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ADI公司供稿 數字技術對世界的改造將人類帶進信息時代，無論是消費電子、醫療設備、工業、汽車、或者航空及軍工領域，數字技術無處不在。然而，為信息化社會提供能源的電力系統在數字化技術應用上卻走在了后面，由于種種原因，全球大部分國家的電力網絡老化，電力設備、電力管理的數字化程度低，電力使用效率低下，電力管理手段落后。 一場金融危機將智能電網這個為絕大多數人所不熟悉的概念變成全球熱門話題，為促進經濟復蘇以及隨著全球各國面臨節能減排的壓力增大，智能電網的節能作用、巨大的市場前景、社會效應讓包括谷歌、微軟、IBM等全球的巨頭關注，甚至進入一些主要國家的國家戰略規劃中。有研究數據顯示，到2020年，全球通過使用智能電網可減少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。 智能電網引入了“信息流”感念，即把電能流、信息流結合在一起，在傳輸能源的同時實現數據的采集，促進能源的合理有效利用和管理。通過優化模型對數據進行深度挖掘和分析，預測電能流的情況，如電壓變化和用電量分布，為發電、輸電、配電、用電各方及監管單位提供信息決策，最終實現清潔發電、高效輸電、動態配電、合理用電的智能電網的目標。 對于智能電網的概念，各國并無標準定義，事實上目前智能電網相關的各個環節的標準、架構等并無統一的標準。各個國家因為目標的差異，智能電網概念背后的實質內涵差別較大。中國國家電網公司給智能電網的定義是，以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，利用先進的通信、信息和控制技術，構建以信息化、自動化、互動化為特征的統一堅強智能化電網。很明顯，支撐中國（抑或全球）智能電網的將是通信技術、信息處理技術和控制技術，對應到相關的市場將涉及智能計量(智能電表)、電網智能化(網絡基礎設施及其控制)以及公用事業的信息技術應用(智能數據管理)。每一個領域都意味著一個龐大的新興市場，同樣也意味著背后將涉及復雜的相關標準游戲規則。 
圖1：智能電網將帶來的電力管理與應用的變革。 匯聚式處理器助您搶占先機 在智能電網成為熱門話題之前，各種數字技術在電力系統中的應用已經逐漸增多，由于在發電、輸電、配電以及用電端對相關數據進行采樣和測量，這為模數轉換器和MCU創造了大量進入電力系統的機會。近年來，電力二次設備的設計思路呈現出多樣化的趨勢，這與處理器的多樣化和靈活性的大大提高密不可分。隨著智能化技術需求的發展，數據處理能力、通信處理能力要求日益提高，而且產品的多規格、多標準共存的現實要求方案越來越高的設計靈活性，工程師們又開始把關注的目光轉移到DSP技術。DSP+MCU的雙處理器方案解決了系統的控制和運算需求，但由此增加的開發復雜性、BOM成本帶來了新的挑戰。 （一） 匯聚式處理器的獨特優勢 電力設備全球領導企業西門子對智能電網的一個重要觀點就是靈活性—不僅滿足客戶當前的需求，同時能應對未來發展的變革與挑戰。事實上，這種靈活性的要求涉及到智能電網相關的所有基礎設備，電力設備企業在未來相當長一段時間內，應對智能電網市場需求的變革和挑戰將成為主旋律。 傳統電網向智能電網轉變，要求電力設備具有更強的接口能力、通信能力和數據處理能力，這對電力設備的硬件方案平臺的選擇提出了極高的要求，這也應對了當前工業應用和測試測量支持以太網/無線連接實現易用性、針對高品質測量的簡單連接、系統的可編程靈活性、從8/16向32位解決方案轉移的發展趨勢。此外，由于電網是封閉的網絡，同時涉及到國計民生的重大安全問題，智能電網標準在全球很難實現統一，多種標準共存將是必然。為此，能靈活滿足多種標準和功能要求的產品方案非常重要，這使得結合了MCU和DSP優勢、具有軟件設計靈活性和強大處理能力的匯聚式處理器方案平臺具有明顯優勢。
圖2：MCU、DSP和ASIC方案靈活性與運算能力比較。 Blackfin是ADI公司推出匯聚式處理器，基于由ADI和Intel公司聯合開發的微信號架構，它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種獨特匯聚式架構很適合于全信號處理/分析能力要求，同時還可在單內核器件上提供高效控制任務執行能力。這種匯聚架構非常符合包括智能電表在內的智能電網基礎設備的數據處理、各種高性能算法（如諧波分析）、通信功能的軟件實現，以及對各種系統控制功能的支持。 基于Blackfin處理器的方案可以方便地利用軟件來實現不同電力計量相關協議和各種通信協議算法，以及滿足各種功能組合要求。Blackfin處理器的強大處理能力使電力設備制造商能輕松實現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不斷發展的標準和新型功能要求，并大大降低產品研發和制造成本。 自從2001年推出第一款匯聚式處理器產品，ADI公司先后共推出了若干系列、數十款具有各種功能組合和性能特點的產品，從300MHz對756MHz，從單核架構到雙核架構，價格最低低至5美元以下。強大的處理能力、高性能以及低成本特點符合電力二次設備市場的發展方向。 在外設上，Blackfin系列提供了豐富的選擇，包括片內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、通用定時器、看門狗、實時時鐘、GPIO管腳等，從而給客戶提供了極大的設計便利性和豐富的可用片上設計資源。 ADI還提供業界一流的工具、初學套件與支持，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++®集成開發與調試環境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite®評估版硬件。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設計和軟件開發環境，使得電力二次設備客戶無論是移植老的應用方案還是重新開發新的應用方案，都非常方便。 同時，ADI在傳感器（如電表計量芯片）、模數/數模轉換器、運算放大器以及電力線通信等領域具有全球領先地位，基于Blackfin處理器的優化系統方案平臺和ADI領先的模擬器件技術及電力線通信技術，從而有利于形成一個無縫連接的高性能元器件平臺，同時實現功能和性能的最優化。 （二）廣泛的成功設計驗證 ADI公司的DSP處理器產品在電力設備的應用歷史可以追溯到上個世紀90年代。由于ADI在工業應用領域一直有良好的口碑和產品，電力二次設備設計中大量采用了ADI的ADC、運算放大器以及DSP處理器。其中DSP處理器主要使用定點DSP處理器ADSP21XX系列，以及浮點DSP處理器ADSP2106X系列。 由于以往的DSP或MCU的處理能力不足，大多數老的設計方案都是采用多處理器架構。隨著市場對設備成本和開發周期要求的不斷提高，伴隨著DSP處理器的性能不斷提升，新的電力二次設備設計越來越多地采用以Blackfin匯聚式處理器為代表的單芯片設計思路。這樣不僅能夠大大降低設備成本，也能簡化開發平臺，節省大量的開發費用。 Blackfin處理器自推出以來就在電力系統中獲得廣泛應用。HVAC與HVDC電力系統的數字保護、自動化與控制系統的全球領先企業南京南瑞繼保電氣有限公司在其眾多的產品中就使用了Blackfin處理器，而此前絕大多數嵌入式處理都基于通用微處理器架構。南瑞繼保發現，在電網故障與短暫事件的檢測與響應等關鍵應用中，Blackfin處理器解決方案的卓越性能有效地保證了國家電網的可靠性。Blackfin數字信號處理器在這些工業應用中取得的成功，高性能絕對是一個非常重要的因素，連接轉換器與開關等輸入與輸出設備的能力也非常重要，快速測量并分析系統條件的能力也相當突出是另一個重要因素。此外，低功耗、低成本這也是在如此多的應用中選擇ADI DSP的一個顯著原因。 （三）典型應用案例分析 智能電網建設的主要受益者是智能電表生產商和二次設備企業。由于智能電表技術相對成熟，配電網絡智能化的發展速度將快于輸電網絡。在智能電網建設初期，對以電網調度系統和數字化變電站為主的二次設備的需求將大大增加AMI(高級計量體系)是電網智能化建設的第一步，在智能電網的投資中所占比例最大，主要涉及大量的智能電表、傳感器等設備 而前不久，電力計量技術全球領導企業西門子宣布在其推出的最新自動抄表信息系統（AMIS）的智能電表的核心引擎利用了Blackfin處理器——BF531極具成本效益的計算性能，實現了創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桿。西門子AMIS系統覆蓋整個電力系統，包括從電廠到用戶端。作為用戶計量終端的智能電表計量用戶用電量，并對電網進行監測，將數據發送至控制中心。 該系統使用電力線進行通信，避免了其他方案所用的無線通信和互聯網通信所增加的成本。該系統具有極佳的擴展靈活性，對未來的其他可能的標準保持開放(包括對其他通信媒介的支持)，通過簡單的在線軟件下載升級即可實現新的標準。采用AMIS多功能智能電表，單一的電表平臺可以滿足所有的收費模式，可以在控制中心自動完成電表的計費模式修改。因此，不必為每次費率的修改而改變電表，您可以根據用戶的要求在任意時間自動采集用戶用電數據，也不需要到現場即可遠程控制用戶斷電操作，可以實現預付費功能或限制用電功能，電力企業還可以記錄針對每個用戶的供電質量(每個階段的電壓、短期故障和長期故障等)。 在AMIS設計初期，西門子公司就認識到要實現上述功能特性目標，這些智能電表就需要以較低的單價提供非凡的表內處理能力、動態和電網一體化通信以及真正的可擴展性。西門子公司選擇了Blackfin匯聚處理器，就是因為該處理器具有同時作為DSP和MCU進行無縫工作的能力，Blackfin處理器負責計算用戶用電情況，并執行電力線調制解調器功能，通過電力線集中器進行高效雙向通信，特別適合西門子AMIS的高密度處理和動態通信應用要求。低成本的Blackfin處理器具有處理儀表級原始實時用電數據以及實現儀表和電網之間通信的能力，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存、低功耗之外，另一個重要原因在于該處理器支持可編程。西門子的主要市場在歐洲，但目前歐盟對于電力線通信的標準還沒有統一，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準的智能電網。而利用Blackfin的可編程特性，即便在電表設置安裝之后仍可進行變更來支持不同電力線通信標準。基于Blackfin的智能電表不僅能夠滿足目前的設計要求，其還為下一代技術更新做好了準備。隨著未來標準的發展，這些應用只需通過電網即可下載到基于Blackfin的儀表部件中，實現無縫傳輸。 事實上，西門子選擇Blackfin的經驗對于智能電網的二次設備以及所有電力計量設備企業來說也相同的借鑒意義，智能電網的標準（包括產品功能定義）將在很長的時間內不斷演進且全球難以實現統一，產品方案平臺的設計靈活性和擴展性對于企業滿足全球市場來說至關重要。 |
