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2018国家能源互联网大会系列报告之主旨报告3|李鹏:能源互联网关键装备—芯片化保护测控技术研究进展



李鹏


一、芯片化技术助推能源互联网装备发展

能源互联网涉及到生产、传输、存储、消费各个环节,有可再生、分布式互联性、开放性智能性的特征。运行环境复杂多样,控制策略智能高效,涉及到大量的终端设备要提供技术支撑保护、测量、控制设备是支撑能源互联网能够正常运行的关键设备,全面保障能源的路由安全、使用安全、存储安全。 基于能源互联网点多面广的条件,要求二次设备有高可靠性、高防护等级、低供销、小型化、支持即插即用的特点来提高运行稳定性,适应多样化的运行场景,方便运行维护。

能源互联网对装置新的需求驱动着保护、测量、控制设备更新换代,而核心元器件新技术的发展进一步促进了装置的升级换代,处理器单元作为继电保护装置的核心,在每次升级中发挥了关键作用。近年来,以可编程片上系统SOPC为代表的芯片技术发展迅猛,其处理速度、容量、可编程能力和接口性能取得重大突破,为推动继电保护装置的再次升级、能源互联网装备的成熟奠定了基础。2013年,李立浧院士和杨奇逊院士共同提出,采用一块高性能的芯片替代传统保护装置的众多分离元件,研制新一代继电保护装置。

二、芯片化保护测控关键技术

芯片化保护测控的个主要特征分别是高集成度、高性能、高防护等级和支持即插即用。高集成度是指通过单一芯片替代现有装置多个板卡,减少元器件数量;高性能是基于芯片内多核计算资源、片内FPGA并行处理,提升保护装置速动性;高防护等级通过降低装置功耗、提升装置防护等级和运行温度范围,实现装置就地无防护安装;即插即用是指通过缩小装置体积、标准化航空端子,自动接入网络实现装置的即插即用和以换代修。

首先基于单一芯片的保护安全架构,解决功能分区、代码实现等关键难题,达到以单一芯片实现保护装置整组功能的关键目标。芯片为保护核、管理核FPGA延续了被反复验证的保护模块化设计思路,又极大地简化装置的硬件设计,元器件数量从传统的近万个大幅减少至800个左右,可显著地降低装置的故障几率。为了提高单一芯片保护装置架构的可靠性,开发了基于多核非对成架构的多程容错体系能保证各模块业务独立的前提下,实现分级监控,将故障影响范围降至最小。

第二是芯片内数据处理和交互技术。究芯片内多通道采样全过程并行处理技术,开发了多通道数据并行处理单元,突破传统装置只能依靠单个CPU串行处理、顺序执行的瓶颈,显著提升多通道数据处理效率;开发片内高速数据总线,前端数据处理单元通过高速通道接入共享内存,三个内核间通过共享内存实现交互,性能大幅超过传统板间通信百兆左右的速度限制,传输延时理论上可以忽略不计,保证了芯片指令、业务数据的传输效率遵循关键数据不出芯片的原则,开展芯片内部关键业务和核心数据的安全路径设计,提出数据分级管理和安全校核机制,从物理层面保证了关键任务和数据都在芯片内部安全环境中进行基于芯片内部时钟全面同步的优势,研发片内多业务精确同步处理的机制,各线程的信号传递和任务同步精度达到微秒级,优于传统装置板卡之间毫秒级的任务调度精度,避免了任务错位和等待时延等问题

通过采样全过程并行处理、高速数据通道多项技术,芯片化保护的整组动作时间较传统数字化保护明显缩短,保护装置的性能有较大的提升。

第三是就地化技术。采用高防护密封技术,通过一体式机壳技术,多槽咬合代替传统的单槽挤压式实现装置密封,将装置防护等级由传统装置的IP20提升至IP67,保证装置完全防止灰尘入侵,在1米深水下可长时间运行;通过接触式散热、夹层隔热以及对特殊散热点的特殊处理,确保装置在-40℃-85℃的范围内稳定运行采用了多业务口、IP集成、元器件选型智能关断等技术大幅降低装置的功耗。通过以上技术手段提升芯片化保护测控装置的防护等级和环境适应性,保证保护装置可适用就地化无防护安装。

第四是装置即插即用技术。为支撑芯片化保护测控的运维需求,我们提出了以换待修,即插即用的运维策略,主要包括在物理上实现装置的快速插拔和逻辑上实现快速接入网络。另外,通过紧凑化设技术,将装置体积缩小至120mm*100mm*50mm为常规装置的1/40,有效支撑装置即插即用和更换式检修运维模式,提升运维效率。

  1. 芯片化保护测控实践验证与推广应用

芯片化保护测控技术实现装置结构简化、处理性能提升体积缩小,整机功能有效降低运行环境有效拓宽。总体而言,装置在安全可靠性性能效率资源节约工程应用方面比传统的保护技术有显著的提升

芯片化保护测控装置于20156月通过了开普实验室的第三方检测,包含电气性能及安全、电磁兼容、动模及通讯规约等检测项,多项试验数据表明芯片化保护的性能优于同类数字化保护。同年7月,装置通过了航天产品可靠性与质量检测实验室开展的加速寿命试验经过试验验证及可靠性分析,芯片化保护测控装置可以保证15年的寿命。

芯片化保护测控装置分别4个不同气候和环境特征的变电站安装进行示范验证,经受了潮湿、盐雾、污秽、雷雨等恶劣户外条件的考验,近3年的运行数据表明,装置运行稳定,期间经历了多次区外故障和手合操作,运行良好

芯片化保护测控装置简化了变电站网络接线,减少了二次屏柜的数量,节省了变电站占地面积,缩短了建设施工周期,减少了装置开发和安装调试运维工作量芯片化保护测控技术已推广应用于多个系列产品,基于该平台开发的系列装置已在国内外广泛应用,直接经济效益显著

  1. 最新研究进展

依托芯片化保护测控装置的成功研发经验,南方电网公司2018开展国产全自主电力专用CPU芯片研制,有力推动国产CPU技术发展。主要体现在三方面一是芯片化保护测控装置国产电力专用CPU芯片体系架构定义了完整的样本相关的技术可行性和关键指标经过了工业级多轮严格考验可作为国产全自主电力专用芯片定义的重要依据;二相关电力专用算法,已经固化成芯片的IP核,可以快速进入设计和制造领域,推动我国工业领域芯片化的快速发展;三是随着能源互联网的进一步推进,培育了芯片化保护测控装置广阔应用前景,为国产CPU芯片发展提供了巨大市场空间。

基于芯片化保护测控技术,南方电网开展10kV-500kV系列芯片化保护装置的研制,同类型装置也相继进入市场芯片化保护测控装置其软硬件平台可支撑能源路由器等能源互联网中的关键设备,还可将芯片化模式扩展应用至石油石化、轨道交通、航天等其他工控自动化领域,带动相关行业的产业升级。



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