全球電力基礎(chǔ)設(shè)施的作用是連接發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)，通常稱作電網(wǎng)。
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(wǎng)更加智能，通常稱作智能電網(wǎng)。
變電站是智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)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(yè)供電的低壓配電線路。變電站可以改變輸電電壓電平，執(zhí)行重要功能，如饋線開關(guān)、負載開關(guān)和斷路器保護以及資源連續(xù)監(jiān)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(wǎng)中使用的一大關(guān)鍵終端設(shè)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(fā)電機、輸電線、電機、母線或其他電網(wǎng)設(shè)備提供保護。
多功能繼電保護器在智能電網(wǎng)發(fā)揮的作用包括：
● 檢測電網(wǎng)的異常電力系統(tǒng)行為，發(fā)出報警并采取必要行動
● 采樣模擬輸入，計算其所連接設(shè)備的電氣參數(shù)，并根據(jù)配置的功能采取行動，包括向斷路器發(fā)送跳閘信號從而保護設(shè)備
● 提高電力系統(tǒng)(包括發(fā)電、輸電和配電)的效率和可靠性
● 根據(jù)國際電工委員會(IEC)61850 和 IEC 62439
標(biāo)準的要求，通過冗余通信基礎(chǔ)設(shè)施，如高可用性無縫冗余(HSR)/ 并行冗余協(xié)議(PRP)將最新狀態(tài)信息發(fā)送至集中監(jiān)控系統(tǒng)。
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(zhuǎn)換為數(shù)字量。處理器模塊從模擬輸入模塊中獲取采樣的數(shù)字量，并處理數(shù)字濾波等樣本數(shù)據(jù)，計算電氣參數(shù)，執(zhí)行保護算法并將參數(shù)傳送到中央網(wǎng)絡(luò)。
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(shù)據(jù)執(zhí)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采集數(shù)字數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，以平滑輸入信號并消除異常。
經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)會交由繼電保護算法做進一步處理，該算法根據(jù)繼電保護應(yīng)用的要求，分析所監(jiān)控的參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)，例如用于終端設(shè)備保護的數(shù)據(jù)，如過載、差分、反向功率等是否合理，并按預(yù)定時序向斷路器提供跳閘信號。濾波后的數(shù)據(jù)還用于測量和診斷電氣參數(shù)。通信單元提供不同的通信接口和所需的協(xié)議，包括 HSR/PRP 等冗余協(xié)議，并向 SCADA 監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等更高層級報告事件和狀態(tài)。圖形 LCD 屏可以圖形方式顯示參數(shù)和受保護設(shè)備的狀態(tài)，便于快速分析。
繼電保護器處理器模塊中的典型數(shù)據(jù)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(wǎng)取代傳統(tǒng)電網(wǎng)，以及智能電網(wǎng)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(xié)議功能
● 高性能處理采集的 ADC 數(shù)據(jù)
● 使用多核子系統(tǒng)執(zhí)行高級數(shù)字信號處理(DSP)、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)管理功能
● 支持 HSR/PRP 等冗余工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議
● 展現(xiàn)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(shè)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(yīng)用的 Sitara? AM6x 設(shè)備
處理器模塊可能需要多個處理子系統(tǒng)來應(yīng)對不同的處理需求和難題。將功能組合到更少的設(shè)備或單個設(shè)備上可降低成本和復(fù)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(shè)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(yīng)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(xié)議的外部 ADC 采集高速和高性能數(shù)據(jù)。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(shè)接口(SPI)等。同時處理器需要適應(yīng)不同輸入頻率的變化時序要求，以便執(zhí)行相干采樣。讓情況更加復(fù)雜的是，許多 ADC 制造商已經(jīng)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(shù)據(jù)。
TI AM6x 處理器用可編程實時單元子系統(tǒng)和工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)解決了與多類型 ADC 外圍設(shè)備對接的難題。它可直接與外部 ADC 連接，從而節(jié)省物料清單(BOM)成本。PRU-ICSS 接口可以與 ADC 接口時序相關(guān)采樣，從而改善了信號鏈性能，減少頻譜泄漏。
執(zhí)行高級數(shù)字處理運算和數(shù)據(jù)管理功能的多核處理架構(gòu)。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(nèi)核和一個雙 Arm Cortex-R5F 微控制器(MCU)子系統(tǒng)組合在一起。Cortex-A53內(nèi)核設(shè)置在具有共享 L2內(nèi)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(nèi)核可用于 ADC 樣本數(shù)據(jù)過濾和數(shù)字信號處理，而 Cortex-A53 內(nèi)核可用于繼電保護管理和以太網(wǎng)通信功能。
支持以太網(wǎng)協(xié)議，包括 HSR/PRP 等冗余工業(yè)協(xié)議。針對變電站自動化的高可靠性和可預(yù)測性的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)需求來自于 IEC 62439標(biāo)準，目的是為了創(chuàng)建低成本、易維護、可互操作并具 有內(nèi)置 冗 余的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(xié)議(PRP)。
AM6x 處理器利用 PRU-ICSS 子系統(tǒng)為 HSR/PRP 提供支持。該實現(xiàn)過程包括 PRU-ICSS 固件、驅(qū)動程序(Linux?/ 實時操作系統(tǒng)(RTOS))、應(yīng)用程序和簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議支持。PRU-ICSS 固件用于處理鏈路冗余，而主核(Cortex-A53)負責(zé)運行驅(qū)動程序和應(yīng)用程序代碼。TI 免費提供 PRU-ICSS HSR 固件和驅(qū)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(xiàn)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(fā)端口或 SPI 端口。PRU-ICSS 內(nèi)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(shè)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(shù)、配置和狀態(tài)。豐富的 HMI 有助于降低培訓(xùn)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(shè)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(huán)境中運行。而 AM6x 能夠完全滿足這些要求。廣泛覆蓋內(nèi)存的 ECC 功能以及其他一些降低故障率的設(shè)計策略使得復(fù)雜的片上系統(tǒng)實現(xiàn)了最低軟失效率。
AM6x 處理器工業(yè)版結(jié)溫(Tj)范圍為-40°C至105°C。但當(dāng)器件工作在最高結(jié)溫105°C，Cortex-A53 內(nèi)核頻率工作在 ，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(yè)應(yīng)用的另一常見要求為操作設(shè)備的壽命超過100,000 POH。對于使用更低結(jié)溫95°C的應(yīng)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(xù)運行的豐富的硬件診斷功能。例如異步鎖 Cortex-R5F 架構(gòu)、內(nèi)存管理單元、防火墻、內(nèi)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(fù)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(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的最后一道防線。功能安全也可以讓系統(tǒng)設(shè)計師對系統(tǒng)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(shè)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(yè)控制應(yīng)用。對于集成 AM6x 處理器并管理系統(tǒng)性故障和隨機故障的系統(tǒng)，TI 提供 SafeTI? 設(shè)計包以幫助滿足它們的功能性安全要求。按照標(biāo)準要求，TI 遵循獨立認證的硬件和軟件開發(fā)流程以及需求跟蹤、文件編制和驗證。
TI 提供軟件合規(guī)程序包和編譯器認證工具包以管理系統(tǒng)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(shè)計和診斷覆蓋范圍的故障模式和指標(biāo)。SafeTI? 設(shè)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施攻擊的擔(dān)憂處于歷史最高水平。安全威脅始終存在，而隨著智能電網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)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(jié)點設(shè)備。問題不在于是否系統(tǒng)會受到攻擊，而在于何時受到攻擊。安全的設(shè)計，風(fēng)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(tǒng)設(shè)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(xié)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(dāng)然，安全架構(gòu)的強度取決于其基礎(chǔ)。基礎(chǔ)層的四個方面非常重要，即：安全啟動過程、調(diào)試安全性、基于硬件的設(shè)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(diào)試安全性、密鑰 /ID、加密加速、可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)、安全存儲、網(wǎng)絡(luò)安全、軟件知識產(chǎn)權(quán)(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(yōu)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(jié)省部件和相關(guān)的印刷電路板(PCB)成本。部件更少意味著設(shè)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(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)即可連接外部 ADC。
這個 PRU-ICSS 外圍設(shè)備也可以用于執(zhí)行 HSR/PRP 等冗余協(xié)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(gòu)，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(zhí)行 ADC 配置和數(shù)據(jù)采集功能;此固件可根據(jù)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(tǒng)用于 HSR/ PRP 處理。每個 PRU-ICSS 支持兩個以太網(wǎng)端口，因此總共有四個以太網(wǎng)端口。
AM6x PRU-ICSS 的三個 RISC 內(nèi)核，運行頻率為250MHz，可進行零交叉檢測和有限脈沖響應(yīng)濾波等基礎(chǔ)信號處理。處理后數(shù)據(jù)可通過內(nèi)存訪問硬件引擎?zhèn)鬏斨?Cortex-R5F 子系統(tǒng)內(nèi)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(shè)備的實時算法。每個 Cortex-R5F 內(nèi)核都具有快速訪問的64KB TCM 數(shù)據(jù)內(nèi)存。由于 Cortex-R5F 是實時處理內(nèi)核，可以用該子系統(tǒng)執(zhí)行終端設(shè)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(nèi)核，可執(zhí)行常規(guī)應(yīng)用程序管理以及運行通信協(xié)議堆棧。每個內(nèi)核能以 的最大速度運行，從而為復(fù)雜的堆棧和協(xié)議管理提供充足的計算能力。
結(jié)論
AM6x 處理器為多功能繼電保護設(shè)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(xiàn)多種通信接口和協(xié)議。使用 PRU-ICSS 能夠提供可定制接口和協(xié)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(xié)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(dāng)前繼電保護裝置 HMI 功能日益豐富的發(fā)展趨勢，可為操作人員提供設(shè)備狀態(tài)和配置信息以及培訓(xùn)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(shè)備即可直接連接外圍設(shè)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(nèi)存的完整 ECC，片上內(nèi)存、外圍設(shè)備和片內(nèi)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(shè)計實現(xiàn)高達 IEC 61508的 SIL 3級標(biāo)準功能的系統(tǒng)。
AM6x 處理器支持諸多安全功能(如安全啟動、調(diào)試安全性、密鑰 / ID、加密加速、TEE、安全存儲、網(wǎng)絡(luò)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(shè)備免遭惡意攻擊。
