǔ)設(shè)備，電力設(shè)備企業(yè)在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)市場(chǎng)需求的變革和挑戰(zhàn)將成為主旋律。 傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，要求電力設(shè)備具有更強(qiáng)的接口能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，這對(duì)電力設(shè)備的硬件方案平臺(tái)的選擇提出了極高的要求，這也應(yīng)對(duì)了當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用和測(cè)試測(cè)量支持以太網(wǎng)/無線連接實(shí)現(xiàn)易用性、針對(duì)高品質(zhì)測(cè)量的簡單連接、系統(tǒng)的可編程靈活性、從8/16向32位解決方案轉(zhuǎn)移的發(fā)展趨勢(shì)。此外，由于電網(wǎng)是封閉的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)涉及到國計(jì)民生的重大安全問題，智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在全球很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，多種標(biāo)準(zhǔn)共存將是必然。為此，能靈活滿足多種標(biāo)準(zhǔn)和功能要求的產(chǎn)品方案非常重要，這使得結(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢(shì)、具有軟件設(shè)計(jì)靈活性和強(qiáng)大處理能力的匯聚式處理器方案平臺(tái)具有明顯優(yōu)勢(shì)。
圖2：MCU、DSP和ASIC方案靈活性與運(yùn)算能力比較。 Blackfin是ADI公司推出匯聚式處理器，基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)，它將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種獨(dú)特匯聚式架構(gòu)很適合于全信號(hào)處理/分析能力要求，同時(shí)還可在單內(nèi)核器件上提供高效控制任務(wù)執(zhí)行能力。這種匯聚架構(gòu)非常符合包括智能電表在內(nèi)的智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)處理、各種高性能算法（如諧波分析）、通信功能的軟件實(shí)現(xiàn)，以及對(duì)各種系統(tǒng)控制功能的支持。 基于Blackfin處理器的方案可以方便地利用軟件來實(shí)現(xiàn)不同電力計(jì)量相關(guān)協(xié)議和各種通信協(xié)議算法，以及滿足各種功能組合要求。Blackfin處理器的強(qiáng)大處理能力使電力設(shè)備制造商能輕松實(shí)現(xiàn)各種通用或定制化的功能，能夠在不改變(或很少改變)硬件的情況下迅速適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和新型功能要求，并大大降低產(chǎn)品研發(fā)和制造成本。 自從2001年推出第一款匯聚式處理器產(chǎn)品，ADI公司先后共推出了若干系列、數(shù)十款具有各種功能組合和性能特點(diǎn)的產(chǎn)品，從300MHz對(duì)756MHz，從單核架構(gòu)到雙核架構(gòu)，價(jià)格最低低至5美元以下。強(qiáng)大的處理能力、高性能以及低成本特點(diǎn)符合電力二次設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展方向。 在外設(shè)上，Blackfin系列提供了豐富的選擇，包括片內(nèi)Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、異步串行接口UART、同步串行接口SPORT、串行主從控制接口SPI、I2C、通用定時(shí)器、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、GPIO管腳等，從而給客戶提供了極大的設(shè)計(jì)便利性和豐富的可用片上設(shè)計(jì)資源。 ADI還提供業(yè)界一流的工具、初學(xué)套件與支持，包括熟知的、能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE®軟件與硬件工具，這些工具包括VisualDSP++®集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite®評(píng)估版硬件。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)環(huán)境，使得電力二次設(shè)備客戶無論是移植老的應(yīng)用方案還是重新開發(fā)新的應(yīng)用方案，都非常方便。 同時(shí)，ADI在傳感器（如電表計(jì)量芯片）、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器以及電力線通信等領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先地位，基于Blackfin處理器的優(yōu)化系統(tǒng)方案平臺(tái)和ADI領(lǐng)先的模擬器件技術(shù)及電力線通信技術(shù)，從而有利于形成一個(gè)無縫連接的高性能元器件平臺(tái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能和性能的最優(yōu)化。 （二）廣泛的成功設(shè)計(jì)驗(yàn)證 ADI公司的DSP處理器產(chǎn)品在電力設(shè)備的應(yīng)用歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)90年代。由于ADI在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域一直有良好的口碑和產(chǎn)品，電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中大量采用了ADI的ADC、運(yùn)算放大器以及DSP處理器。其中DSP處理器主要使用定點(diǎn)DSP處理器ADSP21XX系列，以及浮點(diǎn)DSP處理器ADSP2106X系列。 由于以往的DSP或MCU的處理能力不足，大多數(shù)老的設(shè)計(jì)方案都是采用多處理器架構(gòu)。隨著市場(chǎng)對(duì)設(shè)備成本和開發(fā)周期要求的不斷提高，伴隨著DSP處理器的性能不斷提升，新的電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)越來越多地采用以Blackfin匯聚式處理器為代表的單芯片設(shè)計(jì)思路。這樣不僅能夠大大降低設(shè)備成本，也能簡化開發(fā)平臺(tái)，節(jié)省大量的開發(fā)費(fèi)用。 Blackfin處理器自推出以來就在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。HVAC與HVDC電力系統(tǒng)的數(shù)字保護(hù)、自動(dòng)化與控制系統(tǒng)的全球領(lǐng)先企業(yè)南京南瑞繼保電氣有限公司在其眾多的產(chǎn)品中就使用了Blackfin處理器，而此前絕大多數(shù)嵌入式處理都基于通用微處理器架構(gòu)。南瑞繼保發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)故障與短暫事件的檢測(cè)與響應(yīng)等關(guān)鍵應(yīng)用中，Blackfin處理器解決方案的卓越性能有效地保證了國家電網(wǎng)的可靠性。Blackfin數(shù)字信號(hào)處理器在這些工業(yè)應(yīng)用中取得的成功，高性能絕對(duì)是一個(gè)非常重要的因素，連接轉(zhuǎn)換器與開關(guān)等輸入與輸出設(shè)備的能力也非常重要，快速測(cè)量并分析系統(tǒng)條件的能力也相當(dāng)突出是另一個(gè)重要因素。此外，低功耗、低成本這也是在如此多的應(yīng)用中選擇ADI DSP的一個(gè)顯著原因。 （三）典型應(yīng)用案例分析 智能電網(wǎng)建設(shè)的主要受益者是智能電表生產(chǎn)商和二次設(shè)備企業(yè)。由于智能電表技術(shù)相對(duì)成熟，配電網(wǎng)絡(luò)智能化的發(fā)展速度將快于輸電網(wǎng)絡(luò)。在智能電網(wǎng)建設(shè)初期，對(duì)以電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和數(shù)字化變電站為主的二次設(shè)備的需求將大大增加AMI(高級(jí)計(jì)量體系)是電網(wǎng)智能化建設(shè)的第一步，在智能電網(wǎng)的投資中所占比例最大，主要涉及大量的智能電表、傳感器等設(shè)備 而前不久，電力計(jì)量技術(shù)全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)西門子宣布在其推出的最新自動(dòng)抄表信息系統(tǒng)（AMIS）的智能電表的核心引擎利用了Blackfin處理器——BF531極具成本效益的計(jì)算性能，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新的智能電表功能和性能，樹立了下一代智能電能管理的新標(biāo)桿。西門子AMIS系統(tǒng)覆蓋整個(gè)電力系統(tǒng)，包括從電廠到用戶端。作為用戶計(jì)量終端的智能電表計(jì)量用戶用電量，并對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心。 該系統(tǒng)使用電力線進(jìn)行通信，避免了其他方案所用的無線通信和互聯(lián)網(wǎng)通信所增加的成本。該系統(tǒng)具有極佳的擴(kuò)展靈活性，對(duì)未來的其他可能的標(biāo)準(zhǔn)保持開放(包括對(duì)其他通信媒介的支持)，通過簡單的在線軟件下載升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)。采用AMIS多功能智能電表，單一的電表平臺(tái)可以滿足所有的收費(fèi)模式，可以在控制中心自動(dòng)完成電表的計(jì)費(fèi)模式修改。因此，不必為每次費(fèi)率的修改而改變電表，您可以根據(jù)用戶的要求在任意時(shí)間自動(dòng)采集用戶用電數(shù)據(jù)，也不需要到現(xiàn)場(chǎng)即可遠(yuǎn)程控制用戶斷電操作，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能或限制用電功能，電力企業(yè)還可以記錄針對(duì)每個(gè)用戶的供電質(zhì)量(每個(gè)階段的電壓、短期故障和長期故障等)。 在AMIS設(shè)計(jì)初期，西門子公司就認(rèn)識(shí)到要實(shí)現(xiàn)上述功能特性目標(biāo)，這些智能電表就需要以較低的單價(jià)提供非凡的表內(nèi)處理能力、動(dòng)態(tài)和電網(wǎng)一體化通信以及真正的可擴(kuò)展性。西門子公司選擇了Blackfin匯聚處理器，就是因?yàn)樵撎幚砥骶哂型瑫r(shí)作為DSP和MCU進(jìn)行無縫工作的能力，Blackfin處理器負(fù)責(zé)計(jì)算用戶用電情況，并執(zhí)行電力線調(diào)制解調(diào)器功能，通過電力線集中器進(jìn)行高效雙向通信，特別適合西門子AMIS的高密度處理和動(dòng)態(tài)通信應(yīng)用要求。低成本的Blackfin處理器具有處理儀表級(jí)原始實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)儀表和電網(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。
圖3：基于Blackfin處理器的西門子智能電表功能框圖。 西門子之所以選用Blackfin除了具有較大的片上內(nèi)存、低功耗之外，另一個(gè)重要原因在于該處理器支持可編程。西門子的主要市場(chǎng)在歐洲，但目前歐盟對(duì)于電力線通信的標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一，不同的國家電力線通信可以有不同的變化，因此西門子需要支持不同標(biāo)準(zhǔn)的智能電網(wǎng)。而利用Blackfin的可編程特性，即便在電表設(shè)置安裝之后仍可進(jìn)行變更來支持不同電力線通信標(biāo)準(zhǔn)�；贐lackfin的智能電表不僅能夠滿足目前的設(shè)計(jì)要求，其還為下一代技術(shù)更新做好了準(zhǔn)備。隨著未來標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，這些應(yīng)用只需通過電網(wǎng)即可下載到基于Blackfin的儀表部件中，實(shí)現(xiàn)無縫傳輸。 事實(shí)上，西門子選擇Blackfin的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于智能電網(wǎng)的二次設(shè)備以及所有電力計(jì)量設(shè)備企業(yè)來說也相同的借鑒意義，智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)（包括產(chǎn)品功能定義）將在很長的時(shí)間內(nèi)不斷演進(jìn)且全球難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，產(chǎn)品方案平臺(tái)的設(shè)計(jì)靈活性和擴(kuò)展性對(duì)于企業(yè)滿足全球市場(chǎng)來說至關(guān)重要。 |
