數(shù)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(yī)療設備、工業(yè)、汽車、或者航空及軍工領域，數(shù)字技術無處不在。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(wǎng)絡老化，電力設備、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，為促進經(jīng)濟復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(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現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，促進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(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。
對于智能電網(wǎng)的概念，各國并無標準定義，事實上目前智能電網(wǎng)相關的各個環(huán)節(jié)的標準、架構等并無統(tǒng)一的標準。各個國家因為目標的差異，智能電網(wǎng)概念背后的實質(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)展的堅強電網(wǎng)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(tǒng)一堅強智能化電網(wǎng)。很明顯，支撐中國（抑或全球）智能電網(wǎng)的將是通信技術、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(wǎng)智能化(網(wǎng)絡基礎設施及其控制)以及公用事業(yè)的信息技術應用(智能數(shù)據(jù)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(guī)則。
匯聚式處理器助您搶占先機
在智能電網(wǎng)成為熱門話題之前，各種數(shù)字技術在電力系統(tǒng)中的應用已經(jīng)逐漸增多，由于在發(fā)電、輸電、配電以及用電端對相關數(shù)據(jù)進行采樣和測量，這為模數(shù)轉(zhuǎn)換器和MCU創(chuàng)造了大量進入電力系統(tǒng)的機會。近年來，電力二次設備的設計思路呈現(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、多標準共存的現(xiàn)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(zhuǎn)移到DSP技術。DSP+MCU的雙處理器方案解決了系統(tǒng)的控制和運算需求，但由此增加的開發(fā)復雜性、BOM成本帶來了新的挑戰(zhàn)。
（一） 匯聚式處理器的獨特優(yōu)勢
電力設備全球領導企業(yè)西門子對智能電網(wǎng)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(fā)展的變革與挑戰(zhàn)。事實上，這種靈活性的要求涉及到智能電網(wǎng)相關的所有基礎設備，電力設備企業(yè)在未來相當長一段時間內(nèi)，應對智能電網(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，要求電力設備具有更強的接口能力、通信能力和數(shù)據(jù)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(yè)應用和測試測量支持以太網(wǎng)/無線連接實現(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，同時涉及到國計民生的重大安全問題，智能電網(wǎng)標準在全球很難實現(xiàn)統(tǒng)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(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(yōu)勢。
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，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(nèi)核器件上提供高效控制任務執(zhí)行能力。這種匯聚架構非常符合包括智能電表在內(nèi)的智能電網(wǎng)基礎設備的數(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現(xiàn)不同電力計量相關協(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處理器的強大處理能力使電力設備制造商能輕松實現(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不斷發(fā)展的標準和新型功能要求，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的產(chǎn)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(fā)展方向。
在外設上，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(yè)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(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計和軟件開發(fā)環(huán)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(fā)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(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)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(yōu)化系統(tǒng)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(xiàn)功能和性能的最優(yōu)化。
（二）廣泛的成功設計驗證
ADI公司的DSP處理器產(chǎn)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(yè)應用領域一直有良好的口碑和產(chǎn)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(shù)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(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(fā)平臺，節(jié)省大量的開發(fā)費用。
Blackfin處理器自推出以來就在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應用。HVAC與HVDC電力系統(tǒng)的數(shù)字保護、自動化與控制系統(tǒng)的全球領先企業(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。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(wǎng)的可靠性。Blackfin數(shù)字信號處理器在這些工業(yè)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(zhuǎn)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(tǒng)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(wǎng)建設的主要受益者是智能電表生產(chǎn)商和二次設備企業(yè)。由于智能電表技術相對成熟，配電網(wǎng)絡智能化的發(fā)展速度將快于輸電網(wǎng)絡。在智能電網(wǎng)建設初期，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備的需求將大大增加AMI(高級計量體系)是電網(wǎng)智能化建設的第一步，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、傳感器等設備
而前不久，電力計量技術全球領導企業(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極具成本效益的計算性能，實現(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。作為用戶計量終端的智能電表計量用戶用電量，并對電網(wǎng)進行監(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(xiàn)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(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)場即可遠程控制用戶斷電操作，可以實現(xiàn)預付費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設計初期，西門子公司就認識到要實現(xiàn)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(nèi)處理能力、動態(tài)和電網(wǎng)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(zhí)行電力線調(diào)制解調(diào)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(tài)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(shù)據(jù)以及實現(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。
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準還沒有統(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準的智能電網(wǎng)。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?；贐lackfin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(fā)展，這些應用只需通過電網(wǎng)即可下載到基于Blackfin的儀表部件中，實現(xiàn)無縫傳輸。
事實上，西門子選擇Blackfin的經(jīng)驗對于智能電網(wǎng)的二次設備以及所有電力計量設備企業(yè)來說也相同的借鑒意義，智能電網(wǎng)的標準（包括產(chǎn)品功能定義）將在很長的時間內(nèi)不斷演進且全球難以實現(xiàn)統(tǒng)一，產(chǎn)品方案平臺的設計靈活性和擴展性對于企業(yè)滿足全球市場來說至關重要。
ADI打造智能電網(wǎng)全面技術方案
ADI促進全球電力行業(yè)發(fā)展的重要力量，作為模擬半導體技術的主導企業(yè)，其傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品在電力二次設備中得到的大量應用。據(jù)統(tǒng)計，全世界已有超過2.25億塊電表采用了ADI公司的電能計量技術，ADI電力計量芯片以高品質(zhì)、高可靠性及高性能而享譽全球。而現(xiàn)在，ADI業(yè)界領先的匯聚式DSP技術將繼續(xù)為全球智能電力計量應用發(fā)揮越來越重要的作用。ADI提供的種類廣泛的半導體解決方案，幫助電力設備企業(yè)成功應對從電表到變電站等各個環(huán)節(jié)提出的設計挑戰(zhàn)。未來ADI未來將進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)”技術開發(fā)工程師依靠ADI公司先進的數(shù)字和模擬信號處理技術來推動驅(qū)動下一代能源基礎設施的發(fā)展。ADI公司的集成電路針對各種智能電網(wǎng)應用進行了優(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。對于電力基礎設施和用戶端應用，ADI的技術使開發(fā)工程師能夠設計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)應用進行了優(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。對于電力基礎設施和用戶端應用，ADI 的技術使開發(fā)工程師能夠設計出可提高能效和管理靈活性的智能系統(tǒng)。
ADI看到了電力應用巨大的潛在市場，并矢志為用戶提供最優(yōu)化的技術解決方案。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)領域的聯(lián)合實驗室，以加強模擬和數(shù)字信號處理技術在電力系統(tǒng)自動化領域的應用研究，由南瑞繼保從電力系統(tǒng)自動化應用的角度出發(fā)，對信號處理技術提出需求、反饋，然后ADI據(jù)此設計出符合電力系統(tǒng)自動化應用的芯片，從而提高模擬和數(shù)字信號處理技術在電力系統(tǒng)自動化領域的應用水平，減少信號處理技術在電力系統(tǒng)自動化領域的應用成本。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)合實驗室，通過這種與本土企業(yè)的緊密合作來加強對中國電力設備企業(yè)的技術支持。
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)應用的先導工作，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)技術開發(fā)和應用的先行國家。中國無論在智能電網(wǎng)的技術研究還是技術應用上，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)展的機遇。