匯聚式處理器為智能電網(wǎng)設(shè)備市場提供核心平臺

數(shù)字技術(shù)對世界的改造將人類帶進(jìn)信息時代，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。

一場金融危機(jī)將智能電網(wǎng)這個為絕大多數(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、巨大的市場前景、社會效應(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)化模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，預(yù)測電能流的情況，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、動態(tài)配電、合理用電的智能電網(wǎng)的目標(biāo)。

對于智能電網(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、自動化、互動化為特征的統(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)，對應(yīng)到相關(guān)的市場將涉及智能計(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)。每一個領(lǐng)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(fù)雜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)游戲規(guī)則。

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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、配電以及用電端對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和測量，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。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，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
電力設(shè)備全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)西門子對智能電網(wǎng)的一個重要觀點(diǎn)就是靈活性—不僅滿足客戶當(dāng)前的需求，同時能應(yīng)對未來發(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)長一段時間內(nèi)，應(yīng)對智能電網(wǎng)市場需求的變革和挑戰(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，這對電力設(shè)備的硬件方案平臺的選擇提出了極高的要求，這也應(yīng)對了當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用和測試測量支持以太網(wǎng)/無線連接實(shí)現(xiàn)易用性、針對高品質(zhì)測量的簡單連接、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。此外，由于電網(wǎng)是封閉的網(wǎng)絡(luò)，同時涉及到國計(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、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具有明顯優(yōu)勢。
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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)的微信號架構(gòu)，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(dú)特匯聚式架構(gòu)很適合于全信號處理/分析能力要求，同時還可在單內(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756MHz，從單核架構(gòu)到雙核架構(gòu)，價格最低低至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、通用定時器、看門狗、實(shí)時時鐘、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，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無縫連接的高性能元器件平臺，同時實(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)。隨著市場對設(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，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)字信號處理器在這些工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)換器與開關(guān)等輸入與輸出設(shè)備的能力也非常重要，快速測量并分析系統(tǒng)條件的能力也相當(dāng)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(yīng)用中選擇ADI DSP的一個顯著原因。

（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，并對電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測，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，對未來的其他可能的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)。采用AMIS多功能智能電表，單一的電表平臺可以滿足所有的收費(fèi)模式，可以在控制中心自動完成電表的計(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間自動采集用戶用電數(shù)據(jù)，也不需要到現(xiàn)場即可遠(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)還可以記錄針對每個用戶的供電質(zhì)量(每個階段的電壓、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提供非凡的表內(nèi)處理能力、動態(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的高密度處理和動態(tài)通信應(yīng)用要求。低成本的Blackfin處理器具有處理儀表級原始實(shí)時用電數(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。
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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(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)品方案平臺的設(shè)計(jì)靈活性和擴(kuò)展性對于企業(yè)滿足全球市場來說至關(guān)重要。

ADI打造智能電網(wǎng)全面技術(shù)方案

ADI促進(jìn)全球電力行業(yè)發(fā)展的重要力量，作為模擬半導(dǎo)體技術(shù)的主導(dǎo)企業(yè)，其傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品在電力二次設(shè)備中得到的大量應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界已有超過2.25億塊電表采用了ADI公司的電能計(jì)量技術(shù)，ADI電力計(jì)量芯片以高品質(zhì)、高可靠性及高性能而享譽(yù)全球。而現(xiàn)在，ADI業(yè)界領(lǐng)先的匯聚式DSP技術(shù)將繼續(xù)為全球智能電力計(jì)量應(yīng)用發(fā)揮越來越重要的作用。ADI提供的種類廣泛的半導(dǎo)體解決方案，幫助電力設(shè)備企業(yè)成功應(yīng)對從電表到變電站等各個環(huán)節(jié)提出的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。未來ADI未來將進(jìn)一步提高芯片集成度，將混合信號處理、Flash和新的接口集成到DSP。

“智能電網(wǎng)”技術(shù)開發(fā)工程師依靠ADI公司先進(jìn)的數(shù)字和模擬信號處理技術(shù)來推動驅(qū)動下一代能源基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。ADI公司的集成電路針對各種智能電網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，從電表解決方案到電網(wǎng)集成的動態(tài)管理和通信系統(tǒng)等。對于電力基礎(chǔ)設(shè)施和用戶端應(yīng)用，ADI的技術(shù)使開發(fā)工程師能夠設(shè)計(jì)出可提高能效和管理靈活性的智能系統(tǒng)。ADI 公司的集成電路針對各種智能電網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，從電表解決方案到電網(wǎng)集成的動態(tài)管理和通信系統(tǒng)等。對于電力基礎(chǔ)設(shè)施和用戶端應(yīng)用，ADI 的技術(shù)使開發(fā)工程師能夠設(shè)計(jì)出可提高能效和管理靈活性的智能系統(tǒng)。

ADI看到了電力應(yīng)用巨大的潛在市場，并矢志為用戶提供最優(yōu)化的技術(shù)解決方案。不久前這家公司宣布，同南瑞繼保電氣有限公司合作共同成立其在華首家工業(yè)領(lǐng)域的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，以加強(qiáng)模擬和數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用研究，由南瑞繼保從電力系統(tǒng)自動化應(yīng)用的角度出發(fā)，對信號處理技術(shù)提出需求、反饋，然后ADI據(jù)此設(shè)計(jì)出符合電力系統(tǒng)自動化應(yīng)用的芯片，從而提高模擬和數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用水平，減少信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用成本。ADI還與另外一家中國本土電力系統(tǒng)自動化及繼保裝置研發(fā)企業(yè)北京四方繼保建立了類似的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，通過這種與本土企業(yè)的緊密合作來加強(qiáng)對中國電力設(shè)備企業(yè)的技術(shù)支持。

中國政府正在擬定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，并已經(jīng)啟動智能電網(wǎng)應(yīng)用的先導(dǎo)工作，同時基于中國國家電網(wǎng)的統(tǒng)一管理體制，中國將是智能電網(wǎng)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的先行國家。中國無論在智能電網(wǎng)的技術(shù)研究還是技術(shù)應(yīng)用上，與任何國家相比都并不落后，中國本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來企業(yè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。