行業動態
我國成功研發自主可控的第一款電力專用主控芯片“伏羲”

北極星智能電網在線訊:主控芯片作為電網二次裝備核心器件,涉及千萬量級的電網關鍵裝置,被業界稱為電力工業控制的“大腦”。長期以來,我國工業控制芯片高度依賴國外技術和產品,對我國能源行業供應鏈安全造成重大威脅。

南方電網公司針對我國能源工控領域的“卡脖子”問題,歷時8年,成功研發我國自主可控的第一款電力專用主控芯片——“伏羲”系列芯片。

目前,作為我國首個基于國產指令架構、國產內核的電力專用主控芯片“伏羲”,已先后在電網控制保護、自動化、新能源等多個電網關鍵場景進行驗證及應用。這標志著我國電力工控領域核心芯片已經從“進口通用”向“自主專用”轉變,對于逐步提高我國電網多領域場景新增設備的自主芯片覆蓋率,實現國產工業控制芯片規模化應用具有重要意義。

“數據雪崩”隱患亟待根除

“電網是實時控制的系統,其發電、輸電、用電是在瞬間完成的,無法存儲或臨時轉移。由于其數據量巨大,當電網發生故障或者擾動時,就可能面臨‘數據雪崩’。”據南方電網數字電網研究院有限公司總經理李鵬介紹,控制保護裝置主控芯片“伏羲”的職責,就是在這種突發狀況下保障電網的安全。

長期以來,我國工業控制芯片依賴國外技術和產品,這不僅無法滿足我國電力技術發展的迫切需求,而且對我國能源行業的供應鏈安全造成重大威脅,甚至存在重大的網絡安全和電網穩定隱患。

關鍵核心技術攻堅如何自主突破?自2013年開始,南方電網組織專門團隊,著手布局能夠適用于電網控制保護裝置核心芯片的設計研發。芯片的設計研發過程,非常耗時費力。8年多來,團隊攻克和經歷重重困難。

“其中一個挑戰,來自于芯片架構的設計。”據李鵬介紹,為了同時滿足工業控制系統快速性和靈活性的要求,“伏羲”芯片采用了異構系統架構。就是在一塊芯片上既要完成微秒級的實時信號處理,又要完成毫秒級的管理信號處理。“這就好比一只兔子和一只烏龜,在同一個跑道上賽跑,既要保持協同有序,還要能夠互相照應。”李鵬說,團隊通過實時調度等技術攻關,有效解決了芯片系統的穩定問題。

另一個挑戰,就是面臨“雪崩式”的數據涌入時,必須保證芯片能快速反應和處理。“通常這個環節都采用外掛電路實現,這一次我們采用‘獨門絕技’,把外掛電路通過納米級的芯片內部電路加以實現,并且固化成IP核,便于廣泛推廣。這項技術的創新性很強,成效也十分顯著。”李鵬說。

“自主可控”多級聯動防護

“我們做自主芯片有兩個層面的考慮:一是芯片的國產化,另一個是芯片的場景化支撐。大多數電力裝備長期依賴進口芯片,比如電網關鍵設備繼電保護核心芯片大多以進口芯片為主,部分關鍵芯片在國內市場占有率近90%,如若被禁運,那國內繼電保護領域將會造成重大影響。”李鵬表示。

據李鵬介紹,“伏羲”芯片的主要優勢首先就是可控,從核心知識產權到芯片設計、流片、封裝、測試全鏈條境內自主可控,最大限度保障了電網關鍵核心元器件供應鏈安全、穩定;其次是專用,“伏羲”芯片立足電力工控領域實時、安全、智能等計算需求,從芯片架構、資源、算法等方面開展場景化定制設計,從元件級實現對電網數字化、網絡化、電力電子化等發展需求的支撐。

網絡安全是能源工控領域的永恒主題。李鵬認為,“伏羲”芯片將為電網安全奠定堅實的原生安全基礎,未來的電網安全防護有賴從“芯片—裝備—系統”的多級聯動防護,不斷堵上安全漏洞。

“實現國產化替代后,從電網安全的角度來看,有兩方面的優點,第一是有效避免了進口器件、進口IP所可能隱藏的‘攻擊后門’;第二就是‘伏羲’芯片采用了非開源的國產指令架構,對于攻擊的黑客而言,它會是一個黑盒,所以在安全的防范上會更有效。”李鵬說。

產業規模化應用前景廣闊

“伏羲”系列芯片目前已應用于繼電保護、變電站自動化、配網自動化、計量自動化、邊緣計算、新能源等領域,后續將形成全系列產品,實現對工控領域全場景支撐。

“在成果應用和轉化方面,我們采用‘伏羲’芯片開發了一系列高性能的芯片化電力保護裝置,成效非常顯著,芯片化裝置的體積比傳統裝置減少了40倍,功耗降低了6倍,動作速度提升了20%。”李鵬說。

據李鵬介紹,“伏羲”系列芯片目前已具備基本成熟的產業規模化應用的條件,團隊未來將加強芯片在交通、能源、智慧社會等方面進行更多的研發和應用,同時致力于產業推廣,在一些獨特方向上孵化新的產業空間。

據了解,南方電網已將“電力系統自主專用芯片”納入公司“十四五”規劃10大重點研發方向和8大產業鏈方向之一。下一步,將按照“成功一個試點一個,試點一個推廣一片”的工作思路,逐步提高電網多領域場景新增設備的自主芯片覆蓋率,實現國產工業控制芯片規模化應用,防范化解電網安全運行重大風險。

核心技術是國之重器,最關鍵最核心的技術要立足自主創新、自立自強。南方電網作為數字電網的設計者、倡導者,有基礎,也有能力主導芯片技術與電網應用的深度融合。當前,南方電網在電力專用芯片領域,走出了一條完全國產自主可控的技術領域,奠定了科技自主自強的關鍵基礎。

摘自 北極星智能電網在線

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