智能电网

德州仪器:用于继电掩护设备的Sitara? AM6x处理器

2025China.cn   >2019年05月17日

  全球电力基础举措措施的感化是衔接发电、输电和配电体系,通常称作电网。

  为了提高全体靠得住性、利用率和效力,人咱咱们正在增长更多的通讯功效和传感器,从而使电网加倍智能,通常称作智能电网。

  变电站是智能电网基础举动措施中的重要构成部分,通常位于输电线路和配电线路,此中包含为室庐和企业供电的低压配电线路。变电站可以或许或许改变输电电压电平,履行重要功效,如馈线开关、负载开关和断路器掩护和资源连续监控等,从而提高利用率、效力并缩短停机光阴。

  多功效继电掩护器是电网中应用的一大关键终端设备。多功效继电掩护器供给掩护和节制功效,设置设备摆设多功效掩护继电器可以或许或许为发电机、输电线、电机、母线或其余电网设备供给掩护。

  多功效继电掩护器在智能电网发挥的感化包含:

  ● 检测电网的异常电力体系行为,收回报警并采取必要行为

  ● 采样模拟输入,计算其所衔接设备的电气参数,并根据设置设备摆设的功效采取行为,包含向断路器发送跳闸信号从而掩护设备

  ● 提高电力体系(包含发电、输电和配电)的效力和靠得住性

  ● 根据国际电工委员会(IEC)61850 和 IEC 62439

  模范的请求,颠末过程冗余通讯基础举措措施,如高可用性无缝冗余(HSR)/ 并行冗余协定(PRP)将最新状况信息发送至会合监控体系。

  继电掩护器包含交换模拟模块和处理器模块。交换模拟模块与多路电压和电流输入相连,将输入缩放到 ADC 规模,并应用高精度 ADC 将模拟输入转换为数字量。处理器模块从模拟输入模块中获得采样的数字量,并处理数字滤波等样本数据,计算电气参数,履行掩护算法并将参数传送到中央网络。

  本白皮书重点介绍掩护继电器中的处理器模块。

  继电掩护器中的处理器模块通常如图1所示,对数据履行收集样本、处理和通讯功效,而且还供给 HMI 和诊断功效。

  处理器模块应用串行 / 并行接口从模数转换器(ADC)收集数字数据,并对这些数据停止数字滤波,以平滑输入信号并消除异常。

  颠末滤波后的数据会交由继电掩护算法做进一步处理,该算法根据继电掩护应用的请求,阐发所监控的参数是否在正当规模内,例如用于终端设备掩护的数据,如过载、差分、反向功率等是否正当,并按预定时序向断路器供给跳闸信号。滤波后的数据还用于测量和诊断电气参数。通讯单还└分歧的通讯接口和所需的协定,包含 HSR/PRP 等冗余协定,并向 SCADA 监控和数据采个人系等更高层级申报事件和状况。图形 LCD 屏可以或许或许图形办法显示参数和受掩护设备的状况,便于疾速阐发。

  继电掩护器处理器模块中的典型数据流(图片来源于德州仪器)

  处理器模块在继电掩护器中解决的难题

  跟着智能电网取代传统电网,和智能电网安排的增长,处理器模块必需解决如下难题:

  ● 与内部 ADC 模块对接具有多接口和多协定功效

  ● 高机能处理收集的 ADC 数据

  ● 应用多核子体系履行高级数字信号处理(DSP)、转换和数据办理功效

  ● 支撑 HSR/PRP 等冗余工业以太网协定

  ● 展现直观且丰富的人机界面(HMI)

  ● 支撑高靠得住性、长开机光阴(POH)和 ECC 纠错功效(ECC)

  ● 支撑高级平安功效和功效性平安

  ● 具有普遍的外围设备,可衔接多个串行和并行接口

  用于多功效继电掩护器处理器模块应用的 Sitara? AM6x 设备

  处理器模块可能必要多个处理子体系来应对分歧的处理必要和难题。将功效组合到更少的设备或单个设备上可低落本钱和复杂性。

  德州仪器(TI)的 Sitara? AM6x 处理器是单芯片解决计划,非常得当继电掩护设备中的处理器模块。下图是 AM6x 处理器系列 AM654x 处理器的框图。针对上面列出的难题,下面一一介绍 AM6x 处理器的相应功效。

  AM654x处理器框图(图片来源于德州仪器)

  从具有分歧接口和协定的内部 ADC 收集高速和高机能数据。处理器模块的重要难题之一在于可以或许或许同时衔接多个内部 ADC,而且 ADC 可能具有分歧接口范例,如串行外设接口(SPI)等。同时处理器必要顺应分歧输入频率的变更时序请求,以便履行相干采样。让环境加倍复杂的是,很多 ADC 制作商已经定义了ADC 接口,必要处理器具有定制时序能力间接对连 ADC 收集数据。

  TI AM6x 处理器用可编程实时单位子体系和工业通讯子体系(PRU-ICSS)解决了与多范例 ADC 外围设备对接的难题。它可间接与内部 ADC 衔接,从而节省物料清单(BOM)本钱。PRU-ICSS 接口可以或许或许与 ADC 接口时序相干采样,从而改良了信号链机能,削减频谱泄漏。

  履行高级数字处理运算和数据办理功效的多核处理架构。为了满意高机能处理请求,包含先辈的信号处理和办理功效,AM6x 器件系列至多可将四个 NEON 扩大的 Arm? Cortex?-A53内核和一个双 Arm Cortex-R5F 微节制器(MCU)子体系组合在一路。Cortex-A53内核设置在具有同享 L2内存的双核集群中,4个Cortex-A53可以或许或许组建成两个高机能处理子单位。Cortex-R5F 内核可用于 ADC 样本数据过滤和数字信号处理,而 Cortex-A53 内核可用于继电掩护办理和以太网通讯功效。

  支撑以太网协定,包含 HSR/PRP 等冗余工业协定。针对变电站主动化的高靠得住性和可预测性的以太网网络必要来自于 IEC 62439模范,偏向是为了创建低本钱、易掩护、可互操纵并具 有内置 冗 余的通讯网络基础举动措施。IEC 62439-3第4和第5条则定义了高可用性无缝冗余(HSR) 和并行冗余协定(PRP)。

  AM6x 处理器利用 PRU-ICSS 子体系为 HSR/PRP 供给支撑。该实现过程包含 PRU-ICSS 固件、驱动程序(Linux?/ 实时操纵体系(RTOS))、应用程序和简略网络办理协定支撑。PRU-ICSS 固件用于处理链路冗余,而主核(Cortex-A53)卖力运行驱动程序和应用程序代码。TI 免费供给 PRU-ICSS HSR 固件和驱动程序(基于 Linux 和 TI-RTOS),并对 AM6x PRU-ICSS 停止了进级以支撑千兆 HSR/PRP。

  应用 UART/SPI 端口可实现其余异步或同步通讯接口,也可应用 PRU-ICSS 来添加其余通用异步收发端口或 SPI 端口。PRU-ICSS 内核也可用于定制通用输入/输入操纵和深度封包检测。

  展现直观且丰富的 HMI。多功效继电掩护设富箍梢曰蛐砘蛐装备直观的 HMI 图形 LCD,用于显示波形、趋向、电气参数、设置设备摆设和状况。丰富的 HMI 有助于低落培训本钱,简化阐发,并最大限度地低落错误设置设备摆设的几率。AM6x 处理器具有集成 LCD 节制器和3D 图形加快器,便于设计丰富的 HMI 功效。

  颠末过程支撑高靠得住性、久长的 POH 和完备的 ECC 提高了靠得住性和诊断能力。继电掩护器需有高靠得住性和更长的应用寿命,而且通常在极端环境中运行。而 AM6x 可以或许或许完全称心这些请求。普遍覆盖内存的 ECC 功效和其余一些低落故障率的设普略使得复杂的片上体系实现为了最低软失效力。

  AM6x 处理器工业版结温(Tj)规模为-40°C至105°C。但当器件工作在最高结温105°C,Cortex-A53 内核频率工作在 1.0GHz,器件其余部分则以最高频率工作的环境下,AM6x 处理器的估计工作寿命为100,000 POH。

  工业应用的另外一常见请求为操纵设备的寿命超过100,000 POH。对付应用更低结温95°C的应用,AM6x 处理器的估计工作寿命高达200,000 POH。

  AM6x 处理器包含可持续运行的丰富的硬件诊断功效。例如异步锁 Cortex-R5F 架构、内存办理单位、防火墙、内存单比特检测、双比特检测和奇偶校验功效、电源诊断、温度传感器和复位诊断。AM6x 平安手册中详细介绍了诊断功效。

  支撑高级平安功效和功效平安特性。功效平安是对掩护继电器的一项新请求,这是因为它通常是掩护电网基础举措措施的末了一道防线。功效平安部梢曰蛐砘蛐砣体系设计师对体系疾速诊断部件故障并防止损坏的能力加倍充斥信心。TI 对 AM6x 处理器设计了功效平安特性和完备的 ECC 特性。

  AM6x 处理器可用于高达 IEC 61508平安完备性品级(SIL)3级的工业节制应用。对付集成 AM6x 处理器并办理体系性故障和随机故障的体系,TI 供给 SafeTI? 设计包以帮助称心它咱咱们的功效性平安请求。按照模范请求,TI 遵照自力认证的硬件和软件开拓流程和需要跟踪、文件体例和验证。

  TI 供给软件合规程序包和编译器认证对象包以办理体系故障。对付随机故障,TI 供给可设置设备摆设的 AM6x 故障情势效果和诊断阐发对象,可详细说明器件设计和诊断覆盖规模的故障情势和偏向。SafeTI? 设计包还供给了平安阐发申报,此申报是 AM6x 处理器作为自力平安单位时第三方评估的认证概要。

  目前,人咱咱们对网络基础举措措施攻击的担忧处于历史最高程度。平安威胁不停存在,而跟着智能电网中物联网的疾速普及,这些威胁可能来自任何地方,甚至是毫不起眼的低本钱终端节点设备。成就不在于是否体系会遭到攻击,而在于什么时候遭到攻击。平安的设计,危险办理与掩护措施同等重要。鉴于掩护继电器可能会遭到攻击,体系设计职员必需将平安放在第一名。

  软件和硬件平安功效必需协同工作,从而获得比单独应用某一种解决计划更多的掩护层。比唬平安架构的强度取决于其基。基础层的四个方面非常重要,即:平安启动过程、调试平安性、基于硬件的设备密钥/ ID 和加密加快。

  AM6x 处理器支撑诸多平安功效,如平安启动、调试平安性、密钥 /ID、加密加快、可信履行环境(TEE)、平安存储、网络平安、软件知识产权(IP)掩护、初始平安编程、平安固件和软件。

  处理器模块 BOM

  对处理器模块来说,低落 BOM 不停是一大优先事项。低落 BOM 本钱的一种办法是削减器件的应用量,如许有助于节省部件和相干的印刷电路板(PCB)本钱。部件更少意味着设计更简略,PCB 布线成就也更少。

  AM6x 处理器集成为了 PRU-ICSS,无需应用现场可编程门阵列(FPGA)即可衔接内部 ADC。

  这个 PRU-ICSS 外围设备也可以或许用于履行 HSR/PRP 等冗余协定。AM6x 处理器集成为了 LCD 节制器和3D 图形加快器,另外还具有高机能多核架构,非常得当于处理器模块。

  应用 AM6x 的处理器模块示例

  基于 AM6x 处理器的多功效继电掩护器示例(图片来源于德州仪器)

  图3 是基于 AM6x 处理器的多功效继电掩护器示例。借助 SPI 或多个 SPI 的接口信号,内部 ADC 可间接衔接到 PRU-ICSS。PRU-ICSS 在 PRU-ICSS 固件节制下履行 ADC 设置设备摆设和数据收集功效;此固件可根据所选的内部 ADC 停止自定义。

  AM6x 处理器包含三个 PRU-ICSS 模块。一个用于 ADC 接口,另外两个 PRU-ICSS 子体系用于 HSR/ PRP 处理。每个 PRU-ICSS 支撑两个以太网端口,因此总共有四个以太网端口。

  AM6x PRU-ICSS 的三个 RISC 内核,运行频率为250MHz,可停止零交叉检测和有限脉冲相应滤波等基础信号处理。处理后数据可颠末过程内存访问硬件引擎传输至 Cortex-R5F 子体的诖。

  AM6x 处理器包含两个运行频率为400MHz 的 Arm Cortex-R5F MCU,可实时处理滤波、归一化和其余一些终端设备的实时算法。每个 Cortex-R5F 内核都具有疾速访问的64KB TCM 数据内存。因为 Cortex-R5F 是实时处理内核,可以或许或许用该子体系履行终端设备的操纵和处理命令。

  AM6x 处理器还具有四个 Arm Cortex-A53处理器内核,可履行常规应用程序办理和运行通讯协定堆栈。每个内核能以1.1GHz 的最大速率运行,从而为复杂的堆栈和协定办理供给充足的计算能力。

  结论

  AM6x 处理器为多功效继电掩护设备中的处理器模块供给单芯片解决计划,可以或许或许间接衔接内部 ADC,并实现多种通讯接口和协定。应用 PRU-ICSS 可以或许或许供给可定制接口和协定,无需借助 FPGA 即可与 ADC 停止衔接。

  AM6x 处理器还可利用 PRU-ICSS 和 TI 免费供给的固件为千兆位 HSR/PRP 协定供给支撑。AM6x 处理器有三个 PRU-ICSS 模块,每个模块可用于 ADC 衔接或双端口 HSR/PRP。

  AM6x 处理器的集成 LCD 节制器和3D 图形加快器相符以后继电掩护装配 HMI 功效日益丰富的睁开趋向,可为操纵职员供给设备状况和设置设备摆设信息和培训视频。AM6x 处理器供给丰富的衔接选项,包含多个 UART、SPI、I2C、McASP、USB 和外围组件互连(PCIe)等,无需借助内部扩大设备即可间接衔接外围设备。

  AM6x 处理器的靠得住性和功效性平安功效包含器件中统统内存的完备 ECC,片上内存、外围设备和片内互连总线支撑丰富的硬件诊断功效。处理器的全体特性旨在帮助客户设计实现高达 IEC 61508的 SIL 3级模范功效的体系。

  AM6x 处理器支撑诸多平安功效(如平安启动、调试平安性、密钥 / ID、加密加快、TEE、平安存储、网络平安、软件 IP 掩护、初始平安编程、平安固件和软件),可掩护继电设备免遭恶意攻击。

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